18 December 2008

Pivotal: il motore a pistone basculante come alternativa per salvare il 2 tempi

In epoca di energie alternative, soluzioni per ridurre le emissioni e graduale tendenza all’abbandono del due tempi, un team di progettisti neozelandesi sta invece studiando il recupero del 2T con una soluzione che ha dell’incredibile: il pistone ha una sezione ad “L”, è ancorato in due punti e si muove di moto circolare, anziché traslatorio. Minaccia le fuell cells e si sposa con l’idrogeno.

Secondo tempo

SECONDO TEMPO Il pivotal o pistone basculante è compreso nella lunga serie dei progetti pensati per rivitalizzare il 2T. Nello specifico, la brillante idea dell’azienda neozelandese (www.pivotalengine.com) prevede un cinematismo diverso dal manovellismo ordinario centrato. L’obiettivo è come sempre quello di superare i limiti storici del 2T: emissioni, consumi, affidabilità, manutenzione frequente; il tutto mantenendone l’elevata potenza specifica e il basso costo.

Funzionamento

FUNZIONAMENTO Il Pivotal Engine può essere visto come un 2T dalla fluidodinamica piuttosto classica, ma dalla cinematica rivoluzionaria. L’aspirazione, diretta nel carter è controllata da un pacco lamellare e da un classico travaso; il lavaggio è incrociato, con la luce di scarico sovrapposta a quella di aspirazione, sullo stesso lato. Il pistone, però, è incernierato non solo nello spinotto, ma anche ad un lato ed è quindi basculante, ovvero esegue un movimento rotatorio, non traslatorio. Esso ha quindi una sezione più o meno ad “L”, dovendo individuare durante la corsa, oltre che il fondo, anche una parete del cilindro (che a rigore non è… cilindrico avendo generatrici curve e non rettilinee; infatti i progettisti parlano di ‘camere’ e non di cilindri). La camera di combustione è ricavata nella testa e il pistone ha cielo piatto. Il perno in più è un cuscinetto a strisciamento, e il tutto è calcolato in modo che il volume a disposizione dei gas sia sempre sufficientemente ampio da scongiurare il pericolo di detonazione.

Beve poco (olio)

BEVE POCO (OLIO) Quali sono i vantaggi di questo sistema? Un pistone classico scorre nel cilindro sostenuto dal mantello, che realizza l’accoppiamento di forma necessario a impedirne la rotazione attorno all’asse dello spinotto. L’estensione del mantello sul 2T concorre anche a determinare la distribuzione, coprendo e scoprendo le luci; per limitare gli attriti e consentire al pistone di dilatarsi maggiormente sotto forte carico termico, tra pistone e cilindro c’è gioco e la tenuta è assicurata dalle fasce elastiche (segmenti). A causa di questo gioco e del fatto che lo spinotto consente la rotazione e l’inclinazione della biella, il pistone ad ogni combustione può “sfarfallare” creando rumore e complicando la tenuta delle fasce. Nel motore Pivotal, questo non avviene: il pistone percorre una traiettoria perfettamente circolare e i segmenti sono sempre perpendicolari al piano di scorrimento, il che secondo i progettisti ne prolunga sensibilmente la vita. Inoltre, in questo modo si riducono gli attriti, il rumore meccanico e la necessità di lubrificare (non serve più lubrificare il mantello, basta assicurare lo scorrimento dei segmenti), con un consumo di olio che può avvicinarsi a quello di un 4T: rapporto olio-benzina dell’ordine di 1:300, circa 8-10 volte inferiore ad un 2T convenzionale.

Scalda meno

SCALDA MENO Il secondo vantaggio fondamentale offerto dalla cinematica del Pivotal sta nel raffreddamento del pistone. Grazie al fatto che il pistone possiede un centro di rotazione, ovvero un punto che non partecipa al movimento, diventa possibile far passare al suo interno un circuito di raffreddamento, un vantaggio decisivo per evitare i problemi dei pistoni classici, in cui tutto il calore dev’essere portato via dal mantello. Questo sui motori ad alte prestazioni è ridotto, esponendoli a pericolo di detonazione e di grippaggio legato all’espansione incontrollata del pistone; espansione che sul Pivotal è possibile controllare regolandone la temperatura in modo autonomo grazie ai condotti per il liquido.

È complicato

È COMPLICATO A nostro giudizio la meccanica del pivotal presenta anche alcuni svantaggi: i segmenti di forma non cilindrica tendono a soffrire di usura precoce e la loro cattiva tenuta pregiudica prestazioni, consumi e soprattutto emissioni. Nulla viene detto anche a proposito del comportamento a lungo termine, quando anche il vincolo supplementare (pivot) dovesse prendere un po’ di gioco. Per quanto riguarda la riduzione degli attriti, è vero che si eliminano quelli tra mantello e cilindro; ma le superfici in movimento relativo sono nettamente più estese rispetto ad un 2T convenzionale, per cui non è detto che il risultato netto sia così favorevole.

Anche il raffreddamento del pistone pone problemi di fluidodinamica legati al fatto che esso è in rapido movimento, e non fermo come le camicie dei cilindri. Infine, il cilindro curvilineo determina una (probabilmente modesta) riduzione del lavoro che è possibile raccogliere, perché parte dell’energia dei gas in espansione viene persa per riflessione contro la parete.

Su due ruote

SU DUE RUOTE Dal punto di vista pratico, nulla si sa dell’erogazione di questo propulsore, se non che una sua versione ha raggiunto gli 11.500 giri/min e spinto una moto a oltre 160 km/h. Da valutare anche i costi di manutenzione, che nel 2T classico è frequente ma semplice, anche in termini di tempo occorrente allo smontaggio e rimontaggio del motore; nel caso del pivotal, occorre vedere se questa caratteristica favorevole viene conservata.

Altre applicazioni

ALTRE APPLICAZIONI Le versioni più recenti del motore Pivotal sono dotate di iniezione diretta Orbital (l’Australia è relativamente vicina alla Nuova Zelanda), che porta sicuramente benefici. Con questa alimentazione, un motore a due camere da 1.100 cc basato su carter e albero motore di un bicilindrico Rotax di 951 cc dovrebbe arrivare, stando agli ingegneri neozelandesi, a 90 kW (122 CV) a 6.500 giri/min con questa unità, che lascerebbe sperare in 360 kW (490 CV) per un V8 di 4.400 cc da impiegare su ultraleggeri o fuoribordo. Peso e compattezza sono dei punti forti del Pivotal: il 2.000 a 4 camere pesa circa 65 kg: quanto un 1.000 cc sportivo da moto, rispetto al quale ha anche misure analoghe (400x450x580 mm) pur erogando la bellezza di 170 kW (230 CV).

Oggi sofisticato, domani competitivo

OGGI SOFOSTICATO, DOMANI COMPETITIVO Se leggerezza e compattezza rendono il Pivotal adatto all’accoppiamento con motori elettrici in sistemi ibridi, la riduzione del rumore meccanico lo rende interessante per applicazioni militari, tanto più che lo si dice adatto a bruciare combustibili alternativi (metano, etanolo, persino gasolio), ed è stata già realizzata una versione sperimentale (come del resto tutto il motore) a idrogeno. Questa è la strada imboccata con decisione dai progettisti, perché uno dei principali ostacoli all’impiego dell’idrogeno nei motori convenzionali è proprio il livello termico raggiunto dalla sua combustione, che obbliga a limitare la potenza specifica. Il sistema di raffreddamento del pistone e l’assenza di punti caldi (non ci sono valvole di scarico) del motore Pivotal promettono di superare questo problema, e gli studi attualmente in corso mirano proprio ad ottimizzare il motore per l’impiego con idrogeno, in modo da renderlo competitivo con le fuel cell, che non necessariamente sostituiranno i motori a benzina in tutte le applicazioni. Probabilmente questo va letto anche come una parziale rinuncia dei progettisti a sviluppare un 2T motociclistico, probabilmente a causa della generalizzata disaffezione per il 2T.