Utilità dell'espansione nei motori 2T, con particolare riferimento al fenomeno del lavaggio, e i motivi per cui modificare l'espansione può peggiorare le prestazioni

PREMESSA: L'articolo è una semplificazione di argomenti teorici riguardanti gli aspetti fluidodinamici di alcuni fenomeni che si verificano allo scarico dei motori 2t. Spero quindi, con la sua stesura, di non offendere chiunque abbia esperienze pratiche e dirette che si possano discostare in misura più o meno grande rispetto a quanto di seguito descritto.

Prima di arrivare al cuore dell'argomento, vorrei spendere alcune righe in una breve introduzione qualitativa del fenomeno del lavaggio.
Il lavaggio nei motori a 2 tempi sostituisce fondamentalmente le fasi di aspirazione e scarico dei motori a 4 tempi, esso può essere effettuato:

• con miscela aria/benzina nei motori a benzina con carburatore; 
• con aria nei motori a benzina ad iniezione; 
• con aria nei motori diesel. 

Semplificando al massimo il processo, considerando valide le ipotesi di uniforme miscelamento, potremo dire che l'aria (o miscela a seconda del caso) entra nel cilindro dalla luce di aspirazione, quando questa si apre, e si miscela con i gas combusti ivi presenti. Quindi in uscita dalla luce di scarico avremo sia aria che gas combusti, mentre all'interno del cilindro avremo una parte residua dei gas combusti miscelata con la carica fresca.

Questa quantità di massa di aria (o miscela) e gas combusti presente all'interno del cilindro ci da una misura del coefficiente di riempimento, un fattore strettamente correlato alle prestazioni del motore: nel caso specifico si ha che a parità di altre condizioni di funzionamento, aumentare il riempimento produce un aumento della potenza utile del motore.

Nella maggior parte delle applicazioni si utilizza come pompa di lavaggio il carter-pompa: si sfrutta la compressione che si verifica nel volume compreso tra la superficie inferiore del pistone e il carter, durante il moto alterno del del pistone stesso.

Nella pratica dunque, quando il pistone sale si verifica una compressione nella camera di combustione (superiore) e un' espansione nella camera inferiore che comporta un aspirazione di aria all'interno del carter pompa. Quando il pistone inizia la sua corsa di discesa, all'espansione che si verifica in camera di combustione corrisponde la compressione della carica fresca nel volume sottostante. Tale carica fresca verrà inviata tramite un condotto esterno, una luce o un condotto interno al pistone stesso (a seconda delle modalità costruttive), all'interno del cilindro per spazzare i gas residui.

Detto questo, risulta di immediata comprensione, a valle di ciò che è stato accennato per il coefficiente di riempimento, che ottimizzare il lavaggio sia nella fase di aspirazione che nella fase di scarico permette di migliorare le prestazioni di un propulsore.

Passiamo ora all'analisi della funzione della capacità che viene posta a valle dello scarico, comunemente indicata con il termine di "pancia" o espansione, che convoglia i gas di scarico al silenziatore.

In tempi ormai andati era in voga la pratica di forare la marmitta, realizzando uno scarico "aperto", o in alcuni casi di rimozione completa della stessa, con l'idea di migliorare le prestazioni del motore. Ovviamente tale pratica aveva solo due effetti, entrambi negativi:

1. un maggior consumo di combustibile; 
2. un calo della potenza utile. 

La spiegazione di quanto appena affermato è "presto" detta.

Progettare un motore a benzina due tempi che riduca al massimo i consumi a fronte di una potenza massima erogabile, significa avere un coefficiente di riempimento e un rendimento volumetrico i più alti possibile, condizioni realizzabili aumentando la pressione di alimentazione del motore e realizzando una contropressione allo scarico.

Nel caso specifico, con il termine rendimento volumetrico si indica il rapporto tra la massa di miscela che rimane nel cilindro e la massa totale che viene fornita per il lavaggio, esso è una misura della quantità di miscela che viene "sprecata" durante il lavaggio: per esempio un rendimento volumetrico pari a 0,8 indica che il 20% della miscela utilizzata per effettuare il lavaggio viene scaricata dalla luce insieme ai gas combusti, venendo in definitiva sprecata.

Immaginiamo ora per semplicità di assimilare la capacità o "espansione" ad un collettore di un dato volume, e che questa sia collegata a monte con il motore, mediante un tubo sottile assimilabile ad una strozzatura, e a valle con il silenziatore, assimilabile anch'esso ad una strozzatura:

In questa configurazione la miscela in uscita dalla luce di scarico viene messa in comunicazione con la capacità, all'interno della quale regna una pressione molto bassa, approssimabile alla pressione ambiente, del valore di circa 1 bar. Grazie al notevole gradiente di pressione presente tra il cilindro e la capacità, lo scarico spontaneo della miscela avviene molto rapidamente, permettendo così una riduzione del tempo necessario all'inizio di una nuova fase di lavaggio.

Nel contempo il collettore si è riempito di miscela e la pressione al suo interno è cresciuta notevolmente rispetto al suo valore iniziale, grazie alla presenza della strozzatura allo scarico che non permette una fuoriuscita istantanea dei gas, realizzando così la sopra citata e desiderata contropressione allo scarico.

Nel momento in cui si coprono le luci di lavaggio, il collettore inizia lentamente a svuotarsi, sempre grazie alla presenza della strozzatura, e la pressione scende gradualmente fino a raggiungere nuovamente il valore ambientale, ripristinando così le condizioni ideali ad accogliere un nuovo flusso di gas di scarico, in concomitanza con la successiva apertura delle luci di lavaggio.

Dopo aver fatto queste considerazioni, risulta chiaro che forare o peggio, rimuovere la marmitta, permette di avere una fase di scarico spontaneo a velocità maggiorata, poiché si mette in comunicazione il cilindro direttamente con l'ambiente (nel caso della rimozione), ma d'altra parte viene meno la contropressione dei gas di scarico necessaria per avere un alto valore della pressione di alimentazione del cilindro. Diminuendo il valore della pressione di alimentazione diminuiscono anche i valori del coefficiente di riempimento e del rendimento volumetrico, le cui diminuzioni provocano rispettivamente la diminuzione della potenza utile del motore e l'aumento dei consumi di combustibile.

Spero di non avervi tediato troppo con questa breve descrizione qualitativa della funzionalità dell'espansione nella marmitta dei motori due tempi. Se avete letto fin qui porgo i miei più sentiti ringraziamenti.