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Il motore a rapporto di compressione variabile
Come adattarsi di Luca Capomacchia
Abbandonati in passato per la loro complessità costruttiva, i motori a rapporto di compressione variabile stanno tornando nuovamente in auge per la loro capacità di unire i vantaggi, in termini di economicità di consumo, del diesel con i vantaggi, in termini di emissioni inquinanti e prestazioni, del motore benzina.
Il rapporto di compressione è un parametro tipico dei motori a scoppio, è definito come il rapporto tra il volume massimo e quello minimo della camera a scoppio, ovvero il volume compreso tra cilindro e pistone quando quest’ultimo è agli estremi della sua corsa. Il rendimento di un motore alternativo a combustione interna è strettamente legato al rapporto di compressione. Nel ciclo Otto ideale (i comuni motori a benzina) il rendimento aumenta con il rapporto di compressione, ma nella pratica esiste il limite che il carburante compresso eccessivamente può incendiarsi prima dello scoccare della scintilla della candela (preaccensione e conseguente battito in testa) compromettendo il funzionamento corretto del motore. Nei motori Diesel, invece, dove il carburante viene iniettato solo dopo la compressione dell’aria, si possono avere rapporti di compressione maggiori. Il rapporto di compressione è importante perché modifica la velocità di combustione della miscela aria/benzina, incidendo così sull’anticipo d’accensione al variare dei regime di funzionamento del motore, inoltre il tempo di combustione viene modificato anche dai seguenti fattori:
Quindi se entrambi rimangono costanti a tutti i regimi di funzionamento, bisognerebbe raddoppiare l’anticipo con il raddoppiare del regime, mentre non è così, dato che le turbolenze aumentano con l’aumentare (andamento esponenziale) dei regimi, di conseguenza arrivati a un certo regime si dovrà ridurre l’anticipo invece che aumentarlo con l’aumentare dei regimi. Tale valore diventa importante nei motori ad accensione comandata a fasatura fissa, dove la differente velocità di combustione della miscela aria/benzina non permette d’avere il massimo rendimento ottenibile per tutto l’arco di funzionamento del motore, quindi modificando il rapporto di compressione con una diversa testata si modifica la velocità di combustione e quindi anche la fascia di regimi motore dove si ha la combustione completa al PMS (punto morto superiore), più precisamente avendo:
Per quanto riguarda i motori ad accensione comandata a fasatura variabile e i motori diesel, maggiore è il rapporto di compressione e maggiore sarà il rendimento del motore, dato che così si aumenta la pressione media effettiva e di conseguenza anche la potenza specifica del motore, ovviamente sarà necessario spostare l’intera fasatura in ritardo dato il miglioramento della velocità di combustione. Nei propulsori convenzionali il rapporto di compressione fisso rappresenta un compromesso tra le diverse esigenze richieste da un gran numero di condizioni operative: fermate e ripartenze nel traffico cittadino, tragitti autostradali ad alta velocità costante, viaggi extra-urbani ad alta velocità. Nel caso invece del motore a rapporto di compressione variabile il rapporto di compressione varia continuamente spostandosi sul valore ottimale per le condizioni del momento. Il fatto di poter calcolare il parametro aggiuntivo del rapporto di compressione consente di regolare con maggior precisione l’operatività del motore rendendolo più efficiente. Il motore con rapporto di compressione variabile costituisce, inoltre, un passo decisivo nell’ambito del lavoro di sviluppo a lungo termine mirante a combinare i vantaggi del motore a ciclo Otto e di quello a ciclo Diesel. L’iniezione diretta è stata utilizzata sul motore a ciclo Otto proprio come in quello Diesel, mentre quest’ultimo avrà un maggior contenuto di elettronica. La compressione variabile era pertanto l’anello mancate tra i due, visto che proprio il rapporto di compressione è uno dei parametri che più distinguono il funzionamento dei due motori. All’ultimo Salone di Francoforte Mercedes Benz ha presentato il suo motore "DiesOtto" che vuole combinare i vantaggi dei motori diesel e dei motori benzina: le prestazioni dei motori benzina, i consumi contenuti dei motori diesel, il tutto con basse emissioni inquinanti. Il motore adotta un sistema di iniezione diretta di benzina, un rapporto di compressione variabile, la sovralimentazione con turbocompressore e un sistema di controllo variabile delle valvole. L’idea è usare l’accensione spontanea (funzionamento da motore diesel) o controllata (funzionamento da motore a benzina), a seconda delle condizioni e della potenza richiesta al motore. Questo motore è un quattro cilindri con una cilindrata di 1800 cc con una potenza di 238 cavalli e una coppia massima di 400 Nm, dati decisamente superiori alle attuali unità diesel. Il bello è che, al contrario di analoghe unità turbocompresse a benzina, i consumi sono limitati a 6 litri/100 km, su un veicolo delle dimensioni della classe S. In fase di partenza e a pieno carico, la miscela aria/benzina è accesa dalla candela, come in un normale motore a benzina. Nelle altre condizioni, quando il carico è parziale, viene invece innalzato il rapporto di compressione e l’accensione avviene iniettando la benzina nell’aria ad altissima temperatura (combustione spontanea controllata). Il rapporto di compressione è variabile: in fase di partenza e a pieno carico, quando il motore sfrutta le normali candele per l’accensione controllata, il rapporto di compressione si mantiene su livelli normali. Mentre, in condizioni di carico parziale, il rapporto di compressione viene abbassato, la miscela aria/benzina viene iniettata ad altissima temperatura e l’accensione è spontanea. Questo motore unisce le qualità di elevata coppia e basso consumo di un diesel con quelle di basse emissioni ed alte prestazioni di un motore a benzina. Anche l’azienda francese MCE-5 Development ha sviluppato un motore con rapporto di compressione variabile (VCR) in grado di ridurre il consumo di benzina delle automobili dal 20% al 35% rispetto ai motori tradizionali. Dopo 11 anni di ricerca e sviluppo, un investimento di oltre 28 milioni di euro e più di 45 aziende francesi ed europee coinvolte nello sviluppo del motore: MCE-5 sembrerebbe essere attualmente il motore con rapporto di compressione variabile più vicino alla produzione in serie. Il motore MCE-5 VCR è stato testato per anni sul banco prova e ora è proposto nella versione da 1,5 litri in grado di generare una coppia di 360Nm a 1500 rpm ed una potenza 220CV in un range complessivo da 4000 a 5000 rpm. Nonostante le sue alte prestazioni, il consumo di MCE-5 su una Peugeot 407 é attualmente di 6,78 litri per 100 km. I test sono stati eseguiti rispettando le specifiche imposte dal metodo “New European Driving Cycle” (NEDC). Il motore ha, tuttavia, un grande potenziale da poter ancora sfruttare e gli ingegneri di MCE-5 DEVELOPMENT prevedono di ridurre entro il 2009 il consumo di una Peugeot 407 portandolo a meno di 6 litri per 100 km, emettendo circa 140g di CO2 al km, con una coppia di 400 Nm a basso numero di giri. Confrontando i costi della tecnologia MCE-5 con i motori diesel o ibridi, la differenza è ancora più notevole. Attualmente i motori diesel costano in media 1000 euro in più rispetto ai motori a benzina e considerando il prossimo standard Euro 6, che entrerà in vigore dal 2015, il prezzo del motore diesel aumenterà di circa 1500 euro. In questo momento i motori ibridi costano da 3000 a 5000 euro in più rispetto ai motori convenzionali a benzina, le cui performance dipendono dalla potenza del veicolo. La tecnologia MCE-5 può ridurre il consumo dei piccoli veicoli del 20%, con un costo di produzione aggiuntivo di circa 500 euro che per il consumatore finale viene ammortizzato in 60000 km, più rapidamente che con un motore diesel con consumi simili di carburante. Per i veicoli più grandi MCE-5 riduce il consumo di carburante fino al 35% e oltre a seconda della potenza, con un costo fino a 800 euro inferiore rispetto ai motori convenzionali con le stesse performance. In questo caso, il consumatore finale ha già risparmiato denaro sul prezzo d’acquisto. I programmi di Ricerca e Sviluppo miravano inizialmente alla conferma dell’applicabilità del progetto MCE-5 e hanno portato a una graduale evoluzione dei componenti innovativi del motore e dei loro processi di produzione di massa e alla realizzazione di motori multicilindro. All’inizio del 2009, una Peugeot 407 sarà pronta in qualità di veicolo dimostrativo e utilizzata a metà anno per la presentazione ufficiale al grande pubblico. Non ci resta quindi che aspettare che questa tecnologia molto promettente venga commercializzata, sperando che non svanisca, come spesso accade, in una bolla di sapone. Staremo a vedere! |