HCCi: Un fantastico “incrocio” tra Motore Benzina e Diesel

Dopo aver parlato in un nostro precedente articolo della tecnologia SkyActiv adottata sui propulsori Mazda, oggi ci occuperemo della sua diretta evoluzione: L’HCCi.
Ecco a voi il link dell’articolo di cui è vivamente consigliata la lettura:
==> https://vehicle.closeupengineering.it/skyactiv-technology-mazda

HCCi sta per Homogeneous Charge Compression ignition, quindi capiamo bene che il suo fine è quello di omogeneizzare la fase di compressione della miscela.

Mazda è una delle poche case costruttrici a non aver fatto ancora il suo “ingresso” nel sofisticato mondo Hybrid/Electric. Non a caso, il ritardo ha spinto verso un netto miglioramento legato al mondo propulsivo a benzina. SkyActiv è il propulsore a Ciclo Otto con più alto rapporto di compressione al mondo, nonché basso indice consumo/emissioni.

Mazda quindi ha “rinunciato” momentaneamente all’ibrido e alla soluzione Diesel legata all’Optimizing del trattamento di gas di scarico. Ciò ha portato all’ HCCi.

• Da dove nasce?

Nella scorsa stagione Formula1, la tecnologia HCCi è stata utilizzata da Mercedes e Ferrari, inglobandola nelle loro potentissime Power Unit. Il perché? Scopriamolo descrivendo le caratteristiche tecniche e fornendo una spiegazione scientifica.

• Un vero incrocio tra due tipologie di motori completamente differenti?

Ebbene sì. Questa nuova tecnologia combina l’accensione per compressione, spontanea, dei motori a Ciclo Diesel con quella comandata, mediante candele, di un motore a Ciclo Otto (benzina). Sembrerebbe un controsenso, però è esattamente questo.

Non a caso, con tale tecnologia, le storiche ed usuali candele non esistono più! Segno di un evidente “matrimonio” tra le due tipologie di motori a combustione interna più diffuse.

• Come si differenzia la combustione?

Notare come si evolve la fase di combustione nel motore a Ciclo Otto (Spark Ignition).

Motore Ciclo Diesel (Compression Ignition):

Ed infine la combustione in HCCi:

• Come funziona?

L’idea di Mazda si basa sulla rimozione delle candele, come riuscirà, quindi, il propulsore ad indurre l’accensione della carica fresca? L’HCCi sfrutta il processo di combustione con accensione della carica a composizione omogenea tramite una pre-compressione.
Tale tecnologia per funzionare correttamente ha bisogno necessariamente di una carica ben miscelata. Sono minimizzate al massimo le perdite per parzializzazione ai carichi parziali, nella fase di aspirazione tramite condotte in pressione; le cosiddette perdite di pompaggio.

Necessita inoltre di alti valori di rapporto di compressione, tipici però dei motori a Ciclo Diesel. Nessun problema per Mazda, il quale ha sviluppato appositamente la tecnologia SkyActiv: Propulsori a Benzina col più alto valore di rapporto di compressione.

Perché fondamentale l’elevato rapporto di compressione? Semplice, per via di un fenomeno dannoso: il Misfire (o Misfiring).

Quest’ultimo consiste, per definizione, in una dispersione di corrente sui depositi carboniosi accumulati sulla candela stessa per via di una mancata combustione. Lo scarico degli idrocarburi sviluppati comporta funzionamento irregolare e maggior inquinamento atmosferico, il quale va contro alla mentalità di casa Mazda. L’innovazione proposta ha un suo peso, tuttavia c’è bisogno di lavorare sui problemi legati alla combustione disomogenea al di fuori del Range di lavoro (carico) della combustione HCCi.

• Pregi della tecnologia HCCi (Diesotto)?

Con la tecnologia HCCi la fase di combustione subisce un incremento di circa 43-45% rispetto ai convenzionali propulsori Benzina. E del ben 15% più elevato degli oramai “vecchi e superati” V8 della FormulaUno.

Ma cosa accade precisamente?

La combustione HCCi classica, ad oggi, va ad omogeneizzare, nonché velocizzare, la fase di combustione del ciclo adottato dai propulsori a benzina. La trasformazione termodinamica è così rapida da poter esser considerata a volume costante (esagerazione fatta nel Ciclo Otto semplice). Tale considerazione implica una minor energia chimica di reazione dissipata, rispetto ad un propulsore convenzionale.
Vantaggi li ritroviamo sia in termini di consumo netto specifico di carburante, nonché caratterizzazione di una miscela molto magra (entro certi limiti), ossia ricca di comburente (aria) rispetto al carburante (benzina). L’aumento d’aria in miscela consente, come ho appena detto, minor consumi e aumento del rendimento termico.

In questo modo la combustione coinvolge, nella sua totalità, la miscela: senza realizzarsi mediante la propagazione del fronte di fiamma (Motore Benzina) o una combustione di tipo diffusivo (Propulsori Diesel). A carichi parziali e velocità costanti, si sfrutta l’autoaccensione della carica per via dell’alta temperatura e pressione in camera di combustione. All’aumentare del carico, in fase di partenza o brusche accelerazioni c’è bisogno dell’accensione comandata del Benzina: aumento carica fresca in camera e di conseguenza del carburante a seguito di una diminuzione (in proporzione) di comburente.

A parità di potenza erogata e cubatura del propulsore è abbastanza evidente come sia possibile il risparmio di carburante ridotto del 30%, secondo i tecnici della casa Nipponica. La Mazda è stata la prima ad adottare tale tecnologia su automobili di serie. I dati sono positivi e incoraggianti, spingendo numerose case automobilistiche ad incuriosirsi.

• Difetti invece?..

Innanzitutto la difficoltà nel gestire la combustione rispetto ad un motore a combustione interna a ciclo Otto: Accensione comandata mediante Gruppo Spinterogeno. Questa mancata facilità nella gestione dipende essenzialmente dalla cinetica chimica che governa la reazione di combustione in ogni punto della camera di combustione.

Infine, la potenza massima ottenibile è limitata dalle forti pressioni generate nella combustione, in quanto lo “scoppio” avviene con una pre-compressione che va ad aumentare i valori di pressione.

La combustione “istantanea” che avviene nella miscela è in grado di generare picchi di pressione e sollecitazioni (meccaniche) che a lungo andare risulterebbero essere difficilmente sopportabili, al di sopra di carichi medio-bassi.
L’aumento del valore di pressione nel ciclo termodinamico rappresenta, nei propulsori convenzionali, la condizione sufficiente per la “detonazione“. Come potrete benissimo capire dall’articolo appena linkato, la detonazione è un fenomeno dannosissimo per l’integrità energetica e strutturale di un motore.

Per queste motivazioni l’utilizzo di questa accensione di tipo “spontanea” in un propulsore Benzina, interessa solo carichi (intesi come potenza e lavoro richiesti) bassi/medio-bassi e medi. Risulta particolarmente efficiente ai carichi parziali, vale a dire a velocità di combustione costante.

Omogenizzazione di carica:

• Da dove nasce veramente l’HCCi?

• Perché sceglierlo?

I propulsori Diesel presentano rendimenti termici più elevati ai carichi parziali e minor consumo. Essi però garantiscono emissioni sensibilmente elevate (tra qualche anno non esisteranno più).

I propulsori “Benzina” soffrono dal punto di vista del rendimento termico che crolla ai carichi parziali, tuttavia garantiscono maggiori rapporti di compressione e minori emissioni.

Risulta evidente il perché l’HCCi, ponendosi in mezzo alle due soluzioni, risulta essere (sotto certi punti di vista) efficiente.

• Dove vedremo applicato l’HCCi?

Mazda annuncia l’HCCi a partire dal 2018 sulla nuova compatta 5 porte Mazda3. Tutti i modelli di gamma entro la fine del 2018 dovrebbero, salvo complicazioni e imprevisti, debuttare sul mercato con l’innovativa tecnlogia SkyActiv HCCi.
Nel 2019 vedremo le prime elettriche di serie e nel 2021 le prime Ibride Plug-in.HCCi