scoppio

Il futuro dei motori a combustione?

Un progetto depositato alla SAE, la società degli ingegneri americani, ripensa il motore a combustione in chiave completamente diversa e promettente.

Nelle intenzioni di molti il motore a combustione avrebbe terminato i suoi giorni. Sfortunatamente per loro le cose non stanno così, anzi, all’orizzonte si affacciano nuove soluzioni che potrebbero renderlo ancora più conveniente per l’uso nell’autotrazione. E’ il caso della Entry Ignition, approccio fortemente innovativo che si basa su un diverso tipo di accensione. Vedo di spiegarlo.
I metodi usati per innescare la combustione sono essenzialmente due, l’accensione a scintilla, quella dei motori a benzina, e l’accensione per compressione, quella dei Diesel, cui recentemente si è aggiunto quello dell’accensione a compressione della carica omogenea, schema tecnico impiegato dal Mazda Skyactiv-X. Ognuno di questi metodi presenta tanto vantaggi quanto noti limiti di efficienza ed emissioni.

La Entry Ignition (EI), è stata presentata dalla SAE, la società degli ingegneri americani. Si tratta di un sistema che potrebbe avere grandi vantaggi dal punto di vista termodinamico e ambientale, anche se implica modifiche consistenti al normale progetto di un motore. Il metodo brucia a pressione costante una miscela omogenea di aria e combustibile separando nei diversi cilindri le fasi di compressione ed espansione, con l’innesco che si verifica all’ingresso nella camera di combustione del cilindro ove la miscela fluisce.
In sostanza si tratta di una scorta di riedizione del concetto di motore a cilindro sdoppiato, come nelle Iso degli anni ’50.

La combustione deriva quindi dalla miscelazione con una piccola percentuale di gas caldi contenuti nel cilindro e provenienti dalla precedente combustione, senza la necessità di una candela. Il criterio si può adattare a un motore a pistoni convenzionale, con le uniche modifiche sostanziali della camera di miscelazione, sorta di precamera tipo quelle dei Diesel a iniezione indiretta, e di una valvola a scorrimento tra quest’ultima e il cilindro.
Il guadagno di rendimento è dovuto in primo luogo all’elevato rapporto di compressione utilizzabile anche con la benzina, paragonabile a quello di un Diesel o anche più alto. In secondo luogo, il metodo consente una combustione magra che migliora l’efficienza; inoltre l’impiego di un ciclo Brayton (di fatto è come se la combustione fosse esterna, come nelle turbine a gas) permette la completa espansione dei gas caldi e riduce la trasmissione di calore passiva alle componenti del motore tipica degli altri metodi di combustione.

L’insieme di questi effetti consente un’efficienza termica del 63%, calcolata per ora sulla base di simulazioni al computer in attesa di un motore spertimentale. Dal punto di vista delle emissioni, poiché il motore brucia una miscela omogenea non si producono quantità significative di particolato, mentre la combustione avviene in tempi abbastanza rapidi da eliminare cineticamente la produzione di NOx, con la concreta possibilità dell’assenza di ogni sistema di post-trattamento.
Impiegando un’architettura a 4 cilindri, il criterio di progetto implicherebbe il passaggio a un ciclo a due tempi, compiuto però dando a ciascun cilindro un compito diverso: da sinistra a destra, il primo cilindro effettua la precompressione dell’aria, che poi fluisce tramite una normale valvola a fungo nel secondo cilindro, di alesaggio minore per aumentare il rendimento. Dopo la seconda compressione, l’aria si accumula in una camera soprastante (assente nello schema qui sopra) che comprende una successiva camera di miscelazione con il combustibile che a sua volta, tramite una griglia a scorrimento, la introduce nel terzo cilindro. Il cilindro si trova a temperatura molto alta e la miscela, entrandovi, si incendia spontaneamente, di qui il nome Entry Ignition. Segue la prima espansione nel cilindro, al termine della quale, tramite un’altra valvola a fungo, passa nell’ultimo cilindro, ove effettua un’ultima espansione che fa sì che i gas di scarico abbiano pressione e temperatura molto vicine a quella dell’ambiente.
Si intuisce che la distribuzione debba essere collocata diversamente e che occorra aggiungere quella sorta di griglia tra la camera di accumulo e il pistone, ma il rendimento complessivo è molto più alto, non c’è alcun bisogno di aggiungere un turbo perché l’energia dei gas è sfruttata completamente, e c’è uno scoppio a ogni giro di albero motore, compensando così il fatto che su 4 pistoni sia uno solo a produrre energia cinetica.

Si tratta dunque di un mero progetto, ma la cui applicazione potrebbe cambiare radicalmente lo sfruttamento di ogni tipo di carburante. Vedremo se il criterio avrà seguito industriale o quantomeno sperimentale.

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