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Articoli - Archivio

31/08/2017
SI FA PRESTO A DIRE MOTORE A SCOPPIO!

Dal motore alle ruote

Nicodemo Angì

Gli esperti prevedono un boom della auto elettriche, che in pochi anni dovrebbero vendere milioni di pezzi. La quota di mercato di queste vetture rimarrà comunque minoritaria per diverso tempo e toccherà ai motori a scoppio diventare sempre più efficienti per soddisfare le norme sulle emissioni. Per riuscirci si prospettano soluzioni sempre più originali e che rivoluzioneranno l’architettura stessa dei motori.

Partiamo dalla proposta Mazda, che pensa nientedimeno a un motore a benzina che funziona come un... Diesel! Il sistema HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition), in via di sperimentazione, rinuncia alla candela di accensione e alle moderne cariche stratificate, ossia una piccola quantità di miscela ricca di benzina che accende la restante carica, che ha molto meno carburante rispetto al canonico rapporto stechiometrico di 1:14,7.

 

Velocizziamo lo scoppio

Può essere utile parlare di velocità della combustione, uno dei fattori che rendono così diversi i motori a benzina da quelli diesel. La fiamma della combustione della benzina parte dalla candela di accensione e si propaga alla velocità di circa 16 metri/secondo, un valore che pone dei limiti al diametro dei pistoni. La combustione deve avvenire soltanto quando scocca la scintilla della candela e per questo la benzina viene additivata in modo da aumentare il suo numero di Ottano, che misura la sua attitudine a non accendersi spontaneamente (detonare). Anche il rapporto di compressione non può salire oltre certi limiti, perché altrimenti la detonazione sarebbe assicurata. Il diesel funziona invece proprio con la detonazione: il suo alto rapporto di compressione riscalda a tal punto l’aria che il gasolio si infiamma tutto contemporaneamente, dando la tipica ruvidità dei motori vecchio stampo insieme a un rendimento molto alto. I moderni Common Rail, grazie alle piccole iniezioni multiple, riescono a conservare il rendimento del ciclo diesel aumentando la rotondità di funzionamento.

 

Candele addio!

L’idea di Mazda per il suo motore HCCI (un tipo di funzionamento che è stato e viene tuttora valutato anche da altri OEM) prevede una miscela aria-benzina di composizione uniforme, piuttosto magra, e che non viene accesa da un agente esterno, la candela, ma si infiamma autonomamente, superando così la “lentezza” dell’accensione comandata. La questione è però complicata dall'indeterminatezza del momento nel quale la combustione avverrà: sicuramente avrà luogo dopo l'iniezione della benzina ma, a iniezione avvenuta, è difficile rendere “deterministica” l'accensione della miscela aria/carburante. Le misure di Mazda per stabilire con precisione l’istante della combustione sono varie: il rapporto di compressione variabile, implementato con sistemi di variazione continua della fasatura e dell'alzata delle valvole, il controllo della temperatura dell'aria in entrata nel cilindro e la miscelazione della stessa con i gas di scarico, agendo sia sulla valvola EGR sia sulla fasatura della distribuzione. Viene anche valutato l'uso di carburante "ibrido", ossia addizionato di gasolio o etanolo in proporzioni variabili in tempo reale. Una sperimentazione complicata per un traguardo notevole: rendimenti da diesel, funzionamento a temperature basse, con limitata produzione degli NOx, e ridotte emissioni di CO2. Una certa produzione di CO e HC imporrà comunque sistemi di trattamento allo scarico ma i vantaggi rimarrebbero notevoli.

 

2 o 4? Tutti e due!

Riappropriamoci delle candele e usiamole in un motore ibrido, nel quale la commistione non avviene fra motori elettrici e termici ma fra diversi cicli di funzionamento all’interno dello stesso propulsore. L’idea in questione è venuta a Hyundai ed è stata carpita da un suo brevetto depositato negli USA e che descrive un tricilindrico con i cilindri laterali che funzionano a 4 tempi mentre quello centrale, con alesaggio, corsa e fasatura della distribuzione differenti, funziona a 2 tempi. I patent descrivono 2 versioni del cilindro centrale, una a 2 valvole e una con uno schema più classico con aspirazione a valvola comandata e scarico con la classica luce; il funzionamento è modulare, fino a far funzionare tutti e 3 i cilindri. Dal testo e dai disegni non si evincono altri dettagli ma ricordiamo che il cilindro a 2 tempi, a parità di regime, sperimenta il doppio degli scoppi dei cilindri a 4 tempi. Perché non pensare che questo cilindro contribuisca all’equilibratura del motore? I contralberi di equilibratura per le forze del secondo ordine girano infatti al doppio della velocità dell'albero motore e nel patent viene dichiarato che “noise, vibration and harshness (NVH) is further improved" rispetto a un 3 cilindri classico.

 

In ordine sparso

Sempre di Hyundai è poi un’altra richiesta di brevetto relativa a un motore con cilindrate unitarie diverse: 2 più alte e 2 più piccole. Il motivo è presto detto, nelle parole della Casa coreana: “il margine per il controllo del punto di funzionamento è insufficiente a causa della cilindrata costante dei vari cilindri. Inoltre, molta energia meccanica viene consumata per avere un minimo regolare, cosa che è inefficiente”. Si capisce quindi che i cilindri identici, utili per avere una coppia regolare e un motore equilibrato, non permettono però una gestione efficiente dell’energia. Hyundai descrive anche l’accoppiamento con un motore elettrico che non soltanto recupera energia in frenata/rilascio dell'acceleratore ma permette di regolarizzare il funzionamento quando i cilindri in funzione sono “pochi”.

 

Tanti motori in uno

L’accordatura “fine” del motore al variare delle condizioni di funzionamento viene spina all’estremo da Honda, che ha chiesto il brevetto per un 6 cilindri con un albero motore con manovelle tutte diverse. Dato che l'alesaggio è costante, i vari cilindri presenterebbero quindi caratteristiche geometriche diverse, passando dalla corsa lunga a un rapporto alesaggio/corsa quadro e superquadro. La costruzione di una simile unità potrebbe essere non complicatissima perché l'alesatrice sarebbe la stessa ed i pistoni potrebbero essere identici (salvo piccole modifiche per variare il rapporto di compressione). La gestione elettronica del motore sarebbe piuttosto complicata ma meno dell’equilibratura, comunque facilitata dall’architettura a 6 cilindri. Honda ha comunque presentato patents per unità di questo tipo a 2 e 3 cilindri.

 

 

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