Tecnica
Il due tempi a pistoni contrapposti
Scritto da 42 - Pubblicato 06/12/2011 17:21
Principio di funzionamento, storia passata e futura di un motore a due tempi 'senza testa'

Piccolo preambolo.

Avevo scritto un articolo sulle "novità" motociclistiche del 1954, ed il commento di un lettore mi aveva portato a scrivere uno sui motori a 2 tempi con cilindro sdoppiato (lo trovate qui: Il due tempi a cilindro sdoppiato).

Durante la ricerca bibliografica per questo articolo, un altro lettore mi ha postato l'immagine del motore della "Vespa siluro" del 1951, definendolo "a cilindri contrapposti".
In realtà quel motore è la versione moderna di una vecchia idea di motore a due tempi risalente addirittura al XIX secolo a cui avevo accennato nell'articolo.
Tu guarda come le cose si concatenano... e a questo punto, vuoi non scriverci su due righe?

Ripartiamo quindi dal lontano 1877...

Nell'articolo sui motori a cilindro sdoppiato avevamo visto come nel 1923 la Puch, per mano dell'ing. Marcellino, avesse rivisitato un'idea messa su carta 46 anni prima da Ferdinand Kindermann:



L'ing. Marcellino lo aveva "piegato":



e legato i due pistoni con una biella ad Y, realizzando il motore utilizzato a partire dagli anni '20 dalla Puch.


I pistoni contrapposti

Immaginiamo però di lasciare il motore "ben disteso" e diamogli un'occhiata.
Abbiamo due pistoni che nel loro convergere vanno prima a chiudere le luci di carico e scarico, poi vanno a creare una singola camera di scoppio, fino a che l'unica candela centrale innesca la combustione.
Dopo la combustione, i due pistoni iniziano a divergere, fino a liberare le luci; a quel punto i gas combusti vengono espulsi, mentre dalla luce di carico entra la miscela fresca... e si ricomincia.

Certo, l'idea era acerba, ma in fondo i vantaggi c'erano, eccome, rispetto al due tempi tradizionale.

Innanzitutto il fatto che si abbia un lavaggio unidirezionale: con un pistone che controlla la luce di carico e l'altro quella di scarico si ha un flusso appunto unidirezionale, con un limitato rimescolamento tra gas combusti e gas freschi, e quindi maggior rendimento.
In seconda battuta, non essendovi una testata vera e propria, a parità di cilindrata la superficie totale esposta alla combustione è la metà di quella di un 2 tempi tradizionale (e anche di quelli a cilindro sdoppiato), con alcuni vantaggi dal punto termodinamico.
Infine, il fatto di avere due masse costantemente in movimento opposto una rispetto all'altra (come i boxer che siamo abituati a vedere oggi) produce un buon effetto di bilanciamento delle forze.

Non mancano neppure i difetti, ad essere sinceri. Occorre infatti collegare in qualche modo i due alberi oppure utilizzare il loro moto rotatorio in modo indipendente.
La seconda ipotesi viene abbandonata presto: basta che ad uno dei due venga opposta una resistenza appena superiore rispetto all'altro, che il motore si disequilibra.
Collegare i due alberi, per contro, significa introdurre ulteriori elementi (catena o ingranaggi in cascata) che vanno però a erodere parte della potenza sviluppata.
La Puch, come abbiamo visto, opta per la configurazione a "U rovesciata", come anche DKW e successivamente Iso, per avere un solo albero motore.


I progetti tedeschi

Una delle soluzioni alternative arriva invece verso la fine nel 1936, per merito di Richard Küchen (1898-1974), che si inventa un motore a pistoni contrapposti più compatto, in cui il moto è trasmesso all'unico albero motore da un manovellismo a bilanciere.



Sezione del motore di Küchen

Nella animazione successiva è possibile notare l'asimmetria degli imbiellaggi sull'albero:



Manovellismo del motore di Küchen (animazione)

L'idea sembra inizialmente buona, ma vari problemi, non ultimo le numerosi frizioni dovute al complesso sistema multisnodo del manovellismo, inducono ad abbandonare l'idea di utilizzarlo su una motocicletta.
Il motore a pistoni contrapposti viene rispolverato alle soglie della II Guerra Mondiale, quando August Prüssing (responsabile del reparto corse DKW) e la squadra di ingegneri meccanici della casa tedesca realizzano un motore di questo tipo, con due prototipi rispettivamente da 250 e 350 cc.
L'accoppiamento tra gli alberi è realizzato tramite cascata di ingranaggi che comandano un albero posizionato centralmente, e il diagramma di distribuzione è asimmetrico (il pistone sinistro ha un anticipo di circa 20° rispetto al destro)



Il motore progettato da August Prüssing (animazione)

L'albero a sinistra (osservando il disegno) aziona inoltre l'alternatore e il "compressore", mentre quello di destra comanda la pompa dell'acqua (il motore e' raffreddato a liquido).

Qui di seguito, una sezione orizzontale dello stesso motore, cambio incluso:



Il motore di Prüssing

L'immagine non è chiarissima, ma questa vista svela un'altra caratteristica del motore:
I cilindri sono due, con i quattro pistoni che scorrono in moto alternato... un doppio twingle


Il dopoguerra e l'industria dell'Est

L'arrivo della II Guerra mette fine a tutti i progetti di innovazione che non siano strettamente inerenti all'attività bellica (che comunque sfrutterà in modo diverso questa architettura, vedere il paragrafo "facciamolo diesel"); nel '45 la Germania si trova di fronte alla difficile opera di ricostruzione e la priorità va al consolidamento e al rilancio dell'industria più che allo sviluppo e ricerca; inoltre molti tecnici e scienziati hanno preso la strada verso Russia e USA (basti pensare a Werner Von Braun, inventore prima delle V1 e V2 tedesche e poi elemento di spicco del programma spaziale statunitense).

Gli stabilimenti di Zwickau (DKW e Audi...), nella spartizione post bellica, finirono sotto il controllo sovietico; mentre la DKW si trasferiva a Ingolstadt, l'ex Audi fu riavviata alla produzione nella neonata DDR, e nel 1949 gli si affiancò la IFA (Industrieverband Fahrzeugbau: Associazione Industriale per la Costruzione di Veicoli ), che a sua volta inglobò la casa motociclistica MZ.

Fra i motoveicoli prodotti col marchio IFA, la 250 GS del '49 venne dotata proprio del motore progettato da Prüssing 10 anni prima:



La IFA 250GS (ben visibile sul lato sinistro il compressore)

Questi motori, infine vennero successivamente usati dalla sovietica Vostok per la produzione di motociclette da competizione per tutti gli anni '50, affiancati anche da un propulsore (anch'esso di derivazione DKW) che come aspetto sta "a metà strada" tra il twingle classico e quello a sogliola, con le canne dei cilindri che convergono verso il cielo della camera di scoppio (una soluzione simile, 30 anni prima, era stata adottata anche dalla torinese Della Ferrera):



Vostok S2-B (nella sezione sono ben visibili i due alberi "accoppiati" e - a destra - la pompa di carico.)


La "Vespa Siluro" Piaggio

E veniamo finalmente all'Italia, visto che avevo esordito parlando della "Vespa Siluro" e finora abbiamo invece girato fra Germania ed URSS.
Nel 1951 la sfida tra Lambretta e Vespa per la corona di scooter più veloce è sempre più calda.
Nel marzo del 1950, la Piaggio raccoglie svariati record sulla pista di Monthéry, a cui Innocenti risponde sei mesi dopo con 22 record mondiali in 9 giorni sullo stesso circuito.
Passano ancora pochi mesi e la Vespa Siluro (17,2 CV a 9500 rpm), pilotata da Dino Mazzoncini supera i 171 Km/h di media, fra il 10° e l'11° Km della Roma-Ostia.
Il record delle 125 torna in casa Piaggio. (*)

Al di là della ciclistica e della aerodinamica, quello che rendeva unica la "Siluro" era proprio l'adozione di un motore monocilindrico a pistoni contrapposti (alesaggio 42, corsa 45) raffreddato ad acqua e con ammissione separata (montava infatti due carburatori da 23 appositamente realizzati); i due alberi erano collegati tramite una cascata di ingranaggi.

La prima versione, progettata dall'ingegner D'Ascanio, prevedeva il raffreddamento ad aria, che venne poi sostituito con un circuito di raffreddamento a liquido dall'ingegner casini che ne seguì lo sviluppo finale.
Il combustibile era costituito da una miscela di alcool ed olio (al 12%!!). L'accensione era garantita da uno speciale volano della stessa Piaggio e da due candele montate simmetricamente al centro dell'unico cilindro.



Motore Vespa Siluro

Per amor di precisione, il motore della fotografia qui sopra non è esattamente quello montato sulla vespa dei record, ma una sua evoluzione successiva, che però non venne mai testata.
Dell'originale sono riuscito a recuperare solo un paio di disegni in sezione, dai quali risultano evidenti le affinità con il progetto di August Prüssing.




Curiosità "extra-moto"

Facciamolo diesel

La tecnica dei cilindri contrapposti, come visto, annovera tra i suoi vantaggi quello di non richiedere la presenza della "testa", in quanto ogni pistone fa da testa al suo opposto.
Questo rende il motore teoricamente piu' leggero, ma solo se ho più cilindri affiancati; in caso contrario, infatti, il dover costruire un unico cilindro "lungo il doppio" non consente di condividerne le pareti con quelli vicino, come invece accade nel caso di due (o più) cilindri in linea.
Con un multicilindro in linea, invece, i vantaggi si sentono, e l'eliminazione della testa comincia ad avere (anzi... ad eliminare) il suo peso.

Ogni cilindro, con la sua coppia di pistoni contrapposti, diventa un potenziale "elemento modulare" che affiancato ad altri moduli simili collegati attraverso gli alberi motore, può dar vita a motori più grandi e potenti.
A sfruttare qusta modularità fu soprattutto la tedesca Junkers, che realizzò vari motori diesel a pistoni contrapposti per l'aviazione tedesca, come la serie Jumo 20X.



Junkers Jumo 205 (16.600 cc, 6 cilindri, 12 pistoni)


Facciamolo "strano"

Una curiosa configurazione di motore a pistoni contrapposti è infine quella chiamata "Deltic" per la sua somiglianza con la lettera greca Delta, il cui principio di funzionamento è facilmente intuibile dall'animazione qui di seguito:



Manovellismo del motore Napier Deltic

I primi studi su questa architettura risalgono al 1943/44, quando la Napier (azienda inglese nata come costruttore di automobili ma ormai convertita alla produzione di motori per l'industria bellica) si trovò impegnata a progettare un nuovo motore navale per ii caccia torpedinieri della Marina Britannica.
Il motore, che vide la luce nel 1950, era il "Napier Deltic", diesel due tempi da 88.000 cc:



Napier Deltic (18 cilindri, 36 pistoni, alesaggio x corsa: 130x184)

Il motore era formato da sei "moduli base", di cui l'ultimo (quello, diciamo così, lato carter) è qui riprodotto in sezione:




Presente e futuro

Dopo 60 anni di stagnazione e di lenta "migrazione" verso i motori a quattro tempi, qualcosa si sta nuovamente muovendo.
Il motore due tempi a pistoni contrapposti è infatti al centro del progetto OPOC (Opposite Pistons Opposite Cilinders) finanziato, tra gli altri, dalla Microsoft di Bill Gates.
Il progetto, sviluppato dalla Ecomotors, prevede un modulo base formato da quattro pistoni che muovono un unico albero motore centrale attraverso un complesso sistema di imbiellaggio:



Prototipo Ecomotors OPOC in sezione

I moduli possono essere affiancati in modo da fornire maggior potenza.
In uno dei prototipi, inoltre, due di questi moduli sono collegati tramite una frizione che consente, a seconda della potenza necessaria, di collegare o scollegare tra loro i moduli, utilizzandone quindi uno solo od entrambi:



Motore OPOC ad "H"

La destinazione d'uso, almeno in questa prima fase, è il mondo dell'automobile, per cui lascio all'interesse personale di chi legge il compito di eventualmente approfondire l'argomento, attraverso il sito della Ecomotors (a fine articolo, nella bibliografia, trovate i link)


Conclusioni?

Non so se da tutto ciò si possa trarre una conclusione definitiva sul futuro motore a due tempi (Diesel o benzina) o sulla sua definitiva morte almeno per i piccoli motori ad efficienza più bassa.
Sta di fatto che dopo mezzo secolo in cui il due tempi è rimasto uguale a se stesso, un investimento di 27 milioni di dollari come quello della Microsoft fa supporre che le potenzialità per arrivare ad un nuovo concetto di 2T ci siano.
Chissà che dopo un possibile successo del motore OPOC nella sua declinazione diesel nel mondo automobilistico, non ne esca uno a benzina per le nostre motociclette.

Durante una conferenza stampa del 2010, Don Runkle (CEO della Ecomotors) si fece fotografare con un modello a grandezza naturale (a sua detta) di un motore OPOC da 75 HP formato da due moduli solidali tra loro.
Non e' poi tanto più largo di un boxer BMW, no?



Don Runkle mostra un prototipo del motore OPOC

Vediamo cosa ci riserva il futuro.

Spero di non essere stato troppo prolisso; se siete comunque arrivati fin qui... grazie per l'attenzione




(*) Da lambrettista non posso esimermi dal ricordare come dopo soli due mesi, il record tornò nelle mani della Innocenti, con un 190 Km/h abbondanti sulle strade di Terracina poi ribadito con un 195,8 in circuito... ma questa e' un'altra storia.


Bibliografia e iconografia

Motohistory (motore di Küchen)
Autosoviet (Vostok e IFA 250)
Vivoscooters (viste motore siluro)
Wikipedia D (animazione motore di Küchen)
Wikipedia UK (Motore Deltic Napier)
Ptfnasty (sezione e dati tecnici del Deltic Napier)
Ecomotors (prototipo motore OPOC)
 

Commenti degli Utenti (totali: 37)
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Re: Il due tempi a cilindri contrapposti
Commento di: Django il 06-12-2011 18:29
Questo articolo è assolutamente eccellente.
Re: Il due tempi a cilindri contrapposti
Commento di: 42 il 06-12-2011 19:49
Un po' e' anche colpa tua... sei tu che mi hai postato la foto del motore della "Siluro" ;-)
Re: Il due tempi a cilindri contrapposti
Commento di: SparklePlenty il 06-12-2011 18:34
Spettacolare questo articolo. Davvero perfetto, interessante e dettagliatissimo, complimenti!
Re: Il due tempi a cilindri contrapposti
Commento di: Ganja96 il 06-12-2011 19:22
Bravissmo. Era un po' che rimacinavo su questo motore e finalmente mi hai lucidato le idde ;)
Re: Il due tempi a cilindri contrapposti
Commento di: Diego il 06-12-2011 19:27
Bellissimo quest'articolo! Me lo sono letto molto volentieri!
Commento di: Davide il 07-12-2011 17:08
Ti dirò che questo tipo di motore proprio non lo conoscevo. L'unico limite che mi è venuto in mente leggendolo è quello che mancando la testata ed essendo quindi di molto inferiore la superficie utile allo smaltimento del calore, potrebbe scaldarsi molto all'interno del cilindro... ma magari non è vero
Commento di: 42 il 07-12-2011 23:50
Anch'io pensavo al discorso della superficie... corroborato dal fatto che sono tutti raffreddati ad acqua.
Però in uno degli articoli che ho utilizzato come fonte, ho trovato questa frase:

No cylinder head or “normal’ combustion chamber is needed. This fact alone saves about half of the revealed surface that is exposed to hot combustion, which provides thermodynamic advantages.

Ci vorrebbe un ingegnere ;-)
Commento di: rici46 il 08-12-2011 10:56
Complimenti per l'articolo! Davvero bello! Speriamo che Bill non si sbagli! Voglio troppo vedere in giro questo super motore! XD
Commento di: rilmaster il 08-12-2011 15:35
complimenti, molto molto interessante e ben scritto !
grazie.

rilmaster
Commento di: TartarUgo il 08-12-2011 16:35
Piacevole la lettura, approfondito l'argomento (ma non eccessivamente): questa è la Passione per le moto.
Commento di: Doc_express il 08-12-2011 19:19
Parlando di diesel a due tempi mi hai riportato all'epoca gloriosa del vero motorismo ,nel quale i motori avevano l'iniezione ad aria compressa e bruciavano olio molto pesante...che tempi.
Chissà perchè dei motori "diversi" non ne parla mai nessuno,tutti con il classico 4T e basta. E chissà che fine aveva fatto il prototipo hyosung a palette...un motore senza pistoni che tirava fuori una sessantina di cv a 63000 rpm!
Commento di: Ospite il 08-12-2011 20:54
Grande articolo come sempre Lorenzo...
Commento di: maurizio_53 il 08-12-2011 21:19
Bellissimo articolo.
Visto che sei un lambrettista, perché non ricordare anche il record del 1966 della lambretta preparata Ancillotti?
Commento di: 42 il 08-12-2011 21:38
Dammi tempo... ;-)
Commento di: maurizio_53 il 08-12-2011 21:38
scusa, volevo dirlo a 42 ma ho sbagliato il posto dove rispondere.
Commento di: teobaby il 08-12-2011 23:57
Complimenti,bellissimo articolo, perché di alcuni tipi di motore non ne ho mai sentito parlare .
una cosiderazione : il motore OPOC è una riproposizione del motore Junkers montato sull' autocarro
Lancia Ro con un' architettura boxer , dato che entrambi hanno praticamente lo stesso sistema di imbiellaggio?
Commento di: 42 il 09-12-2011 14:55
Non esattamente, direi.
Ho fatto qualche ricerca e se ho collegato bene dati e date...
Nel 1932 Lancia acquisto' dalla Junkers la licenza per la fabbricazione in proprio dei loro motori. Il primo realizzato fu il Lancia-Junkers tipo 89 bicilindrico a quattro pistoni, a cui segui' il tipo 90 tricilindrico a sei pistoni: ll primo motorizzò gli ultimi esemplari dell'Omicron ed i Ro, il secondo i Ro-Ro.

A questo LINK vediamo il Lancia modello 89
A quest'altro LINK il motore Junkers

Come vedi le analogie sono molte
Si tratta quindi di due cilindri affiancati (tre nel "tipo 90" che equipaggiava il ro-ro), ognuno con due pistoni contrapposti. una versione "in piccolo" del motore junkers jumo che appare in una delle immagini a corredo dell'articolo


Finalmente ho trovato in giro una sezione del "Lancia tipo 89"


Ho anche scoperto che aveva una peculiarità: il pistone superiore aveva una corsa minore di quello inferiore (100 mm contro 150)
Commento di: 42 il 09-12-2011 19:30
Rileggendo bene cio' che avevi scritto...


Beh, si', in pratica si tratta di "mezzo OPOC" ;-)
Commento di: neild il 09-12-2011 07:50
Articolo interessante e ben realizzato, ma le applicazioni motociclistiche saranno reali???
e i consumi??
Commento di: JO195 il 12-12-2011 12:23
Comprensibile anche per chi, come me, non e' un esperto di meccanica, quindi ... doppi complimenti
Commento di: modelero il 13-12-2011 00:51
particolarissimo motore e eccellente articolo ! ;)
Commento di: ssj1985 il 13-12-2011 02:06
Davvero interessantissimo, specie per chi come me ha il piacere di guidare la massima evoluzione della tecnica motociclistica 2T!
Commento di: ironoxid il 17-12-2011 01:19
Complimenti! Bellissimo articolo!
Speriamo solo che dopo gli investimenti di Microsoft l'OPOC non richieda frequenti riavvii ^_^
Commento di: 42 il 17-12-2011 10:33
Tranquillo, sul cruscotto saranno presenti i tasti CTRL+ALT+DEL ;-)
Commento di: Renzo94 il 21-12-2011 22:30
bellissimo articolo!

i motori "strani" mi sono sempre piaciuti...specie se a olio pesante
Commento di: David-C9 il 22-12-2011 18:23
Davvero complimenti. eccellente lavoro, molto preciso.
Commento di: jocanguro il 27-12-2011 17:04
Bellissimo articolo ..
non conoscevo questi motori...
Grazie , bel lavoro... !!!!!
ma il napier deltic di cui foto sopra, 88.000 cc 18 cilinfri , che potenza erogava ? era anche sovralimentato.
ho cercato un po 'in internet e ho trovato molte altere foto e interessanti filmati di locomotive che mettevano in moto (con fumate assurde...)

grazie !!
ciao
Commento di: jocanguro il 27-12-2011 17:05
p.s. perchè diesel ?

non c'era la candela ??
Commento di: 42 il 27-12-2011 17:21
Il Napier Deltic non era sovralimentato, o almeno non nel senso che intendiamo oggi... semplicemente sfruttava il principio del lavaggio unidirezionale per favorire l'afflusso di miscela fresca ed aumentare il rendimento
Sviluppava comunque circa 2500 HP
Commento di: prussianblue il 06-01-2012 22:40
bellissimo articolo, interessante ed esauriente, complimenti.
Commento di: MickZ il 19-01-2012 15:58
Proprio oggi, deluso dall'iscrizione alla mia ultima Communnity On-Line specialistica a seguito del recente acquisto della mia nuova moto, ho rispolverato il "Tinga" al quale mi ero iscritto un po' di anni fa per poter rispondere ad un quesito tecnico posto da un membro, e cosa ci trovo ?

Un contributo eccellente ed a livello di quelli pubblicati su riviste web specializzate.

Proprio questi sono i contenuti che ti fanno capire il vero valore e significato di Comunità Web e di contributo attivo.

Di nuovo complimenti,
Michele
Commento di: malossi27 il 17-02-2012 16:44
che motore strafico
Commento di: BRZLPL il 02-03-2012 17:45
Grazie. Articolo, e tutto il seguito, fatto molto bene. Da leggere e rileggere. Ancora Grazie
Commento di: PMS il 10-04-2012 20:07
il napier deltic è stato ampiamente utilizzato anche sui treni diesel delle ferrovie inglesi....
in generale, la Napier ha progettato ed in qualche caso prodotto motori caratterizzati da architetture inusuali. Il deltic comunque, è stato il canto del cigno di questa geniale azienda.
Commento di: PMS il 10-04-2012 20:27
ha, dimenticavo, complimenti per l'articolo 42! davvero bello!
Commento di: poortom il 19-01-2013 19:50
Ho giusto trovato questo video http://www.youtube.com/watch?v=5Y8QqeuvArE
Commento di: il_phones il 30-10-2013 22:42
Articolo fantastico, mi ricorda di quando mio padre mi ha regalato i suoi libri di motoristica. Li ho divorati tutti in due settimane (peccato fossero degli anni 50 ), qui ho ritrovato un po' della curiosità che mi animava all'epoca.
Ancora complimenti!