Tecnica dei motori 2t raffreddati ad aria ad alte prestazioni

Analisi tecnica dei motori 2t con raffreddamento ad aria di elevate prestazioni

 

Particolare di uno dei motori 2 tempi raffreddati ad aria più evoluti che si possa ricordare: il Saetta con disco rotante frontale. Il cilindro era dotato di ampia alettatura parallela con diametro crescente verso la testa, dove occorre un maggiore smaltimento termico. La testa, invece, era dotata di alettatura radiale per aumentare la superficie di scambio termico con l’aria.

 

Lo scooter 50 2T moderno, come tutti ben sappiamo, è nato con il raffreddamento ad aria forzata e, solo nei primi anni ’90, abbiamo assistito all’invasione dei motori dotati di raffreddamento a liquido: prima Piaggio, poi Minarelli Yamaha e, di seguito, Suzuki Morini e Peugeot.

Anche se la maggior parte degli scooter sportivi e da competizione attuali impiegano il raffreddamento a liquido, molti lettori ci chiedono informazioni tecniche su come elaborare convenientemente i motori raffreddati ad aria: le informazioni che vi forniremo sono frutto delle esperienze maturate proprio nell’elaborazione di questa tipologia di propulsore che, nonostante tutto, ha pur sempre delle eccellenti potenzialità.

 

Il motore 2 tempi, oltre ad essere fortemente sensibile alle variazioni climatiche a livello di carburazione, soffre moltissimo al salire delle temperature di esercizio. Una 125 GP, oltre i 55°-58° di temperatura, ha un progressivo calo prestazionale: per questa ragione è indispensabile mantenere la temperatura del liquido refrigerante in un range ben stabilito al fine di evitare rotture (temperature troppo basse) o cali di potenza e rischi di grippaggio (temperature troppo alte).

Le stesse problematiche si hanno sui motori scooter da competizione e ormai tutti i preparatori tengono costantemente monitorate le temperature di esercizio onde evitare questo genere di problemi.

Il raffreddamento si ottiene sfruttando lo scambio termico tra il cilindro stesso e un elemento caratterizzato da temperatura più bassa, ovvero l’aria o l’acqua (in alcuni casi l’olio). Quando un corpo viene posto a contatto con un altro corpo relativamente più freddo, avviene una trasformazione che porta a uno stato di equilibrio, in cui sono uguali le temperature dei due corpi. L’aria, o l’acqua, che raffredda un motore tendono a sottrarre calore al cilindro e, di conseguenza, per mantenere le temperature di esercizio basse occorre fare in modo che, a contatto col cilindro, arrivi sempre la giusta quantità di aria o acqua a temperatura più bassa. Con l’aria è sufficiente prenderla dall’ambiente esterno, mentre con l’acqua occorre creare un circuito in cui si sfrutti la posizione del radiatore (circolazione acqua a termosifone) o una pompa acqua per far circolare il fluido refrigerante all’interno del sistema chiuso e abbassarne la temperatura prima di riportarla al cilindro.

Tralasciando le problematiche del raffreddamento a liquido, ci concentreremo ora su quelle del raffreddamento ad aria.

 

Il raffreddamento ad aria, in genere, al vantaggio di una maggiore semplicità costruttiva, maggiore leggerezza e costi di produzione inferiori, presenta il problema di non poter garantire la stessa efficienza di smaltimento termico del raffreddamento a liquido e la stessa stabilità termica di funzionamento. Se un motore raffreddato a liquido, con tanto di valvola termostatica, può essere tenuto a temperature di esercizio ottimali in qualsiasi tipo di impiego, a patto di poter disporre di una massa radiante di dimensioni sufficienti, ciò non può avvenire con un motore raffreddato ad aria. L’aria ha infatti un potere refrigerante minore rispetto a quello dell’acqua, può variare molto di temperatura tra stagione calda e fredda e, soprattutto, deve essere convogliata verso il cilindro, soprattutto su uno scooter. Proprio per consentire a una grossa massa d’aria di lambire l’alettatura del gruppo termico, e ottenere una buona funzione refrigerante anche in presenza di una carenatura, i motori scooter sono sempre dotati di raffreddamento ad aria forzata: in questo tipo di raffreddamento l’aria viene mossa da una ventola mossa dall’albero motore e successivamente convogliata sul cilindro mediante una cuffia. 

La ventola, però, genera un autentico freno aerodinamico alla libera rotazione dell’albero motore stesso, che tende ad aumentare la sua azione frenante al salire dei giri. 

E’ stato calcolato che a 13000 giri, su un motore Minarelli Yamaha orizzontale elaborato, da 15 CV, rispetto alla pompa acqua, la ventola di raffreddamento genera da sola un assorbimento di potenza superiore ad 1 CV. Però c’è anche da dire che, senza la ventola, un motore scooter raffreddato ad aria non potrebbe funzionare… Tra un motore raffreddato ad aria 50 cc e il suo omologo raffreddato ad acqua, come nel caso dell’Aprilia Sonic GP e Sonic AC c’è una differenza di circa 1 CV, dovuta non solo all’eliminazione della ventola (e del suo freno aerodinamico), ma anche di valori di fase, rapporto di compressione e carburazione decisamente più spinti del primo rispetto al secondo. Anche la marmitta, comunque, ha la sua importanza su questo motore…

Per quanto il convogliatore sia stato studiato bene, per quanto la ventola sia stata curata sotto il punto di vista aerodinamico, per quanto il motore sia costruito bene, il raffreddamento ad acqua permetterà sempre di lavorare a temperature più basse e costanti: ciò si traduce nella possibilità di lavorare con un rapporto di compressione più spinto, anticipi di accensione più tirati e carburazioni più magre, a tutto vantaggio della potenza massima ottenibile.

Però, è bene ricordarlo, nel ’96 Sabbatani vinse un Trofeo Nazionale Scooter con un Piaggio Zip raffreddato ad aria, approfittando della leggerezza dell’insieme pilota-scooter…

Ma allora, della presunta maggiore “cattiveria in basso” del 2 tempi, nota a tutti i kartisti della classe 100, da che cosa è data se i motori ad acqua lavorano con anticipo, squish, rapporto di compressione e carburazioni decisamente più spinti?

Il discorso è relativamente semplice: tutto dipende dal calore sviluppato in camera di scoppio. Essendo questo parametro più elevato nei motori ad aria rispetto a quelli ad acqua, il contenuto energetico dei primi è superiore, almeno fin quando non si superano certi limiti di temperature di esercizio e le dilatazioni del metallo portano a inevitabili cali prestazionali. Siamo nel campo della termodinamica applicata alle macchine.

Quindi, a freddo, un motore raffreddato ad aria può anche risultare più brutale come erogazione: peccato che questo vantaggio tenda a svanire molto rapidamente col salire dei giri e delle temperature…

 

 

 

Indispensabile su un motore raffreddato ad aria l’impiego del sensore temperatura sottocandela, un parametro variabile da motore a motore, ma che risulta indispensabile per monitorare le temperature di funzionamento.

 

Un buon motore raffreddato ad aria, anche se come visto paga parecchio in termini di potenza rispetto ad un motore raffreddato a liquido, può sempre e comunque dire la sua, anche e soprattutto se si lavora con cognizione di causa per fare fronte alle problematiche di funzionamento.

Per prima cosa dobbiamo considerare che un motore scooter elaborato ha bisogno di una maggiore quantità di aria per poter estrarre la maggiore quantità di calore prodotto rispetto ad uno di serie. In questo caso, però, c’è il vantaggio di una maggiore rotazione: un motore di serie gira a circa 8500-9000 giri contro gli 11000-13500 di un motore preparato (a seconda delle configurazioni). Una rotazione più elevata genera quindi lo spostamento di una maggiore massa d’aria e, di conseguenza, un maggiore raffreddamento.

Resta il fatto che, purtroppo, un motore elaborato 70 cc con cilindro raffreddato ad aria genera temperature molto elevate e difficili da mantenere entro valori accettabili.

A differenza dei motori raffreddati a liquido, per i quali basta inserire una sonda per la temperatura acqua all’uscita del circuito del cilindro e prima del radiatore se si vuole monitorare la temperatura di esercizio, nei motori raffreddati ad aria non si può certo contare su un parametro fuorviante come la temperatura dell’aria stessa. Per questa ragione si utilizza, come parametro per la definizione della temperatura di lavoro, la cosiddetta temperatura sotto candela. Questa indica, appunto, la temperatura raggiunta sulla testa al di sotto della candela e si misura inserendo una sonda ad anello prima di montare la candela stessa. 

In linea di massima molti parametri possono influenzare la temperatura sottocandela, che può variare quindi da motore a motore. Se, ad esempio, si usa una testa con candela a passo lungo, che ha uno smaltimento termico migliore di una con candela a passo corto, la temperatura sottocandela sarà diversa.

Per quantificare le grandezze in questione, diciamo che un motore raffreddato ad aria “tirato” con candela a passo corto, come ad esempio un Minarelli Yamaha braccio corto, può lavorare a circa 230°-240°. A 250°-260° la temperatura in camera di scoppio è tale da generare fenomeni di detonazione che, come noto, possono provocare un grippaggio o la foratura del pistone.

Esistono dei lettori multifunzione con contagiri con termometro e termocoppia per monitorare questo parametro.

Ovviamente le temperature saliranno col regime di rotazione, con rapporti di compressione elevati e con carburazioni magre.

 

Considerando che i motori raffreddati ad aria hanno temperature di esercizio elevate, l’impiego di un cilindro in alluminio rappresenta sicuramente una buona soluzione tecnica in quanto l’alluminio ha un potere di dissipazione del calore maggiore della ghisa. E’ anche vero, però che l’alluminio, al salire delle temperature, ha un coefficiente di dilatazione superiore della ghisa, risultando così meno stabile.

Elenchiamo ora le caratteristiche meccaniche e vantaggi delle due soluzioni, ovvero cilindro in ghisa e cilindro in alluminio per motori raffreddati ad aria.

La ghisa è più stabile al variare delle temperature, con un coefficiente di dilatazione pari alla metà delle leghe di alluminio e silicio: mm/m/ °C 0,0234 contro 0,0107. 

Come smaltimento del calore l’alluminio vanta una capacità di dissipazione di 190 kcal/m °C, contro i 53 kcal/m °C  della ghisa sferoidale: ciò significa, in soldoni, che, fin quando si riesce a mantenere le temperature di esercizio entro valori consoni, l’alluminio riesce a smaltire una maggiore quantità di calore rispetto alla ghisa con una capacità superiore del 400%. Quando le temperature diventano critiche, la ghisa è però più stabile e si deforma meno, mantenendo così un migliore livello prestazionale.

L’alluminio, poi, grazie al riporto in nikasil, ha una maggiore scorrevolezza superficiale rispetto alla ghisa, con una maggiore resistenza all’usura e al grippaggio.

Trattamenti della canna in ghisa garantiscono ottimi riscontri su motori spinti: la fosfatazione al manganese, ad esempio, consente di ridurre drasticamente il rischio di grippaggio e aumenta in modo considerevole la scorrevolezza del pistone e dei segmenti. 

 

 

 

 

 

La ghisa, analizzando il diagramma in questione, risulta molto meno elastica e più stabile rispetto all’alluminio. 

Si noti come il carico di rottura della ghisa sferoidale, grazie alla conformazione delle particelle di grafite a forma di sfera e non lamellare, genera meno punti di frattura e ha una resistenza alla rottura superiore del 300% rispetto a quelli in ghisa grigia. 

E’ interessante notare, poi, come il coefficiente di dilatazione a caldo dell’alluminio sia doppio rispetto alla ghisa.

 

 

 

Il cilindro raffreddato ad aria è contenuto in una cuffia in cui viene fatta circolare l’aria mossa da una ventola calettata sull’albero motore. La parte più esposta alla ventola, come si vede in foto, ha l’alettatura più corta rispetto alla parte più lontana e meno esposta: in questo modo si equilibra il gradiente termico delle due parti del cilindro, distribuendo uniformemente il calore.

 

La testa di un motore scooter raffreddato ad aria forzata ha le alette disposte in modo da generare una corrente favorevole all’interno della cuffia. La conformazione delle alette, che tendono a restringersi alla sommità, è studiata per garantire la massima dissipazione del calore.

 

La differenza più evidente tra un cilindro raffreddato ad aria e uno ad acqua è la presenza dell’alettatura. L’alettatura viene realizzata in modo da estrarre calore dalla canna e aumentare la superficie di scambio termico con l’aria, in modo da ridurre drasticamente le temperature. La conformazione, il numero delle alette, la forma dell’inserzione sulla canna e lo spessore decrescente sono tutti parametri frutto di lunghi studi da parte dei tecnici. La presenza di un lato con alette corte e/o asimmetriche è studiato per garantire al cilindro un gradiente termico più vicino possibile tra la zona più vicina e quella più lontana dalla ventola, così come la cuffia di convogliamento dell’aria forzata è frutto di studi analoghi per dissipare la maggior quantità di calore possibile e far lambire all’aria una parte più ampia possibile del cilindro. 

Le alette, su un motore raffreddato ad aria non forzata, devono avere uno spessore medio non inferiore al 5% dell’estensione radiale della stessa. Alette troppo sottili, anche nei motori raffreddati ad aria forzata, non riescono a garantire uno smaltimento ideale delle temperature.

Non bisogna credere che un elevato numero di alette sia la migliore soluzione: se la distanza tra queste è troppo bassa, la circolazione dell’aria non è ottimale e si peggiora drasticamente lo scambio termico.

Spesso le dilatazioni, soprattutto nei cilindri in alluminio, possono determinare un maggiore allungamento del cilindro rispetto ai prigionieri in acciaio e, di conseguenza, il cilindro stesso si può deformare facendo assumere alla canna la classica conformazione a botte, testimoniata dai classici segni di usura della canna stessa in corrispondenza dei prigionieri. 

Nei cilindri in alluminio, poi, si tende a evitare di mettere scoperti i prigionieri, se di tipo passante: questo perché un contatto diretto con l’aria peggiorerebbe drasticamente la differenza di dilatazione.

 

  

 

Da oltre 15 anni la Top Performances, per i kit scooter raffreddati ad aria, ha introdotto una guarnzione testa in alluminio in grado di ridurre sensibilmente le temperature di esercizio del cilindro, proprio sotto la testa. Il kit è abbinato a una serie di dadi testa alettati per dissipare il calore accumulato dai prigionieri.

 

Le ventole di raffreddamento speciali, frequentemente usate in oriente, basano il loro funzionamento su una maggiore leggerezza e un profilo delle palette più ampio. Per ridurre il freno aerodinamico, poi, è stata realizzata una conformazione delle palette a favore di rotazione anziché contraria, al contrario della ventola di serie. Queste ventole non funzionano correttamente, fanno surriscaldare il motore e, ad alti regimi, tendono a rompersi …

 

Se si tratta di un motore in cui la temperatura sottocandela è inferiore ai 230°, in cui si riesce a lavorare con benzine di alta qualità e alto numero di ottano, se si usa una testa con candela a passo lungo, il cilindro da scegliere è quello in alluminio.

Se, invece, il motore è in una situazione critica di funzionamento, con valori di anticipo e rapporto di compressione al limite e gira con carburazioni particolarmente magre, la ghisa rappresenta una scelta obbligata.

In questo caso, però, è giusto curare molto il cilindro sotto tutti i punti di vista.

In primo luogo, ci sono cilindri in ghisa e cilindri in ghisa: sceglietene sempre uno in ghisa perlitica o sferoidale: in questo caso le parti di grafite hanno forma sferica e non lamellare, a tutto vantaggio della resistenza meccanica.

In secondo luogo, puntate su un cilindro vecchio.

Nel karting i preparatori più smaliziati mettono le canne dei cilindri ad invecchiare sotto terra: ossidandosi, la ghisa tende a cristallizzare e a diventare molto più dura e resistente a grippaggi ed usura. Basterà rettificare, montare un pistone della giusta tolleranza per avere il massimo delle prestazioni e dell’affidabilità.

Come terza cosa, fate effettuare una fosfatazione al manganese alla canna: un trattamento da pochi Euro che potrà garantire affidabilità, scorrevolezza e, di conseguenza, grandi prestazioni. La fosfatazione al manganese farà crescere la canna di 2/100 sul diametro. Non lappate assolutamente la canna: montate il pistone con la tolleranza fatta prima di effettuare il trattamento e, dopo pochi km, le fasce avranno portato via il materiale in eccesso. 

Un altro trattamento di indurimento superficiale molto in voga nel karting è la solfonitrurazione dolce della canna: un trattamento molto penetrante e in grado di rendere la ghisa durissima e resistentissima al grippaggio, oltre che molto scorrevole. La durezza e la scorrevolezza sono superiori a quelle di una fosfatazione al manganese, ma il periodo di rodaggio è lunghissimo.

Ovviamente le fasce da utilizzare in questo caso sono in ghisa N assolutamente non cromate…

Le fasce da usare con la ghisa sono sempre dal 20 al 30% più spesse rispetto a quelle per l’alluminio raffreddato a liquido e, se si montano fasce da 1 mm, meglio metterle su un pistone bifascia. Dopo aver effettuato questi trattamenti, è sempre importante ricontrollare il parallelismo dei piani del cilindro, che si potrebbe deformare di qualche centesimo …

Non cambiate e non modificate la ventola raffreddamento di serie: è il miglior compromesso trovato da ingegneri motoristi in sala prove. Non modificate le cuffie! Un buon accessorio è il convogliatore in plastica modello UFO: quel piccolo accessorio può fare davvero la differenza, anche se di pochi gradi di temperatura …

 

Da quello che abbiamo potuto capire, la migliore soluzione per un motore raffreddato ad aria sarebbe quella del cilindro bimetallico, ovvero con esterno in alluminio e canna interna in ghisa sferoidale piantata per interferenza a caldo. Non a caso questa soluzione era d’obbligo nei motori da kart ad aria … Sugli scooter è estremamente difficile da realizzare in quanto l’interasse dei prigionieri è ridotto all’osso e c’è poco spazio anche per soluzioni con prigionieri bassi.

 

Uno degli errori più comuni commessi sui motori ad aria con cilindro in ghisa riguarda il pistone: scegliete sempre un pistone con profilo e tolleranza specifico per cilindri in ghisa e non per cilindri in alluminio: i profili, tenuto conto delle differenze di dilatazione tra questi due metalli, sono differenti e si rischia di rompere anche rispettando la tolleranza nominale (quella scritta sul cielo del pistone).  

I motori ad aria ad altissime prestazioni, poi, necessitano di una lubrificazione completamente diversa da quella di un motore ad acqua, soprattutto se usate il cilindro in ghisa.

La miscela, con il cilindro in ghisa, dovrà essere fatta con olio ricinato da kart 100 cc, come lo Shell M, ad almeno il 4%. Chi scrive, nelle gare con motori scooter ad aria, ha sempre usato miscele con Shell M al 5%. Se avete un motore raffreddato ad aria da 13000 giri con cilindro in ghisa è l’unico modo per non grippare ogni 2 giri, soprattutto se non avete la canna trattata.

Se poi il motore fuma, lasciatelo fumare: meglio un motore che fuma di uno che si rompe!

Considerate poi che, a livello prestazionale, tra una miscela al 2% e una al 6% non ci sono differenze di potenza riscontrabili al banco prova …