Waterboost: motore con iniezione d'acqua

Ogni propulsore è dotato di un impianto di raffreddamento esterno, in grado di mantenere la temperatura del gruppo termico, costantemente, al di sotto di un certo limite; garantendo l’efficienza e la durata del motore stesso. E se venissero a coesistere due diversi sistemi di raffreddamento? Vale a dire, aggiungere al sistema “esterno” già noto, uno interno al motore? Parleremo quindi di “Waterboost”.

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• Nascita ed evoluzione:

Il primo ad avere l’idea di iniettare acqua nel motore a combustione interna fu Pierre Hugon nel 1865, sul suo motore a gas. Egli notò numerosi benefici tra i quali: eliminati i difetti di accensione e di mantenimento costante del moto, diminuzione dell’usura dei componenti meccanici e maggior affidabilità dell’impianto.

Questa tecnologia non riscosse successo. Successivamente venne adottata sui motori per gli aerei ad elica della seconda guerra mondiale tra cui:

il BMW 801;
il Daimler-Benz 605 con impianto MW 50;
Pratt & Whitney R-2800.

In ambito”automotive“il sistema venne montato su:

Ford Escort Cosworth 4WD;
La vettura di Formula 1 Ferrari 126 C2 e C3.

Fino a giungere al recente “Waterboost” progettato dalla Bosch per i motori a ciclo Otto (benzina) e montato sulla BMW M4 GTS.

• Principio fisico:

Nei motori a combustione interna è il calore prodotto dalla reazione di combustione del carburante, a far espandere i gas all’interno del cilindro, generando potenza meccanica. Il limite principale di tale funzionamento sta nel fatto che molto calore, e quindi potenza, si perde con i gas di scarico.

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L’iniezione di acqua alla miscela (aria e benzina) consente quindi di disperdere una maggiore quantità di calore, grazie all’elevato valore di energia di vaporizzazione richiesta. I gas di scarico pertanto fluiscono dal cilindro a temperature notevolmente inferiori; grazie al fatto che l’acqua sottrae grande quantità di calore per evaporare.

Non a caso la domanda che ci verrebbe spontaneo porre sarebbe: come può avvenire la combustione, quindi un’esplosione, somministrando dell’acqua?

La risposta è evidente: non ci sono pericoli in quanto l’acqua, precedentemente alla reazione di combustione, viene fatta completamente evaporare aumentando notevolmente il proprio volume; ciò consente un abbassamento di temperatura dall’aria in aspirazione che nel suo moto per l’ingresso in cilindro vede la propria temperatura aumentare. Questo abbassamento di temperatura, aumenta la densità della carica in ingresso e a sua volta aumenta anche il quantitativo d’aria aspirabile. Tale aumento comporta un aumento complessivo della pressione nel cilindro quando le valvole si chiudono. Inutile dire come il rendimento volumetrico che quantifica il fenomeno di ricambio della carica nel motore, aumenti.

• Funzionamento:

Il funzionamento è abbastanza intuitivo. Riportiamo qui in figura un impianto di iniezione d’acqua semplificato. L’acqua viene pompata e tramite un condotto raggiunge la valvola unidirezionale, la quale aprendosi fa convergere l’acqua sul condotto di aspirazione, in cui è già presente la miscela di carburante.

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• Benefici:

Aumento del rapporto di compressione (quindi della potenza erogata), nonché un maggior riempimento di “carica fresca” nel cilindro.
Migliorato raffreddamento dei gas entranti, favorendo dispositivi energetici e meccanici come il turbocompressore;
Il sistema Waterboost consta di iniezioni di piccolissime quantità di acqua (generalmente poche centinaia di millilitri per ogni centinaio di chilometri) per cui il serbatoio di acqua distillata ha un’autonomia di 3000 km;
Migliore efficienza del motore;
Migliorata la vita del propulsore, diminuendo l’usura delle componenti (condotti e scarichi);
Diminuzione del fenomeno della detonazione, tipico dei motori a benzina;
Aumentata la durata dell’olio motore e delle candele di accensione;
Aumento dell’eco-sostenibilità: grazie alle minori temperature raggiunte, gli ossidi di azoto risultano notevolmente abbattuti;
Prezzi contenuti: Quanto mai potrà costare qualche litro di acqua?

Infine, secondo la Bosch, quasi un quinto della benzina consumata dalle automobili viene completamente sprecata per “rinfrescare” i condotti di aspirazione, senza partecipare attivamente alla combustione. Per risolvere tale inconveniente, questa piccola quantità di benzina viene sostituita dall’acqua.

• Difetti:

Maggiore fumosità: un mezzo dotato di Waterboost emette molto fumo bianco allo scarico, a causa della consistente quantità di vapore acqueo presente;
Necessità di acqua distillata: non è possibile utilizzare semplice acqua di rubinetto, perché contiene sali;
Inefficacia degli attuali sistemi catalizzanti: la marmitta catalitica necessità di alte temperature per il suo corretto funzionamento; questo non avviene col sistema Waterboost;
Difficoltà di applicazione su veicoli datati: nelle auto più vecchie vi era il problema nella regolazione dell’anticipo e della carburazione; nei motori più moderni, la centralina elettronica di controllo (ECU) risolve questi problemi, limitando l’applicazione del Waterboost ai soli motori moderni.