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ULTIMO AGGIORNAMENTO: 13 ottobre 2021
Lo squish nei motori a 2 tempi
Se siete arrivati qui probabilmente sapete già cos'è lo squish, ma una breve presentazione non nuocerà: la "corona di squish" o "banda di squish" o "anello di squish" è la zona esterna della camera di combustione e, al contrario della "cupola" vera e propria, viene sagomata in modo da trovarsi a poca distanza (nell'ordine del millimetro) dal pistone al punto morto superiore. L'"effetto squish" (che prende il nome dall'ipotetico rumore prodotto dalla miscela schiacciata tra pistone e testata) è ciò che si ricerca: il pistone, salendo al PMS, comprimerà contro la corona di squish la miscela fresca, facendola schizzare verso il centro della camera di combustione, dove di norma troviamo la candela.
In questa immagine vediamo schematizzata la camera di combustione, vista da sotto:
La corona di squish sarà raramente parallela al cielo del pistone, più frequentemente inclinata verso l'alto di 1 grado o più rispetto allo stesso (chiaramente, nel caso di pistoni a cielo bombato l'inclinazione della corona di squish dovrà essere maggiore che nel caso di pistoni a cielo piatto).
Per ovvie ragioni mai e in nessun caso è ammmesso uno squish negativo, ossia più sottile all'interno rispetto all'esterno: non solo non sortirebbe l'effetto voluto, ma farebbe detonare la miscela all'interno della sacca creatasi.
La superficie ottimale della corona di squish va dal 45% al 55% della superficie del cielo del pistone, il parametro più "libero" è l'altezza (spessore minimo, al PMS, tra testata e pistone) della corona di squish, ed è ciò di cui discuteremo in questo articolo.
Quello che si pensa comunemente dello spessore dello squish è abbastanza errato. Si immagina che assottigliarlo serva a far partecipare alla combustione anche quella parte del volume di miscela sottratta alla corona di squish, tra pistone e testata, come se la combustione avvenisse istantaneamente e completamente al PMS, in maniera statica. Su un motore 125-144-250-300cc a 2 tempi da enduro la combustione inizia quando il pistone è ancora quasi 2 mm sotto al PMS, e si completa quando il pistone è già nuovamente sceso di molti millimetri, se non centimetri (nel caso di gas parzializzato, ossia con combustione molto lenta). Quindi nel frattempo che viene raggiunto dal fronte di fiamma, lo "squish" effettivo è diventato altissimo, nell'ordine dei millimetri quando non dei centimetri. Non è tanto quindi diminuire il volume di squish che porta maggiore quantità di miscela ad essere libera di partecipare alla combustione (anche se in effetti lo strato limite, quindi benzina che normalmente non partecipa alla combustione, si assottiglia), ma la funzione primaria e realmente significativa dello squish è quella di aumentare la turbolenza in camera di scoppio, al preciso scopo di velocizzare la combustione.
La combustione in assenza di turbolenza è molto lenta, nell'ordine dei 30-50 cm/s (o fino a 2 metri al secondo in condizioni di temperatura e pressione che si trovano dentro il motore attorno al PMS). Ma è sufficiente farsi il calcolo (tenedo conto dell'alesaggio del motore, o meglio il volume della camera di combustione visto che il fronte di fiamma in assenza di turbolenze si svilupperebbe in forma sferica) per rendersi subito conto che con una velocità di combustione del genere (2 m/s) non si riuscirebbe a superare i bassi regimi neanche utilizzando un anticipo di accensione considerevole (di per sé portatore di inefficienze perché una combustione troppo anticipata sviluppa pressione quando il pistone sta ancora risalendo verso il PMS, effettivamente frenandolo in quella fase).
È solo grazie alle turbolenze che si riesce a velocizzare a sufficienza la combustione. È come un incendio quando tira un vento fortissimo.. si propaga molto più velocemente che in quiete. Un buon squish fa schizzare via la miscela periferica verso quella a centro camera a velocità anche di 30 m/s, quasi cento volte superiore alla normale velocità di propagazione della fiamma, e quindi una volta che la candela ha innescato un primo fronte di fiamma, tutte quelle turbolenze (vortici e microvortici) diffonderanno la fiamma in brevissimo tempo in giro per la camera di combustione, velocizzando moltissimo la combustione, che è quello che vogliamo in modo da sviluppare pressione e quindi lavoro meccanico in un tempo utile, ossia prima che il pistone sia già sceso troppo, e che di conseguenza i gas che fuoriescono dalla luce di scarico non siano troppo caldi (l'energia che non viene convertita in lavoro meccanico viene espulsa sotto forma di calore), e inoltre il motore giri pulito (più completa è la combustione, più il motore gira pulito), e infine si scongiuri l'accensione spontanea di sacche di miscela lontane (detonazione). In altre parole, vogliamo avere una combustione più rapida e completa possibile.
A questo punto dovrebbe essere chiaro che senza turbolenze in camera di combustione, i nostri motori non potrebbero nemmeno funzionare a regimi superiori a quello del minimo. Sui motori a 4 tempi si ha già a una discreta turbolenza grazie ai moti di swirl e tumble, ma un 2 tempi avrà sempre come fonte primaria di turbolenza lo squish, da qui se ne può intuire l'importanza.
La turbolenza è quella cosa che non vuoi assolutamente nè nei condotti di aspirazione nè in quelli di scarico ma che, al contrario, in camera di combustione è vantaggiosa.
L'effetto squish si raggiunge efficacemente solo con spessori molto sottili. Su un motore 250/300 2T avere lo squish a 1.80mm o a 1.60mm fa poca differenza (sostanzialmente non c'è un effetto squish importante in nessuno dei 2 casi), mentre passare da 1.40mm a 1.20mm causa già un incremento notevole della velocità della miscela che viene proiettata verso il centro della camera di combustione, con lo scopo come detto di "mescolare la fiamma".
Per avere tutti i benefici (che si manifestano soprattutto a bassi regimi e gas parzializzato) è consigliabile (su 250 e 300 2T, faremo per comodità riferimento nei nostri esempi a valori adatti a queste cilindrate) un'altezza di squish di non più di 1.20mm, altrimenti si perdono rapidamente tutti i benefici. Scendere sotto questo valore, fino a 1.00mm o anche meno, si può, ma solo su motori in ordine e controllati frequentemente, altrimenti in casi particolari si rischia la collisione tra pistone e testata, o che l'incremento di pressione troppo elevato della miscela nella corona di squish causi esso stesso la detonazione. Sui 125/144 invece è consigliabile un'altezza di squish non superiore a 0.90mm. Anche in questo caso si può scendere, fino a 0.70mm, in motori in ordine e controllati frequentemente, ossia che non sviluppino giochi eccessivi o incrostazioni sul cielo del pistone e sulla testata tali da assottigliare ulteriormente, in maniera significativa, l'altezza dello squish.
Riguardo alla piccola perdita di allungo che in molti paventano, chi può rimappare liberamente la centralina (come i possessori di PowerCDI) non ne è soggetto (basta ritardare l'accensione il necessario ai regimi dove la turbolenza è ora "eccessiva"), e chi non può dovrebbe preoccuparsi di ben altre cose se desidera un allungo ottimale. Ad esempio che il motore non sia carburato troppo grasso, perché questa è la causa principale di perdita dell'allungo, molto più che usare uno squish ottimale mantenendo la mappatura originale. In ogni caso, anche su centraline non rimappabili, i "pro" di avere lo squish ottimale sono comunque nel complesso molto superiori ai "contro", specie per chi usa prevalentemente regimi medio bassi e il gas parzializzato.
Sui motori di serie un effetto secondario ma positivo è anche l'incremento del rapporto di compressione che deriva dall'abbassare lo spessore dello squish. L'aumento del rapporto di compressione ha anch'esso l'effetto di incrementare le prestazioni del motore (a causa del migliorato rendimento termico), effetto che si somma a quello dello squish. Certo il motore non raddoppierà la coppia ai bassi, ma la differenza passando da un'altezza di squish di 2.20mm (come quella che si trova in molti motori di serie) ad una di 1.20mm si avverte, e molto. Il motore girerà più pulito, avrà più coppia, e un rendimento maggiore.
Nonostante la maggiore compressione, la tendenza alla detonazione in questo caso non aumenta, anzi diminuisce, perché un buon effetto squish ha un grandissimo effetto antidetonante (fu studiato e inventato nel 1919 dall'ingegnere e pioniere Sir Harry Ricardo proprio per questo fine, non per incrementare le prestazioni.. per quanto questo effetto collaterale sia certamente positivo) e compensa ampiamente l'effetto pro-detonazione dell'aumento del rapporto di compressione.
Se si riesce ad arrivare a 1.20mm o meno solamente mettendo guarnizioni cilindro-carter più sottili (cosa comunque, per le moto da enduro almeno, consigliabile a prescindere, perché montare guarnizioni più sottili abbassa il diagramma (fasatura) e incrementa la coppia ai bassi regimi, anche se molto meno di quanto comunemente si creda), bene, ma è estremamente difficile, specie con le testate di serie, arrivare a quell'altezza di squish solo montando guarnizioni più sottili. Occorre quindi andare dal tornista e farsi "spianare" di alcuni decimi la testata per arrivare alla misura voluta.
Riepilogando, per aumentare il tiro ai bassi regimi e la pulizia del motore, specie a gas parzializzato, l'elaborazione più economica ed efficace che si possa effettuare è montare le guarnizioni cilindro-carter più sottili disponibili (questo per abbassare il diagramma e attuare contemporaneamente parte dell'aumento dell'effetto squish) e tornire la testata (operazione che in un'officina specializzata fanno per cifre irrisorie) quanto basta per arrivare a 1.20mm o meno. Pensare di riuscirci solo con le guarnizioni è utopia, perché per raggiungere uno squish da 1.20mm (facendo qui sempre riferimento, per semplicità, ai valori adatti ai motori 250/300 2T) sarà molto probabilmente necessario anche tornire la testata.
Attenzione però che in questo modo avrete anche un motore più pronto e reattivo, "cattivo" sotto certi aspetti, quindi potrebbe non essere una modifica apprezzata da tutti. Come abbiamo già avuto modo di spiegare, carburati bene si ha si un motore molto reattivo, e quindi "nervoso" e facilmente trasformabile in un pesante cappello, ma anche molto più preciso e millimetrico nella risposta al gas, quindi se avete sensibilità sul polso destro lo troverete preferibile ad un motore sornione, senza molto squish, "fiacco", carburato grassissimo dove a gas parzializzato non va, non fa nemmeno fourstroking ma peggio, gira irregolare, ratta, all'occorrenza gli date un po' più di gas e il motore risponde affogando ancora di più anziché aumentando il tiro, con una risposta al gas incoerente. C'è chi preferisce il motore così, e chi no, e qui entriamo nella sfera soggettiva. Se siete possessori di PowerCDI però la scelta non si pone: avere un motore potente e ultrareattivo porta esclusivamente vantaggi, perché il Controllo Dinamico Della Potenza / DynamicPowerControl (vedi il paragrafo "Approfondimenti sul DPC" nella pagina principale del sito PowerCDI) non ha alcun problema a rendere il motore meccanicamente più potente e reattivo, e contemporaneamente estremamente docile, quando serva. Con il Controllo Dinamico della Potenza della PowerCDI si hanno quindi tutti i vantaggi di uno squish ottimale, senza gli svantaggi.
FAQ:
Q: Come si effettua la misurazione dello spessore dello squish?
A: Per misurare lo spessore dello squish NON utilizzate un pezzo di stagno a L infilandolo nel foro candela, la misura non sarebbe affatto accurata, con un errore anche di 2 decimi. Bisogna necessariamente misurarlo contemporaneamente su 2 lati opposti, per annullare il gioco laterale della biella.
Più che stendere un pezzo di stagno dritto, è preferibile fare una specie di piccola "omega" al centro, in modo da ottenere, comprimendolo, un leggero effetto elastico (quasi una molla):
Non usare un filo troppo grosso rispetto alla misura dello squish (quindi è bene fare 2 tentativi, uno per farsi un'idea grossolana dello spessore, il secondo per fare la misura precisa), perché i fili di stagno contengono al loro interno un'anima di flussante e se lo schiacciate troppo avranno un leggero "effetto elastico" che falserà un poco la misura (darà un risultato più grande del reale).
Se non si dispone di filo del diametro sufficiente, si può attorcigliarne 2 o più spezzoni o, meglio ancora, fare una "pallina" di stagno fuso, e poi schiacciarla (con una pinza o un martello) per raggiungere lo spessore necessario, che dev'essere superiore a quello dello squish del motore solo di qualche decimo. Come primo tentativo si può usare uno spessore di 2.50mm, dal momento che in molte moto da enduro lo squish, di serie, è poco più sottile di quel valore (in genere 2.10mm - 2.20mm).
Infine, è importante sapere che alcune testate hanno lo squish parallelo al cielo del pistone, altre no, quindi bisogna assicurarsi di misurarlo con un calibro centesimale su più punti. Ad esempio su molti motori KTM 300 dotati di pistone a cielo piatto la corona di squish non è parallela al pistone, la parte esterna è circa 0.25mm più sottile di quella interna, bisogna quindi misurare con attenzione lungo il raggio di squish. Invece su alcune testate aftermarket la corona di squish sulla testata è parallela a quella sul pistone, quindi la misura è la stessa, qualunque sia il raggio a cui effettuamo la misura.
Ovviamente la parte all'estremo esterno, quella a diretto contatto col cilindro, sarà più spessa perché si insinua nello spazio vuoto tra pistone e cilindro (spazio vuoto esistente per consentire al pistone di potersi dilatare senza causare grippaggio), e non va considerata come misura di squish, questo è un aspetto insidioso da tenere presente, altrimenti se col calibro misuriamo la parte più esterna dello stagno misureremo un valore molto più alto di quello reale, ossia quella piccolissima parte che si è insinuata tra cilindro e pistone.
Per il rimontaggio della testata si raccomanda sempre di usare una chiave dinamometrica e di serrare le viti con sequenza a croce in 2 o 3 stadi fino al valore di coppia specificato dalla Casa.
Q: Perchè le Case si ostinano a darci i motori con 2mm e più di squish? Esistono controindicazioni (ad esempio riguardo all'affidabilità o alla durata del motore) o semplicemente le condizioni "di serie" bastano e avanzano all'utenza media?
A: Controindicazioni sull'affidabilità e durata del motore sostanzialmente non ce ne sono, dal momento che l'incremento di prestazioni avviene soprattutto a gas parzializzato e bassi regimi, e quindi se al pilota in una determinata condizione serviva una certa quantità di coppia quella ancora cercherà dal motore, ma lo farà diminuendo (inconsciamente) la quantità di gas, quindi da un punto di vista dello stress meccanico nella guida normale, a gas parzializzato, non vi sono grosse differenze, è il rendimento che aumenta (meno consumi di carburante a parità di lavoro meccanico prodotto) e questo non è certo un aspetto negativo. A prescindere da quella che potrebbe essere anche una scelta per rendere il motore volutamente più "fiacco" e quindi gestibile da un amatore (non essendo tecnologie di gestione dinamica della potenza del motore presenti sulla centralina di serie), i processi produttivi usati dalle Case hanno delle tolleranze di fabbricazione e queste non possono dedicare troppo tempo alla cura e alla messa a punto del motore. Devono automatizzare il più possibile il processo produttivo, e smontare e rimontare il motore per trovare le guarnizioni migliori, tornire la testata, ecc.. per annullare queste tolleranze, non è nell'ordine delle cose che i produttori di moto si sentono in dovere di fare (nè li si può biasimare per questo). Tra l'altro non avrebbe comunque nemmeno senso consegnare le moto con lo squish ottimale, per poi carburarle come le carburano di serie (anche lì, per delle precise ragioni, ma ciò non significa che poi l'utente debba mantenere la carburazione di serie, che spesso è talmente grassa da essere inaccettabile, specie da quei piloti di enduro che fanno molto uso del gas parzializzato o costante).
La messa a punto è compito del proprietario o del preparatore, non delle Case, che devono dare solo una base su cui lavorare, magari con ampie tolleranze e scarsamente rifinita, ma conforme a certi standard. Del resto, come abbiamo visto sopra, desiderare uno squish ottimale non è una cosa universale, e qualche pilota, non dotato di gestione elettronica del motore (come il Controllo Dinamico della Potenza della PowerCDI) potrebbe anche preferire uno squish alto con tutto ciò che ne consegue. In questo caso, se la moto fosse stata consegnata di fabbrica con uno squish già ottimale, sarebbe molto più complicato portarlo allo spessore maggiore di quanto non lo sia, partendo da uno spessore eccessivo, portarlo a quello ottimale dal punto di vista della combustione e delle prestazioni pure.
Q: Di quanto aumenta il rapporto di compressione sul mio 300 2T se tolgo 6 decimi allo squish?
A: Il calcolo è molto semplice: si parte dall'alesaggio, in questo caso di 72mm, diviso 2 per ottenere il raggio, poi elevato al quadrato e moltiplicato Pi greco, abbiamo 40.715 cm² di area del cielo del pistone, moltiplicato 6 decimi (0.06cm) troviamo 2.4429 cm³ (o cc, che è un modo diverso per esprimere la stessa cosa).
Ora, se il volume della camera di combustione (completa di squish) prima era di 27 cc, e la cilindrata di 293 cc, avevamo un rapporto di compressione geometrico, calcolato come (293cc + 27cc) / 27cc, di 11.85:1. Passando a 24.56cc (27cc - 2.44cc) di camera di combustione otteniamo un nuovo rapporto di compressione di (293 + 24.56) / 24.56 ossia di 12.93:1.
Quindi un punto in più di rdc, ma come già spiegato non incrementerà la tendenza alla detonazione, al contrario, specie se il nuovo squish è davvero efficace, ossia non più alto di 1.20mm, il motore sarà comunque meno propenso a detonare rispetto a prima, quando era 1 punto di rdc meno compresso ma con lo squish a 1.80mm.
Q: Ho messo la guarnizione più sottile tra carter e cilindro, abbassando il diagramma, ma ora il pistone al punto morto inferiore non scopre completamente le luci di travaso, è un problema? Devo cambiare la guarnizione con una sufficientemente spessa per fare in modo che il pistone scopra completamente anche la parte inferiore delle luci di travaso?
A: Il fatto che, montando una guarnizione cilindro-carter più sottile, il pistone occluda la parte inferiore delle luci di travaso influisce poco o nulla sulle prestazioni, e comunque c'è poco da fare, non potendo "limare" il cielo del pistone, ma in ogni caso gli effetti negativi sono molto minori rispetto al vantaggio che si ottiene abbassando il diagramma (sempre che la premessa fosse quella di incrementare il tiro ai bassi regimi).
Il pistone, scendendo, ad un certo punto inizia a scoprire le luci di travaso: è lì che avviene il più del trasferimento dei gas (grazie alla compressione primaria del carter pompa ma soprattutto alla depressione nel cilindro creata dall'espansione), poi la differenza di pressione tra travasi e cilindro diminuisce e per quanto le luci di travaso rimangano aperte, la superficie delle stesse, comunque molto ampia al PMI, diviene meno influente sulle perdite di carico. Quindi il fatto che la parte inferiore delle luci di travaso non venga scoperta completamente al PMI è poco influente e può essere trascurata, quando si cerchino i vantaggi che si ottengono con la semplice operazione di abbassamento del cilindro attraverso l'uso di una guarnizione sottile, allo scopo di abbassare il diagramma senza modificare il cilindro e, ancora più importante, di avvicinarsi al valore ottimale di squish senza tornire troppo materiale dalla base della testata.
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