IL CICLO A QUATTRO TEMPI

Fase di aspirazione
Il pistone scende verso il PMI e richiama la miscela aria-benzina all'interno del cilindro. In questa fase il gruppo pistone-cilindro si comporta esattamente come una pompa e si ha un assorbimento di potenza dell'albero a gomiti (che deve appunto azionare la "pompa"). In effetti la fase di aspirazione inizia ancor prima che il pistone abbia cominciato la sua corsa verso il PMI. La valvola di aspirazione infatti si comincia ad aprire con numerosi gradi di anticipo rispetto al PMS (e quella di scarico termina di chiudersi un bel po' dopo). E possibile cosi sfruttare la depressione che i gas combusti (che lasciano il cilindro a elevata velocità) creano dietro di se per mettere in movimento la "colonna" dei gas freschi nel condotto di aspirazione prima ancora che il pistone abbia iniziato la corsa di aspirazione. Analogamente si cerca di sfruttare al meglio l'inerzia della colonna gassosa che entra nel cilindro per migliorare il riempimento; a tal fine si fa chiudere la valvola di aspirazione con un considerevole ritardo rispetto al PMI (che è il punto nel quale il pistone cessa di esercitare la sua azione aspirante). I gas che entrano nel cilindro ai regimi elevati sono infatti dotati di una considerevole velocità e di conseguenza sono riluttanti ad arrestarsi repentinamente. Essi continuano quindi ad entrare anche dopo che il pistone ha già invertito il suo moto, cominciando a risalire verso il PMS. È ben chiaro che il ritardo di chiusura della valvola viene scelto (come del resto tutta la fasatura della distribuzione) in modo da consentire l'ottenimento del più elevato riempimento entro un ben determinato campo di regimi. In teoria il miglior rendimento volumetrico (cioè la migliore "respirazione" del motore) si ottiene quando la colonna gassosa arresta il suo moto proprio allorché la valvola si chiude. Questo chiaramente si può ottenere solo ad una determinata velocità di rotazione; a regimi più elevati inevitabilmente la valvola si chiuderà troppo presto (quando cioè la colonna gassosa sta ancora entrando nel cilindro) e ai regimi più bassi si chiuderà troppo tardi (cioè quando la colonna gassosa ha già invertito il suo moto e una parte della carica sta uscendo dal cilindro per ritornare nel condotto). È chiaro che in entrambi i casi il rendimento volumetrico del motore ne soffrirà. Al termine della fase di aspirazione la pressione all'interno del cilindro è in genere inferiore (e talvolta anche in misura non trascurabile) a quella atmosferica. E evidente che se tale pressione fosse più elevata di quella atmosferica il rendimento volumetrico del motore risulterebbe Superiore all'unità. Questa condizione si ottiene sempre nei motori sovralimentati; essa si può verificare anche, sia pure in misura molto inferiore, in alcuni motori aspirati di elevate prestazioni, nei quali sfruttando opportunamente l'inerzia delle colonne gassose e le pulsazioni che si verificano all'interno dei sistemi di aspirazione e di scarico, a certi regimi di rotazione effettivamente è possibile ottenere un rendimento volumetrico superiore ad uno.

Fase di compressione
Dopo che la valvola di aspirazione si è chiusa ha inizio la fase di compressione, durante la quale la carica (ovvero la miscela aria-benzina viene portata ad elevata pressione. Come è noto allorché sì comprime un gas questo subisce anche un certo riscaldamento. E quindi chiaro che al termine della fase di compressione la miscela aria-benzina si troverà ad una temperatura considerevolmente più alta di quella che aveva nel momento della chiusura della valvola di aspira. A questo riscaldamento dovuto alla compressione si deve naturalmente aggiungere quello dovuto allo scambio termico con i gas "residui" (sono i gas combusti che, in quantità assai limitata ma non trascurabile, rimangono all'interno del cilindro dopo che è terminata la fase di scarico). Nella prima parte della fase di compressione inoltre, la carica riceve calore dalle pareti del cilindro; continuando il pistone a salire verso il PMS, da un certo punto in poi però la temperatura della miscela aria-benzina, che viene compressa in misura sempre crescente, supera quella delle pareti metalliche e si svolge un processo inverso (la carica cede calore alle pareti del cilindro). Naturalmente agli alti regimi il tempo a disposizione è estremamente ridotto e quindi questo scambio termico è di entità assai minore; per questo motivo quanto più è elevata la velocità di rotazione, tanto maggiore in genere risulta la temperatura della carica alla fine della fase di compressione. In effetti comunque la situazione non è così semplice; lo scambio termico dipende infatti da svariati altri fattori come la quantità di carica presente nel cilindro, la velocità con la quale la carica si muove ed il rapporto tra la superficie lambita dai gas ed il volume che questi occupano. Per quanto riguarda i gas residui, la loro temperatura è di circa 650-800° C. Durante il funzionamento del motore, al termine della fase di compressione i gas presenti nel cilindro raggiungono una pressione dell'ordine di 12-20 bar ed una temperatura di circa 300-500° C; naturalmente i valori sono tanto più elevati quanto maggiore è il rapporto di compressione.

Fasi di espansione e di scarico
La combustione inizia allorché tra gli elettrodi della candela scocca la scintilla e si propaga rapidamente attraverso tutta la camera. La velocità del fronte della fiamma nei motori moderni può raggiungere valori nettamente superiori ai 50 m/s al centro della camera. La pressione massima di compressione si ha diversi gradi dopo il PMS (l0°-20°), quando cioè la biella ha già assunto una certa inclinazione ed il pistone ha già invertito il suo moto; essa può raggiungere i 65-75 bar nei motori di elevata potenza specifica (oltre gli 80 bar il rischio di detonazione è molto serio). La massima temperatura durante la combustione è dell'ordine di circa 2000-2500° C. I gas spingono con forza il pistone verso il PMI nella fase di espansione, che è la fase "utile" del ciclo, durante la quale circa un terzo dell'energia termica liberata dalla combustione viene trasformata in energia meccanica. Dei due terzi rimanenti, una parte viene ceduta al sistema di raffreddamento ed un'altra viene perduta assieme ai gas di scarico (che quando lasciano il cilindro sono ancora molto "energetici"). La valvola di scarico non si apre al PMI ma comincia a sollevarsi dalla sede con un considerevole anticipo rispetto ad esso (45°-85°). In questo modo allorché il pistone inverte il suo moto e risale verso il PMS (fase di scarico) non si trova a dover compiere un considerevole lavoro per espellere i gas combusti attraverso il passaggio valvola-sede dato che già una considerevole parte di essi ha abbandonato spontaneamente il cilindro; inoltre la valvola è già ben sollevata, al PMI, e quindi il passaggio dei gas avviene agevolmente. In altre parole grazie all'anticipo di apertura della valvola di scarico si diminuiscono considerevolmente le perdite per "pompaggio". Si potrà obiettare che a causa della anticipata apertura non si può sfruttare completamente la fase di espansione (quando la valvola si solleva dalla sede i gas si riversano nel condono di scarto e all'interno del cilindro si ha una repentina diminuzione di pressione). In effetti però dal punto di vista della produzione di energia meccanica l'ultima parte della corsa ha un'importanza relativa, dato che la pressione che i gas esercitano sul cielo del pistone oltre ad essere ormai piuttosto bassa è anche assai poco "efficace" a causa del fatto che l'angolo tra la biella e la manovella dell'albero diventa sempre meno favorevole. Alla fine della fase di espansione la pressione dei gas è di circa 4-7 bar e la loro temperatura dell'ordine di 900-l400° C. I gas combusti entrano nel condotto di Scarico, non appena la valvola comincia ad aprirsi, con una velocità che può raggiungere i 600-700 m/s. Nei motori moderni la quantità di gas che esce dal cilindro prima che il pistone raggiunga il PMI è valutabile nel 60-70% del totale. li pistone risale verso il PMS incontrando una resistenza ben ridotta da parte dei gas; la velocità di questi ultimi nel condotto si è nel frattempo abbassata considerevolmente rispetto a quella iniziale ed è ora di circa 250 m/s (e alla fine della fase di scarico diventa ancora più bassa). La temperatura dei gas di scarico è dell'ordine di 75.1000°C. Tutti i dati numerici fin qui forniti si riferiscono naturalmente al motore funzionante con la valvola del gas completamente aperta; essi variano in misura considerevolissima al diminuire ditale apertura. Ad esempio la temperatura dei gas combusti quando il motore funziona al minimo è di circa 250-350°C e sale, ad aperture parziali della valvola del gas e a regimi di rotazione medi a 550-650°C. Per quanto riguarda lo scambio termico tra i gas e le pareti del cilindro, al quale si è già accennato, della quantità totale di calore da essi trasmessa alle superfici metalliche il 63-70% viene ceduto durante la fase di espansione, il 29-35% durante quella di scarico e solo I' 1-2% durante quella di compressione.

IL CICLO A DUE TEMPI
Il motore a due tempi per impiego motociclistico è estremamente semplice: in un monocilindrico con aspirazione di tipo tradizionale, le parti in movimento si riducono infatti all'albero motore, alla biella ed al pistone. Il passaggio dei gas che entrano ed escono dal cilindro è regolato dal pistone che scopre od ostruisce. nei momenti opportuni, alcune aperture (dette "luci") praticate nelle pareti del cilindro stesso. Tutte e quattro le fasi del ciclo (cioè aspirazione, compressione. espansione e scarico) vengono compiute in m solo giro dell'albero a gomiti. Per immettere la miscela aria-benzina nel cilindro occorre una pompa, che viene ricavata nella camera di manovella e nella parte di cilindro al di sotto del pistone: il movimento di quest'ultimo causa una variazione di volume del "carter-pompa" che alternativamente richiama miscela fresca dal carburatore attraverso il condotto di aspirazione e la invia al cilindro motore attraverso uno o più condotti di travaso. In pratica è come se le fasi fossero sei, due delle quali si svolgono nel basamento (aspirazione e precompressione della miscela fresca) e quattro nel cilindro (compressione, espansione, scarico e travaso). Seguiamo ora brevemente il percorso che la miscela aria-benzina compie all'interno del motore. Quando il pistone sale verso il PMS, all'interno del carter-pompa si crea una certa depressione; allorché il mantello del pistone scopre la luce di aspirazione, a causa della differenza di pressione la miscela fresca che si forma nel carburatore viene richiamata all'interno del basamento. La depressione nel carter-pompa è dell'ordine di 0,2 - 0,4 bar. Dopo aver raggiunto il PMS il pistone inverte il suo moto e si dirige nuovamente verso il PMI; quando esso chiude la luce di aspirazione la miscela fresca aspirata precedentemente nel basamento subisce una certa compressione a causa della diminuzione di volume determinata dallo spostamento del pistone ("precompressione"). Ad un certo punto si aprono le luci di travaso (nei motori motociclistici moderni sono sempre più di due) ed attraverso i condotti che le collegano al basamento la carica (ovvero la miscela fresca) viene immessa nel cilindro. sostituendosi (più o meno completamente) ai gas combusti che in esso si trovavano e che stanno attraverso la luce di scarico. Spostandosi dal PMI verso il PMS il pistone chiude le luci di travaso e quindi anche quella di scarico ed inizia la fase di compressione, che si svolge in maniera del tutto simile a quella dei motori a quattro tempi. Un poco prima che il pistone raggiunga il PMS tra gli elettrodi della candela scocca la scintilla ed ha inizio la combustione; segue quindi la fase di espansione (ossia la fase utile del ciclo) nella quale i gas ad alta pressione e temperatura agiscono sul pistone spostandolo velocemente e con forza verso il PMI. Ad un certo punto il margine del cielo del pistone scopre la luce di scarico e i gas, ancora dotati di una notevole pressione, si riversano attraverso di essa ad alta velocità nel condotto dì scarico stesso. All'interno del cilindro si ha un repentino calo di pressione; poco dopo l'inizio della fase di scarico si aprono le luci di travaso e, come già visto, i gas freschi entrano nel cilindro e completano l'espulsione dei gas combusti (fase di "lavaggio"). E chiaro che la luce di scarico si deve aprire con un certo anticipo rispetto a quelle di travaso, in modo da far sì che i gas vadano dal basamento al cilindro e che non si verifichi il contrario. Nel funzionamento a pieno carico la temperatura dei gas combusti è dell'ordine di 6500C, valore sensibilmente inferiore a quelli che si hanno nei 4T. Questi gas sono infatti diluiti da una cospicua quantità di miscela fresca e inoltre durante la combustione si raggiungono temperature più basse a causa della considerevole presenza di gas combusti nella carica. La precompressione porta i gas nella camera di manovella ad una pressione di 1,3 - 1,5 bar e quindi è evidente che la pressione nel cilindro, allorché si aprono le I luci di travaso, deve essere inferiore a questo valore. In base a quanto detto finora appare evidente che i problemi del motore a due tempi sono di natura "respiratoria", a causa anche del breve tempo a disposizione per aspirare la carica nel basamento e per effettuare la immissione della carica stessa nel cilindro. L'ottenimento di un buon lavaggio non è certamente semplice (ci Sono voluti molti anni di studi e ricerche sperimentali per raggiungere gli attuali risultati); è infatti necessario ridurre al minimo i miscelamenti tra la carica ed i gas combusti e le perdite di miscela fresca attraverso la luce dì scarico.