Come funzionano i motori ad accensione spontanea a gas

Il motore SKYACTIV-X di Mazda è il primo motore a benzina commerciale al mondo a utilizzare l'accensione per compressione. Mazda

Nell'estate del 2017, Mazda ha fatto un annuncio: la casa automobilistica ha trovato un modo per realizzare motori a benzina ad accensione spontanea per autovetture. Mazda ha affermato che il suo nuovo motore potrebbe migliorare il risparmio di carburante dal 20 al 30 percento, un risultato considerevole per un motore a benzina.

Prima di fare un tuffo in questa tecnologia, vale la pena notare che il motore ad accensione spontanea non è un concetto nuovo. Le auto di Formula 1 utilizzano motori ad accensione spontanea e molte altre case automobilistiche hanno tentato di sviluppare una versione commercialmente valida per le autovetture. Ma il motore di Mazda, soprannominato Skyactiv-X, sarà il primo motore di questo tipo prodotto in serie e disponibile in commercio. Grazie a Jay Chen, un ingegnere del gruppo propulsore di Mazda, è stato in grado di apprendere come è stata ottenuta questa svolta. Per prima cosa, però, dobbiamo dare un'occhiata alle funzioni di base di un motore.

Un motore funziona accendendo il carburante in due modi: calore e compressione. I motori ad accensione comandata si trovano nella maggior parte delle auto a benzina. In questi tipi di motori, le candele si accendono per accendere il carburante nella camera di combustione, mentre viene compressa anche la miscela di carburante e aria. Questa è una versione molto semplificata del processo, ovviamente, solo per illustrare la principale differenza tra i due tipi di motore. I motori ad accensione comandata seguono un ciclo e richiedono un tempismo preciso per funzionare, ma sono generalmente affidabili in una varietà di condizioni [fonte: Knight].

I motori ad accensione spontanea funzionano più come i motori diesel. I diesel sono progettati per una compressione molto più elevata (che richiede componenti più pesanti e una costruzione più robusta) e utilizzano candelette come fonte di calore piuttosto che candele. Le candelette riscaldano la camera di compressione, che a sua volta aumenta la compressione all'interno della camera. Quando il carburante viene aggiunto alla camera, viene spruzzato sulla punta della candeletta, ma il processo si basa sulla compressione più che sul contatto del carburante e della candela. La mancanza di "scintilla" aiuta i motori diesel a raggiungere valori EPA più elevati rispetto ai motori a benzina con specifiche altrimenti simili [fonte: Stewart].

Se ci stiamo concentrando sul gas, ti starai chiedendo, qual è il punto di spiegare come funziona un motore diesel? Semplicemente, per illustrare l'importanza della compressione. Il modo migliore per migliorare il motore a gas è capire come aumentare la compressione, che consente al motore di utilizzare la sua alimentazione di carburante in modo più efficiente.

Un motore a benzina ad accensione spontanea combina le parti migliori di questi processi. Il motore è programmato per intrappolare l'aria (tipicamente, lo scarico del motore) nel cilindro del motore regolando la fasatura delle valvole di scarico e di aspirazione. Gli iniettori di carburante aggiungono carburante a questo scarico intrappolato e poiché la miscela intrappolata è sotto una compressione molto elevata, la quantità relativamente piccola di carburante è in grado di accendersi.

I motori ad accensione spontanea possono anche essere suddivisi in due diversi tipi [fonte: Lindberg].

• Accensione a compressione di carica omogenea (HCCI): Questo motore miscela aria e carburante, quindi comprime quella miscela finché non si accende. Il motore di Mazda sarà il primo motore di tipo HCCI ad essere prodotto in serie.
• Accensione a compressione diretta a benzina (GDCI): Questo motore spruzza la benzina in una miscela di aria e scarico che è già stata compressa.

La principale differenza tra questi due motori è il punto del processo in cui viene aggiunto il carburante, ottenuto attraverso la regolazione dei cicli e dei tempi dei motori. Altrimenti, i motori funzionano in modo simile; la compressione è il fattore più importante.

Lo SKYACTIV-G da 2,0 litri ha la potenza di un motore da 2,5 litri e l'efficienza di un motore diesel da 1,5 litri. Mazda

I motori ad accensione spontanea presentano alcuni vantaggi e almeno altrettanti inconvenienti. Tra i suoi vantaggi ci sono:

• Utilizza meno carburante di un motore con accensione a scintilla
• Utilizza il carburante in modo più efficiente (in altre parole, viene persa meno potenza per l'accensione effettiva e per il calore in eccesso)
• Poiché viene utilizzato meno carburante, l'auto inquina meno

"Come una grossolana analogia, l'accensione a scintilla è simile ad accendere un fuoco accendendo solo un bordo dell'accensione del giornale e lasciando che la fiamma si arrampichi gradualmente sulla carta", spiega Jay Chen, ingegnere del gruppo propulsore Mazda, via e-mail. "[L'accensione per compressione] è più simile alla combustione spontanea in cui il carburante e l'aria hanno raggiunto la pressione e la temperatura critiche, e l'intera carica cambia fase contemporaneamente, rilasciando tutta l'energia in una volta. Rilasciando tutta l'energia quasi contemporaneamente, [ accensione per compressione] può estrarre più potenza (poiché avviene molto prima che il rapporto di espansione si esaurisca) dalla stessa quantità di aria utilizzando da due a tre volte meno carburante ea temperature di combustione molto più basse, il che riduce ulteriormente l'energia termica sprecata e la formazione di emissioni . "

Sembra fantastico, vero? Il problema è che questi motori sono davvero pignoli: se fossero facili da progettare e utilizzare, a quest'ora li staremmo guidando. Anche se non hai familiarità con i motori diesel, potresti aver sentito che possono essere scomodi in condizioni non ottimali. In parte ciò è dovuto al gasolio stesso, che ha la tendenza a "gelificare" a temperature molto basse. Non abbiamo quel problema con la benzina, che rimane liquida anche in condizioni di congelamento. Ma l'accensione per compressione può ancora essere influenzata dalle condizioni meteorologiche e da altre condizioni ambientali, nonché da altri fattori come la qualità del carburante.

"Fino ad ora, i motori a combustione interna ad accensione spontanea esistevano solo in condizioni di laboratorio stabili o prototipi di veicoli grezzi troppo grezzi per essere applicati in produzione", afferma Chen.

In altre parole, se la pressione e la temperatura nei cilindri non vengono mantenute con cura, il processo non funzionerà. Temperature troppo basse possono danneggiare i componenti sensibili del motore. Se il motore si surriscalda, può iniziare a bussare, una condizione che si verifica quando la miscela aria-carburante diventa troppo calda e esplode nel momento sbagliato, il che spreca carburante e si traduce in un cattivo funzionamento del motore. Un motore ad accensione comandata può anche diventare troppo freddo o troppo caldo, ma ha un margine di errore molto più elevato.

Il funzionamento affidabile di un motore ad accensione spontanea dipende da una precisa combinazione di aria, carburante e gas di scarico miscelati nel rapporto perfetto, alla compressione perfetta, con la giusta quantità di calore applicata al momento giusto. Come sappiamo, nessuno è ancora stato in grado di costruire un'auto con un motore a gas ad accensione spontanea, quindi questo processo doveva essere ulteriormente perfezionato.

Un'auto alimentata da un motore ad accensione spontanea può essere efficiente almeno quanto un'auto elettrica, e forse anche di più. Reimar Gaertner / UIG

Poco dopo l'annuncio di Mazda, gli esperti dell'industria automobilistica hanno iniziato a ipotizzare se un motore ad accensione spontanea del mercato di massa potesse "salvare" i motori a gas. Cioè, poiché l'industria si sposta sempre più verso la tecnologia ibrida ed elettrica, questo motore a gas potrebbe essere abbastanza efficiente da essere un valido concorrente??

Chen afferma che Mazda è motivata dalla convinzione che, "spremendo ogni punta di efficienza dal motore a combustione interna (insieme all'elettrificazione una volta perfezionato il motore a combustione interna), possiamo fornire un metodo per alimentare bene l'automobile in questo secolo che ha il potenziale per generare le stesse o meno emissioni di CO2 "dal pozzo alla ruota" dei veicoli elettrici a batteria pura alimentati da centrali elettriche a combustibili fossili di varie forme ".

In altre parole, Mazda pensa che con la continua innovazione, un'auto alimentata da un motore a gas possa essere efficiente almeno quanto un'auto elettrica, e forse anche di più. Diamo un'occhiata a come questa svolta nella tecnologia dell'accensione per compressione è diversa da quelle precedenti.

Nel 2007, Motor Trend ha guidato un Saturn Aura alimentato da un motore ad accensione spontanea, che ha ottenuto una riduzione del 15% del consumo di carburante rispetto a un Aura normale [fonte: Markus]. A quel tempo, GM si aspettava di rilasciare un veicolo con un motore ad accensione spontanea nel 2015, ma il marchio Saturn è stato chiuso solo pochi anni dopo, e GM ha gradualmente spostato la sua attenzione sui veicoli ibridi elettrici e plug-in come il Chevrolet Volt.

Nello stesso periodo, Mercedes-Benz stava lavorando a un sistema di accensione per compressione chiamato DiesOtto, e anche Ford aveva un progetto in fase di sviluppo [fonte: Estrada]. Tuttavia, nessuno di questi motori ha ottenuto il via libera per la produzione e l'esperienza di Hyundai può aiutare a spiegare perché [fonte: Markus].

A parte Mazda, Hyundai ha probabilmente fatto i maggiori progressi, con sforzi che sono venuti alla luce per la prima volta intorno al 2013 [fonte: Markus]. L'azienda ha progettato la sua versione di un motore ad accensione spontanea senza candele o candelette, con una data di rilascio prevista per il 2023.

Nonostante i promettenti progressi, Hyundai ha rivelato nel 2016 che i componenti del motore non erano abbastanza resistenti per affrontare la compressione richiesta per il funzionamento del processo. Naturalmente è possibile progettare componenti del motore più robusti, ovvero blocco, manovella e cuscinetti; è così che funzionano i motori diesel. È solo molto costoso e quei componenti più resistenti aggiungono peso all'auto e riducono la sua efficienza complessiva. Hyundai aveva sempre pianificato di utilizzare un turbocompressore per aumentare la potenza e mantenere la compressione necessaria, ma scoprirono che avrebbero avuto bisogno anche di un compressore, il che ha ulteriormente infranto il budget. E infine, Hyundai non era soddisfatta della quantità di inquinamento prodotta da questi propulsori. Alla fine, il progetto era molto più costoso e non così pulito ed efficiente come previsto [fonte: Markus].

Gli sforzi di sviluppo di Mazda sono andati avanti quasi quanto i suoi concorrenti.

"Skyactiv-X era sempre nei piani anche prima del lancio della prima generazione di Skyactiv", spiega Chen, l'ingegnere Mazda. "Il primo passo in questa roadmap è stata la tecnologia Skyactiv di Mazda [che è stata] introdotta nel 2009. Il miglioramento chiave a quel tempo era l'applicazione di un rapporto di compressione del motore insolitamente alto per aumentare l'efficienza complessiva del motore e le prestazioni del gruppo propulsore. Ciò è stato ottenuto attraverso un combinazione sinergica di tecniche esistenti applicate insieme per ottenere ciò che (fino ad allora) era ritenuto impossibile per i motori di produzione ".

In parole povere: "Skyactiv" è il termine per la strategia di Mazda di aumentare la compressione per aumentare l'efficienza, e Mazda ha dovuto armeggiare un po 'per far funzionare il prossimo Skyactiv-X. Come risultato di questo armeggiare, Mazda ha aggiunto una candela nella miscela, in modo che il motore possa passare dalla compressione all'accensione a scintilla a seconda di ciò che è il più efficiente al momento. Potrebbe sembrare che vada contro le basi della tecnologia del motore ad alta compressione, ma Chen dice che funziona.

"Questa svolta, che chiamiamo accensione per compressione controllata da scintilla (SPCCI), ha notevolmente ampliato la gamma utilizzabile di funzionamento e controllo dell'accensione per compressione e ha fornito la soluzione per una transizione senza soluzione di continuità tra CI [accensione per compressione] e SI [accensione a scintilla] modalità di combustione utilizzate ad alti regimi del motore (nel caso di Skyactiv-X) ", dice Chen.

In parole povere, la candela è l'ingrediente magico che consente al motore di funzionare senza problemi e di adattarsi a condizioni diverse e verrà utilizzata solo quando assolutamente necessario. Il motore di Mazda è progettato per monitorare se stesso e regolare il suo funzionamento in base a fattori come le condizioni ambientali attuali, il modo in cui viene guidata l'auto e le preferenze e le impostazioni del guidatore [fonte: Estrada].

Dopo che Mazda ebbe questa idea, ci vollero altri due anni per sviluppare il motore, durante i quali fu presa un'altra decisione importante. I veicoli equipaggiati con motori Skyactiv-X saranno dotati di sovralimentatori per aumentare le specifiche di potenza, il che migliorerà le dinamiche di guida e aiuterà a convincere i potenziali acquirenti a correre il rischio di questa nuova tecnologia [fonte: Estrada].

L'ultima grande domanda: quando possono aspettarsi di vederla i conducenti? Un portavoce di Mazda afferma che la società non può ancora rivelare quali veicoli saranno i primi equipaggiati con il motore Skyactiv-X o quando saranno disponibili. Inoltre, non sappiamo se i veicoli alimentati da motori ad accensione spontanea costeranno di più rispetto a veicoli comparabili con motori ad accensione comandata. È lecito ipotizzare, tuttavia, che mentre Mazda sarà la prima a commercializzare questa tecnologia, altri produttori sono quasi certi che la seguiranno.

Nota dell'autore: come funzionano i motori ad accensione per compressione del gas

A differenza di molti miei colleghi, non sono particolarmente preoccupato di "salvare i motori a gas", anche se questo probabilmente aiuterebbe con la sicurezza del lavoro. Forse dovrei essere un po 'più egoista al riguardo, ma ho deciso di scrivere del motore ad accensione spontanea semplicemente perché sono incuriosito da qualsiasi innovazione che possa aiutare a rendere un'auto più efficiente.

Per questo motivo, sostenibilità in generale, non vedo l'ora di provare su strada un veicolo con motore ad accensione spontanea non appena disponibile. Come gli ibridi e l'impianto elettrico, penso che ci saranno molte discussioni sul fatto che questi veicoli siano abbastanza potenti o meno. Onestamente, sospetto che la persona media non sarà in grado di capire la differenza. Ci sono molti modi per rendere un'auto interessante da guidare oltre a renderla il più potente possibile, e questa è un'area in cui Mazda eccelle.

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fonti

• Brown, Jacob. Specialista, Product Communications, Mazda. Corrispondenza personale. 1 settembre 2017.
• Chen, Jay. Ingegnere propulsore, Mazda. Corrispondenza personale tramite Jacob Brown. 1 settembre 2017.
• Estrada, Zac. "Mazda potrebbe avere la tecnologia per salvare il motore a combustione interna". The Verge. 8 agosto 2017 (30 agosto 2017) https://www.theverge.com/2017/8/8/16099536/mazda-compression-ignition-engine-technology
• Cavaliere, Cheryl. "Come funziona un sistema di accensione per auto". Vermin-Club. 19 novembre 2015 (29 agosto 2017) https://www.yourmechanic.com/article/how-a-car-ignition-system-works
• Lindberg, Austin. "Hyundai sta sviluppando un motore con accensione a compressione alimentato a benzina". Auto e conducente. 18 novembre 2013 (30 agosto 2017) http://blog.caranddriver.com/hyundai-developing-gasoline-burning-compression-ignition-engine/
• Markus, Frank. "Technologue: Love Child - Driving the Ultimate Bastard Engine." Tendenza motore. 19 novembre 2007 (30 agosto 2017) http://www.motortrend.com/news/technologue-41/
• Markus, Frank. "Che fine ha fatto il motore HCCI di Hyundai?" Tendenza motore. 14 dicembre 2016 (30 agosto 2017) http://www.motortrend.com/news/wwhat-happened-hyundais-hcci-engine/
• Mazda. "Mazda annuncia la visione a lungo termine per lo sviluppo tecnologico," Zoom-Zoom sostenibile 2030 "" 8 agosto 2017. (20 agosto 2017) http://www2.mazda.com/en/publicity/release/2017 /201708/170808a.html
• Stewart, Jack. "Il nuovo motore astuto di Mazda fa più miglia con meno carburante." Cablata. 9 agosto 2017 (30 agosto 2017) https://www.wired.com/story/mazda-injection-compression-skyactivx-engine/
• Szymkowski, Sean. "Come funziona effettivamente il motore SkyActiv-X di Mazda, basato su HCCI, (video)". Rapporti sulle auto verdi. 21 agosto 2017 (30 agosto 2017) http://www.greencarreports.com/news/1112222_how-mazdas-skyactiv-x-engine-based-on-hcci-actually-works-video