27 settembre 2017 - Primo contatto

Scoppia la rivoluzione?

I motori a combustione interna sono tra le invenzioni che più hanno influenzato la storia dell’uomo: dai primi esperimenti del XIX secolo ad oggi, i motori a scoppio hanno mosso ogni cosa che poteva essere mossa: navi, aerei, treni, mezzi pesanti da lavoro, macchine nelle fabbriche e, ovviamente, automobili. Se si pensa che l’idea di base di Otto (1861*) e Diesel (1892) ha circa 150 anni (leggermente sfalsate tra di loro nel tempo) e che ancora oggi ogni anno vengono prodotti decine di milioni di motori a scoppio, si fa fatica a comprendere l’immensa dimensione di questo prodotto dell’ingegno.  La versatilità di questa tecnologia ha coperto le potenze inferiori al kilowatt degli utensili portatili alle decine di migliaia di kilowatt dei titanici motori diesel per la produzione di energia elettrica e per la locomozione delle super-navi da trasporto.
Eppure, dietro a quella struttura classica, trionfo del biella-manovella, accoppiamento di cilindro e pistone, si apre un mondo che ancora si evolve per reggere il confronto con regolamentazioni sempre più stringenti, clienti sempre più esigenti e concorrenza sempre più spietata.
Il motore a combustione, infatti, pur potendo contare su un vantaggiosissimo rapporto potenza/peso e su un’ineguagliabile versatilità, è notevolmente penalizzato nelle prestazioni dal fatto di essere molto sensibile alle condizioni di utilizzo: variazioni di carico, l’utilizzo a velocità di rotazione diverse da quella ottimale e ambiente circostante imprevedibile influenzano rilevantemente e in negativo l’efficienza di questi propulsori.
Dove c’è un problema, però, ci sono ingegneri alla ricerca di soluzioni che, anche se non sempre raggiungono il mercato, spingono la ricerca verso nuove possibilità.

L’ultimo arrivato sulla scena è il nuovo motore EA888 di Volkswagen che equipaggerà la Tiguan del 2018. La novità sta nel fatto che questo propulsore utilizza un nuovo ciclo, simile all’Otto dei comuni motori a benzina, denominato B-Cycle in riferimento all’ingegnere Ralf Budack che l’ha ideato.
Budack ha modificato il ciclo Miller (che a sua volta è una variazione del normale Otto) per aumentarne l’efficienza.
In pratica il ciclo Miller (1957) funziona come il ciclo Otto in aspirazione: mentre il pistone si abbassa, aspira l’aria attraverso la valvola d’immissione aperta. Questa, però, resta aperta più a lungo che su un motore Otto. Infatti, quando il pistone inizia a risalire per la fase di compressione, la valvola è ancora aperta per qualche attimo e una parte dell’aria viene riespulsa fuori dal cilindro. Ciò fa si che il lavoro di compressione diminuisca, rendendo più efficiente la conversione della combustione in energia meccanica. Il rovescio della medaglia è una minore potenza specifica rispetto ad un analogo motore Otto, dato che il rapporto di compressione è inferiore a causa dell’espulsione di una parte di aria.
Il ciclo Miller viene spesso confuso o assimilato al ciclo Atkinson (1882) che però si basa su un cinematismo completamente diverso da quello del motore Otto (l’idea dell’inventore era innanzitutto quella di aggirare il brevetto del suo rivale) anche se gli effetti in pratica sono simili.
Il motore della Toyota Prius e lo Skyactive di Mazda, insieme con molti altri, utilizzano cicli di tipo Atkinson o Miller. La soluzione è interessante sulle auto ibride dove la componente elettrica può supplire alla minore potenza specifica del motore termico.
Il motore Budack sfrutta lo stesso principio ma chiude la valvola di aspirazione mentre il pistone sta ancora scendendo nella sua corsa, causando una maggiore riduzione di pressione. Il rapporto di compressione risulta di nuovo inferiore e quindi è  più facile trasformare la combustione esplosiva in moto del pistone.


Poter “pagare” in potenza per avere maggiore efficienza è molto utile per situazioni in cui il carico di lavoro è basso o con poche variazioni e quindi non si ha bisogno di “picchi” di spinta. Un esempio è dato dalla guida in autostrada: in questa situazione un perno scorrevole spinge lateralmente la camma di azionamento della valvola. Questa camma è costituita sostanzialmente da due normali affiancate ma leggermente diverse per inclinazione e geometria. Una muove la valvola di immissione secondo la consueta cinematica di un ciclo Otto mentre l’altra sfasa e accorcia questo moto secondo quanto spiegato prima, consentendo quindi un minor tempo di apertura a parità di velocità di rotazione dell’albero motore.
 
Questo è però solo un altro passo nella lunga marcia in cui i motori a benzina e diesel si combattono per esaltare i rispettivi vantaggi, vincere i propri difetti e mantenere la supremazia sulle tecnologie esordienti.
A metà dell’anno scorso Infinity presentò il motore VC-T a benzina con rapporto di compressione variabile, che equipaggerà la QX50 l’anno prossimo. Si tratta della prima volta che questa tecnologia viene presentata per il mercato delle automobili di serie: Polini l’ha già applicato con successo in ambito motociclistico, Saab ha presentato un sistema sperimenatale che varia l’inclinazione del cilindro rispetto al motore e Peugeot ha costruito il prototipo MCE-5 con un leveraggio variabile tra pistone e manovella. Una soluzione diversa fu utilizzata nel Diesotto 2007 di Mercedes in cui la benzina può essere innescata dalla candela o, ad un rapporto di compressione più alto, per autocombustione come nei diesel attraverso la tecnologia HCCI.

Il motore di Nissan potrà variare la compressione da 8:1 per maggiore potenza a 14:1 (maggiore di quello di una vettura NASCAR) per maggiore efficacia attraverso una “sofisticata logica di controllo del motore […] dipendente dalle necessità della condizione di guida”. Anche qui è prevista una valvola a tempo di apertura variabile per ottenere un ciclo Miller.
Il Nissan 3.5 litri V6 che sfrutterà questa tecnologia è stato dichiarato capace di ridurre i consumi del 26% con potenza e coppia paragonabili ai suoi rivali.
Da qui in poi parte la speculazione sul possibile impatto di queste tecnologie contro il mercato dei motori diesel in cui il problema del carico è risolto con la regolazione che può essere effettuata tramite gli iniettori del combustibile.

Certo, su ogni paragrafo di cui sopra si potrebbe scrivere un’intera bibliografia. Anche dietro all’ultimo commento sui diesel c’è un mondo di chimica, fisica, normative e storia dell’evoluzione tecnica che richiederebbe quantomeno un articolo a parte se non un capitolo da testo universitario.
Pure i motori HCCI, così frettolosamente nominati, dovremo raccontarveli più avanti con un articolo interamente dedicato, in quanto si tratta di un’innovazione al limite del rivoluzionario e che, lontano dalle cronache, sta sempre più attirando l’attenzione dei ricercatori.



 *Brevettato da Alphonse Beau de Rochas nel 1861, ma sembra che già nel 1854 Eugenio Barsanti e Felice Matteucci fossero arrivati ad un simile motore. Il primo esemplare funzionante fu costruito da Nikolaus Otto sempre nel 1861.

di Enrico Gussoni

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