Il Club del Gommone

Analisi sui nuovi motori a 2T.
Come sappiamo il 2007 è l'anno in cui le case motoristiche mondiali hanno cessato la produzione dei motori 2T a carburatore.
Oggi la produzione mondiale di motori vede lo strapotere dei motori a 4 T, in cui i giapponesi sono i veri Leader di mercato e solo recentemente le case motoristiche americane stanno cercando di colmare questo gap tecnologico.
Nel frattempo uno sparuto gruppo di costruttori ha investito nello sviluppo di motori a 2T di nuova concezione (2T ad iniezione diretta), che sono in grado di soddisfare i nuovi requisisti ambientali che hanno decretato la morte del motore a 2 T tradizionale.
Attraverso questa analisi vedremo di comprendere perché i 2T di nuova generazione potrebbero avere ancora molto da dire in campo nautico e cercheremo di analizzare tecnicamente le tipologie sviluppate dai vari costruttori per lo sviluppo dei nuovi motori a 2T ad iniezione diretta.

Ricordiamo che il consumo specifico è un parametro importantissimo per un motore in quanto esso esprime la potenza sviluppata nei termini della quantità di combustibile spesa per ottenerla ed è utile per stimare i consumi.
Essa generalmente ha i seguenti valori indicativi:

Per avere i consumi specifici in litri/h dobbiamo ricordare che un litro di carburante ha un peso specifico 800 gr/litro pertanto se durante la navigazione il motore eroga 60CV, ecco che con un 2T tradizionale consumiamo 24 litri/h, mentre con un motore 4T ne consumiamo circa 14 litri/h.

Dobbiamo ora sfatare un mito, in quanto molti non sanno che i motori a 2T hanno un'economia di consumi migliore rispetto ad un 4T se non esistesse il problema della perdita di combustibile allo scarico.
Il grosso problema dei consumi in un 2T tradizionale sta proprio nella perdita di combustibile allo scarico in cui si arriva a perdere fino anche il 70% della miscela di carica.
Ecco spiegato perché i 2T tradizionali sono così assetati rispetto ad una motorizzazione a 4T.
Adesso vediamo di analizzare perché i 2T hanno dei consumi migliori.
Il primo aspetto fondamentale in un 2T è che il valore delle perdite di pompaggio resta costante al variare del regime di rotazione (vedi fig.1.1), contrariamente a quanto accade in un 4T in cui esse aumentano man mano che il regime di rotazione diminuisce.

La ragione di tutto questo risiede nel fatto che in un motore a 4T le fasi di ricambio della carica vengono forzate dal moto del pistone, quindi per ridurre la portata di fluido motore è necessario adottare una cospicua laminazione in aspirazione alla quale si associa una altrettanto sensibile dissipazione di energia a carico del propulsore. In un 2T dato il grande spazio morto tra carter-pompa è sufficiente operare modeste laminazioni per ottenere forti riduzioni del riempimento e quindi riduzioni di potenza del motore.
Altro elemento a favore dell'efficienza del motore a 2T è la minore entità delle perdite per attrito, dovuta sia allo schema meccanico semplificato che lo caratterizza (assenza di valvole), sia dal fatto che un ciclo è compiuto in un solo giro; tutto ciò permette di avere delle pressione medie effettive (pme) più alte rispetto ad un 4T pertanto a parità di pme si ha un rendimento maggiore senza poi considerare la presenza dell'apparato di distribuzione e della pompa dell'olio. Ricordiamo che a parità di cilindrata, a prescindere dal tipo di motorizzazione, avere una pme alta significa avere anche una coppia maggiore infatti abbiamo:

C= K*V*pme/125.6
Con K= 1 per un motore a 4T, 2 per un motore a 2T
V= cilindrata espressa in cm3
pme = pressione media effettiva espressa in bar
C= coppia motrice in Nm (se vogliamo i Kgm dobbiamo dividere il valore ottenuto per 9.81)

I 2 T tradizionali presentano però due grandi problemi:
1) elevate emissioni di incombusti (HC)
2) cattive combustioni.

Questi problemi sono legati al peculiare processo di sostituzione della carica, che implica il cortocircuito allo scarico di parte della carica fresca immessa nel cilindro, la fuoriuscita di questa per effetto del movimento del pistone ed infine una notevole permanenza dei gas combusti residui all'interno del cilindro.

Per rispettare le nuove normative ambientali (CARB2008, EPA, EURO ecc.) un motore a 2T deve ridurre le emissioni di idrocarburi combusti (HC) e limitare i problemi delle cattive combustioni senza pregiudicare l'alta potenza specifica del motore.
Per minimizzare i livelli di HC nella maggior parte dei regimi e dei carichi possibili è necessario che durante il lavaggio non vengano perse neanche piccole quantità di combustibile, poiché queste incrementerebbero in maniera drastica le emissioni.
Per questi motivi si comprende come una efficace riduzione dei consumi e delle emissioni in un motore 2T debba essere attuata agendo sia sulla perdita di combustibile, conseguente al processo di lavaggio, sia sul miglioramento della combustione ai bassi carichi.
Il problema delle perdite di combustibile durante il processo di sostituzione della carica può essere risolto in modo radicale facendo si che il carburante non venga coinvolto nel processo di lavaggio. Il combustibile deve pervenire all'interno del cilindro in modo indipendente dall'aria e solo dopo che la luce di scarico sia stata chiusa; in questo modo l'inevitabile cortocircuito interesserà solo l'aria.
La soluzione tecnica naturale è l'iniezione diretta di combustibile nel cilindro.

Facile a dirsi, ma l'iniezione diretta nei motori a 2T risulta più difficile rispetto a un 4T a causa dei ridotti tempi a disposizione e per fare un esempio un motore a 2T funzionante a 6000 g/min il tempo a disposizione per l'iniezione, l'evaporazione ed il mescolamento (eventi non sovrapponibili) è di circa 2.5 millisecondi.
Il vantaggio dell'iniezione diretta risiede nella possibilità di aumentare il rapporto di compressione, questo perché l'eventualità della detonazione risulta più remota dato che il combustibile introdotto direttamente nella camera di combustione evapora e sottrae calore alla massa d'aria presente nel cilindro.
L'altro obiettivo da perseguire, ossia il miglioramento della combustione ai carichi parziali, è quello della stratificazione della carica.
Per stratificazione della carica intendiamo, nel caso dei motori ad iniezione diretta dopo aver effettuato un abbondante lavaggio atto a ridurre il più possibile la presenza dei gas combusti nella camera di combustione, una realizzazione di miscela aria-combustibile stechiometrica (14.7 parti di aria ed 1 di benzina) solo in prossimità della candela mentre nel resto della camera di combustione sia avrà una miscela povera o addirittura solo aria (si hanno mediamente valori da 30 a 50 parti di aria ed 1 di benzina).
In questo modo viene facilitato l'innesco della combustione oltre che il suo progredire fino al coinvolgimento di tutto il combustibile presente nella camera di combustione.
La strategia per ottenere la stratificazione è quello di operare una iniezione ritardata (late injection), quindi i tempi sono ancora più ristretti di quelli indicati in precedenza anche se la stratificazione si effettua a regimi medio bassi. Occorre inoltre avere una pressione di iniezione elevata per l'ottenimento di un grado di microomogeneità accettabile dato che si inietta in un ambiente a pressione maggiori di 5 bar.
Il bassissimo tempo a disposizione per la combustione costituisce il maggiore vincolo, poiché se al momento dell'innesco sono presenti ancora parti di carburante non completamente evaporato o miscelato all'aria, questo brucia più lentamente dando origine ad una notevole emissione di particolato.
Un ulteriore vantaggio della stratificazione della carica è la possibilità di alimentare il motore con una miscela complessivamente povera ottenendo così delle temperature di combustione minori e quindi meno produzione di NOx.

Il carburatore ha rappresentato fino ad oggi la soluzione più economica per il 2T, il principio di funzionamento, come noto si basa sul cosiddetto effetto Venturi, consistente in una trasformazione da energia di pressione in energia cinetica indotta da un opportuno restringimento della sezione del condotto (figura 1.2).

Il ricorso ai sistemi di iniezione è stato quindi una inevitabile necessità in campo automobilistico/ motociclistico a causa di pressioni legislative di numerosi governi (Stati Uniti, Comunità Europea, Giappone). In questi anni si è avuto un fortissimo impulso nella ricerca di sistemi innovativi di formazione della miscela e la conseguenza di ciò è stato il raggiungimento di risultati che fino a poco tempo fa potevano sembrare impensabili (fig 1.3)

Come ricordato in precedenza, per l'applicazione di sistemi ad iniezione diretta, nel caso di un motore a 2T si incontrano, a parità di condizioni, maggiori difficoltà perché si deve operare con una frequenza di iniezione doppia rispetto ad un motore a 4T. In figura 1.4 è rappresentato uno schema classico di motore a carburatore, mentre in fig.1.5 è rappresentato uno schema di motore ad iniezione diretta.

Un grande aiuto alla diffusione dei sistemi ad iniezione diretta è stato dato da sofisticati sistemi di controllo elettronico che permettono di utilizzare circuiti e mappature di centraline molto complesse in grado di eseguire in modo ottimale le mutevoli esigenze del motore.
Per quanto riguarda il problema del ridotto tempo a disposizione per preparare una miscela dalle caratteristiche adeguate, la soluzione viene fornita da iniettori ad alta pressione in grado di generare uno spray finemente polverizzato, in modo tale da avere in un intervallo di tempo ridotto una omogeneizzazione della carica almeno intorno alla candela.
Le caratteristiche dello spray dipendono da numerosi fattori, di cui i principali sono:

Particolare attenzione deve essere posta all'ultimo fattore, in quanto risulta decisivo per ottenere la stratificazione a vari regimi di rotazione, inoltre si deve posizionare l'iniettore in punti strategici nella camera di combustione.
Qui entrano le esperienze e le ricerche effettuate dai costruttori per le varie ottimizzazioni ad esempio il sistema GDI Mitsubishi ha adottato una particolare conformazione del cielo del pistone, il quale diventa un elemento attivo nella fase di formazione della carica deviando il flusso di combustibile, proveniente dall'iniettore, verso la candela in modo da garantire in prossimità di questa un sufficiente apporto di benzina (fig. 1.6).

Questo esempio anche se si riferisce ad un motore a 4T mette in evidenza l'importanza che può assumere la geometria della camera di combustione, non solo per impartire la necessaria turbolenza al flusso d'aria in ingresso ma anche come mezzo determinante per ottenere una carica stratificata.

Sistemi ad iniezione diretta applicati ai 2T ad accensione comandata.
Numerose soluzioni sono state proposte finora da diversi costruttori ed in ogni caso possiamo distinguere tra i seguenti sistemi di base:

Si ha una iniezione diretta di miscela aria/combustibile molto ricca, poiché si è visto che iniettando una emulsione con queste caratteristiche si migliora la polverizzazione del combustibile aumentando la velocità di polverizzazione, con minori tempi di deposito di combustibile in corrispondenza dell'apertura dell'iniettore. Questo miglioramento comporta in realtà una maggiore complicazione del sistema e sopratutto un controllo peggiore sulla quantità di benzina iniettata. I sistemi proposti da Piaggio, IAPAC, Orbital, hanno il vantaggio di una elevata velocità del getto (legata all'energia cinetica), ma vi è una grossa difficoltà nello stratificare poiché si hanno basse pressioni di iniezione.

b) sistemi single fluid

Praticamente consiste nella iniezione di solo combustibile, è sicuramente il modo più naturale e concettualmente più semplice per operare una iniezione, ma deve far fronte al limitato tempo a disposizione per creare la giusta miscelazione tra aria e combustibile. Necessita di alte pressioni di iniezione e presenta rischi di depositi carboniosi sulla testa dell'iniettore. Tra i sistemi proposti più interessanti sono Ficth e Ram Tuned.

1) Piaggio Fast
Nel sistema Fast (fig. 1.7) la pressione di iniezione pari a 3-4 bar è generata da un compressore a stantuffo collocato sulla testa del cilindro ed azionato dall'albero motore tramite cinghia di trasmissione.

Il combustibile proveniente dal carburatore entra nel compressore dove si forma una miscela ricca. Il Vantaggio di questa soluzione sta nella possibilità di far pervenire il combustibile nel cilindro con un ritardo adeguato a dar luogo alla stratificazione della carica. Infatti quando la differenza di pressione tra cilindro e cilindretto del compressore supera 3 bar, una valvola si apre automaticamente determinando il passaggio della miscela ricca dal compressore alla camera. Purtroppo questo motore non è mai stato sviluppato per poter realizzare la stratificazione bensì per il funzionamento in carica omogenea con gli inconvenienti di cattive combustioni ai bassi carichi, tipiche dei 2T tradizionali. Inoltre la soluzione Piaggio Fast è costruttivamente complessa e costosa.

2) Motore a carica stratificata dell 'Institut Francais du Pétrole (IAPAC)
L'IFP ha sviluppato un sistema che sfrutta l'aria compressa dal carter-pompa per assistere l'iniezione del combustibile. Tale sistema denominato IAPAC ( dal francese Injection Assistee Par Air Comprimè) è schematizzato in fig. 1.8.
Da questo si può comprendere il principio di funzionamento: il carter riempie un serbatoio di accumulo con aria compressa grazie ad una valvola a lamelle; da qui l'aria fluisce nel cilindro attraverso una valvola a fungo.

Un iniettore a bassa pressione inietta una data quantità di combustibile, che va a depositarsi sul fungo della valvola; in questo modo il combustibile ha un certo tempo di residenza che permette una parziale evaporazione prima dell'apertura della valvola e quindi dell'iniezione vera e propria nel cilindro. La qualità del getto aria-benzina è ulteriormente migliorata dalla forma a tubo di Venturi della sede valvola. La restante parte di benzina non evaporata avrà tutto il tempo necessario per miscelarsi con l'aria pompata attraverso le classiche luci di lavaggio. Da notare l'estrema importanza della posizione valvola-iniettore: sufficientemente lontana dalla luce di scarico, per ridurre al massimo i pericoli di cortocircuito e strategicamente collocata in modo tale da facilitare, con l'interazione dei flussi interni al cilindro, la formazione di una miscela stratificata a partire dalla posizione della candela. I risultati al banco di prova ottenuti con un motore di 250 cm3 sono stati una potenza massima raggiunta di 15 CV a 4500 giri/min, quindi si ricava una potenza specifica di 60 CV/litro con consumi specifici pari a 185 gr/CV/h.
Gli svantaggi di questo sistema di iniezione sono:
a) motore costruttivamente complicato e quindi costoso
b) non si ha la possibilità di ottenere una buona stratificazione, poiché si deve iniettare piuttosto in anticipo rispetto al punto morto superiore perché all'interno del serbatoio di accumulo non si raggiungono pressioni elevate.
In campo nautico il motore IFP è stato adottato dal costruttore SELVA.

3) ORBITAL
Il cuore di questo sistema è un iniettore comandato da un solenoide che inietta una miscela aria-combustibile finemente polverizzata direttamente nella camera di combustione (fig. 1.9 illustra il sistema di iniezione).

L'iniettore del combustibile prima invia una quantità controllata di combustibile nella camera ad aria nella quale si raggiunge una pressione di 6 bar in corrispondenza dell'iniettore ad aria, quest'ultimo inietta la miscela di aria e benzina sotto forma di una nuvola finemente polverizzata.

Le piccole dimensioni delle particelle che si possono ottenere con questo sistema a bassa pressione permettono una evaporazione molto veloce del combustibile, minimizzando il tempo per la preparazione della miscela all'interno del cilindro. Questo sistema, in combinazione con un'adeguata forma della testata e della cielo del pistone, entro certi limiti permette il processo di stratificazione della carica. L'aria compressa richiesta per il processo di iniezione è fornita generalmente da un piccolo compressore a stantuffo azionato da una camma posta sull'albero motore come mostrato in fig. 1.10

Il combustibile è invece fornito da una pompa convenzionale operante ad una pressione compresa tra 6.2 e 7.2 bar (fig. 1.11).

I risultati di questo sistema sono notevoli: bassi consumi specifici (si può raggiungere un'economia fino al 20% rispetto ai 2T convenzionali con valori che si aggirano sui 220-260 gr/CV/h), riduzioni drastiche di HC e CO. L'olio viene gestito mediante un ulteriore sistema di iniezione che provvede a lubrificare i punti critici del motore ottenendo fumosità zero e candele sempre pulite.
Gli inconvenienti di questo sistema sono molteplici tra i quali si ricorda:
a) la pressione di iniezione si aggira intorno a 6 bar, quindi non è possibile ritardare molto la fase di iniezione, poiché la pressione all'interno del cilindro sale bruscamente dopo la chiusura dello scarico. Del resto innalzare la pressione di iniezione comporterebbe uno spreco di lavoro eccessivo ai bassi carichi.
b) L'iniettore tende a sporcarsi poiché, per mantenere un minimo di stratificazione e non potendo iniettare in ritardo, si deve accendere quando l'iniettore è ancora aperto, questo implica che parte dei gas combusti entrano all'interno dell'iniettore stesso, formando depositi carboniosi; inoltre l'accensione anticipata pregiudica il rendimento del motore.
c) Il sistema risulta complesso e costoso.
Questo sistema è stato adottato da Aprilia (DI Tech) e successivamente da Piaggio (Pure Jet) e in campo nautico da MERCURY con i suoi Optimax e da TOHATSU con i suoi TLDI.

4) Sistema di iniezione FICHT
Questo dispositivo inietta all'interno della camera di combustione solo combustibile. La modalità con cui viene fornita pressione al fluido è abbastanza semplice ed intuitiva: tenendo presente le due figure 1.12 ed 1.13

il combustibile viene dapprima pompato all'interno del piccolo cilindro dell'iniettore mentre lo stantuffo pompa si porta al punto morto per poi essere accelerato dal solenoide sempre mantenendo la valvola 3 aperta. Lo stantuffo nel suo moto chiude la valvola 3, la pressione del combustibile si innalza causando l'inizio dell'iniezione. Il sistema ha il pregio di raggiungere il completamento dell'iniezione in breve tempo, oltre ad avere buone caratteristiche dello spray, tali da garantire elevata efficienza e bassi consumi analoghi ad un motore a 4T di pari potenza (si veda anche la prova comparativa tra johnson 90CV 4T ed E-TEC 90 CV, comparsa sulla rivista Il Gommone n°227). Complessivamente il sistema risulta composto da pochi elementi di piccolo ingombro e di forma allungata che si adatta perfettamente all'alloggiamento in una piccola testata di un motore. Occorre sottolineare che questo dispositivo ha un principio di funzionamento simile a quello del sistema Ram Tuned (successivamente descritto), nel senso che viene sfruttato in entrambi il fenomeno del colpo d'ariete, ma, mentre nel Ram Tuned è il fluido che accelera per poi arrestarsi improvvisamente alla chiusura di una valvola, nel sistema Fitch è un pistone che va ad impattare contro il fluido mandandolo in pressione. Le caratteristiche di questo sistema di iniezione sono particolarmente adatte ad un motore a 2T: la curva di pressione e quindi la qualità dello spray è indipendente dalla quantità iniettata di combustibile e dalla velocità del motore; essendo molto breve il picco di pressione (0.2-1.5 millisecondi; 25-65 bar) permette al'iniettore di aprirsi e chiudersi velocemente, consentendo così una buona polverizzazione del combustibile. In tali circostanze possono essere iniettate sia piccole che grandi quantità di combustibile( da 1 a 50 mm3). Il sistema può essere totalmente controllato in maniera elettronica in quanto è meccanicamente disaccoppiato dal motore è così possibile operare le correzioni necessarie ad un buon funzionamento nelle varie condizioni di carico, velocità, temperatura ecc.; sono possibili velocità di rotazione del motore molto elevate (maggiori di 10000 giri/min) grazie al breve tempo necessario all'iniezione e all'inerzia elettro magnetomeccanica relativamente bassa. Il sistema di lubrificazione è analogo al sistema Orbital.Grazie alla compattezza dell'iniettore esiste la possibilità di installarlo anche su piccole cilindrate.
Gli svantaggi principali di questo sistema sono:

5) Sistema di iniezione diretta Ram Tuned
Il principio di funzionamento di questo sistema, nato inizialmente per i motori Diesel, si basa sul ben noto fenomeno detto comunemente colpo d'ariete: un generico fluido in movimento e arrestato improvvisamente, da luogo ad un aumento di pressione. Una analisi teorica del fenomeno è quanto mai complessa, l'unico modo per analizzare quantitativamente il colpo d'ariete per poi sfruttarlo in un sistema di iniezione è la sperimentazione diretta. Lo schema del sistema Ram Tuned è mostrato in fig.1.14 ed è composto da elementi comuni e facilmente reperibili sul mercato.

Le fasi in cui si svolge il ciclo di iniezione sono sostanzialmente tre. In una prima fase, la valvola a solenoide è inizialmente chiusa, impedendo così il passaggio di combustibile nel circuito secondario (filtro-pompa-regolatore di pressione- accumulatore di pressione - valvola di smorzamento- tubo di accelerazione-linea di ritorno, ossia il circuito segnato in blu nella fig.1.14)
Quindi il fluido passerà soltanto lungo il circuito primario (filtro-pompa - regolatore di pressione- linea di riversamento, ossia il circuito segnato in rosso della fig. 1.14), grazie all'azione di una pompa che fornisce un valore di pressione generalmente fissato tra i 4 e 6 bar, ritornando direttamente al serbatoio.
La seconda fase prende inizio nel momento in cui viene aperta la valvola a solenoide grazie al comando generato da una centralina elettronica. A questo punto il combustibile è libero di muoversi attraverso il circuito secondario, accelerando fino al momento in cui viene chiusa di nuovo la valvola solenoide. La terza ed ultima fase inizia, con l'impatto del fluido in movimento contro la valvola seguito da una crescita immediata della pressione fino a valori massimi prossimi ai 50-60 bar. Il segnale di pressione si propaga come un'onda alla velocità del suono all'interno delle tubazioni (parliamo di 5000 m/sec), raggiungendo in particolare l'iniettore; la pressione vince la forza di opposizione dello spillo ed inizia l'iniezione. L'onda generata si propaga anche in direzione opposta alla corrente fluida, raggiungendo un dispositivo di smorzamento in grado di assorbire parte dell'energia trasportata. In tale modo si evita che i picchi di pressione riflessi possano portare ad aperture indesiderate dell'iniettore. Una volta finito l'effetto del colpo d'ariete in breve tempo il sistema si ristabilizza ritornando alle condizioni iniziali. Attraverso prove sperimentali si è verificato che le caratteristiche dell'onda di pressione sono indipendenti dalla frequenza di funzionamento in una gamma piuttosto ampia che va da 1 Hz a 200 Hz (ossia regimi di rotazione da 60 g/min a 12000 g/min). Il sistema di lubrificazione è analogo a quello descritto nel sistema Orbital.
Questo sistema ha gli stessi svantaggi del sistema Ficht ma aggravati dall'alta sensibilità alle eventuali bolle di vapori/aria nei condotti.
Questo sistema è stato adottato da YAMAHA con i suoi HDPI.

L'evoluzione dei sistemi di iniezione e dell'elettronica nella gestione del motore ha permesso di ridurre drasticamente le emissioni riportandole entro i valori che richiedono le normative ambientali e come conseguenza abbiamo sul mercato motori a 2T di nuova generazione con consumi simili a quelli dei 4T, ma come svantaggio abbiamo perso la semplicità originaria di un 2T tradizionale in cui si poteva intervenire sui malfunzionamenti armati di pinza, chiave e cacciavite e ripartire.
Ogni casa costruttrice (Tohatsu, Mercury, Evinrude, Yamaha, Selva) ha adottato filosofie differenti ed il motore a 2T ad iniezione diretta perfetto non esiste, sarà il tempo a decretare la tecnologia vincente tra i nuovi 2T, in funzione dell'affidabilità dei motori e dell'assistenza della case costruttrici. Possiamo dire che il sistema di iniezione diretta ha trovato applicazione commerciale nei motori marini, dimostrando prestazioni interessanti in quanto consumi ed emissioni sono comparabili con quelli dei motori a 4T.

La scelta di ognuno di noi tra un 4T ed un 2T ad iniezione diretta dovrà tener conto di vari parametri quali:
1) ore annuali di navigazione, in modo da considerare i costi dei consumi di olio ( nel caso dei motori ETEC è lo 0.5% ) del 2T rispetto al cambio dell'olio motore presente nel 4T
2) minori costi e problemi di manutenzione di un 2T di nuova generazione rispetto ad un 4T (olio motore e filtro da cambiare , cinghia della distribuzione, ecc.).
3) Pesi ed ingombri rispetto ad un motore 4T di pari potenza
4) Migliore coppia disponibile rispetto ad un 4T.