Vehicle CuEriosity 01×12 – Il ricircolo dei gas di scarico, perché?

Negli scorsi articoli abbiamo analizzato la delicata fase di avviamento, trattando in primis il catalizzatore e il light-off dello stesso. Successivamente, abbiamo analizzato cosa accade nel warm-up (riscaldamento), da un punto di vista puramente teorico. Abbiamo dato un paio di soluzioni, ma una delle principali riguarda l’utilizzo della fasatura delle valvole, comoda, utile ed efficiente: Non necessita di organi esterni aggiuntivi al layout del motore endotermico. Valuteremo in quest’ottica il ricircolo dei gas.

Vediamo come può essere intesa questa fase di regolazione mediante valvole e che risultati può dare.

Fasatura delle valvole:

Oltre alla fasatura della combustione possiamo lavorare a livello di fasatura delle valvole, con sistemi full VVA (variable valve actuation) o VVT (variable valve timing). In questo modo possiamo lavorare sulla variazione dell’apertura, cioè traslare il profilo dell’apertura delle valvole di qualche grado di angolo di manovella prima o dopo il punto regolato per il pieno carico (condizione di progetto e di maggior utilizzo).

L’idea è quella di attuare un ricircolo interno, ad esempio con la valvola EGR– exhaust gas recirculation,dei gas di scarico nel cilindro. Perché? Se il ricircolo avviene a giuste dosi posso occupare il volume occupabile dall’aria fresca (ricca di ossigeno) con dei gas. Complessivamente la reazione di combustione sarà meno efficiente e la temperatura massima si riduce. Tuttavia aumentando questo ricircolo, arrivo al caso limite, aumentando di gran lunga la temperatura residua. Perché riempio la camera con un volume di residui a temperatura più alta dell’aria fresca in eccesso che sarebbe entrata al posto di quella frazione di residui. La temperatura dei gas e la sua mole è sostanziosa e influenza parecchio le condizioni interno cilindro durante la fase di compressione-combustione.

Miglioro a meno di λ≠1 il rendimento:

C’è comunque una quota d’aria fresca necessaria per la combustione: serve ossigeno altrimenti che combustione sarebbe? Se la combustione parte da temperature maggiori (pur essendoci meno ossigeno a disposizione) l’effetto preponderante è l’aumento di temperatura massima del ciclo. Minor tempo di light-off ed efficienza massima per il catalizzatore che pulisce tutti gli inquinanti, o quasi tutti… c’è bisogno che la dosatura λ (Air/fuel reale fratto air/fuel stechiometrico) sia 1. Vale a dire una combustione stechiometrica perfetta, una dosatura unitaria e abbattimento completo.

Purtroppo l’organo di regolazione per rendersi conto di una variazione di tale dosatura di quantità d’aria e combustibile, ha bisogno di un controllo retroazionato, quindi l’efficienza a meno di λ=1, non è mai al 100%, ma ci si avvicina molto. Inoltre non lavoro mai nello stechiometrico, per esigenze della fase di combustione (Benzina o Diesel), lavoro sempre con eccessi di benzina o d’aria, rispettivamente.

Valvola EGR:

Essa, sia singola, sia doppia è essenzialmente caratterizzata da un circuito ad alta pressione che preleva pressione dalla valvola di scarico. La si collega all’aspirazione, mediante un gruppo valvola con attuatore elettrico o pneumatico gestito dalla centralina. Tale attuatore regola il grado di apertura dell’otturatore e la portata di riflusso quindi.

Portando mediante tale canale, gas sporchi ricchi di inquinanti, essenzialmente posso ottenere depositi che si accumulano sull’intera linea di aspirazione e di valvola. I depositi, fungono da colesterolo fluidodinamico, specialmente se un veicolo è spesso utilizzato su tratte brevi e mantenuto sempre ai carichi bassi. Ecco perché il Diesel che ricorre molto all’EGR per l’abbassamento dei NOx prodotti (azoto si lega all’ossigeno alle alte temperature), ha la necessità di essere stappato regolarmente, se fatto camminare per poco tempo e per tratte a bassa percorrenza. La tecnica è volgarmente evidente, ma è una sola: si va in tangenziale, si abbassa il rapporto di marcia e si cerca di tirare un po’ il motore nei limiti del buon senso stradale e termico soprattutto.

Come aumento il ricircolo di gas:

• Aumentando la durata angolare della fase di incrocio delle valvole, vale a dire il frangente temporale in cui entrambe le valvole (aspirazione e scarico) sono aperte. Questo porta dei gas nell’aspirazione, che verranno successivamente riaspirati. Le conseguenze sono state già discusse.
• Aprire durante la fase di aspirazione, la valvola di scarico.
• Diminuire l’anticipo di apertura della valvola di scarico, per ridurre la fase di scarico naturale (dovuto al forte gradiente di pressione tra cilindro e ambiente di scarico, nonché l’intensissimo effetto dinamico delle onde di compressione che viaggiano nei condotti). Minore è lo scarico forzato, maggiore è il reflusso! Magari apro tale valvola dopo aver superato il punto morto inferiore, mentre sono in fase di salita verso il punto morto superiore. L’effetto è consistente.Inoltre posso migliorare anche il rendimento di ciclo indicato del motore, in quanto raccolgo in fase di espansione maggior lavoro all’albero, peggiorerò un po’ il rendimento di pompaggio, per lo stesso motivo (spendo di più per scaricare i gas).

Conclusioni:

Chiaramente la fasatura delle valvole e l’accordatura all’avviamento segue questi principi per diminuire le emissioni prodotte. Durante il suo funzionamento, la fasatura è regolata per avere massima potenza ed efficienza. Quindi le strategie di attuazione delle valvole sono svariate e controllate elettronicamente. Esse vanno studiate in ogni regione di funzionamento, specialmente all’avviamento se si vuole omologare il proprio veicolo su strada.