Condividi su

Articoli - Archivio

08/09/2014
TURBOCOMPRESSORE? TOYOTA E MAZDA DICONO: NO, GRAZIE!

Motori efficienti

 

Il downsizing – motori più piccoli potenziati con il turbocompressore – non è l’unica via per ridurre i consumi e le emissioni

Nicodemo Angì

Un motore più piccolo consuma di meno (è anche più leggero ed economico) ma ha meno potenza rispetto a un propulsore con cilindrata maggiore: per riunire i vantaggi delle due unità sono nati i motori downsized turbo benzina (ne abbiamo già parlato in Pneurama 6/2013 nell’articolo intitolato “Se tre son pochi anche due vanno bene”) che con cilindrate intorno al litro e tre cilindri arrivano a erogare 100/120 CV.

L’aggiunta di un turbocompressore aumenta infatti il costo (il turbo è un organo molto sofisticato), potrebbe generare turbo-lag e crea una certa contropressione nei condotti di scarico; occorre comunque dire che il controllo elettronico della geometria del turbo e di tanti altri accessori permettono di ridurre molto questi drawback.

I motori a benzina a ciclo Otto hanno sempre avuto rendimenti molto più bassi (rispetto a quelli a gasolio) ed è da questa considerazione che parte la “Controriforma” concepita da Toyota e Mazda.

Le due aziende hanno infatti presentato delle famiglie di motori senza turbo ma scrupolosamente raffinate per ridurre i consumi e avere una buona potenza grazie all’ottimizzazione dei rendimenti.

La scelta del plurale è motivata dal fatto che il rendimento complessivo dipende da vari fattori, uno dei più importanti la combustione, quell’esplosione della miscela aria-benzina che imprime al pistone la “spinta” che fa girare il motore erogando potenza.

 

Il mosaico dei rendimenti


Non tutta l’energia si converte in movimento e molta di essa riscalda infatti pistoni, cilindri, testata e il motore in generale, che “irraggia” sotto forma di calore, come se fosse una stufa, circa il 2% dell’energia del carburante.

Il calore che non si trasforma in lavoro meccanico dev’essere poi asportato: il sistema di raffreddamento ha proprio questo compito.

Un’altra voce passiva importante è il lavoro di pompaggio, ossia l’energia dissipata per aspirare l’aria: un importante vantaggio dei Diesel è proprio l’assenza della farfalla che minimizza questo tipo di perdita.

Anche l’attrito (il pistone scorre nel cilindro, le punterie strisciano sulle camme e così via) assorbe potenza utile e genera altro calore mentre i vari servizi (pompe acqua, olio e servosterzo, compressore del climatizzatore, alternatore) assorbono potenza e in effetti si tende ad azionarli elettricamente per poterne modulare il carico – e quindi il consumo - in funzione delle effettive esigenze del motore.

L’azione di Mazda per i suoi motori Skyactiv-G è focalizzata nella “termica” - ossia testa, cilindri e distribuzione - per rendere praticabile un rapporto di compressione di 14:1 (è un record per i motori di serie), la premessa per avere un rendimento termodinamico elevato.

L’incremento del rapporto di compressione si scontra però con il battito in testa, il famigerato knocking che, in assenza di sensore di detonazione, sarebbe rovinoso per il motore. Anche nel caso che il propulsore venga protetto l’erogazione della coppia ne soffre proprio perché la centralina diminuisce l’anticipo per salvaguardare il motore.

Il battito in testa è sensibile alla temperatura in camera di scoppio e questa aumenta sia se il rapporto di compressione si innalza sia se i gas di scarico sono ancora presenti nella fase di aspirazione.

Le strategie anti-detonazione messe a punto da Mazda sono quindi tese a diminuire la temperatura nella fase di compressione.

L’allungamento dei condotti fa in modo che i gas di scarico di un cilindro non possano entrare in un altro sfruttando l’incrocio (overlap, ossia l’apertura contemporanea) fra le valvole di aspirazione e scarico.

Anche lo schema 4-in-2-in-1 dei condotti è studiato per “isolare” il più possibile, in un ampio intervallo di regimi, il cilindro in fase di scarico da quello in aspirazione.

È stata inoltre necessaria una specifica taratura dell’iniezione per avere gas di scarico abbastanza caldi da attivare rapidamente il catalizzatore anche in presenza di una linea di scarico piuttosto lunga.

Questa taratura tende a rendere instabile la combustione, un inconveniente che Mazda sostiene di aver superato grazie ad un’iniezione – ad alta pressione, effettuata tramite iniettori multi-foro - che crea una carica stratificata di miscela aria-benzina intorno alla candela. Il pistone ha poi una cavità superiore che impedisce l’autoaccensione della miscela e accelera la propagazione del fronte di fiamma a partire dalla candela.

 

Su la compressione, giù gli attriti e i consumi


Toyota ha invece lavorato molto nel migliorare il rendimento – con speciale riferimento all’erogazione della coppia - dei suoi motori a ciclo Atkinson, già usati nelle ibride Yaris, Prius e Auris.

Il ciclo Atkinson è una variante del ciclo Otto che presenta fasi di compressione ed espansione di durata diversa, con la seconda più lunga della prima. Questa asimmetria viene ottenuta con una particolare fasatura che lascia aperte le valvole di aspirazione un po’ più a lungo in fase di compressione: l’aria viene quindi parzialmente spinta indietro nel condotto di aspirazione, diminuendo il lavoro di pompaggio che gli altri pistoni devono fare.

Questo fatto permette di alzare il rapporto di compressione “geometrico” (quello effettivo è minore proprio perché la valvola di aspirazione si chiude “dopo”), cosa che sappiamo già essere benefica riguardo al rendimento che, in effetti, è piuttosto alto.

L’accorgimento diminuisce però la coppia erogata ai bassi regimi: nel veicolo ibrido si ha un compenso nella favorevole erogazioni del motore elettrico ma la cosa non avviene se il motore è “da solo”.

Per migliorare l’erogazione Toyota ha agito su vari fronti, compresa la limitazione della temperatura nella camera di scoppio ottenuta tramite il raffreddamento a liquido dei gas di scarico che vengono ricircolati nel sistema EGR.

La fluidodinamica è di alto livello: i condotti di aspirazione imprimono all’aria un moto turbolento (tumble), che accelera e facilita la combustione, mentre un “lavaggio” con aria pura (scavenging) pulisce la camera di scoppio dai gas di scarico abbassandone la temperatura.

I motori di questa famiglia super efficiente saranno inizialmente un tre cilindri da 1 litro e un 4 cilindri da 1,3 litri, declinati in 14 varianti diverse: il piccolo (sviluppato insieme a Daihatsu) comprime 11,5:1 e raggiunge il 37% di efficienza termica mentre il 4 cilindri ha un compression ratio di 13,5:1 e arriva al 38% di efficienza.

Altri accorgimenti (sono presenti tutti soltanto nel motore da 1.300 cc) sono un trattamento antiattrito del mantello dei pistoni, la catena della distribuzione e la cinghia dei servizi a basso attrito, speciali cuscinetti rivestiti di plastica, il variatore di fase per le valvole di aspirazione, la pompa dell’olio a portata ridotta (che assorbe meno potenza) e il sistema di scarico 4-in-2-in-1.

torna all'archivio