Nonostante i continui attacchi da parte dell’elettrificazione, il motore endotermico non smette di evolversi. I tecnici, forti del fatto che l’alimentazione a benzina fa ancora parte della massima formula dell’automobilismo, da sempre apice della tecnica motoristica,, continuano a lavorare sul costante affinamento del motore a combustione interna (indicato nei sistemi propulsivi con la sigla ICE, Internal Combustion Engine).
I limiti della combustione nei motori ad accensione comandata
Il fattore limitante della resa termodinamica è sempre stato legato alle modalità di propagazione del fronte di fiamma. Nei motori convenzionali ad accensione comandata a ciclo Otto, l’arco elettrico scoccato dalla candela genera un nucleo primario da cui si sviluppa una fiamma sferica. Questa è sottomessa ai limiti di turbolenza interna al cilindro, alla velocità di combustione del carburante e, soprattutto, al rischio di detonazione (il cosiddetto “battito in testa”).
Dalla Formula 1 alla produzione ad alte prestazioni
Per superare questo ostacolo, gli ingegneri impegnati in Formula 1, in particolare i tecnici della Mahle in collaborazione con Ferrari, hanno sviluppato soluzioni dedicate fin dal debutto dell’era V6 Turbo Hybrid. Successivamente, i costruttori di vetture ad altissime prestazioni come Maserati hanno trasferito dalla pista alla strada le tecnologie nate dalle corse, applicando sul propulsore Nettuno la combustione a precamera o Turbulent Jet Ignition (TJI).
Architettura e geometria della precamera
La differenza sostanziale rispetto a una configurazione tradizionale consiste nello spostamento dell’innesco primario dell’accensione all’esterno della camera di combustione principale. Nella testa del cilindro viene ricavata una precamera il cui volume racchiude dall’1% al 3% di quello totale. Questo micro-volume comunica con il cilindro attraverso un cappuccio forato a geometria calibrata, dotato di fori radiali dal diametro inferiore ai 2 millimetri, all’interno del quale scocca l’arco elettrico della candela.
La dinamica dei getti ad alta entalpia
Quando la miscela aria-benzina viene compressa dal pistone verso il Punto Morto Superiore (PMS), una parte della carica viene spinta attraverso i micro-fori nella precamera. Al momento dell’accensione, la repentina salita di pressione nel micro-volume spara attraverso gli orifizi una serie di getti di fiamma (turbulent jets) ad altissima energia cinetica ed entalpia. Questi penetrano in profondità nella camera principale, innescando la combustione volumetrica e istantanea in centinaia di punti contemporaneamente.
Precamera passiva vs precamera attiva
I propulsori che adottano la e
I propulsori che adottano la tecnologia TJI si distinguono due famiglie principali: Precamera passiva cne viene riempita unicamente dalla carica spinta dal pistone in fase di compressione, lavora con miscela stechiometrica lambda approssimativamente pari ad uno e adotta una candela singola con iniettore standard (architettura presente sul V6 Nettuno di Maserati). Nella Precamera attiva si impiega un micro-iniettore di benzina dedicato posizionato direttamente nella precamera. Permette una combustione estremamente magra Lambda > 2.0 nel cilindro, ma richiede un doppio sistema di iniezione e, talvolta, una doppia candela per cilindro. Per via dei costi e della complessità, questa variante è attualmente riservata alla Formula 1 o alle future hypercar.
Il controllo della detonazione e i vantaggi termodinamici
Nella versione attiva, la micro-iniezione crea nella precamera una sacca di miscela ricca o stechiometrica, facilmente accendibile dalla candela. I getti di fiamma generati sono così caldi ed energetici da incendiare la carica magra nel cilindro, altrimenti inaccendibile da una candela convenzionale. Il vantaggio risiede nell’innalzamento del limite di detonazione: poiché i gas marginali non hanno il tempo di auto-accendersi, la combustione si completa in pochi microsecondi anziché millisecondi.
I benefici sui parametri fondamentali del motore
La drastica riduzione dei tempi di combustione consente agli ingegneri di ottenere importanti vantaggi tecnici: Aumento del rapporto di compressione geometrico, fondamentale sui motori sovralimentati mediante turbocompressore. Ottimizzazione dell’anticipo di accensione, riavvicinandolo ai valori ideali per il massimo rendimento teorico. Contenimento delle temperature di picco dei gas di scarico, a salvaguardia della turbina ed eliminando la necessità di arricchire la miscela a pieno carico come strategia di protezione termica.
Le sfide ingegneristiche per la produzione di serie
Se in configurazione da gara si sfiorano rendimenti indicati del 50% (superiori al 45% sulle unità stradali), il passaggio alla produzione di serie comporta severe sfide di affidabilità: Gestione termica dell’ugello, con la punta della precamera lavora in condizioni estreme e richiede leghe ad alta conducibilità (come rame-berillio) e passaggi dedicati del liquido di raffreddamento nella testata per prevenire fenomeni di preaccensione. Prevenzione dei depositi carboniosi (fouling) soprattutto nell’uso cittadino o a freddo, i micro-fori (1.0 – 1.5 mm) rischiano di ostruirsi. Per ovviare a ciò, Maserati adotta un sistema a doppia accensione: la precamera lavora ai medi e alti carichi, mentre la centralina ECU attiva una candela tradizionale laterale ai bassi carichi.
L’importanza della simulazione fluidodinamica (CFD)
L’efficacia del sistema si basa sull’ottimizzazione fluidodinamica mediante calcolo CFD. L’orientamento dei fori dell’ugello e la loro conicità devono essere realizzati con tolleranze micrometriche. Questo evita che i getti impattino direttamente sul cielo del pistone o sulle pareti della canna, scongiurando il dilavamento del film d’olio protettivo e localizzati stress termomeccanici. L’adozione della precamera rappresenta così l’anello di congiunzione tra il motore a benzina e l’efficienza tipica del ciclo Diesel, regalando una nuova giovinezza al propulsore termico.
