25 marzo 2018 - Primo contatto

Motori a combustione alternativi

Toyota ha, dal 1° gennaio di quest’anno, reso “Diesel free” la sua offerta di veicoli passeggeri. Se dalla “casa dell’ibrido” una mossa simile è inaspettata ma quantomeno comprensibile, lascia ancora più stupiti il fatto che Fiat, la casa che inventò il Multijet e il Common Rail, sembrerebbe voler interrompere la produzione di auto a gasolio entro il 2022. In realtà la svolta era attesa nel mondo dell’automobile e gli scandali del recente passato che, dopo il Dieselgate, hanno coinvolto numerosi grandi costruttori, sembrano solo aver accelerato un processo già profetizzato da alcuni. I motori Diesel sembrano destinati a scomparire a breve, almeno dal mercato delle automobili per rimanere in quello dei trasporti pesanti e delle macchine operatrici come trattori e simili. Il confronto tra gasolio e benzina ha visto, nel corso della storia, favorire una tecnologia rispetto all’altra anche a causa delle regolamentazioni sull’inquinamento che si sono susseguite prima a livello locale e poi internazionale. Ciò ha fatto sì che dagli anni ’50 le emissioni prodotte dai motori a scoppio calassero di circa l’80% o più, tanto che oggi le emissioni dovute alla perdita di fibre dagli pneumatici e la polvere rilasciata dai freni (presenti anche per le elettriche) sono diventate rilevanti nel calcolo dell’impatto ambientale, ma ha imposto limiti tecnici sempre più ostici da affrontare per i costruttori. Se alcuni decenni fa la benzina sembrava dover avere la peggio (vista la maggior efficienza del Diesel), il maggior impatto ambientale del gasolio dovuto all’emissione di particolato sembra dover segnare la fine di questa tecnologia.

Come già accaduto in passato potrebbe benissimo succedere che un nuovo brevetto o una nuova filosofia progettuale rimescoli le carte, ma questo sembra ancora più difficile dopo l’arrivo del nuovo motore Mazda Skyactiv X. Ve ne parliamo, come promesso qualche tempo fa, non per soffermarci sui dettagli specifici già noti e divulgati alla stampa ma per guardare come questo rilancio dei motori a combustione si inserisce nel contesto attuale. È comunque doverosa un’introduzione.

Lo Skyactiv X funziona a benzina… ma come un Diesel, ovvero la combustione non è innescata dalla scintilla della candela ma per autocombustione della miscela aria-benzina. In questo modo la combustione è molto più efficiente perché si sviluppa in modo praticamente istantaneo (e quindi molto simile ad una trasformazione ideale, la cosiddetta isoentropica) ma è molto difficile da controllare. Infatti, la cosa che normalmente meno si desidera in un motore a benzina è che la miscela si accenda per autocombustione prima della scintilla (knock in inglese o “battito in testa” in italiano). Realizzare la GCI, ovvero Gasoline Compression Ignition, ha richiesto un grandissimo sforzo di ricerca a Mazda che, pur essendo un costruttore relativamente piccolo (o forse proprio per questo), ha scelto di puntare su questa tecnologia invece che sul costoso sviluppo della tecnologia ibrida ed elettrica. Scelta, dicono i vertici della casa, dovuta soprattutto al peso delle batterie che finisce per influire pesantemente sulla richiesta di energia. Il problema principale è che, mentre in un motore a benzina lo scoppio è comandato dalla scintilla e in un motore a gasolio dall’immissione del getto di carburante, in un GCI il controllo di temperatura e pressione deve essere molto preciso. Questo ha fatto sì che tale tipologia di motori, i cosiddetti HCCI o Homogeneous Charge Compression Ignition, abbiano funzionato quasi solo in laboratorio. Se a regime, infatti, un motore mantiene una temperatura quasi costante o comunque che varia lentamente, la gestione è quasi impossibile nelle partenze da freddo. Mazda ha risolto mantenendo la presenza della candela e quindi la possibilità di avere un SPCCI, ovvero SPark Controlled Compression Ignition. La combinazione della normale detonazione a scintilla per la partenza e la GCI a regime permetterebbero di ottenere, a detta di Mazda, rendimenti del 50%, ovvero almeno il 10% in più rispetto ai migliori motori a combustione interna.

Come detto, cerchiamo ora di allargare il campo di visuale riferendoci anche a questo articolo di qualche tempo fa, cercando di approfondire i possibili sviluppi futuri degli HCCI. Innanzitutto bisogna specificare che questa denominazione si è ormai imposta ad indicare tutta la classe di motori a scoppio in cui la combustione avviene in modo pressoché istantaneo, ma sarebbe originariamente riferita ai motori Diesel. La distinzione sembra un tecnicismo superfluo visto che, in quanto ad effetti, i motori a “combustione innovativa” a benzina o gasolio arrivano a coincidere, ma è in realtà necessaria perché le sfide da affrontare in un caso o nell’altro sono diametralmente opposte: nel caso del motore Otto il difficile è avere la detonazione senza la scintilla (cosa che, appunto, di solito si vuole evitare) mentre nel Diesel bisogna ottenere la miscelazione della carica prima della combustione (cosa che, invece, normalmente avviene in contemporanea alla combustione, con delle inefficienze e la produzione di particolato).

L’HCCI funziona con una miscela aria-diesel (premiscelata come nel caso del motore Otto) molto magra, quindi non in grado di autoinnescarsi durante il processo. La combustione viene regolata tramite l’uso dell’EGR (Exhaust Gas Recirculation), ovvero il ricircolo nel cilindro di parte dei gas di scarico che, essendo ancora caldi (la combustione avviene a circa 1600°C), aumentano la pressione e la temperatura nella camera. La miscela molto magra (con fino a otto volte meno combustibile rispetto ad un normale motore a benzina) e la temperatura comunque bassa (i normali Diesel bruciano a circa 2300°C) riducono drasticamente l’emissione di NOx e polveri. Rimangono però alte le emissioni di idrocarburi incombusti (HC), a cui viene posto rimedio nel sistema di scarico, e di monossido di carbonio (CO). L’efficienza termodinamica, come dicevamo, è decisamente superiore ai motori a combustione tradizionale, anche se dare un dato indicativo è difficile a causa della variabilità sperimentale e dal particolare tipo di combustibile utilizzato. Essendo fondamentalmente un motore ad iniezione, il carico è regolato tramite appunto la quantità di combustibile iniettato e non con un meccanismo a valvola a farfalla responsabile (quando ancora si usava sui motori a benzina) di pesanti perdite ai bassi carichi. Si può anzi dire che i motori HCCI sono particolarmente affidabili ai bassi carichi, mentre è il loro controllo a regime che risulta ancora difficoltoso. Se però si unisce questa tecnologia con qualche sistema VCR (Variable Compression Ratio) queste difficoltà possono essere meglio affrontate. C’è la possibilità anche di “giocare” con la sincronizzazione dell’iniezione con il movimento dell’albero motore: anticipando o ritardando l’iniezione, si può modulare la potenza generata in base alle condizioni di lavoro.

Una variazione di questo motore sono i PCCI (Partially Premixed Combustion Ignition), intermedi tra gli HCCI e i Diesel veri e propri. L’iniezione è effettuata all’inizio della compressione e la modulazione tramite EGR.

Decisamente diversi sono gli RCCI (Reactivity Controlled Compressio Ignition) che sfruttano l’unione di due combustibili diversi. Viene aspirata una carica di benzina, etanolo o altri combustibili simili (anche bio-combustibili) cosiddetti “poco reattivi” perché necessiterebbero della scintilla per scoppiare. L’iniezione di combustibili “altamente reattivi” come gasolio o DME e il suo miscelamento produce una combustione più efficiente dell’HCCI con comunque basse emissioni di NOx e PM. Ovviamente il dover utilizzare due combustibili diversi è una limitazione, in più la sperimentazione sta ancora procedendo per quanto riguarda la combinazione con EGR, sincronizzazione, iniezioni multiple ecc.

Passando ai motori a benzina, invece, bisogna parlare di CAI (Controlled Auto-Ignition). Questi motori puntano ad avere i bassi consumi a carichi parziali (quando l’acceleratore non è premuto fino in fondo) tipici dei Diesel con le basse emissioni di NOx e particolato degli Otto. L’idea è quella di sfruttare ancora una volta la tecnologia EGR ma, invece che per innescare la combustine come negli HCCI, per diluire una piccola carica premiscelata in modo da ritardarne l’autocombustione fino al momento desiderato. Non si ha propagazione della fiamma, ma una sorta di flash con un deciso picco di pressione che rende il processo altamente efficiente. Purtroppo, cosa che vale in realtà anche per tutti gli esempi menzionati sopra, questo aumenta lo stress meccanico sui componenti del motore e la sua rumorosità. Se è possibile variare l’intervallo di apertura delle valvole, viene utilizzata la cosiddetta “sovrapposizione negativa”, ovvero l’apertura delle valvole di scarico e aspirazione è ben distanziata per controllare meglio la quantità di gas combusti trattenuti in camera di scoppio per diluire la carica successiva. Inutile dire che la ricombustione della stessa carica riduce notevolmente le particelle incombuste. La situazione si complica a carichi medio-alti quando le temperature salgono e la quantità di gas da ricircolare diventa proibitiva. Bisogna passare quindi alla normale accensione a scintilla. Per questo un simili tipo di motore sarebbe ottimo come APU (Auxiliary Power Unit), ovvero come motore di riserva, su un’auto elettrica: con una moderata scorta di combustibile a rimpiazzare parte delle ingombranti e pesanti batterie, potrebbe ricaricare la batteria principale girando a velocità costante (e quindi facile da regolare) con una miscela molto povera, ricircolo dei gas di scarico ed efficienze elevate. Gli eventuali prodotti (CO, HC) della mancata combustione che può avvenire negli interstizi del cilindro possono essere trattati con apposite tecnologie allo scarico.

Vedremo come i costruttori “storici”, che sicuramente vorranno continuare a produrre motori a scoppio per vari anni ancora, ed il mercato con i suoi nuovi stili e aspettative, sapranno far evolvere e sfruttare le potenzialità di queste tecnologie. Si tratta di una nuova speranza o è un canto del cigno?

di Enrico Gussoni

Le foto

Altri articoli