Vehicle CuEriosity 01×11 – Come migliorare la fase di Warm-Up?

Nello scorso articolo 01×11 della rubrica PowerUnit termica, abbiamo parlato di catalizzatore e affrontato il problema del light-up e dell’efficienza ad esso associata. Oggi parleremo del Warm-up tema strettamente legato (coincidenti in termini di emissioni), come noterete voi stessi leggendo.

Come funziona il Warm Up?

Durante l’avviamento, e nel minuto successivo, si ipotizza il veicolo fermo e in attesa. I tempi di riscaldamento per la fase di partenza si sono molto ridotti negli ultimi anni. Il nostro obiettivo è capire come migliorare il warm-up e quali parametri influiscono su di esso.

Sicuramente la viscosità dell’olio dà il suo contributo, a maggior ragione proprio in fase di avviamento, il veicolo è fermo e tutto il lavoro indicato (al netto delle perdite di pompaggio) è convertito in lavoro (Energy friction) per muovere gli ausiliari. Quindi teoricamente il rendimento meccanico, che quantifica quanto un motore utilizzi parte del suo contenuto energetico netto all’albero per far fronte alle richieste di altri ausiliari, crolla a zero.

Inoltre aumentano anche le perdite legate al ricambio della carica. Partiamo da una semplice considerazione a livello teorico, con il ciclo Otto classico.

Se sono ai bassi carichi (avviamento) e ho un motore ad accensione comandata con regolazione a farfalla, parzializzando il carico in ingresso, la pressione scenderà al di sotto del 1 bar (condizioni atmosferiche). A parità di pressione di scarico (apertura valvola di scarico) ho che si crea un’aumento dell’area di pompaggio che è quell’area definita dal ciclo indicatore Otto (in figura). Tale ciclo caratterizza e approssima l’andamento della traccia di pressione in funzione dell’angolo di manovella (Volume spazzato dal pistone).

Tale area caratterizza ciò che avviene da quando si apre la valvola di scarico, si abbassa la pressione ad un valore comunque maggiore del punto 1 (a pressione inferiore di 1 bar come dicevamo). Più il punto 1 è in basso e più la sua pressione sarà bassa. Se ciò accade, per ripristinare nuovamente, dopo lo scarico e l’aspirazione successiva, le condizioni nel cilindro del punto 1, dovrò spendere più lavoro (graficamente, è intuitivo vedere come l’area è maggiore).

E quindi?

Se tale lavoro (di pompaggio) aumenta, vuol dire che il rendimento di pompaggio, che quantifica la facilità con cui un motore spende energia (compie un lavoro sul gas) per far avvenire il ricambio della carica, si riduce.

La combustione, inoltre diventa meno efficiente perché dovrebbe avvenire con meno rapidità, data la bassa richiesta di potenza (avviamento).

Insomma molti di questi rendimenti calano bruscamente, con esso il rendimento energetico del motore a cui sia associa un aumento dei consumi e delle emissioni, considerando il light off del catalizzatore proprio all’avviamento.

Strategie per ovviare tale problema:

Chiaramente far lavorare tutti gli ausiliari mediante un piccolo motorino elettrico alimentato e gestito mediante inverter (per il controllo) e alternatore per la rigenerazione dell’energia meccanica generata e prodotta durante la marcia, può aiutare parecchio. E’ il micro ibrido, ad esempio lo start-n-stop lavora così. E’ l’energia prodotta dal motore endotermico in fase trazione a far raccogliere ad un alternatore della corrente per poi alimentare lo starter e l’albero, on demand (a richiesta).

Il numero di cicli vita stimati sono elevatissimi, il sistema è molto consigliato. Diciamo che per evitare sprechi, consumi ed emissioni, cercare in tutti i modi di evitare di rimanere fermi a motore acceso. Ecco perché è nato lo start-n-stop.

Dal micro ibrido, si passa all’ibrido: specie al full-hyrbid come Toyota, In quel caso, all’avviamento, motore acceso e carico nullo (fermi), brusche accelerazioni, entra in crisi l’endotermico e funziona solo l’unità elettrica. Nelle altre fasi, l’endotermico garantisce altissima affidabilità e riduce i problemi di autonomia, temperatura, allungo della velocità di cui soffre particolarmente il motore full electric.

In questo caso è ridotto il problema, se non completamente risolto.

E per quanto riguarda l’omologazione stradale?

Tuttavia, non possiamo ancora disporre di ibrido a volontà, come fanno tutte le altre case automobilistiche?
Ci sono varie metodologie per migliorare la fase di warm-up. E si gioca tutto su un voluto peggioramento del funzionamento del motore. Mi spiego meglio.

Una delle modalità citate nel light-off, che è strettamente legata al warm-up, è ridurre l’anticipo di accensione. Per rendere più dolce, lenta e ritardata la fase di combustione (in concomitanza con l’espansione) in modo da creare temperature più alte di fine combustione.

Ciò aumenta la temperatura di fine espansione e inizio scarico: Tutto ciò per avere cosa? Avere una maggior temperatura nel collettore di scarico che deve essere tecnologicamente e termicamente avanzato (leghe di alluminio generalmente) per evitare creep logaritmico, cioè deformazioni nella struttura cristallina del materiale per stress eccessivo.

In questo modo si riduce il tempo di light off, si migliora l’efficienza del catalizzatore, critica nel primo minuto di accensione del motore. Può garantire il rispetto del ciclo omologativo vigente: E’ fondamentale per l’omologazione stradale!

Altri aspetti interessanti sul Warm-up?

Certamente, potremo analizzare ad esempio la criticità dell’avviamento parlando anche di controllo delle valvole o della pratica di ricircolo dei gas di scarico. Lo vedremo nel prossimo appuntamento: clicca qui.

Se volessi approfondire la criticità dell’avviamento da un punto di vista puramente tecnologico e materialistico, clicca qui: Far riscaldare il motore: inutile e controproducente!