Un piccolo Turbo per ogni Cilindro: Iniezione e Sovralimentazione Sinergica

Qualche articolo fa ho approfondito la differenza e le soluzioni offerte dalle principali case automobilistiche in merito al Downsizing e Rightsizing: definite come la filosofia di progettazione dei propulsori MCi (i cosiddetti Motori a Combustione interna). In questo approfondimento firmato Vehicle Close-up Engineering approfondiremo una soluzione inedita ed estrema legata al Downsizing: L’iniezione e Sovralimentazione Sinergica. Giusto per ricapitolare, per Downsizing si intende progettare propulsori di piccola cilindrata e sovralimentati mediante turbocompressore. Il tutto per minimizzare i consumi (e le conseguenti emissioni), aumentare l’efficienza energetica del sistema e incrementare la potenza disponibile all’albero senza aumentare eccessivamente la cubatura.

La soluzione estrema nasce da Jim Clarke: storico Ingegnere della Ford, nonché responsabile dei motori V6, V8 e V12 targati Aston Martin; e ancora, Vice presidente della Navistar e responsabile progetti speciali presso Kohler Engines. Insomma un vero e proprio espero in costruzione e progettazione motoristica. Assieme al suo collega Dick Fotsch, circa un anno fa, ha teorizzato la tecnologia di “Downsizing Sinergica“.

In cosa consiste l’estremizzazione dell’idea “Downsizing“?

Come già accennato prima, si tratta solo di una teoria sviluppata dai due ingegneri, i quali, ad oggi, non dispongono di alcuna tecnologia concreta. I test potrebbero iniziare a breve, il tutto dipende da quanto interesse susciterà questa innovativa idea. C’è da aggiungere che Clarke e il suo socio non sono i primi ad averci pensato: Sono ben 27 i brevetti depositati nel corso degli anni, in merito ad una tecnologia a “funzionamento individuale“.

Parliamo di un vero e proprio sistema di alimentazione e sovralimentazione individuale: Corpi farfallati e gruppo Turbo (turbocompressore) per ogni cilindro. L’idea è di applicarlo sui piccoli propulsori, ad esempio sui tre e quattro cilindri. Questa può considerarsi un’estremizzazione del concetto di Downsizing.

Downsizing: ancora l’ideale?

La scelta progettuale si rivelò, per numerosissime case costruttrici, l’ideale: I motori compatti, rispetto ai tradizionali, registravano valori di CO2 e consumi a litro nettamente inferiori. E allora per quale motivo si parla di “declino”?
I dati registrati erano molto approssimativi e poco comuni alle condizioni reali di funzionamento del motore. I test venivano svolti su banco prova, ed è chiaro quanto questa prova non sia in grado di approssimare il traffico quotidiano reale.
Basti dare un’occhiata al NEDC (New European Driving Cycle): un ciclo di guida definito dalle direttive europee. Il grafico è utilizzato per valutare e confrontare i livelli di emissioni inquinanti prodotti dai veicoli.

Per approfondire i fattori e le motivazioni che portano, secondo molte case costruttrici, al declino del “Downsizing“: ==> Downsizing, Rightsizing: Facciamo chiarezza.

L’idea di Clarke:

Secondo il progettista:

“Tra la farfalla e la valvola di aspirazione, un motore ha un volume di aspirazione pari a circa il volume del motore stesso e richiede un certo tempo per riempirsi quando si apre la farfalla” .

I corpi farfallati individuali, che non sono certo una novità, permetterebbero ai cilindri di riempirsi molto più velocemente producendo maggiore coppia e gas di scarico con molta più energia.

Secondo Clarke,i ritardi nell’aspirazione per i motori MCi sono causa di maggiori consumi e ritardi nella risposta al pedale, che, a lungo andare, provocano danni e cali di potenza. La soluzione sarebbe proprio ridurre queste perdite nell’aspirazione, incrementando l’energia allo scarico e mediante l’utilizzo di un turbocompressore individuale, migliorerebbe anche la compressione dell’aria in aspirazione.

Dimensioni e posizione fondamentali:

L’idea è proprio quella di sfruttare Turbocompressori piccoli (circa il 20% in meno di dimensioni rispetto ad un singolo turbo per un propulsore 3 cilindri). Il flusso di transito sarebbe ridotto del ben 50%. Tuttavia la posizione favorevole sarebbe in grado, secondo i due ingegneri, di garantire i benefici offerti dalla tecnologia.

“Più vicino è il turbo, maggiore è l’energia con cui i gas colpiscono la turbina per accelerarla”

Vantaggi offerti?

• Riduzione del fenomeno Turbo-Lag:  Causa di ritardi nella risposta al pedale. Si parla di riduzione significativa, quindi si potrebbe quasi eliminare del tutto l’inerzia alla rotazione della girante della turbina. Minori consumi e perdite.
• Aumento efficienza termica.
• Compressione dell’aria di aspirazione (comburente) a maggior rendimento.
• Spinta complessiva offerta dal motore, per unità di cilindrata, migliorata.

Svantaggi:

• Aumento delle componenti in gioco: e di per sé è già sconveniente.
• Sviluppo e realizzazione concreta della tecnologia molto costoso.
• Le turbine piccole sono difficili da realizzare: prezzo della singola potrebbe essere pari ad una normale.
• Siamo in un Motore Alternativo (MCi) e ciò comporta impulsi di pressione (allo scarico) e portata dei gas non costante.
• Nonché instazionarietà degli stessi proprio perché, nelle condizioni d’esercizio, si passa da regimi bassi a medi, medio/alti e alti.
• Funzionamento regolarizzato ed efficiente solo ad alti regimi: tecnologia poco adattabile all’uso quotidiano; vale a dire ciò per cui i motori (su cui si sta pensando di applicare la tecnologia in esame) sono stati concepiti.
• Distanze ravvicinate su cui installare i singoli turbo potrebbe causare un fenomeno al quanto indesiderato dalle turbine: presenza di “bolle” di fumi di scarico.

Come sempre occorre analizzare pregi e difetti di una tecnologia prima di poter parlare di una vera e propria innovazione.