Motore diesel 2 tempi a cilindri contrapposti: analisi tecnica

Come ormai noto, le auto diesel in questi ultimi anni, complice il dieselgate, sono state criminalizzate e penalizzate oltre ogni logica da svariate amministrazioni locali sia in Europa che negli USA. I divieti di circolazione annunciati per le auto a gasolio anche di ultima generazione, sono essenzialmente di natura ideologica/demagogica, non supportati da reali motivazioni tecniche. Le emissioni di CO2 ed i consumi dei motori diesel sono nettamente inferiori a quelli dei propulsori a benzina, mentre le emissioni di NOx e PM sono state drasticamente ridotte dai sistemi di post-trattamento dei gas di scarico (filtro antiparticolato e dispositivo SCR). Tuttavia, un vecchio detto recita “attacca l’asino dove vuole il padrone”, dunque  le Case costruttrici e gli automobilisti, obtorto collo, si adeguano  riducendo in modo considerevole l’interesse verso il diesel per non trovarsi presto con un prodotto invendibile e non più utilizzabile. Una giovane azienda americana ha riportato in auge l’efficacia della tecnologia diesel rivisitando lo schema di una tecnologia a pistoni contrapposti di cui parleremo in questo approfondimento.

Articolo scritto da Bruno Pellegrini e aggiornato il 29 luglio 2020

NEI TRUCK IL DIESEL DOMINA

Nel settore dei veicoli industriali e commerciali adibiti al trasporto a largo raggio (pick-up, furgoni, camion leggeri e pesanti, naviglio,ecc.), la caccia alle streghe anti-diesel non può essere attuata. L’alternativa dei motori a benzina e men che mai la tecnologia elettrica, appaiono del tutto improponibili, secondo il parere di chi scrive, e attualmente non esiste altra soluzione se non il motore diesel tecnologicamente evoluto e sviluppato per ottenere grandi autonomie, costi e consumi ragionevoli e il rispetto delle più severe normative sulle emissioni.

MOTORI DIESEL A PISTONI CONTRAPPOSTI

Nell’ambito di tale logica, la AchatesPower, giovane azienda americana con sede a San Diego (California), specializzata nella progettazioni di motori endotermici, ripropone lo schema del diesel 2 tempi a pistoni contrapposti alloggiati nel medesimo cilindro, soluzione non nuova utilizzata in passato anche nel settore aeronautico negli anni ’30-40 dalla tedesca Junkers. Ma quali sarebbero i vantaggi del diesel 2 tempi rispetto a quello classico a 4 tempi? Innanzitutto la totale assenza dei componenti della distribuzione (valvole, molle, alberi a camme, catene/cinghie e relativi ingranaggi di comando), così come avviene sui 2 tempi a ciclo Otto a benzina. Inoltre nel diesel a 2 tempi la fase di lavaggio si effettua solo con aria anziché con la miscela aria-benzina-olio. In tal modo si evita la dannosa perdita di miscela fresca dallo scarico (uno dei limiti storici del 2 tempi a benzina), con notevole riduzione dei consumi, delle emissioni e aumento del rendimento totale soprattutto in presenza di pompa di lavaggio. Nel video qui sotto puoi vedere il funzionamento del motore diesel 2 tempi della AchatesPower.

I CILINDRI NEI MOTORI DIESEL

In termini di potenza specifica erogata, a parità di cilindrata,  occorre sottolineare che nel diesel 2 tempi si ha una fase utile ogni giro dell’albero motore anziché una ogni 2 giri come avviene nel 4 tempi. Con la sovralimentazione, già negli ’60 si sono ottenute potenze specifiche elevatissime (circa 70 CV/l) su motori marini o per veicoli militari. Ne consegue che, a parità di potenza, un diesel 2 tempi avrà ingombro e peso minori con un numero di cilindri pari alla metà. Peraltro, con la tecnologia attualmente disponibile, il diesel 2 tempi supera agevolmente le difficoltà incontrate in passato sui propulsori di piccola cilindrata unitaria, dovute ai ridotti tempi di iniezione, alle aumentate sollecitazioni termiche sui pistoni ed alle incrostazioni sulle luci di aspirazione e scarico.

UN 3 CILINDRI DIESEL DA 462 CV

La disposizione a pistoni contrapposti oltre ai vantaggi suesposti, comporta necessariamente due alberi motore  alle estremità del monoblocco e collegati fra loro. Mentre per la trasmissione del moto c’è un treno d’ingranaggi. Ciò rappresenta una complicazione meccanica non trascurabile che limita solo in parte i pregi del diesel 2 tempi. AchatesPower sta sviluppando un motore diesel 2 tempi di 9800 cc a 3 cilindri in linea in verticale con pistoni contrapposti in grado di erogare una potenza di 340 Kw (462 CV) e una coppia di ben 2100 Nm a 1200-1400 g/min. con un rendimento termico stimato del 55%. Il propulsore è stato studiato per equipaggiare camion di peso superiore a 15 tonnellate. Achates dichiara emissioni di 0,027 grammi di NOx per cavallo ed  emissioni di CO2 inferiori del 20% rispetto ai diesel 4 tempi attualmente in commercio sui veicoli commerciali.

MOTORI DIESEL A 2 TEMPI

L’azienda americana ha inoltre realizzato un prototipo di motore a benzina  montato su un pickup  Ford F-150, veicolo molto diffuso negli USA. Si tratta di un 2.7 litri di 270 CV con una coppia max. di 651 Nm e un consumo di 7,6 l/100 Km. Secondo Achates, nel loro motore diesel a pistoni opposti il sistema di riduzione catalitica selettiva (SCR) può essere portato più rapidamente alla temperatura di esercizio ottimale. Inoltre il sistema EGR può essere controllato variando la differenza di pressione tra i collettori di aspirazione e di scarico. Ciò consentirebbe di ridurre le emissioni di ossidi di azoto (NOx) rispetto a un equivalente diesel 4 tempi. Questi eccellenti risultati sono stati ottenuti grazie allo schema del diesel 2 tempi turbocompresso a pistoni opposti. In questa soluzione il cilindro è in comune e la camera di combustione centrale. Ovviamente anche gli iniettori sono alloggiati al centro dei cilindri nella camera di combustione ottenuta dal cielo dei due pistoni opposti.

SCHEMA UTILIZZATO DAGLI ANNI ’30

A ulteriore conferma che i motori endotermici a pistoni opposti e camera di combustione in comune non siano una novità, vale la pena ricordare che nel 2013 ne abbiamo parlato prendendo spunto dal prototipo realizzato da  un team di ingegneri del German Aerospace Center’s Institute of Vehicle Concepts di Colonia, in Germania, definito in italiano (impropriamente) con pistoni a movimento lineare. Secondo i tecnici tedeschi, sarebbe l’ideale per produrre energia elettrica sugli autoveicoli ibridi-elettrici ad autonomia estesa. La grande “novità” consisterebbe nel far lavorare una coppia di pistoni contrapposti in un singolo cilindro, con una camera di combustione in comune. Ricordiamo che il primo brevetto di motore monocilindrico Barsanti e Matteucci a pistoni opposti risale al 1858. Il moto lineare alternato dei pistoni viene quindi trasmesso, tramite bracci tubolari a molle pneumatiche e magneti permanenti per generare energia elettrica. I motori endotermici convenzionali trasformano invece il moto rettilineo alterno dei pistoni in moto circolare attraverso le bielle e l’albero a gomiti.

I BREVETTI DEI MOTORI DIESEL

Esistono inoltre svariati brevetti non industrializzati di motori lineari sia con camera di combustione in comune, sia separate. Fra le più note realizzazioni industriali ci sono i motori prodotti per un trentennio da Raul Pateras Pescara De Castelluccio dagli anni ’30. Il primo brevetto di motore a pistoni liberi abbinato a generatore di corrente, risale addirittura al 1959. Negli anni ’60 è stato realizzato il motore Stelzer. Oggi è degno di nota il motore della tedesca Pempek denominato FP3. Si tratta di un diesel 2 tempi da 100 kW del peso di soli 100 Kg. Giova inoltre menzionare il motore LCE che gira regolarmente al banco. Fu un progetto sviluppato presso il dipartimento della facoltà di ingegneria di Praga con la collaborazione di Josef Bozec.

DIESEL 2 TEMPI ANCHE NEGLI AEREI

Non tutti sanno che il motore diesel 2 tempi a pistoni opposti è stato  utilizzato anche in campo aeronautico negli ’30-40 dalla tedesca Junkers. I motori Jumo 205, 207  equipaggiavano gli aerei Dornier DO 18-26, Junkers JU 86 e Blohm und Voss BV 138E- Ha 139. Questi motori a gasolio, a seconda delle versioni, fornivano una potenza variabile da 600 a 1000 CV ad un regime di 2200-3000 giri. La versione 205 A di 16,62 litri di cilindrata  (alesaggio x corsa 105×160 mm), aveva un rapporto di compressione di 17:1. E’ altresì interessante citare l’applicazione del motore Junkers diesel Tipo 89 2 tempi bicilindrico a pistoni opposti. Fu costruito su licenza dalla Lancia, sul camion Lancia Ro degli anni ’30. Tale propulsore, dimostratosi molto affidale anche in zone di guerra, era caratterizzato da valori di corsa del pistone diversi: 150 mm per quello superiore, 100 mm per quello inferiore. La cilindrata era di 3180 cc la potenza erogata di 64 CV a 1500 giri.