Il tappo che fa la differenza

Attraversando una strada di campagna, l'altro giorno mi ero imbattuto in un trattore in piena operazione in un campo da arare. Che puzza! Certo – mi sono detto – questo trattore utilizza ancora un vecchio motore a due tempi, che inquina parecchio.

Anche se prima questo tipo di motore veniva usato spesso (oltre che in agricoltura, anche nei gruppi elettrogeni, nei motocicli, ecc.), ormai molti si sono convertiti al più tradizionale motore a quattro tempi, non fosse altro per le severe leggi sull'ambiente che mirano a ridurre il consumo di carburante e le emissioni di scarico.

Ma ancora c'è spazio per questo tipo di motore, applicando delle opportune modifiche...

Come negli altri tipi di motore a combustione interna, il motore a due tempi è un dispositivo che permette di trasformare l'energia chimica, posseduta dalla miscela di aria e combustibile (l'ossigeno dell'aria serve come comburente), in lavoro meccanico che l'albero motore trasmette alle ruote. Tale trasformazione di energia avviene nella camera di combustione, dove i gas combusti spingono il pistone, che a sua volta fa ruotare l'albero motore. La differenza di funzionamento tra il motore a due tempi e quello a quattro tempi, senza entrare in dettagli tecnici, può essere compreso facilmente confrontando le due animazioni qui sotto. Dal punto di vista del rendimento, il motore a due tempi può arrivare ad offrire una potenza del 50-80% per cilindrata maggiore rispetto a quella del motore a quattro tempi, in aggiunta al minor costo dovuto ad un design non sofisticato. E questo spiega la preferenza accordata al motore a due tempi da piloti acrobatici e, in genere, dagli amanti delle due ruote. Rimane, però, l'alto impatto ambientale; l'unica strada percorribile è allora quella di trovare qualche modifica che permetta di aumentarne l'efficienza. Come?

La quantità su cui concentrarsi è il rapporto di compressione, un indice di funzionamento del motore strettamente collegato al suo rendimento: può essere definito come il rapporto tra il volume massimo e quello minimo della camera di combustione, ossia il volume compreso tra cilindro e pistone quando quest'ultimo è agli estremi della sua corsa. Nei motori diesel, un maggiore rapporto di compressione ne aumenta il rendimento, mentre nei motori a scoppio le prestazioni dipendono più criticamente dai regimi motore (velocità maggiore o minore): con un basso rapporto di compressione si migliorano gli alti regimi (oltre 130 giri al secondo) e i bassissimi regimi (meno di 25 giri al secondo), mentre con un altro rapporto si migliorano i regimi intermedi (30-100 regimi al secondo).

Un miglioramento delle condizioni operative del motore, che ne aumenti le prestazioni e la qualità dei gas di scarico, dunque, si potrebbe ottenere con un rapporto di compressione variabile, che vari al variare delle condizioni operative. In particolare, la tecnologia atta ad ottenere rapporti di compressione variabili potrebbe fornire la chiave per avere un grande efficienza con bassi carichi, senza perdite di prestazioni a pieno carico.

Metodi per ottenere rapporti di compressione variabili ve ne sono in gran quantità (chi è interessato può dare uno sguardo al riassunto riportato qui), anche se poi i motori che impiegano tale tecnologia non hanno “sfondato” il mercato, nonostante i numerosi brevetti e studi. Di recente, però, ho visto una soluzione interessante, molto semplice (e molto economica!), proposta da un gruppo di ingegneri indiani. Per cambiare il rapporto di compressione, basta cambiare il volume della camera di combustione. Ora, se vicino alla parte del cilindro che contiene la candela per l'accensione della miscela viene praticato un foro, dentro al quale viene inserito un tappo metallico filettato, su quest'ultimo possono essere avvitati dei dadi: avvitando di più o di meno il perno, o cambiando le dimensioni del dado, si può variare il volume della camera di combustione. Soluzione molto semplice, che può permettere al conducente di cambiare il rapporto di compressione a sua scelta tramite delle leve meccaniche (magari posizionate vicino a quelle dei freni o della frizione).

S. Esposito, fisico