Il Motore a 2 tempi a Iniezione

Saturday, July 25th, 2009

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Il motore a 2 tempi ad iniezione è presente sul mercato da circa 7 anni, eppure in pochi conoscono appieno l’evoluzione del 2 tempi per ridurre drasticamente le emissioni inquinanti e mantenere a livelli bassissimi i consumi. Con questo articolo scopriamo quali sono realmente le potenzialità di tali propuslori rispetto ad un classico 2 tempi a carburatore, quali sono i limiti, i costi e gli svantaggi in fase di costruzione.
Se sul 2 tempi ormai è stato detto di tutto, lo stesso non si può ancora dire per la nuova generazione ad iniezione elettronica!

Ciao ragazzi al giorno d’oggi sentiamo molto parlare di motori a 2t ad iniezione, e pochi di noi sanno come funzionano questa tipologia di propulsori. Io dopo aver letto un libro riguardante questi motori mi e venuta la pazzia di fare una guida, alcune foto le ho trovate in internet e di conseguenza si vedono bene altre invece le ho dovute scannerizzare quindi non sono un granchè.

Intanto  per cominciare dobbiamo dire che il pure jet e il ditech derivano dallo stesso progetto ma sono fabbricati da due fabbriche diverse:

– Il pure jet e costruito dalla piaggio;

– Invece il ditech e costruito dalla morini.

Iniezione sui motori a 2T.

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 3 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, 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.

Motore iniezione

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.

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. Qui di seguito c’è rappresentato uno schema classico di motore a carburatore, è uno schema di motore ad iniezione diretta.
Funzionamento 2t injection

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:
1) caratteristiche geometriche dell’iniettore
2) parametri del sistema di iniezione (pressione)
3) condizioni fluidodinamiche e termodinamiche dell’aria all’interno della camera di combustione (grado di turbolenza, densità, ecc.)
4) caratteristiche geometriche della camera di combustione.

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 della 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.

Funzionamento 2t injection
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 2 sistemi ma a noi ci interessa soltanto il Air-assisted.

Sistema air-assisted.

Nel sistema Air-assisted 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.

Ora analizziamo i sistemi di iniezione addottati dalla piaggio e della aprilia:

1-Piaggio Fast.

Nel sistema Fast 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.

Motore iniezione
2 – 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.

Motore 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 nella foto qui di seguito.

Motore iniezione
Il combustibile è invece fornito da una pompa convenzionale operante ad una pressione compresa tra 6 e 7 bar.

Motore iniezione
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).

Conclusioni:

Sia la Piaggio che la Morini hanno come punto di partenza lo stesso progetto, creato dalla Orbital ( sito ufficiale: www.orbeng.com.au ).

L’evoluzione di questi sistemi di iniezione hanno 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 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.

Fonti:

http://www.lucanengine.com/

http://www.clubdelgommone.it/

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