Probabilmente conosci il motore diesel a quattro tempi. È il cavallo di battaglia sotto il cofano del tuo camioncino o il blocco motore della tua berlina. Inspira, comprime, spara ed espira in una danza ritmica in quattro parti. Poi c’è il motore a due tempi che potresti riconoscere dal sibilo acuto di una motosega o dal ronzio di una moto d’acqua. Questi piccoli motori sono più semplici, più leggeri e si attivano a ogni rivoluzione.
Ma cosa succede quando si aumenta l’efficienza di un due tempi fino alle dimensioni di una casa?
Ottieni i colossi che mantengono in movimento il commercio globale. Gli enormi motori diesel che alimentano locomotive, navi portacontainer e persino impianti di produzione di energia su larga scala non utilizzano solo carburante diesel. Spesso combinano l’efficienza di combustione del diesel con il ciclo rapido di un motore a due tempi. Questo approccio ibrido crea alcuni dei dispositivi meccanici più potenti mai costruiti.
Approfondiremo come funzionano effettivamente questi giganteschi motori diesel a due tempi. Non è solo una versione ingrandita del motore della tua auto. La fisica, l’ingegneria e la vastità sono in una lega completamente diversa.
La meccanica del ciclo gigante
Per capire perché questi motori sono diversi, bisogna guardare al ciclo stesso. In un diesel a quattro tempi standard, il pistone si muove su e giù due volte per ogni corsa di potenza. Aspirazione, compressione, potenza, scarico. È affidabile. È maturo. Ma è anche limitato da quante volte puoi spostare quel pistone in un’ora.
Un motore a due tempi lo dimezza. Uno su, uno giù. Accendi ogni rivoluzione.
Per una motosega, questo significa più potenza con meno peso. Per un motore navale da 60 tonnellate, ciò significa una coppia continua e incessante senza la complessità delle valvole in testa e degli alberi a camme nel senso tradizionale. Ma c’è un problema. Come si fa a far entrare aria fresca e a scaricarla se è il pistone a fare tutto il lavoro?
La risposta sta nello scavenging.
“L’evacuazione è il processo di rimozione dei gas di scarico dal cilindro e di loro sostituzione con aria fresca.”
Nei piccoli due tempi, ciò avviene spesso tramite le porte nella parete del cilindro. Il pistone stesso funge da valvola. Mentre si sposta verso il basso, scopre la porta di scarico. Mentre si muove verso l’alto, copre la porta di aspirazione. È rozzo. È disordinato. Si spreca un po’ di carburante. Ma per i motori di grandi dimensioni, la semplicità supera l’inefficienza.
Tuttavia, queste non sono solo grandi motoseghe. Sono strumenti di precisione. La dimensione cambia tutto. Un diesel a due tempi a 9 cilindri può essere alto quanto una casa a tre piani. Il solo pistone può pesare diverse tonnellate. E funzionano a velocità molto inferiori rispetto al motore della tua auto, spesso girando a meno di 100 giri al minuto.
Perché due tempi? Perché adesso?
Potresti chiederti perché i produttori non si sono attenuti ai motori a quattro tempi per tutto. Dopotutto, i quattro tempi sono più efficienti in termini di consumo di carburante per miglio nelle applicazioni più piccole. Hanno un migliore controllo delle emissioni. Sono più facili da sintonizzare.
Allora perché andare a due tempi per i giganti?
Coppia.
I motori delle navi non hanno bisogno di girare a regimi elevati. Non hanno bisogno di cambiare marcia. Hanno bisogno di spingere
Perché il diesel batte il gas nei due tempi
Se conosci già le basi del funzionamento dei motori a due tempi, probabilmente conosci la statistica principale: accendono la candela due volte più spesso di un quattro tempi. Una volta per giro dell’albero motore. Questo potenziale teorico significa che un due tempi può erogare il doppio della potenza di un quattro tempi comparabile. Ma c’è un problema.
Il tradizionale due tempi a benzina aspira una carica aria-carburante premiscelata. Quel ciclo è disordinato. Ad ogni ricarica del cilindro fuoriesce un pezzo di carburante incombusto. Spreca carburante e inquina.
Entra nell’approccio diesel.
I motori diesel comprimono prima l’aria pura. Quindi, iniettano il carburante direttamente nell’aria calda e compressa. Questo metodo si adatta molto meglio al ciclo a due tempi. Poiché non stai pompando carburante grezzo dallo scarico, l’efficienza sale alle stelle. Le emissioni diminuiscono. Ecco perché i principali produttori di grandi motori diesel utilizzano questo layout per costruire mostri ad alta potenza.
L’anatomia di un diesel a due tempi
Guarda il layout di un tipico motore diesel a due tempi. Non assomiglia per niente a quello che potresti trovare sotto il cofano di un’auto.
Nella parte superiore del cilindro si trovano due o quattro valvole di scarico. Si aprono tutti contemporaneamente. Proprio lì c’è anche l’iniettore del gasolio (evidenziato in giallo negli schemi). Il pistone è allungato. Questa lunghezza extra consente al pistone stesso di fungere da valvola di aspirazione. Nella parte inferiore della sua corsa, il pistone scopre le porte per l’aspirazione dell’aria.
L’aria aspirata è pressurizzata da un turbocompressore o compressore. Il basamento è sigillato e trattiene l’olio, proprio come un quattro tempi standard.
Ecco il ciclo diesel a due tempi in azione:
- Il pistone si trova al massimo della sua corsa. La bombola contiene aria altamente compressa. L’iniettore di carburante diesel spruzza il carburante nella camera. Il calore e la pressione lo accendono all’istante. Stessa fisica di accensione di un diesel standard.
- La pressione di combustione spinge il pistone verso il basso. Questo è il colpo di potenza.
- Vicino alla fine della corsa, tutte le valvole di scarico si aprono. I gas di scarico fuoriescono, alleviando la pressione.
- Nella parte inferiore, il pistone scopre le porte di aspirazione dell’aria. L’aria pressurizzata si riversa all’interno, espellendo i fumi di scarico rimanenti.
- Le valvole di scarico si chiudono. Il pistone risale verso l’alto, coprendo le porte di aspirazione e comprimendo l’aria fresca. Questo è il colpo di compressione.
- Vicino alla parte superiore il ciclo si ripete.
La differenza rispetto a un due tempi a benzina è netta. Solo l’aria riempie il cilindro. Non fuoriesce carburante incombusto. Nessun incubo ambientale. Ma c’è un compromesso. Un diesel a due tempi necessita di un turbo o di un compressore. Ciò aggiunge costi e complessità. Non troverai mai un diesel a due tempi in una motosega. Sarebbe eccessivo. E troppo costoso.
Motori EMD della General Motors
La linea di motori EMD della General Motors definisce la razza diesel a due tempi. Introdotti negli anni ’30, questi giganti alimentano un’enorme parte delle locomotive diesel che circolano sui binari degli Stati Uniti.
Ci sono state tre serie successive: la 567, la 645 e la 710. I numeri si riferiscono ai pollici cubi per cilindro. Una configurazione tipica ha 16 cilindri. Dislocamento totale? Circa 10.000 pollici cubi. Considera che un motore da 5 litri (305 pollici cubi) è considerato massiccio in un’auto. Un motore EMD è una specie completamente diversa.
Prendi l’EMD 645E3. Ecco le specifiche:
- Diametro del cilindro: 9-1/16 pollici
- Corsa del pistone: 10 pollici
- Cilindrata per cilindro: 654 pollici cubi
- Cilindri: 16 o 20
- Rapporto di compressione: 14,5:1
- Valvole di scarico per cilindro: 4
- Peso (16 cilindri): 34.526 libbre (15.661 kg)
- Peso (20 cilindri): 40.144 libbre (18.209 kg). Nota: la sola coppa dell’olio pesa più di una tonnellata.
- Regime minimo: 315 giri/min
- Velocità massima: 900 giri/min
- Potenza: ~4.300 CV
Quella non è un’auto. Quella è una centrale elettrica in movimento.
Per ulteriori informazioni sui due tempi diesel e su altre architetture di motori, controlla i collegamenti nella pagina successiva.
