Come si gestisce la fasatura di un motore?
Prima di parlare di gestione della fasatura del motore bisogna capire cos'è.
Innanzitutto bisogna conoscere i cicli di funzionamento dei motori. Essi sono formati principalmente da 4 fasi.
Se consideriamo un motore ciclo Otto (benzina), esso è formato dai seguenti quattro tempi:
- Aspirazione;
- Compressione;
- Scoppio;
- Scarico.
Se consideriamo un motore ciclo Diesel (gasolio), esso è formato dai seguenti 4 tempi:
- Aspirazione;
- Compressione;
- Combustione/Espansione;
- Scarico.
La prima fase, comune in entrambi i cicli, permette il riempimento dell'aria (o della miscela) necessaria alla combustione.
La seconda fase, anch'essa in comune, permette una riduzione del volume dei gas.
La terza fase differisce nei due casi:
Nel motore a benzina lo scoppio avviene tramite "l'aiuto" di una candela che scocca una scintilla che permette lo scoppio del carburante. Nel motore Diesel la combustione avviene autonamamente tramite il riscaldamento che avviene per effetto dalla maggior compressione dell'aria.
Infine la fase di scarico è quella in cui i gas esausti vengono espulsi con l'aiuto della spinta verso l'alto del pistone.
GESTIONE DELLE FASATURE
Parliamo inizialmente della fase di aspirazione.
Il metodo più efficiente per incrementare il riempimento all'interno del cilindro è la sovralimentazione, solitamente effettuata con un sistema turbocompressore o con un compressore volumetrico.
Ma se si vuole aumentare l'immissione di aria in un motore aspirato?
E' possibile ottenere un miglior riempimento effettuando una precisa gestione delle fasature e specialmente degli anticipi. Questa operazione permette anche il miglioramento della sostituzione della carica.
Le fasi di scarico ed aspirazione(anche se con tempistiche diverse) possono considerarsi identiche per entrambi i motori, quindi possiamo fare le stesse considerazioni.
Tramite l'anticipo dell'apertura delle valvole durante la fase di aspirazione (specialmente ai giri più alti) si cerca di compensare il tempo necessario alla loro completa apertura (che non è immediata). Quindi all'aumentare del numero di giri questo fattore deve essere incrementato.
Un eccessivo anticipo potrebbe causare un passaggio dei gas combusti nel condotto di aspirazione, con relativo rischio di rottura, battito in testa e sollecitazioni eccessive alle valvole stesse.
Successivamente è opportuno sfruttare l'inerzia sviluppata dai gas che entrano ad elevata velocità dal cilindro, cercando quindi di ritardare la chiusura della valvola di aspirazione il più possibile.
In questa maniera si ottiene una piccolissima sovralimentazione, in modo tale da poter sfruttare più carburante possibile da bruciare e quindi avere più potenza a disposizione.
In seconda fase consideriamo la fase della compressione.
Essa avviene nella stessa maniera sia per il motore Diesel che per il motore a ciclo Otto. L'unica differenza è rappresentata dal rapporto di compressione,che indica quanto il gas aspirato viene compresso, il quale risulta essere molto maggiore nel caso dei motori Diesel. Questo permette l'accensione spontanea del gasolio (da qui motore ad accensione spontanea), che brucia in maniera diversa dalla benzina, evitando che avvenga una preventiva detonazione che è un eventuale fattore negativo del motore a benzina.
La compressione dei gas è così tanto importante che determina gran parte del valore del rendimento del motore. Se un motore a benzina avesse lo stesso rapporto di compressione di un motore Diesel, avrebbe un rendimento superiore rispetto al suo rivale!
La fase di compressione inizia con un certo ritardo poichè, come detto prima, si effettua un piccolo ritardo della chiusura della valvola di aspirazione per permettere un miglior riempimento del cilindro.
Questa fase finisce esattamente al raggiungimento del Punto Morto Superiore del pistone.
La terza fase è rappresentata dallo scoppio/combustione.Come già detto essa è l'unica fase positiva dell'intero ciclo.
Qui è possibile effettuare (questo solo per motori
ciclo Otto per ovvi motivi) l'anticipo dello scoppio. Il motivo è esattamente identico al caso dell'anticipo in aspirazione. La candela ha bisogno di una frazione di tempo per scoccare la scintilla, ed un adeguato anticipo permette di poter quindi iniziare la fase di scoppio esattamente nel momento in cui, successivamente, il pistone si trova nel punto morto superiore.
Un'errata calibrazione del fattore può essere molto pericolosa! Uno scoppio che avviene prima del completamento della fase di risalita del pistone crea delle forze e delle contropressioni che nel tempo potrebbero portare al cedimento di pistoni e bielle.
Nel caso di un motore Diesel si può fare una considerazione identica ma tenendo conto del momento in cui si effettua l'iniezione, il carburante iniettato si troverà in una condizione di elevata pressione e temperatura che permetterà la sua combustione quasi immediata.
E' la fase più importante del ciclo, poichè è l'unica da cui si ottiene energia (per effettuare aspirazione compressione e scarico "consumiamo" parte dell'energia sviluppata durante l'espansione) che può essere utilizzata per le altre fasi grazie all'ausilio del volano che distribuisce l'energia cinetica che immagazzina nella fase utile.
Questo è uno dei motivi per cui i motori a combustione interna alternativi hanno un rendimento che difficilmente supera il 30%.
La successiva fase di scarico viene anticipata in modo da poter sfruttare la pressione ancora elevata dei gas di scarico per migliorare la loro fuoriuscita.
La chiusura della valvola di scarico viene ritardata rispetto al punto morto superiore in modo da sfruttare l'inerzia dei gas esausti in uscita ed effettuare un piccolo "lavaggio" dai gas residui utilizzando l'incrocio tra la fase finale
del ciclo precedente e la fase iniziale del nuovo ciclo.
La gestione della fasatura è un lavoro di grandissima precisione che ha bisogno di tanti test e tanto lavoro se si vuole ottenere un incremento della potenza mantenendo elevatissima l'affidabilità del motore.
Quindi... mai fidarsi di chi vi fa lavori sbrigativi ed in economia!
Autore: Ing. Fabrizio Loconte
CHI VINCERA' L'ETERNA LOTTA TRA MOTORI DIESEL, BENZINA ED ELETTRICI?
Al momento stiamo forse vivendo la fase più incerta della storica lotta tra motori Diesel, Benzina ed elettrici. Ognuno di essi, nelle attuali fasi di sviluppo, ha dei grossi punti a favore ma anche molti fattori a sfavore.
Facciamo un pò di chiarezza.
Motore ciclo Otto (a Benzina).
Attualmente,se usato senza alcun ausilio, è il motore più in difficoltà. La sua salvezza è stata la semplicità con cui si abbina al motore elettrico nelle varie versioni ibride sviluppate dalle case automobilistiche, con le ultimissime versioni plug-in (Che permettono anche il rifornimento di energia elettrica tramite cavo) che hanno reso la loro autonomia molto più elevata. Resta però ancora molto difficile la gestione dell'accumulo di energia elettrica che rende le vetture fin troppo pesanti.
Tramite l'uso sempre più imponente di sistemi di gestione elettronica è stato possibile migliorare i rendimenti utilizzando sistemi di iniezione diretta e turbocompressori con estrema precisione rimanendo però lontani dai valori ottenuti con gli attuali motori Diesel. Nel futuro prossimo, però, ci sono novità molto interessanti tra cui il motore a rapporto di compressione variabile.
Questa tecnologia sviluppata inizialmente dalla Saab e poi portata avanti dalla Infiniti (casa automobilistica premium del gruppo Renault-Nissan) sfrutta un sistema con un attuatore elettrico combinato con un sistema ellittico che permette la variazione della corsa del pistone, cambiando quindi il rapporto di compressione. Ricordiamo che Il rapporto di compressione volumetrico "p" è legato allo spazio morto della camera di combustione Vc e alla cilindrata V0 dalla formula:
p= (V0+Vc)/Vc
e che al suo incremento aumenta il rendimento termodinamico. Con questo sistema è possibile variare il rapporto da 8:1 a 14:1 (valore paragonabile ad un turbodiesel!). Coi valori più bassi si punta a massimizzare le prestazioni, coi valori più alti si punta a massimizzare l'efficienza.
Un motore di questo tipo potrebbe essere molto utile al mondo dell'automobile, ma prima di cantar vittoria bisognerebbe effettuare dei test nel lungo periodo per scongiurare eventuali falle progettuali.
Motore ciclo Diesel (a Gasolio)
Fino a pochissimo tempo fa sembrava essere il motore che avrebbe sbaragliato ogni concorrenza nel mondo automobilistico, degradando gli altri a meri motori "di nicchia". Invece è stato messo in grandissima difficoltà dalle nuove normative antinquinamento e dal caso "Dieselgate".
A primo impatto guardando questa tabella si penserebbe ad un peggior rendimento dei motori Diesel a parità di rapporto di compressione, ma rispetto ai motori a ciclo Otto essi funzionano sempre con compressioni molto più elevate (solitamente 14-16 VS 8-9), sfruttando quindi meglio l'energia prodotta dalla combustione.
Le altissime efficienze raggiunte grazie all'uso di common rail ad altissima pressione e turbo a geometria variabile non sono bastate a ridurre le emissioni di particolato e di ossidi di azoto senza l'aiuto di una grande quantità di sistemi antinquinamento che rendono queste vetture sempre più costose e difficili da progettare. Qualche casa automobilistica, come la toyota, addirittura ha già eliminato dalla produzione le vetture con propulosre Diesel e molte altre sono in procinto di farlo.
Alcuni marchi stanno sviluppando dei sistemi ibridi anche per i motori Diesel, ma probabilmente in futuro questo motore tornerà a regnare solamente nell'ambito del trasporto e sui grossi SUV, questo perchè il motore Diesel è l'unico in grado di sviluppare l'enorme coppia necessaria per il normale uso di questi mezzi.
Motore elettrico
Questo genere di motori è ritornato in voga negli ultimi anni dopo quasi un secolo di silenzio (nel XIX è stato utilizzato come primo sistema per la movimentazione delle carrozze senza cavalli e nel 1899 è stato utilizzato sulla prima vettura che ha superato i 100 km/h!). La prima casa automobilistica importante ad aver pensato di riproporlo è stata la fiat col progetto X1/23 del 1976, una citycar due posti 100% elettrica con velocità massima di 70 km/h e autonomia di 50 km che purtroppo non è mai stata messa in vendita.
Successivamente sono state prodotte e vendute parecchie vetture con autonomie e prestazioni simili o leggermente migliori alla X1/23, risultando poco alettanti per il mercato.
La svolta è giunta nel 2008 con la produzione della Tesla roadster. Questa vettura raggiunge i 200 km/h con accelerazione da 0 a 100 km/h in 3,9 secondi e autonomia massima in modalità maximum range di 392 km. Con la ricarica attraverso opportune colonnine si può raggiungere la carica massima in circa tre ore e mezza. Tutto questo è stato permesso dall'uso di batterie agli ioni di litio.
In futuro la stessa casa automobilistica punta sull'avvio della produzione di un semirimorchio per il trasporto con autonomia di 800 km e di una sportiva da 400 km/h e accelerazione 0-100 km/h in 1,9 secondi.
Il motivo principale della nuova impennata nell'uso dei motori elettrici è dovuto al loro grande rendimento (fino al 95% contro poco più del 35% dei migliori Diesel), una coppia molto elevata e quasi costante in gran parte del range di funzionamento e la mancanza di emissioni inquinanti.
Ma, in realtà, se si considera che l'energia utilizzata per queste vetture proviene da centrali elettriche che hanno anch'esse un proprio rendimento (mai superiore al 60% e molto inferiore a questo valore se non prodotta da combustibili fossili) e nella maggior parte dei casi sono alimentate da combustibili fossili, non si fa altro che spostare l'inquinamento dai centri cittadini verso l'esterno.
Inoltre la produzione delle batterie è fortemente inquinante (ben più dei gas di scarico) sia per la produzione che per il trasporto dalle poche e lontane zone di produzione.
In conclusione, non esiste ancora il motore perfetto, ma con l'enorme sviluppo tecnologico degli ultimi decenni, privilegiando il motore che possa avvicinarsi ai propri bisogni, si ha la possibilità di scegliere tra i vari fattori positivi offerti da ognuno di essi.
Autore: Ing. Fabrizio Loconte
RIGHTSIZING. I MOTORI RAGGIUNGONO FINALMENTE L’ETA’ ADULTA
Per parecchi decenni lo sviluppo motoristico da parte delle case automobilistiche è risultato molto lento e sempre legato al solo aumento delle prestazioni dovuto alle crescenti masse delle vetture. Con l’avvento delle normative “EURO” sono stati necessari sempre più accorgimenti per poter abbattere gli inquinanti emessi, che hanno reso sempre più complicate le automobili.
La politica utilizzata principalmente dalle case automobilistiche per abbattere consumi ed emissioni, è stata quella del cosiddetto “downsizing”: con questo termine si indica la riduzione della cilindrata e del numero di cilindri.
Inizialmente questa soluzione sembrava aver risolto gran parte dei problemi legati agli abbattimenti, ma in realtà non era altro che un miglioramento legato all’adeguamento del funzionamento al ciclo di omologazione che simula un funzionamento lontano dalla realtà. Infatti esso non è effettuato su strada, presenta accelerazioni e velocità molto basse con durata troppo breve (come si vede dal grafico in basso).
Tutto questo favorisce le unità più piccole, in questa maniera abbiamo visto il progressivo “depennamento” dei cilindri fino a raggiungere addirittura l’uso di motori bicilindrici con cilindrate inferiori al litro! Un altro metodo utilizzato è quello della disattivazione di metà dei cilindri, mantenendo quindi la struttura di un motore di grandi dimensioni. Questa soluzione da ottimi risultati nel funzionamento a bassi carichi, ma non appena si richiede un funzionamento in condizioni più gravose, i consumi e le emissioni aumentano vertiginosamente.
Con le nuove normative, più veritiere e quindi più stringenti, i fenomeni del downsizing e della disattivazione dei cilindri (anche se quest’ultimo più lentamente) tramonteranno velocemente lasciando spazio ad una nuova politica creativa denominata RIGHTSIZING. La traduzione letterale del termine indica che la dimensione da utilizzare deve essere quella giusta… in effetti se abbiamo tra le mani un’auto di grosse dimensioni, essa non può avere un motore piccolo che è costretto a funzionare continuamente in condizioni gravose, ma è giusto che abbia la taglia giusta che permetta un funzionamento in condizioni adeguate.
Col rightsizing acquista un’ importanza maggiore il rendimento termodinamico del motore, in modo tale da ottenere consumi ed emissioni minori a parità di potenza e cilindrata e non con una diminuzione di queste ultime. Il fattore più importante per migliorare il rendimento è il rapporto di compressione, che indica di quanto diminuisce il volume della camera di combustione tra il punto morto inferiore (PMI) e il punto morto superiore (PMS) durante il moto del pistone. Più questo rapporto aumenta e più aumenta il rendimento.
Proprio per effetto del maggior rapporto di compressione, il motore diesel risulta essere il più parsimonioso invece il motore a benzina (ciclo Otto) ha una grossa limitazione causata dalla detonazione anticipata del combustibile prima dello scocco della scintilla per elevati valori. Questo causa rendimenti inferiori e quindi consumi maggiori.
Alcune case automobilistiche stanno puntando proprio sull’aumento della compressione nei motori a ciclo Otto per renderli più parsimoniosi. Questi producendo già normalmente una quantità minore degli inquinanti più pericolosi (NOx e particolato principalmente) rispetto ai motori a ciclo Diesel, e aggiungendo un consumo simile, potrebbero rendere i motori a gasolio quasi inutili!
Questo risultato è molto vicino al raggiungimento, quindi il futuro è quasi tra noi!
Autore: Ing. Loconte Fabrizio
Il Sistema Turbocompressore
Il motore di un’autovettura possiamo considerarlo come il polmone del corpo umano, esso per poter funzionare ha bisogno di aria; più aumentano gli sforzi e più ne aumenta il bisogno.
Un motore 4 tempi, come ben noto, rinnova la propria carica (dopo la fase di scarico) attraverso l’aspirazione, attuata dal pistone in fase discendente mentre la valvola di aspirazione è aperta, richiamando nella camera di combustione il fluido presente nel condotto. Maggiore è la quantità di fluido aspirato e maggiore sarà la potenza ottenuta poiché avremo a disposizione più aria e quindi più carburante da bruciare.
Attraverso abili giochi sulla fasatura possiamo aspirare una quantità maggiore di fluido sfruttando l’inerzia posseduta da esso, ottenendo però piccoli incrementi di potenza. Per ottenere maggiori risultati però è necessario l’aiuto di un sistema di sovralimentazione che comprima l’aria accrescendo il riempimento del cilindro. Per motivi termodinamici è utile l’aggiunta di un intercooler che permette il raffreddamento del fluido dopo il passaggio dal compressore, permettendo l’immissione di quantità ulteriormente maggiori di esso.
I sistemi di sovralimentazione più usati sono il compressore volumetrico e il turbocompressore.
- COMPRESSORE VOLUMETRICO: La sovralimentazione avviene tramite la compressione effettuata da un compressore a trascinamento meccanico, cioè calettato (tramite cinghie o ingranaggi) all’asse del motore. La tipologia più diffusa di compressore volumetrico è quella Roots o a lobi, ma vi sono anche altri tipi quali quelli a vite, a palette e il G Lader a chiocciole utilizzato durante gli anni 80 sulle Volkswagen con la sigle G40 e G60. Questo sistema assicura un buon incremento della potenza senza alcun “lag” ma solo ai bassi e medi regimi e il suo azionamento comporta la perdita di parte della potenza aggiuntiva. Attualmente il compressore volumetrico è stato quasi abbandonato se non per un uso combinato col sistema turbo-compressore, offrendo in questo caso notevole potenza in tutto il range di rotazione del motore.
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TURBOCOMPRESSORE: Chiamato molto spesso col solo nome di turbina, è formato da un compressore centrifugo azionato da una turbina centripeta utilizzando i gas di scarico in uscita dal motore, in questo modo è possibile recuperare parte dell’energia che il motore non riesce ad utilizzare e che altrimenti finirebbe sprecata. La turbina e il compressore ruotano alla stessa velocità poiché sono calettati sullo stesso albero. Anche nel caso di questo sistema di sovralimentazione una parte dell’energia viene persa per effetto della sua presenza (in questo caso per motivi fluidodinamici), ma incidendo in maniera marginale.
Il dilemma più grande dei progettisti è sempre stato: turbine piccole per avere potenza “in basso” o turbine più grandi per avere più potenza “in alto”? Questo annoso problema è stato risolto con l’uso delle turbine a geometria variabile. Questo sistema permette, tramite lo spostamento della posizione delle palette, deciso dall’unità di controllo del motore, di poter rendere la turbina (in maniera fluidodinamica) “piccola” ai bassi regimi e “grande” ai medi e alti regimi, sfruttando quindi in pieno la potenza fornita dai gas di scarico ad ogni carico.
PARTI FONDAMENTALI DI UN TURBOCOMPRESSORE:
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Cuscinetto a rulli: sostiene e controlla tutta la parte rotante del sistema;
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Ingresso olio: utile alla corretta lubrificazione dell’albero rotante;
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Cassa (o chiocciola) della turbina: raccoglie i gas di scarico dal motore e li dirige verso la girante della turbina;
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Girante della turbina: converte l’energia dei gas di scarico in potenza all’albero per guidare il compressore;
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Cassa centrale: sostiene la parte rotante;
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Uscita olio di lubrificazione;
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Cassa (o chiocciola) del compressore: raccoglie i gas compressi da inviare al motore;
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Girante del compressore: pompa l’aria nel motore;
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Piastra posteriore: sostiene la cassa del compressore.
PARAMETRI PRINCIPALI
Per una opportuna scelta di un turbocompressore è necessario conoscere i parametri principali.
TRIM: è il termine utilizzato per esprimere la relazione tra i diametri di ingresso ed uscita di entrambe le giranti. In realtà si può definire come un rapporto tra aree perché esso è calcolato come diametro di ingresso al quadrato fratto diametro di uscita sempre al quadrato. Per la turbina il diametro in ingresso è superiore al diametro in uscita, per il compressore invece il diametro in ingresso è inferiore al diametro in uscita. A parità di altri parametri un maggior trim permette un maggior passaggio di fluido però, essendo gli altri parametri variabili, non è detto che questo effetto ci sia nella realtà.
RAPPORTO A/R: descrive la caratteristica geometrica della chiocciola di turbina e compressore. Viene definito come il rapporto tra l’area della sezione radiale della chiocciola e raggio al centro dell’area rispetto al centro di rotazione. Questo rapporto ha effetti diversi sulle performance di turbina o compressore.
Per quanto riguarda il compressore, variando questo parametro si ottengono piccole variazioni sulle prestazioni, infatti spesso non sono disponibili turbocompressori aventi compressori con differenti valori di A/R.
Per quanto riguarda la turbina, la variazione del rapporto comporta una notevole variazione nelle prestazioni. Valori più bassi offrono una potenza maggiore ai bassi regimi dando un notevole spunto alla partenza riducendo però la capacità di invio di fluido alle alte velocità di rotazione. Al contrario, per valori più elevati otteniamo potenze più elevate ai più alti regimi ma con un aumento del ritardo della risposta ai più bassi regimi di rotazione.
Quindi un opportuno dimensionamento della turbina può modificare pesantemente il comportamento di una vettura favorendo la prontezza ai bassi regimi e nei transitori per dimensioni minori e la potenza massima e, quindi funzionamento per lunghi periodi ad alti regimi, per dimensioni maggiori.
Autore: Ing. Loconte Fabrizio