Un intento de solucionar el inconveniente de la distribución simétrica en los motores de dos tiempos, fue la aparición de los motores de dos pistones. En motores de dos tiempos diésel se adopto una configuración con pistones opuestos, sin embargo en el pequeño espacio de las motocicletas se tuvo que ir a una disposición en U mucho más compacta y adecuada para la finalidad de estas mecánicas.
En la imagen siguiente se comparan diferentes métodos de barrido para motores de dos tiempos;
Se trataba de motores de dos cilindros con una sola cámara de
combustión, con bielas independientes o dobles, en las que las marcas
Puch, Triumph-TWN y Garelli, fueron las más insistentes en desarrollar
este concepto. El concepto de motor se denomina Split-single engine.
La idea de un motor monocilíndrico con dos pistones en la misma cámara de combustión se le ocurrió en 1912 Adalberto Garelli, Ingeniero Mecánico y por entonces director técnico de la marca Bianchi, la cual abandonó ya que durante este periodo, ganó una competición organizada por el ejército italiano para diseñar una motocicleta que usó el motor que él diseñó, por lo cual en 1919 funda la fabrica Italiana de motocicletas Garelli.
El sistema diseñado por Garelli consistía en dos cilindros fundidos en un mismo bloque, los cuales compartían una misma cámara de combustión y funcionaban en paralelo, conectados ambos mediante una larga muñequilla y una única biela. Este sistema demostró su acertado diseño al vencer en su debut la competición de larga distancia Milan – Nápoles, a la que seguirían muchos otros éxitos deportivos.
El diagrama de distribución que se obtenía con el motor de dos pistones era asimétrico, esto permitía ajustar de forma optima los tiempos de escape para realizar una renovación de la carga minimizando los arrastres de mezcla fresca por el escape.
Otro fabricante que incorporó el motor de dos pistones fue ISO (1948-1962), fundada por el italiano Renzo Rivolta. A continuación mostramos el motor de la motocicleta ISO Meteor 200cc que fue vendida en España en los años 60s del siglo XX;
En la figura 3b y 3c del motor ISO 200cc se observa que el pistón que gobierna las lumbreras de admisión, se mueve con un cierto desfase respecto al pistón que regula las lumbreras de escape. Esto conduce a que:
- El comienzo del escape se produce con notable adelanto sobre el comienzo de la admisión (fig. 3b). - El cierre del escape se produce también con adelanto sobre el cierre de la admisión (fig. 3c). - La aspiración queda cerrada más tiempo durante la subida del pistón (fase de aspiración del cárter) que durante el descenso el pistón (fase de compresión en el cárter).
Las ventajas del motor de dos pistones son las siguientes: - Por efecto de las características 1) y 2) se consigue una mejor eliminación de los gases quemados, y queda prácticamente anulado el escape de los gases frescos. Por efecto de la característica 3) se consigue una disminución de entrada de la mezcla fresca en el cárter - El resultado de todo esto es un mejor llenado de los cilindros y en consecuencia un mayor rendimiento térmico y menor consumo comparado con los motores de dos tiempos de la época. Además se comporta bien a regímenes reducidos, con gran regularidad de marcha, generando el par motriz de manera más uniforme en un amplio rango de funcionamiento. - Este motor también tiene las cualidades de ser mecánicamente robusto, sencillo y no precisar órganos especiales de mando como válvulas, árbol de levas, etc.
Los inconvenientes del motor de dos pistones son: - El mayor peso de la suma de todos los elementos móviles que entran en acción, eleva las inercias que implican que este motor sea lento de respuesta. - Las perdidas por rozamiento también se ven aumentadas. - Debido a la diferencia de temperaturas entre el cilindro de escape y el de admisión, se crean gradientes de temperatura, que limitan la obtención de altos rendimientos. - La forma de la culata alargada facilita la detonación y en consecuencia limita las relaciones de compresión elevadas que conducen a óptimos rendimientos. - El largo recorrido de los gases dificulta alcanzar elevadas revoluciones, además los diámetros de dos pistones son pequeños por tanto limita las dimensiones de las lumbreras. Como consecuencia de las bajas rpm, la potencia máxima esta limitada.
A pesar de las ventajas que ofrecía el motor de dos pistones, por diversos motivos no se generalizó demasiado, y en consecuencia los motores de dos tiempos fueron perdiendo su competitividad durante algunos años, hasta que la llegada en los años 30 del siglo XX de la marca alemana DKW y sus máquinas con elevada tecnología, impulsaron nuevamente la difusión de este tipo de motores.
En el año 1932, DKW encargaba los servicios del famoso ingeniero Arnold Zoller, creador de la marca de compresores volumétricos que llevan su nombre, el cual proyectó una nuevo motor de carreras de 175 y 250 cc, también con motores de dos tiempos de doble pistón compartiendo una misma cámara de combustión, compresor de pistón y refrigeración mixta por aire y agua, con la cual posteriormente ganaron en el “TT de la Isla de Man” en el año 1938.
Uno de estos motores diseñados por Zoller era el modelo denominado DKW ULD 250, que se le adaptó un compresor con pistón vertical y proporcionaba un rendimiento extraordinario para la época, lo cual fue demostrado en competiciones de motocicletas, ya que consiguió el Campeonato de Europa de Velocidad en 1938 y 1939. Podía desarrollar una potencia máxima de 30 CV a 7.000 rpm y la motocicleta que lo llevaba superaba los 180 km/h velocidad máxima. Una característica de estos motores era el considerable ruido que generaban, absolutamente ensordecedor, tan elevado que incluso se dejaba de escuchar las demás máquinas de alrededor.
Estos motores con doble pistón y compresor demostraron ser muy eficaces en competiciones, pero su aplicación en motocicletas de venta al público fue muy limitada. Posteriormente la utilización del compresor fue prohibido en los grandes premios de motociclismo, entonces dejó de utilizarse en motocicletas de carreras y DKW tuvo que abandonar este sistema.
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Cuando terminó la 2ª Guerra Mundial la marca DKW fue trasladada a Ingolstadt en Alemania del Oeste, mientras que la fábrica DKW que estaba instalada en Alemania del Este, en Zschopau, comienza la recuperación en 1948 de lo que quedaba de las antiguas fábricas y talleres. A partir de las ruinas de DKW y también de Zündapp se funda la empresa estatal socialista IFA. Dos años después, en 1950, salen las primeras motocicletas IFA. Se trata del viejo modelo RT 125, el último desarrollado antes de la Guerra.
La empresa estatal IFA le dio paso, en 1956, a la denominada VEB Motorradwerke Zschopau, cuyas siglas serán MZ (Fábrica de Motocicletas de Zschopau). Pero antes ocurrieron algunos hechos importantes que impulsarían hacia la cúspide a la nueva marca alemana. Mientras la producción de modelos de cuatro tiempos RT 125 se organizaba, en 1950, muchos técnicos e ingenieros alemanes creían que el motor de dos tiempos tenía todavía mucho que ofrecer, y comenzaron a trabajar por su cuenta en el desarrollo de nuevos motores de dos tiempos.
Entre ellos estaba Daniel Zimmerman, antiguo experto en motores de dos tiempos de la fabrica DKW en Zschopau, experimentando con un antiguo motor DKW de 125 cc, Zimmerman amplió el flujo de entrada de admisión al cambiarlo del cilindro (admisión regulada por la faldilla del pistón) al cárter y regularlo por medio de un disco rotativo (válvula rotativa). El resultado fue sorprendentemente positivo. Sin proponérselo, el viejo Zimmerman había echado las bases del nuevo motor de 2T para competición.
En 1952 llegó a trabajar en Zschopau un estudioso ingeniero de 32 años con grandes deseos de desarrollar sus ideas sobre los motores de dos tiempos, Walter Kaaden (1 Septiembre de 1919 a 3 Marzo de 1996), que había realizado sus estudios técnicos de ingeniería en la universidad de Chemnitz y posteriormente había trabajado en la fábrica de aviones Henschel en Berlín, bajo las ordenes del profesor Herbert Wagner que había inventado el misil antibuque guiado por radio HS 293. Después de la guerra estuvo internado por los americanos antes de regresar a Zschopau.
A partir de los trabajos de Zimmerman de motores con válvula rotativa, y después de mucha experimentación Kaaden comprobó que el sistema de barrido-lazo tipo Schneurle rendía la mejor potencia y fiabilidad. Entonces añadió un tercer transfer, opuesto a la exhaustación. El flujo de gases frescos de éste transfer junto con el de los transfers principales fluía directamente hacia la parte superior del cilindro mejorando la realización del barrido. Habían creado un nuevo tipo de motor de 2T.
Pero Walter Kaaden era un ingeniero genial y pronto introduciría mejoras extraordinarias para potenciar los motores de dos tiempos. Con ayuda de un osciloscopio comenzó a investigar la resonancia de los gases en el sistema de escape, aprovechando las ondas creadas en los mismos para optimizar el rendimiento del ciclo, consiguiendo un aumento espectacular de la potencia. Dicen que se inspiraba en los órganos musicales, en las flautas y sus concepciones. Cada tubo de escape para Kaaden era una obra de arte. Pronto esa dedicación y los duros trabajos para desarrollar nuevos conceptos en los motores de dos tiempos, dieron sus frutos. Los motores de Zschopau tenían el doble de potencia que cualquier otro similar. Por ello, cuando en 1953 se aparecieron en el Campeonato del Mundo, causaron sensación.
Walter Kaaden también
fue el primer ingeniero que descubrió la relación ideal calibre/carrera para
motores de 2 tiempos de altas prestaciones. Descubrimiento que unido a su
conocimiento del flujo de los gases y sus resonancias, lograron que fuese el
primer técnico en conseguir que un motor rindiese 200 CV/litro.
El funcionamiento de los escapes con cámara de expansión es el siguiente; cuando la lumbrera de escape se abre, se genera una fuerte onda de presión positiva y rápidamente se desplaza dentro del difusor del escape (A), donde una parte de su energía es reflejada de vuelta como presión negativa (B), lo cual ayuda a vaciar el cilindro de los gases de combustión y facilitar la carga de gases frescos a través de los transfers. El vacío creado en el difusor es lo bastante fuerte como para arrastrar parte de gases frescos por el escape (C), pero la onda de presión positiva creada al principio se refleja en el final de la cámara de expansión y llega a la lumbrera de escape recargando nuevamente el cilindro con los transfers ya cerrados (D). Después se cierra la lumbrera de escape y la presión en el interior de la cámara de expansión del escape se descarga a traves del silenciador hacia el exterior, antes de que comience el siguiente ciclo
Gracias a los descubrimientos de Walter Kaaden se devolvió la superioridad técnica de los motores de dos tiempos en la carreras de motocicletas, y curiosamente lo consiguió cuando la mayoría de los técnicos del planeta estaban desahuciando el motor de dos tiempos, porque pensaban que debido a sus grandes fugas de gases frescos por el escape ya se había llegado al límite de su rendimiento. A pesar de disponer de un presupuesto ínfimo y de las limitaciones políticas, MZ ganó muchas carreras, hasta que en 1961 su piloto estrella, Ernst Degner se fugó del equipo cuando faltaba una sola carrera para vencer el campeonato del mundo (llevaba varios puntos de ventaja al segundo), desertando de MZ para marcharse a Suzuki con una maleta llena de documentación y piezas, y un buen conocimiento de la moto desarrollada por Kaaden. Al año siguiente Suzuki ganó el campeonato del mundo de 125cc con una máquina inspirada en la MZ de 1962; lo que hizo que los gobernantes de la RDA impidieran que sus motos volvieran a correr en el extranjero.
La tecnología de dos tiempos de la marca alemana MZ fue transferida a las marcas Japonesas Suzuki, y más tarde a Yamaha debido a la fuga de Ernst Degner. Por la combinación de los diseños que trajo Degner de MZ y con la tecnología Japonesa en el campo de la metalurgia, hicieron que los motores de dos tiempos Japoneses avanzaran enormemente en términos de potencia y fiabilidad.
Ernst Degner desertor de MZ se unió a Suzuki a finales de
1961.
Durante los años sesenta Suzuki y Yamaha ganaron el campeonato del mundo de velocidad utilizando extraños sistemas de lumbreras y sistemas de admisión por válvula rotativa, originalmente desarrolladas por DKW y MZ.
Suzuki RT 63, 125cc, 2 cilindros, valvulas rotativas, refrigeracion liquida, 25,5 hp a 12.000 rpm.
Pero los ingenieros de Yamaha fueron todavía un paso más lejos. Como se puede observar en la imagen siguiente, añadieron un par de transfers auxiliares a continuación de los transfers principales, los cuales también dirigen el flujo de mezcla a la parte superior del cilindro.
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