Volendomi ricollegare all’articolo pubblicato qualche settimana fa circa il futuro del motore endotermico, questo secondo articolo vuole fare chiarezza entrando nel dettaglio delle soluzioni che sono state menzionate partendo dal Ciclo Atkinson ed il Ciclo Miller. Il motore benzina come tutti sanno o per lo meno chi ha fatto un po di scuola guida quando insegnava come era fatta un auto prima di guidarla, ha lo scopo di trasformare l’energia scaturita dalla combustione di una miscela formata da aria e benzina secondo quattro fasi ben distinte. Aspirazione, Compressione, Espansione e Scarico. Questo ciclo di funzionamento è denominato Ciclo Otto dal nome dell’Ingegnere che lo ha studiato e sviluppato. Questo ciclo ha una serie di difetti, uno dei quali di avere tre delle quattro fasi di lavoro passive, cioè Aspirazione e Scarico soprattutto non producono lavoro attivo per la trazione ma solo passivo, cioè assorbe energia mentre la fase di compressione assorbe solo parzialmente energia mentre per una piccola parte collabora assieme all’espansione per lo sviluppo di potenza utile.
Per risolvere questa deficienza James Atkinson modificò il ciclo Otto facendo lavorare diversamente le fasi passive dall’unica attiva. Atkinson usava una diversa geometria del manovelismo, consentendo una corsa diversa tra compressione ed espansione, limitando le perdite nella fase passiva a vantaggio del rendimento complessivo. Nei motori moderni, molti produttori dichiarano di usare questo ciclo di lavoro per migliorare il rendimento dei propri propulsori, ma non avendo un manovelismo dedicato, ma funzionando con la stessa biella e manovella del motore ciclo otto, la differenza di lavoro nelle fasi ci compressione ed espansione avviene utilizzando un altro ciclo di lavoro quello Miller. Anche questo ha come base il ciclo Otto, quindi le quattro fasi ci sono, ma cerca di raggiungere il risultato voluto da Atkinson mantenendo le geometrie del primo. Nella fase di compressione si tiene la valvola di aspirazione aperta per una angolo maggiore di rotazione dell’albero motore. In questo modo si ha un reflusso di parte dell’aria aspirata in fase di aspirazione.
Questo porta ad un minore riempimento del cilindro variando il rapporto di compressione. La fase di espansione differenziata recupera efficienza grazie alla maggiore corsa. Usando il Ciclo Miller si ottiene una miscela omogenea e con minore quantità di benzina meglio nebulizzata, una minore temperatura dei gas di scarico, meno lavoro meccanico, ma anche meno pressione sul cielo del pistone. Quindi maggiore efficienza e rendimento con minori consumi ma meno potenza. In sostanza in proporzione alla quantità di aria che si fa respinge attraverso l’apertura della valvola di aspirazione aperta il motore di comporta come uno di cilindrata più piccola avendo il volume di aria aspirata di un cilindro inferiore. Questo porta inevitabilmente ad una perdita di potenza che viene compensato o dalla cilindrata aumentata, o dall’utilizzo di un piccolo compressore, o dell’aggiunta della trazione elettrica. Una volta chiarito la differenza tra i due cicli, facciamo una panoramica su ciò che il mercato dell’auto offre per questi due tipi di funzionamento prendendo ad esempio tre motori: Il Nissan VC-TUrbo, Il Mazda Skyactiv-X e l’EA211 TSFI EVO di Volkswagen.
Parto dal propulsore Nissan perchè è l’unico ad oggi che funzione con ciclo molto simile a quello Atkinson. Il VC-Turbo a compressione variabile, come dice il nome stesso varia la compressione allungando ed accorciando la corsa del pistone fino a 6 mm tramite un manovelismo appositamente progettato diverso da quello canonico che i tecnici Nissan chiamano Multilink. Nel dettaglio Il motore ha un alesaggio di 84mm che rimane fisso, mente la corsa per ottenere un rapporto di compressione di 8:1 fino a 14:1 variando anche la cilindrata varia a seconda da 1997cc a 1970cc. Il nuovo multilink viene montato su un albero motore tradizionale ma viene gestito da un piccolo motore elettrico che muove un riduttore per cambiare variare la posizione e la corsa. La coppia generata dal piccolo riduttore fa ruotare secondo un angolo predefinito il leveraggio attraverso un piccolo alberino di controllo.
Per limitare la perdita di potenza rispetto al miglioramento del rendimento si è adottata una sovralimentazione mediante Turbo Honeyweell che garantisce una ampia portata di aria senza rinunciare ad una buona risposta ai bassi regimi. L’iniezione è diretta e l’apertura delle valvole di aspirazione sono gestita come logico elettronicamente. Il rendimento complessivo viene migliorato dalle finiture delle canne dei cilindri a specchio per un migliore attrito tra le parti in movimento, ed un collettore di scarico integrato per consentire un migliore lavoro della Turbina, ed una valvola controllata elettronicamente per il funzionamento differenziato del sistema di raffreddamento. Il Mazda Skiactiv-X di Mazda è un motore a ciclo Miller che unisce due mondi. Infatti il suo funzionamento pur restando a benzina si comporta come un diesel, unendo la gradevolezza del motore benzina alla coppia e l’efficienza del motore a gasolio. Il propulsore lavora con una miscela di aria-carburante molto magra, ad una elevata pressione interna la cilindro che consente al combustibile di accendersi come se fosse una unità a gasolio. La scintilla c’è come in un normale motore benzina, ma ha la funzione di rendere la combustione più omogenea e regolare evitando la detonazione che avverrebbe se si accendesse per autocombustione. La Mazda dichiara per lo Skiactiv-X una riduzione dei consumi dal 20 al 30% pur restando con valori di potenza uguali al suo cugino Siactiv-G 2.0 litri benzina.
Nel dettaglio Il motore tiene la valvola di aspirazione aperta fa uscire la miscela in eccesso, per poi comprimere in modo maggiore quella che resta. Per controllare la combustione i progettisti giapponesi utilizzano la tecnologia SPYCI-X derivata da quella già nota SPCCI (Spark Controlled Compression Ignition) cioè il controllo elettronico della accensione per scintilla, che a sua volta non è altro che la versione Mazda del sistema HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition), usato anche per i motori moderni di Formula 1. Un sistema appunto che consente di controllare l’accensione controllata di una miscela magra di benzina con un alto rapporto di compressione tipico dei motori che lavorano per autoaccensione come i diesel.
In questo caso la combustione avviene in modo simultaneo per tutta la quantità di miscela, con un fronte di fiamma controllato. Il vantaggio principale è la riduzione consistente degli NOx che sono invece presenti nei diesel per effetto del’autocombustione controllo per scintilla. Il lavoro fatto dai tecnici Mazda per far funzionare al meglio questo propulsore, va dalla riprogettazione dei collettori di aspirazione, la gestione dell’iniezione diretta di benzina, fino ai collettori di scarico. Inoltre per non avere perdite di potenza rilevanti hanno adottato anche un piccolo compressore volumetrico per comprimere l’aria in ingresso garantendo un maggiore volume pur con una camera di combustione ridotta.
Anche il Volswagen EA211 TSFI Evo lavora con il ciclo Miller è più pragmatico, più attuale, meno futuristico perchè ottimizza tecnologie già esistenti. Infatti in questo propulsore non si tiene aperta la valvola di aspirazione per più tempo ricacciando indietro parte della miscela, ma al contrario la si chiude in anticipo aspirando meno aria di quanta ne necessiti. Lo scopo ed il risultato finale sono gli stessi potendo garantire un rapporto di compressione di 12:1. L’iniezione diretta di carburante per lavorare nelle nuove condizioni di miscela aria combustibile è stata migliorata portando la pressione a 350 bar. Per effetto della minore temperatura dei gas combusti, la Volkswagen ha adottato una turbina appositamente progettata denominata VGT, a geometria variabile, di solito sconsigliata per i motori benzina per l’elevata temperatura dei gas combusti. Inoltre ci sono altri sistemi che rendono ancora più efficiente questo propulsore come la disattivazione a seconda degli utilizzi di due cilindri a carichi parziali.
Questi elencati sono solo tre esempi, di come lavorano al giorno d’oggi motori a Ciclo Atkinson e Ciclo Miller in modo differente ma con lo stesso scopo. Sta all’automobilista premiare una soluzione piuttosto che un altra a seconda delle proprie esigenze di guida e comfort.
A noi spetta il compito di fare chiarezza su cosa ognuno di noi ha sotto il cofano, sapendo che nel futuro prossimo altri costruttori si affacceranno su questa tecnologia e lo faranno con la solita fantasia progettuale che caratteristica degli staff tecnici delle grandi case automobilistiche. Il motore endotermico non è ancora al capolinea!
Daniele Amore