Il precedente post è stato incentrato principalmente nell’evidenziare come i motori a combustione interna, spesso amati od odiati, non presentano dei veri rivali in grado di detronizzarli dall’impiego per il quale oggi sono famosi, ovvero la propulsione dei veicoli terrestri, ma questa assenza di avversari non giustificherebbe assolutamente una mancanza di innovazione in essi, infatti per potere rispettare le sempre più stringenti norme anti inquinamento i motori si sono fortemente evoluti (anche se rimasti invariati nei principi base), e frutto dell’evoluzione dovuta ai limiti delle normative sono stati sviluppati ed introdotti sistemi sempre più sofisticati di trattamento dei gas di scarico oltre che miglioramenti interni al motore volti ad aumentarne l’efficienza.
L’iniezione elettronica, il sistema common rail, lo sviluppo dei turbocompressori, così come lo sviluppo dei materiali sono tutti passi di un percorso che ha migliorato i motori senza però rendere tali miglioramenti visibili, ma alcune soluzioni si presentano all’orizzonte (mentre qualcuna ha già avuto delle applicazioni concrete), e queste saranno l’argomento dei prossimi post.
Quest’oggi andiamo ad esaminare come procede lo sviluppo dei motori a combustione interna e quali sono le soluzioni che al momento rappresentano ancora una ricerca “di frontiera” ma che presentano delle potenzialità per venire impiegate in un futuro prossimo.
SPARK IGNITION E COMPRESSION IGNITION – DUE STRADE CHE CONVERGONO
Come esposto nei vari post, i motori attualmente sono di due tipi, ad Accensione Comandata (comunemente conosciuti come motori a ciclo Otto od impropriamente “benzina”) e ad accensione spontanea (i classici Diesel), ed impiegando la nomenclatura anglosassone li si indica con Spark Ignition (SI) e Compression Ignition (CI).
I motori SI sono caratterizzati da basse emissioni (in particolare mediante l’impiego del catalizzatore a 3 vie) ma risentono di un certo decadimento del rendimento ai carichi parziali.
I motori CI presentano valori di rendimento più elevati dei motori SI, ed inoltre non sono caratterizzati dalle forti penalizzazioni in termini di rendimento ai carichi parziali tipiche dei motori SI, ma sono d’altra parte affetti da emissioni sensibilmente elevate, in particolare di NOx e particolato (soot).
Ragionando separatamente sulle due tipologie di motori è evidente come si debba cercare di risolvere i rispettivi problemi intervenendo sulle cause che li originano, ma purtroppo un miglioramento sensibile è possibile solo a costo di sistemi particolarmente complessi e costosi (soluzioni che mirino ad eliminare la valvola a farfalla nei SI e sistemi di post trattamento sofisticati, come ad esempio sistemi DeNOx oltre che FAP e DPF sui CI).
Alcuni ricercatori hanno cercato di “mettere insieme” le caratteristiche positive dei singoli motori eliminando tramite questa unione le caratteristiche negative, e per fare tutto ciò hanno sviluppato differenti concetti di combustione, in particolare la soluzione denominata HCCI (Homogenous Charge Compresion Ignition).
La soluzione HCCI consiste nel generare una miscela omogenea tra combustibile ed aria, analogamente a quanto avviene nei motori SI, ed avere la combustione della stessa attraverso la compressione, analogamente ai motori CI.
In questo modo la combustione interessa la miscela nella sua interezza senza svilupparsi attraverso la propagazione del fronte di fiamma (SI) e senza presentare una combustione di tipo diffusivo (CI).
In tale modo si ottengono risultati in termini di emissioni eccellenti, con bassissimi livelli di NOx e di soot, ma la combustione “istantanea” che avviene nella miscela genera dei picchi di pressione e sollecitazioni meccaniche difficilmente sopportabili per il motore al di sopra di carichi medio bassi.
Il combustibile utilizzato è generalmente alto ottanico, ovvero benzine e simili.
Oltre alle problematiche relative alle sollecitazioni, i motori HCCI sono caratterizzati da una certa difficoltà nel controllare la combustione, fattore che rende difficile una corretta gestione del motore.
Nella seguente immagine viene mostrata una sequenza di fotogrammi relative allo sviluppo della combustione in un motore SI, dove risulta evidente la propagazione di fiamme turbolente:
La combustione in un motore CI è invece rappresentata nella seguente sequenza:
Si può notare come nel caso dei motori SI la combustione si sviluppi da un punto e si sviluppi sino alle pareti della camera di combustione, mentre nel CI la combustione dapprima si origini in diversi punti e poi proceda con il procedere dell’iniezione.
Una sequenza di immagini relative alla soluzione HCCI è la seguente:
Si può notare come la combustione si origini grossomodo nell’intera miscela e si sviluppi rapidamente, con una durata di soli 10 gradi di rotazione dell’albero motore.
La soluzione HCCI è stata pertanto impiegata in una versione “ibrida”, ovvero impiegando un motore operante in HCCI ai bassi carichi e capace di cambiare il funzionamento in SI al superamento di un certo carico, e per ottenere ciò il motore è stato dotato di rapporto di compressione variabile in modo da adeguarsi alle diverse esigenze.
Tra le soluzioni presentate dalle case automobilistiche si ricordano i prototipi della General Motors e della Mercedes (in particolare quest’ultima battezzata con il nome DiesOtto, nome rappresentativo del punto di convergenza tra motore Diesel ed Otto), mostrata nelle seguenti immagini:
Il percorso per giungere alla soluzione HCCI non è stato breve, le ricerche partono infatti alla fine degli anni ’70 (i primi lavori risalgono al 1979) con riferimento ad applicazioni per motori 2 tempi, con studi che hanno spaziato anche su applicazioni per automobili (sempre nel 1979).
La ricerca ha cercato di superare i limiti caratteristici della soluzione HCCI, proponendo alcune soluzioni che saranno oggetto del prossimo post, pertanto l’invito è di seguirci costantemente, sempre su AppuntiDigitali, sempre sulla rubrica Energia e Futuro.
