Se qualcuno di voi possiede delle moto o è in procinto di procurarsene una, all’atto dell’acquisto certamente si porrà un’annosa questione: compro un motore a 2 tempi o a 4 tempi? C’è un modo per stabilire quale sia la migliore? È anche possibile che non abbiate mai posto direttamente la domanda a qualcuno, perché spaventati che potesse suonare troppo stupida: non temete, stiamo arrivando in vostro soccorso.
La struttura
Per poter rispondere a questo interrogativo bisogna innanzitutto partire analizzando la struttura dei motori a combustione interna. Il protagonista è il pistone, che all’interno del cilindro si muove tra il punto morto superiore (TDC) e il punto morto inferiore (BDC), corrispondenti all’altezza massima e all’altezza minima raggiunti dal pistone stesso. Affinché questo moto possa mettere in rotazione un albero (che nella moto fa girare le ruote, mentre in una centrale elettrica fa muovere il generatore) deve essere convertito da movimento lineare a movimento rotazionale e se ne occupa il sistema biella – manovella.
La distinzione tra 4 tempi e 2 tempi riguarda il numero di fasi che compongono un ciclo intero. Quando il pistone fa un movimento completo dall’alto verso il basso (quindi dal TDC al BDC) o viceversa dal basso verso l’alto (dal BDC al TDC) si conta il passaggio di un tempo. Dunque, un motore a 4 tempi completa un ciclo con 4 movimenti del pistone, quindi 2 rotazioni complete del sistema biella – manovella, mentre uno a 2 tempi solo con 2 movimenti e quindi con una sola rotazione completa della biella – manovella.
Il motore a quattro tempi
Nel caso di motori a quattro tempi, le principali fasi sono: aspirazione dell’aria (intake stroke), compressione della miscela (compression stroke), scoppio ed espansione (expansion stroke), espulsione o ‘spurgo’ del cilindro (blowdown stroke).
Le fasi di aspirazione e di espulsione sono controllate da specifiche valvole poste sulla parte superiore del cilindro, che si aprono e si chiudono a garantire il corretto svolgimento delle due fasi. Durante la fase di aspirazione, la valvola di intake si apre e il pistone si porta in corrispondenza del BDC finché tutto il quantitativo di aria non è stato catturato e la valvola si chiude.
Segue la fase di compressione durante la quale il pistone si porta dal BDC al TDC dove si innesca la combustione. A causa degli elevatissimi valori di temperatura e pressione raggiunti, il pistone viene spinto in basso in corrispondenza del BDC: avviene l’espansione, la vera fase attiva del processo dove viene prodotto lavoro utile, mentre tutte le altre sono fasi passive in cui si deve fornire energia al sistema affinché avvengano.
Infine, l’apertura della valvola di spurgo garantisce la fuoriuscita dei fumi esausti, poiché essendo la camera a una pressione inferiore rispetto all’ambiente al di fuori i gas vengono naturalmente risucchiati verso l’esterno. Tuttavia, lo sfruttamento della naturale differenza di pressione non è necessario per garantire l’espulsione completa degli esausti e dunque è necessario un ulteriore movimento del pistone dal BDC al TDC: con questi quattro tempi il ciclo si è concluso ed è pronto per ripartire ancora.
Il motore a due tempi
Parlando ora del motore a due tempi, le fasi sono le stesse del suo parente a quattro tempi ma si svolgono in maniera differente poiché condensate in solo due tempi: lo stesso ciclo si svolge con solo una rotazione completa del pistone invece di due.
Questa miglioria è possibile condensando le fasi di aspirazione dell’aria e di spurgo dei gas esausti in una soltanto. Le due valvole vengono aperte contemporaneamente in modo tale che l’aria in ingresso nel cilindro spinga via gli esausti della combustione precedente sfruttando la pressione più alta. Il processo si chiama scavenging, parola inglese che tradotta letteralmente vuol dire “saprofagia” (con un pizzico di fantasia si può immaginare la miscela fresca immessa che aggredisce la miscela esausta, dal punto di vista della combustione considerabile morta, e ne prende il sopravvento).
Il confronto
Nonostante l’esaustiva trattazione, la nostra domanda non ha ancora trovato risposta: quale motore vince la sfida? Per poter valutare quale sia la configurazione migliore è necessario tenere in considerazione due parametri: inquinanti prodotti ed efficienza del motore.
Il funzionamento a due tempi riduce il numero di fasi dunque è più efficiente, perché ad eccezione dell’espansione tutte le altre non producono potenza ma la consumano: meno ce ne sono e meno energia richiederanno, dunque più energia sarà disponibile per l’uso finale. Inoltre, avere un ciclo con meno fasi rende questo motore capace di un’accelerazione molto rapida e scattante.
Al contrario, per quanto riguarda le emissioni il motore a due tempi si rivela peggiore del quattro tempi perché nell’atto dello scavenging si potrebbe verificare un cortocircuito fluidodinamico. Essendo entrambe le valvole aperte, parte della miscela pulita potrebbe uscire dalla camera di combustione insieme agli esausti senza bruciare, peggiorando notevolmente la qualità della combustione con conseguente aumento degli inquinanti. Non riuscire ad utilizzare adeguatamente il combustibile ha anche come conseguenza il raggiungimento di velocità meno elevate rispetto al motore a quattro tempi.
Conclusione
Un esempio dell’importanza della attenta valutazione nella scelta tra motore a due e a quattro tempi ci viene fornito dall’India, che nel 2003 ha deciso di ridurre le emissioni del parco vetture del trasporto pubblico di Nuova Delhi: autobus, camion e risciò prevalentemente con motori a due tempi. Lo Stato ha dunque acquistato dei nuovi veicoli più efficienti a diverso combustibile, ma studi successivi hanno dimostrato che si sarebbe ottenuta una riduzione di inquinanti maggiore (e a prezzi inferiori) semplicemente sostituendo i modelli a due tempi con dei modelli con motori a quattro tempi. Basta una piccola rotazione in più e tutto cambia.
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