CONCETTI: Il Motore Endotermico a 2 Tempi VolII

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SimoEv
view post Posted on 3/12/2007, 13:03




Il Motore Endotermico 2 Tempi



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Prefazione:
questa guida nasce come un strumento base, per l’appassionato di motori o l’amatore che cerca di fare sue le basi di questa complicata materia, quindi tralasceremo i passaggi più complessi, e le formule specifiche per un discorso più generale e adatto a tutti, la guida tuttavia conterrà termini più o meno tecnici sia per restringere il testo si per poter essere più precisi nelle spiegazioni, per questo ho creato un apposito glossario che potete consultare in allegato.
Scusate eventuali errori ortografici e di forma, ma nn ci poso fare nulla, la guida nasce come strumento gratuito e open sourche, non è protetta da copyright ma si gradirebbe di essere citati nel caso venisse utilizzata, sono comunque disponibile per ogni dubbio e chiarimento presso il sito (nn rispondo a quesiti tecnici via messenger live o yahoo o email).
Buona lettura.


Capitolo 1) Principi di funzionamento

Partiamo col definire il motore in generale e leggi fisico-chimiche che ne regolano il funzionamento.
Il motore in questione è una macchina a fluido operante (cioè che lavora con dei fluidi, lo sono anche i motori 4 tempi, le caldaie di casa i termosifoni, i motori degli schuttle ecc..), questa macchina definita per il suo impegno, “motrice” (perché viene usata nel campo di auto e moto trazione), queste macchine basano il loro funzionamento sulla trasformazione delle energie, da quella chimico-fisica del fluido operante (il fluido che sfrutta la macchina aria-benzina) al lavoro meccanico generato.
Questa macchina sfrutta la spinta generata dai gas della combustione (combustione processo di ossidazione tra un comburente “ossigeno” e un combustibile “benzina-nafta-kerosene-carbone ecc..”)per muovere un sistema di biella manovella (sistema che trasforma il moto rettilineo alternato del pistone, in moto rotatorio continuo unidirezionale dell’albero motore) e generare quindi questo lavoro meccanico , cioè una forza capace di far muovere organi meccanici.
Su questa introduzione ci sarebbero fiumi di parole da scrivere ma ci limiteremo a questo ed ad altre due definizioni.
Ora scendiamo più nel particolare, le nostre macchine motrici in questione sono dette endotermiche o a combustione interna, ovvero che ricavano energia da un processo chimico che avviene al loro interno (il cilindro, nella camera di scoppio, mentre i motori esotermici, a “combustione esterna”, sono ad esempio le macchine a vapore, nel quale in una fornace si crea la fiamma per generare vapore contenuto in un'altra zona).
Ma come ogni cosa su questo mondo, nn è perfetta, anzi i motori a combustione sono tra i più inefficienti presenti sul pianete, il loro rendimento (differenza tra lavoro generato, e lavoro sprecato, o dissipato) si avvicini nei motori da competizione tipo f1 boat o formula 1 ad un 25% massimo, questo perché?
Perché nel nostro mondo, come è vero che si lavora con le unità di 10, tutte le forme di energia sn riconducibili al calore, ogni forma di energia genera calore, che viene ceduto e dissipato, è questo è di per se il maggior spreco, perché se un motore ricava energia dalla spinta generata dai gas ad ALTA TEMPERATURA, che poi viene dissipata, è anche vero che se potessimo sfruttare questo calore raddoppieremmo quadriplicheremmo i rendimenti.
Ma non è così e non sta a noi amatori pensarci.
Vi basti pensare che il rendimento di una qualsiasi macchina è data dalla formula lavoro motore (lavoro creato) fratto lavoro dissipato, che può può essere anche rappresentata da clore generato a calore dissipato.
Ne ricaviamo quindi che i maggiori fattori che influenzano il rendimento del nostro motore endotermico sono:
·Calore dissipato
·Giochi di accoppiamento tra gli organi meccanici
·Attriti generati tra le parti in movimento
·Attriti generati dai fluidi presenti all’interno del motore soprattutto della fase di compressione e dell’olio della scatola cambio

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(questo disegno raffigura un 4 tempi è da prendere come esempio solo per le perdite, nel 2 tempi vi sono meno attriti dovuti all'assenza della valvole e del sistema che le fa azionare)

Edited by SimoEv - 5/12/2007, 09:01
 
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SimoEv
view post Posted on 5/12/2007, 09:09




Capitolo 2) Costituzione del motore endotermico 2 tempi

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(alcuni termini usati nel disegno differiscono dai miei: i volani sono le spalle dell'albero, i condotti di ammissioni sono i condotti di travaso,il motore raffigurato è di tipo obsoleto con immissione diretta nel cilindro e nn nel carter e non presenta una valvola regolatrice in ingresso, ma è il pistone in se che compie questa operazione)

Arriviamo alla parte più “pratica” della spiegazione, so che tanti di voi neppure li leggeranno i principi di funzionamento che sn la vera base x capirci qualcosa, ma sorvoliamo.
Allora la nostra macchina operatrice che prendiamo in esame è detta 2 tempi, un considerazione nn proprio esatta secondo me, ma nn voglio polemizzare su cose che hanno deciso gente che ha studiato molto più di me.
Partiamo dalla costituzione.
Il nostro motore è costituito principalmente, da un sistema di biella manovella, il cuore del nostro propulsore, che riesce a trasformare il moto rettilineo alternato (su e giù, o anche destra sinistra dipende da come è montato il motore J) del pistone , in moto rotatorio continuo dell’albero motore (n unidirezionale).
Questo sistema è composto partendo dall’alto, da un pistone un oggetto di forma cilindrica , su la cui base vi è perno (detto spinotto) , a cui vi è imperniato un biella, un organo di collegamento in grado di ruotare in entrambi i capi in due direzioni , e di traslare leggermente di lato, sull’asse dello spinotto, per assecondare piccolissimi movimenti del pistone.
Il pistone scorre in un cilindro di pochi decimi di millimetro più grande (per evitare che la dilatazione del metallo a motore caldo faccio bloccare il pistone), chiuso sulla sommità da un coperchio detto testata.
La tenuta sulle pareti del cilindro è assicurata dal pistone sulla cui faccia esterna laterale (mantello) presenta una o più (di solito due sul 2 tempi) anelli di tenuta, piccoli organi metallici durissimi con una grande resistenza all’’abrasione, e grande elasticità, che premono sulle pareti della canna cilindro, assicurando che i gas generati della combustione premano tutti sul cielo (parte superiore) del pistone, generando la maggior spinta (forza fratto superficie) possibile, il trafilaggio di gas oltre che pericoloso sarebbe di per se una perdita di rendimento.
Questo pistone, come abbiamo detto è collegato a una biella, organo molto soggetto a stress meccanici (compressioni e dilatazioni), che a sua volta è imperniato su un altro perno alla sua base (detto perno di biella), questo perno è posto sull’albero motore, che trasforma il suo movimento in rotatorio, l’albero motore (o gomiti, o a collo d’oca) ruota su altri perni (detti perni di banco, il banco è inteso come base del motore) disusati rispetto a quelli di biella, così, il pistone può muoversi lungo un asse sempre fisso e perfettamente centrato, mentre la biella, si sposta alla base da destra e sinistra e dal basso all’alto, il perno di biella descrive un vettore circolare, si muove quindi di moto circolare, di conseguenza il fulcro dell’albero motore si muove di moto rotatorio.
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I perni su cui ruota l’albero motore sono ricavati all’interno di un organo (fisso) , detto basamento, o banco per i più grezzi, , sulla sommità del banco, è istallato il nostro cilindro, al cui interno sono ricavate una o più canne cilindro, sulle pareti interne della canna sono ricavate, alcune aperture di numero variabile a seconda del utilizzo del propulsore, dette “luci”, vi sono quelle di aspirazione, che assicurano l’aspirazione del fluido operante all’interno del cilindro, e quelle di scarico, che assicurano l’evacuazione dei gas generati dalla combustione dopo che questi hanno generato la spinta neccesaria a far muovere il sistema pistone-biella.manovella.
Sulla sommità del cilindro è istallata come detto la testata , su cui è ricavato un foro, con filettatura su cui è vitata una candela, organo necessario perché si inneschi la combustione del fluido operante.
Per ora ci limiteremo a parlare degli organi principali del motore gli organi ausiliari saranno trattati in un’ altro capitolo.
Ora analizziamo costituzione forme e curiosità di ogni componente:

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(semicarter sinistro con cilindro istallato, motore piaggio 50 scooter, possiamo vedere l'alloggiamento del cuscinetto di banco, la camera circolare grande dove ruotano le spalle dell'abero, in alto l'alloggiamento per la valvola di regolazione del fluido, e in basso il condotto di travaso che si ricolegga a quelli del cilindro, come pure quello piccolo più in alto)
-Basamento (banco,carter motore): Organo fisso, costituito solitamente da de gusci in materiale metallico come alluminio o ghisa, o magnesio.
All’interno di questi due carter, ruota l’albero motore, su due perni di banco, l’albero ruota su due sistemi di riduzione degli attriti, cuscinetti a sfera, organi costituiti da due anelli di acciaio durissimo temperati, uno in contatto con l’albero, e uno col carter, tra questi due anelli sono incastrate sfere di acciaio sferoidale, ad altissima precisione, tenute in posizione da gabbiete di teflon e acciaio, questi cuscinetti vengono montati su banco ed albero a caldo visto che i giochi tra le parti sono vicini allo 0, e la dilatazione delle leghe metalliche ne favorisce l’entrata e la successiva fissione.
Questi carter nei motori a marce , contiene in uno scomparto separato la scatola con gli ingranaggio del cambio della frizione e del sistema di accensione ecc.. e nei motori a variatore di velocità continuo (scooter), il sistema cinghia-pulegge.
Nei 2 tempi, il fluido operante prima di raggiungere la camera di scoppio nel cilindro, scorre all’interno del carter motore, entra attraverso un apertura regolata da un apposita valvola (ne esisto due tipi, lamellare per il 90 per cento dei motori, e a disco rotante per alcuni motori da gp tipo aprilia rsw125), e passa attraverso dei condotti comunicanti tra carter e cilindro (anche la canna cilindro è comunicante col carter ma in mezzo vi è il pistone che sigilla) collegati alle luci, il fluido viene pompato dalla depressione e pressione simultanea creata dal pistone che scende a crea pressione nel carter , e dalla depressione creata dalla discesa sempre del pistone all’interno del cilindro.
In alcuni vecchi propulsori (o di vecchia concezione come mito 125 ed rs125) la valvola di aspirazione è posta direttamente nel gruppo termico, ma il fluido operante così deve compiere un tragitto doppio, è ormai in disuso.
Il fluido operante nel 2 tempi contiene anche olio, che scorrendo sia nel carter che nel cilindro crea un film protettivo e lubrificante tra tutti gli organi soprattutto tra pistone e canna cilindro e nei cuscinetti, diminuendo gli attriti e il calore generato da questi (lavoro dissipato).

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-Albero motore (a gomiti, collo d’oca): organo in movimento, forgiato e ricavato dal pieno, in acciaio, temperato e cementato, presenta almeno due perni di banco alle 2 estremità su cui ruota nel carter, a seconda che abbia 2 o più cilindri può avere altri perni di banco per evitare che questi fletta sotto la spinta delle bielle, i perni di biella, dove questa è istallata, sono disossati rispetto al asse dell’albero, nei pluricilindrici, i vari perni di biella sono posti sullo stesso raggio di circonferenza, ma a seconda dell’utilizzo o del progetto, vengono sfalsati solitamente di 180° l’uno dall’altro ( in moda da aver uno pistone e l’altro giù ed diminuire gli stress sull’albero.
Nei motori a 2 tempi gli alberi sono costituiti da 2 spalle, dischi in acciaio fusi o ricavati dal pieno con un perno fulcrato al centro, e un grosso disco spesso grande come il carter pompa (detta appunto palla), questi due vengono accoppiati tramite un perno (inserito a caldo) lungo la circonferenza della spalla, questi è il perno di biella.
Come già spiegato per il carter, l’albero ruota su cuscinetti a sfera che trasformano l’attrito da radente (che striscia) in volvente (che ruota, perché ogni singola sfera ruota su se stessa).
La biella viene quindi istallata prima di chiudere l’albero motore, questi dal lato in cui vi è presente il perno di biella, presenta dei fori di alleggerimento (spesso riempiti con teflon colorato o metalli leggeri, per evitare di creare eccessive turbolenze, o impedimenti nel fluido operante che passa per il carter) per bilanciare le due estremità.
Il peso della spalla dell’albero è determinante perché assieme ad altri organi che vedremo in seguito come il volano motore, serve a generare un forza cinetica , un inerzia che serve al gruppo biella manovella per vincere i punti morti che questi incontra (quando il pistone raggiunge il punto più alto e quello più basso della sua corsa), e a rendere fluida l’erogazione del motore.

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-Biella : organo in movimento, costituisce il braccio mobile di collegamento tra l’abero motore e il pistone, e costituito da un corpo (stelo) da un capo (imperniato nel pistone tramite lo spinotto) e da una base (imperniata nell’albero motore tramite il perno di biella), alle due estremità, scorre su perni tramite cuscinetti di tipo a rulli, ovvero da una piccola gabbietta, su cui sono incastrati piccoli rullini, questo cuscinetto viene adottato negli organi molto stressati con carichi perpendicolari all’asse del perno, in quanto la loro superficie di contatto e più del doppio rispetto ad uno a sfera.
Le bielle posso essere fuse,forgiate, o ricavate dal pieno, in alcuni motori ad alte prestazione possono essere in titanio, in quelli normali, in acciaio, spesso con riporti superficiali di ramatura o cementatura.

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(gruppo termico polini con pistone relative fasce lastiche e guarnizioni varie)
-Gruppo termico (abbreviazione GT, composto da canna cilindro,testata e pistone)

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(pistone bifascia a cielo bombato)
-Pistone (stantuffo): organo in movimento,oltre a raccogliere la spinta dei gas della combustione, funziona come una valvola regolatrice,nella sua corsa dall’alto verso il basso (definita nella sua lunghezza dal raggio del perno di biella, e dalla lunghezza della biella) e viceversa, apre le luci di scarico e aspirazione, determinando come vedremo in seguito le varie fasi o tempi, i due estremi del suo spostamento (definito corsa) sono detti punti morti, in cui senza l’inerzia degli altri organi meccanici questi rimarrebbe bloccato, il punto più basso è detto punto morto inferiore (PMI), e quello più alto il superiore (PMS).
Il pistone costituito da un cilindretto aperto nella parte inferiore, nel cui interno trova posto lo spinotto e la testa di biella, lo spinotto può avere un certo grado di liberta in rotazione anche sul pistone (detti spinotti flottanti), la parte superiore del pistone può presentare una superficie piana (a cielo piatto) o bombata, questa parte è definita cielo, mentre la circonferenza esterna è detta mantello, deve avere una lunghezza adatta ad a evitare che nella discesa vada ad urtare biella,albero motore,carter, ma anche non troppo ristretta perché il pistone durante la sua corsa ha un cospetto sganciamento, ovvero avendo anche un seppur piccolissimo gioco tra canna cilindro e il sottoscritto, tende ad intraversarsi prima in verso un senso poi nell’altro, nel verso in cui il vincolo dello spinotto lo fa ruotare, più questi è corto, maggiore è il rischio che danneggi le pareti del cilindro e che si blocchi, non può essere troppo corto anche per il fatto che nella risalita andrebbe a scoprire le luci di scarico e aspirazione nella parte inferiore col risultato che il fluido operante presente nel carter pompa fuoriuscirebbe rovinosamente.
Sul mantello del pistone sono ricavate delle gole che ne percorrono l’intera circonferenza, , su cui sono inseriti i cosiddetti anelli di tenuta (fascie elastiche, segmenti) di forma circolare spezzata, e di sezione quadrata o rettangolare, di acciaio sferoidali con riporti al cromo, ad alta durezza, sono più grossi della canna cilindro in cui scorrono, e hanno una certa flessibilità, in modo, da poter adattarsi perfettamente alla circonferenza, e fare tenuta ai gas che invece andrebbero inesorabilmente nella parte inferiore del carter, eliminando o riducendo la spinta sul cielo del pistone, ed andando a bruciare il film (pellicola) sottilissima di olio che si è creata tra mantello e canna cilindro causando un bloccaggio (detto grippaggio, questo è uno dei motivi più frequenti, per fascie usurate che fanno trafilare troppi gas , che ricordiamo sono ad altissima temperatura sui 1400° gradi).
Lo spinotto che ruota in semilibertà su due fori sul mantello, e tenuto in guida da due fermi detti seeger, che evitano che il suo spostamento laterali diventi eccessivo urtando contro il cilindro.
Lo spinotto anquesti, in acciaio , con riporto al cromo.

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(sezione di carter e cilindro accoppiati, nella parte superiore il cilindro completo di testa, con visibili le lci di travaso e i loro condotti, non vi è raffigurato lo scarico)
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(polini evolution, lo scarico è visibile allinterbno in basso, di tipo sdoppiato con traversiono, sulla base di appoggio del cilindro sul carter notiamo i 6 condotti di travaso, 2 in alto e 4 sui lati)
-Canna cilindro (cilindro): organo fisso, realizzato in un monoblocco, costituito in ghisa nei motori meno preformanti, con le zone di scorrimento del pistone direttamente rettificate (lavorazione meccanica per rendere la superficie liscia scorrevole e perfettamente circolare), mentre in quelli più spinti, i utilizzano monoblocchi fusi in terra solitamente, in leghe d’alluminio, con la canna di scorrimento riportata in materiali duri (nickasil, cromo ecc..) il difetto di questi cilindri è che in caso di grippaggio non conviene riparare i componenti per via dei costi eccessivi.
Questo monoblocco presenta al centro la canna cilindro, attorno vi è una camera che gira intorno a tutta la canna cilindro, e comunicante con la testata, dove circola un liquido addetto alla sottrazione del calore agli organi meccanici, mantenendo la temperatura sotto il punto critico così da mantener le dilatazione dei metalli nei limiti di giuoco previsti dal progetto (questo è una delle maggiori perdite di rendimento) il liquido che circola è acqua, o acqua mista ad additivi come il praflu, per evitare che questi vada in ebollizione (il motore gira sui 90 gradi), o che si creino dei depositi calcarei, o di ossidazione nei cilindri in ghisa, alcuni propulsori montano circuiti di raffreddamento presurrizzati che spostano il punto di ebollizione del liquido più in alto.
Questa camera di circolo, è collegata oltre che alla testa anche ad appositi raccordi per le tubazioni che faranno circolare il liquido negli organi ausiliari e al radiatore.
Nella parte inferiore del monoblocco, vi è un piccolo prolungamento della canna cilindro, che si andrà ad infilare nel carter motore, è chiamata camicia.
Dal carter partono i condotti che giungono fino alle luci di aspirazione (di travaso, perché travasano il fluido operante dal carter al cilindro) quindi all’esterno della canna cilindro trovano posto (all’interno del monoblocco) i condotti dei travasi.
A seconda del tipo di potenza erogazione coppia affidabilità che si vuole ottenere esistono vari tipi di travaserei e scarico.
Solitamente i cilindri dispongono di almeno 5 luci di travaso (4 di lato e 1 posteriore) oppure 6 7 o anche 8 ( solitamente 3 x lato e 2 posteriori, o 2 x lato e 2 di lato ecc..) di forma rettangolare con spigoli smussati per evitare che il pistone possa rigarsi, e con alcune facce spesso inclinato (dal loro disegno, dipende la traiettoria la pressione e la direzione del flusso di fluido che entrarà) la luce di scarico è sempre 1, speso aiutata da altre due piccole ausiliare poste di lato , esistono vari tipi di scarico: ellittico con booster (i booster sono le luci ausiliarie), sdoppiato con traversino, ellittico, a W ecc….
Nei gruppi termici in cui vi è posta la valvola di regolazione di ingresso del fluido operante, vi sono ulteriori luci poste nella parte inferiore della canna cilindro che travasano la benzina nel carter pompa (carter motore).
A seconda dell’altezza dei travasi rispetto al PMI (le luci non sono mai più basse del punto morto inferiore del pistone, e arrivano a filo con cielo di questi al pmi) si ricava un diagramma in gradi, le luci di aspirazione sono sempre i più bassi, e verso la testa è posta quella di scarico, a seconda dell’altezza si varia il carattere e le prestazioni del motore.

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(faccia interna di una testa di tipo scomponibile per rs 125, con banda di squish per pistone a cielo bobato, e sezione interna di tipo bombato)

-Testata (testa): organo fisso, realizzato in un blocco unico nei motori di serie, e in due parti in quelli da competizione, composta da una parte la cupola, che a sigillare superiormente il cilindro, e da una parte esterna che va a sigillare il monoblocco, tra questi due componenti, scorre il liquido di raffreddamento che proviene dal monoblocco.
In alcuni motori da gp, la sottotesta o cupola e realizzata in materiali particolari come rame bronzo o ottone.
La forma interna (quella che da sul pistone) della sottotesta è determinante per la resa del motore.
Al centro della sottotesta (ma in alcuni motori economici anche di lato, o inclinato) vi è il foro per la candela d’accensione, la forma interna della testa è composta da una banda leggermente inclinata nei motori con pistone a cielo bombato, o perfettamente dritta che occupa una parte della circonferenza esterna di questa, è detta banda di squish (suono onomatopeico), si occupa di fare schizzare il fluido operante nella parte centrale il più vicino possibile alla candela, nel momento della combustione quando lo stantuffo raggiunge il PMS.
La parte interna della testa può essere tronco conica o bombata a seconda del motore.
In alcuni propulsori poco performanti si possono trovare teste a berretto di fantino o simili.

Edited by SimoEv - 5/12/2007, 09:33
 
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