Compressione variabile, chiave del futuro?

A Ginevra presentate le prime basi per una rivoluzione tecnica nei motori a combustione interna: variando la compressione si ottimizzano i consumi

La necessità di ridurre i consumi energetici e le emissioni di anidride carbonica, sta portando i costruttori di automobili verso soluzioni innovative, votate all’incremento dell’efficienza dei propulsori odierni, che oggi si attesta su valori del 20-30%. Effettuare la scelta giusta, scegliendo una tecnologia che risulti industrializzabile in poco tempo ed a prezzi ragionevoli, risulterà fondamentale per la definizione dei futuri equilibri tra i grandi produttori di propulsori.

In questa ottica, al Salone di Ginevra sono state presentate due soluzioni che puntano alla realizzazione di motori con rapporto di compressione variabile, sviluppate da Lotus e MCE-5 Development.

Il rapporto di compressione si calcola dividendo il volume del cilindro quando il pistone è nel punto più basso (PMI), con il volume del cilindro quando il pistone è al punto più alto (PMS). Un valore tipico per un motore a benzina è intorno al 10:1, ovvero il volume del cilindro quando il pistone è al PMI è 10 volte più grande del volume quando il pistone è al PMS.

Un motore con un rapporto di compressione elevato si contraddistingue per una maggiore efficienza di funzionamento, dovuta alla maggiore pressione e temperatura a cui viene portata la miscela durante la fase di compressione, prima di essere bruciata. La scelta di sviluppare motori con rapporto di compressione variabile, nasce dall’esigenza di massimizzare tale rapporto in base alle condizioni di funzionamento, migliorando l’efficienza di combustione con conseguente riduzione di consumi ed emissioni.

Per i propulsori ad accensione comandata, i valori di pressione e temperatura a cui viene portata la miscela devono rientrare all’interno di valori critici, oltre i quali nascono fenomeni di detonazione, noti come “battito in testa”. Tali valori a valle della fase di compressione, saranno tanto maggiori quanto maggiori erano i loro valori iniziali che in linea generale non sono noti. Inoltre i valori critici dipendono dal tipo di carburante utilizzato ed in particolare dal suo potere anti-detonante.

La chiave per i prossimi flexfuel

Con questa premessa si intuisce che i motori a doppia alimentazione, del tipo benzina-metano o benzina-etanolo, non possano essere ottimizzati per entrambe le modalità di funzionamento. In particolare, sia il metano che l’etanolo possono raggiungere pressioni più elevate della benzina senza generare detonazione e quindi battito in testa.

Allo stesso tempo, i valori iniziali di pressione e temperatura della miscela dipendono dalle condizioni operative del motore. Con l’acceleratore poco premuto, l’aria giunge al motore con un valore di pressione basso per l’ostruzione creata dalla valvola a farfalla. Ne segue la possibilità di usare un rapporto di compressione elevato, che però potrebbe creare problemi quando la valvola a farfalla è completamente aperta e non crea più alcuna ostruzione al passaggio dell’aria.

Il discorso si enfatizza con i motori turbo, dove ai bassi regimi la turbina è praticamente ferma e il motore si comporta come un aspirato, ma quando la turbina entra in funzione la pressione dell’aria cresce esponenzialmente. In queste condizioni il salto tra il valore minimo e massimo della pressione è notevole, ciò richiede un rapporto di compressione molto basso con una notevole penalizzazione del funzionamento a giri ridotti

Questi esempi mettono il luce le notevoli potenzialità dei motori con rapporto di compressione variabile e giustificano il notevole interesse verso questo tipo di soluzioni.

Lotus Omnivore

L'”onnivoro” di Lotus è nato con l’intento di sfruttare al meglio i biocarburanti. L’obiettivo dei tecnici inglesi è quello di sviluppare un motore capace di funzionare con miscele di benzina e biocarburante in qualsiasi percentuale e quindi con potere detonante variabile.

In Lotus utilizzano un “disco mobile” posto nella zona alta della camera di combustione con il quale cambiano i volumi in gioco e quindi il rapporto di compressione, da 8:1 a 40:1. Ottenendo un’efficienza elevata con un impatto positivo su emissioni e consumi.

MCE-5 VCR-i

In MCE-5 la scelta di sviluppare un motore con rapporto di compressione variabile segue un’idea diversa: l’ottimizzazione del funzionamento di un piccolo motore turbo. Si tratta di un’unità da 1.5 litri equipaggiata con turbo a doppio stadio, capace di erogare 220 CV e 420 Nm a soli 1500 giri/min, che saliranno a 270 CV e 470 Nm nella versione con iniezione diretta.

Al lato delle camere di combustione è però presente un alloggiamento per un gruppo mobile, chiamato “control jack” che scorrendo verso l’alto o il basso aziona un sistema a cremagliera che sposta il punto morto inferiore (punto più basso raggiunto dal pistone), modificando il volume della camera di combustione, e quindi il rapporto di compressione, in soli 100 millisecondi.

Per comprendere le potenzialità di questo sistema si deve guardare al valore di coppia erogato ed al suo regime, per quanto detto in precedenza i motori turbo tipicamente presentano un rapporto di compressione basso per via della forte differenza di pressione dovuta al turbo. Questa scelta penalizza il valore di coppia massima ed il regime a cui viene ottenuta.

Nello specifico, gli oltre 400 Nm del motore proposto da MCE-5 rappresentano un valore elevatissimo e difficile da ottenere senza incorrere in detonazioni quando il motore lavora  a pieno carico. Per fare un confronto, un moderno benzina con turbocompressore come il 1.4 T-JET di Fiat ne eroga poco più della metà.

L’elevata efficienza ai bassi regimi è testimoniata anche dai consumi nel ciclo di omologazione europeo, poco meno di 15 km/l per un motore che a 1500 giri scarica la coppia di un V8 aspirato è bel traguardo.

L’idea di sviluppare motori con rapporto di compressione variabile non è certo nuova, ma attualmente non ne sono disponibili in commercio per la scarsa affidabilità ed i costi elevati delle soluzioni proposte in passato.

Anche le tecnologie presentate da Lotus e MCE-5 non sono ancora pronte per essere immesse sul mercato e richiederanno ancora alcuni anni prima di trovare posto nelle nostre auto.