Perché i motori a due tempi sono scomparsi dalle automobili?

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Il motore a due tempi è scomparso dalle automobili perché il suo principio di funzionamento di base espelle una parte del carburante e dell'olio direttamente nello scarico; le normative sulle emissioni inasprite negli anni '80 hanno spinto questa architettura verso la soglia del divieto e il rapido sviluppo dei motori a quattro tempi ha colmato il vuoto. Ma questa non è la fine della storia. L'ascesa e il declino di un motore che ha messo in movimento milioni di automobili, che si poteva sollevare a mano ed era estremamente economico da produrre, racconta uno degli episodi di confronto ingegneristico più affascinanti della storia dell'automobile.
In evidenza
- Il motore a due tempi completa un ciclo di potenza in due giri dell'albero motore ; il quattro tempi fa lo stesso lavoro in due giri.
- Nel motore del Trabant 601 c'erano soltanto 5 parti mobili e il motore era abbastanza leggero da poter essere sollevato a mano.
- Il due tempi tre cilindri di 841 cc della Saab 96 produceva inizialmente 38 CV ; entro il 1966 questo valore salì a 46 CV.
- La produzione di automobili a due tempi in Occidente negli anni '80 cessò a causa delle norme sulle emissioni; il Blocco Orientale continuò fino al 1991 circa.
- Il tipico rapporto carburante-olio 32:1; questo olio veniva bruciato ed espulso, gonfiando le emissioni di idrocarburi.
Come funziona il motore a due tempi e perché è così semplice?
La definizione del lavoro che deve compiere un motore a combustione interna è chiara: aspirazione, compressione, combustione e scarico. Il motore a quattro tempi distribuisce queste quattro fasi nelle quattro corsa del pistone, ovvero nei due giri completi dell'albero motore. Il motore a due tempi, invece, completa lo stesso ciclo in due corsa del pistone, in un solo giro dell'albero motore. Il risultato è matematicamente evidente: ogni volta che il pistone raggiunge il punto morto superiore avviene la combustione e viene prodotta potenza. Nel quattro tempi la potenza arriva solo in una corsa di potenza su quattro, mentre nel due tempi arriva a ogni punto morto superiore. La frequenza delle corse di potenza raddoppia.
Il prezzo di questa velocità è il sacrificio della distribuzione. Nel progetto basico a due tempi con carter, le valvole non esistono; il loro compito è svolto dalle luci sulle pareti del cilindro e dal movimento stesso del pistone. La luce di scarico si apre mentre il pistone scende durante la corsa di potenza; la nuova miscela aria-carburante entra nel cilindro attraverso la luce di trasferimento e spinge fuori i gas di scarico residui. Questa operazione di spazzamento è sia l'anello più ingegnoso sia il più debole del motore - come vedremo tra poco. Anche la lubrificazione si basa su una simile semplicità: l'olio viene miscelato al carburante, attraversa il carter e brucia insieme al motore. La miscela permette di lavorare in ogni direzione; per questo il motore a due tempi è ancora ideale per gli utensili portatili, dove la direzione della gravità è irrilevante.
Spazzamento a ciclo loop: il perfezionamento decisivo
I primi motori a due tempi utilizzavano una spazzatura semplice a flusso incrociato e la dispersione della miscela fresca nello scarico era un problema serio. Il progetto a spazzatura ciclica (loop) sviluppato da Adolf Schnürle a metà degli anni Venti permetteva alla miscela fresca di descrivere un ciclo controllato all'interno del cilindro, spingendo fuori i gas di scarico. Questa soluzione si diffuse in Germania negli anni Trenta e, dopo la Seconda guerra mondiale, si estese a tutto il mondo. Le successive valutazioni ingegneristiche confermarono che la spazzatura ciclica è più efficiente del flusso incrociato in ogni condizione; tutti gli automobili a due tempi del dopoguerra furono costruiti su questa architettura.
Periodo Pionieristico: Clerk, Benz e la Nascita del Motore Senza Valvole
L'idea del due tempi è antica quanto l'automobile stessa. Il brevetto per il primo motore a due tempi commerciale a compressione in cilindro fu ottenuto nel 1881 dall'ingegnere scozzese Dugald Clerk; ma il progetto di Clerk era un ingombrante sistema che effettuava la compressione tramite un cilindro di alimentazione separato. Una curiosa nota storica: Karl Benz realizzò un motore a gas a due tempi il 31 dicembre 1879 e ne ottenne il brevetto in Germania nel 1880. Il primo motore dell'uomo considerato il padre dell'automobile non era a quattro tempi, ma a due tempi.
La vera svolta fu l'arrivo del progetto a spazzatura tramite carter, che costituisce la spina dorsale del moderno due tempi. Questo approccio è generalmente attribuito all'inglese Joseph Day; il suo collaboratore Frederic Cock, rendendo il motore completamente privo di valvole, ne creò la forma che conosciamo oggi. La prima applicazione realmente pratica giunse anch'essa dall'Inghilterra: Alfred Angas Scott produsse, a partire dal 1908, motociclette bicilindriche raffreddate a liquido. La tecnologia maturata nel motore sarebbe stata trasferita all'automobile nei decenni successivi, proprio nel momento in cui l'Europa ne aveva più bisogno.
DKW e l'Esplosione dei Due Tempi nell'Europa del Dopoguerra
Nell'Europa del dopoguerra mancava l'acciaio, mancavano i soldi, mancava tutto. Più poche erano le parti mobili di un'automobile, più a basso costo si poteva produrla e più facilmente si poteva riparare. Il motore a due tempi si trovava esattamente al centro di questo calcolo: meno pezzi, peso inferiore, manutenzione più semplice. Inoltre, il fatto che la fase di potenza avvenisse con il doppio della frequenza significava più potenza per litro: si poteva ottenere una prestazione ragionevole con motori di piccola cilindrata.
Il nome al centro di questa scena era DKW. Il suo fondatore, il danese Jørgen Skafte Rasmussen, aveva acquistato nel 1928 lo stabilimento Audi di Zwickau. DKW iniziò a produrre automobili dal 1929 e fornì i suoi motori a due tempi anche ad altri costruttori; nel 1929 avviò la sua carriera nel motorsport con motori bicilindrici da 600 cc e 15 CV. I progetti DKW degli anni Trenta sono oggi considerati l'opera più importante della storia del motore a due tempi. Nel 1953 l'azienda presentò un due tempi a trazione anteriore, tre cilindri, 896 cc DKW 3=6 con il nome "Sonderklasse".
Principali Costruttori di Automobili a Due Tempi
- Saab (Svezia): utilizzò il tre cilindri a due tempi su 92, 93, 95, 96, Sonett II e le loro derivazioni.
- DKW e Auto-Union (Germania): principale sviluppatore e fornitore della tecnologia.
- VEB Sachsenring (Germania Est): produttore della Trabant.
- VEB Automobilwerk Eisenach (Germania Est): produceva la Wartburg.
- FSO e FSM (Polonia): produzione su licenza di motori a due tempi.
- Suzuki e Subaru (Giappone): produssero automobili a due tempi fino agli anni '70.
Il principio era lo stesso anche nelle microcar. In veicoli come la Messerschmitt KR200, eliminare la retromarcia era un risparmio; il motore a due tempi poteva essere fatto girare brevemente al contrario per ottenere la retromarcia. Era più logica della povertà che eleganza ingegneristica - ma funzionava.
Trabant e Wartburg: la spina dorsale a due tempi del Blocco Orientale

La Trabant era l'espressione più pura della filosofia a due tempi. Il motore della Trabant P50 derivava in realtà dalla DKW F8: 500 cc, prima 17 CV poi 18 CV. La Trabant 601 che seguiva montava un motore Otto a due tempi bicilindrico da 594,5 cc (72×73 mm). Le versioni variarono secondo la produzione: i motori tra il 1963 e il 1970 producevano 23 CV, quelli tra il 1970 e il 1990 erogavano 26 CV (19,1 kW) a 4200 giri/min. La coppia era di 53 Nm, la velocità massima circa 100 km/h, la potenza per litro 38,7 CV.
I numeri erano modesti, ma la cosa più sorprendente era l'architettura del motore: in tutto aveva solo 5 parti mobili ed era così leggero che poteva essere sollevato a mano. Nelle condizioni della Germania Est, questo significava che i proprietari potevano riparare il proprio motore lungo la strada. C'era però un prezzo: il motore funzionava con miscela (benzina-olio) e sulle salite, intorno alla velocità di crociera, i 23 CV e i 52 Nm di coppia risultavano chiaramente insufficienti. Non era un problema di prestazioni, ma di autonomia e benessere.
Il marchio gemello Wartburg era invece più ambizioso: partì con un motore a due tempi tre cilindri da 910 cc sviluppato dalla DKW (inizialmente 28 bhp), dopo il 1962 la cilindrata fu portata a 991 cc. Questi motori offrivano una guida di fascia superiore rispetto alla modesta unità della Trabant - ma erano basati sullo stesso principio fondamentale e dovevano pagare lo stesso conto ambientale.
Saab: il suono più elegante del due tempi
Una delle interpretazioni di maggior successo dell'automobile a due tempi fu realizzata in Svezia. La prima automobile della Saab, la Saab 92, entrò in produzione nel dicembre 1949 e colpì per il suo corpo estremamente aerodinamico. L'azienda sviluppò motori tre cilindri da 750 e 850 cc a carico a circuito basati sul progetto DKW; l'unità standard da 750 cc produceva 36-42 CV a seconda dell'anno e del modello. Il motore a albero motore riempito della versione Rally Monte Carlo raggiungeva invece i 65 CV - un valore impressionante per un due tempi di piccola cilindrata.
Saab 93 Con la (dicembre 1955) arrivò il motore in linea a tre cilindri e questa unità fu quella che rese famoso il nome Saab nel mondo. Saab 96 La (1960-1980) montava inizialmente un tre cilindri a due tempi da 841 cc: inizialmente 38 CV, fino al 1966 46 CV. Ma il quadro andava restringendosi. La Saab abbandonò gradualmente i due tempi a metà degli anni '60 e dal model year 1967 passò al Ford Taunus V4. La Saab 96 del 1967 passò alla storia come "l'ultima automobile a due tempi di alto livello". Il carattere silenzioso, senza fumo e senza vibrazioni del quattro tempi aveva conquistato anche il cliente svedese.
Perché le Automobili a Due Tempi Sono Sparite? Il Calcolo di Emissioni e Carburante
La ragione della scomparsa può essere riassunta in un solo numero: 32:1. Un tipico due tempi con compressione nel carter utilizza un sistema di lubrificazione petrolio-benzina chiamato "total-loss"; il rapporto carburante-olio è di circa 32:1. Una parte di quest'olio viene bruciata, un'altra parte viene rilasciata nell'atmosfera come gocciolamenti di scarico. Rispetto a un quattro tempi di potenza equivalente, le emissioni di idrocarburi in particolare sono notevolmente più elevate. Si aggiunge un secondo problema meccanico: nella struttura senza valvole, durante il periodo in cui le luci di aspirazione e scarico restano aperte contemporaneamente, una parte dei vapori di carburante fresco sfuga verso lo scarico. I piccoli motori raffreddati ad aria producono inoltre alte temperature di combustione che generano NOx.
Anche il consumo di carburante deriva dalla stessa radice. Mentre la miscela carburante-aria pressurizzata esercita un effetto di raffreddamento sul pistone, una parte sfugge direttamente nel tubo di scarico; cioè una parte del carburante brucia senza produrre lavoro o esce senza bruciarsi affatto. Sebbene il rendimento termodinamico teorico sia un ciclo elevato, in pratica le perdite di spazzamento annullano questo vantaggio e i due tempi nel mondo reale consumano più carburante dei quattro tempi. La dispersione della miscela fresca verso lo scarico nel breve periodo in cui le luci di aspirazione e scarico sono aperte insieme è il vincolo fisico fondamentale che ha determinato il destino del due tempi.
Il Paradosso della Semplicità
La ragione d'esistenza fondamentale del due tempi era la sua semplicità; ma le esigenze moderne hanno ribaltato questo vantaggio. I progetti a due tempi che cercavano di correggere emissioni ed efficienza sono diventati costosi, pesanti e complessi quanto un quattro tempi - cioè perdevano la propria ragione d'essere. L'iniezione diretta avrebbe potuto eliminare in gran parte la dispersione di carburante nei due tempi a carburatore; ma questa soluzione significava costi e complessità non più compatibili con la filosofia del motore economico. In Occidente le normative sull'inquinamento atmosferico, via via più severe, hanno posto fine alla produzione di automobili a due tempi negli anni '80; il Blocco Orientale ha resistito con Trabant e Wartburg fino circa al 1991.
Perché le Motociclette Hanno Rinunciato Più Tardi?
Lo stesso calcolo valeva anche per le due ruote, ma i tempi hanno funzionato in modo leggermente diverso. Honda aveva già rinunciato molto prima per le motociclette stradali; negli USA ha invece interrotto la vendita delle motociclette da fuoristrada a due tempi nel 2007. Oggi tutte le nuove automobili a combustione interna vendute negli USA sono a quattro tempi - il due tempi è ufficialmente finito nel cestino della storia dell'automobile.
Dove Vivono Oggi i Motori a Due Tempi?
Il due tempi eliminato dalle automobili non è del tutto scomparso; si sono solo ridotti il volume e la tolleranza legale. Il vantaggio potenza/peso e la capacità di funzionare in ogni posizione sono ancora determinanti in certe applicazioni. Oggi i motori a due tempi vivono nei seguenti ambiti:
- Motosicli con cilindrata ridotta e senza carburazione, ciclomotori, scooter e motociclette
- Motori marini, motoslitte e go-kart
- Utensili manuali: motoseghe, soffiatori per foglie, tagliabordi
- Tuk-tuk, macchine RC, ultraleggeri e aeromodelli
- Diesel due tempi di grande cilindrata: applicazioni industriali, marine, per locomotive e generatori dove il peso è irrilevante
Eppure la tendenza è chiara: le normative antinquinamento dei paesi sviluppati stanno restringendo gradualmente gli ambiti d'uso del due tempi. Nelle regioni dove le normative rimangono permissive, i piccoli due tempi continuano a mantenere la loro popolarità su motociclette e ciclomotori.
Conclusione: una lezione storica di un'equazione ingegneristica
La scomparsa del motore due tempi dalle automobili non avvenne perché la tecnologia fosse cattiva, ma perché l'equazione che aveva vinto era cambiata. L'equazione degli anni del dopoguerra era basata sul numero di componenti, sui costi e sul rapporto potenza/peso; il due tempi vinceva in tutti e tre i parametri e, con DKW, Saab, Trabant e Wartburg, fece muovere milioni di automobili. L'equazione degli anni '80 si basava invece su emissioni, consumo di carburante e ingegneristica raffinata - e il vincolo fisico creato dalle perdite di spazzamento e dalla lubrificazione a perdere condannò il due tempi alla sconfitta in questo calcolo. Nella storia dell'automobile quasi nessuna tecnologia ha offerto una lezione così chiara su quanto sia importante comprendere la solidità dei propri vantaggi: sia quando erano forti, sia quando diventavano invalidi fa parte della decisione di progettazione.
Fonti
- Two-stroke engine - Wikipedia
- The Two-Stroke Engine Was An Engineering Marvel. Now It's In The Dustbin Of Automotive History - The Autopian
- DKW in racing - Audi
- Car of the Day: 1965 DKW Special - Supercars.net
- Trabant 601 - Wikipedia
- Trabant P 601 0.6 (23 Hp) - auto-data.net
- The History of the Trabant - Gizmo Highway
- Trabant - Wartburg - Historic Vehicles
- Saab two-stroke - Wikipedia
- Curbside Classic: 1967 Saab 96 - The Last Two-Stroke
- Saab Two-stroke Triple - Hemmings
- DKW: The founding father of two-stroke tech - Peter James Insurance
- The Rise and Fall of Two-Stroke Car Engines - CarBuzz
- What makes two-stroke engines less fuel-efficient - Mechanics StackExchange