di  -  lunedì 13 giugno 2011

Pur avendo già affrontato lungamente ed ordinatamente l’argomento Motori a Combustione Interna, alcune brevi puntate ulteriori senza seguire una scaletta tematica erano previsti al fine di integrare quanto precedentemente esposto.

In riferimento a quanto detto, quest’oggi parleremo di due (anche se per certi versi esistono dei legami tra esse) soluzioni particolari che sono state utilizzate (anche se in maniera non diffusa) da alcune case automobilistiche, infatti andremo a parlare dei cicli Atkinson e Miller.

INCREMENTARE L’EFFICIENZA DEI CICLI OTTO E DIESEL

I motori a ciclo Otto e ciclo Diesel precedentemente esposti presentano la caratteristica comune di possedere il rapporto di compressione e di espansione identici, soluzione che permette di massimizzare il riempimento sfruttando al meglio il volume disponibile, ma dal punto di vista termodinamico risulta meno efficiente rispetto ad una soluzione che preveda un rapporto di espansione superiore a quello di compressione.

Come facilmente comprensibile, l’idea alla base dei cicli Atkinson e Miller consiste proprio nel fare ciò, e le soluzioni impiegati per il raggiungimento di questo scopo rappresentano la principale differenza tra i due.

Motore a Ciclo Atkinson

Il motore a ciclo Atkinson è stato ideato da James Atkinson nel 1882, ed in tale motore si utilizza un particolare manovellismo che permette di svincolare la corsa di compressione e di espansione tra loro e pertanto consente di perseguire il risultato che si prefigge per via puramente meccanica (una ricerca su google immagini permette di visualizzare delle animazioni chiarissime del principio).

Tali motori sono dotati di un elevato rapporto geometrico di compressione, ma in virtù del particolare meccanismo di conversione del moto alternato del pistone, non tutta la corsa viene sfruttata ai fini della compressione (la compressione inizia in anticipo rispetto al PMI – Punto Morto Inferiore).

Lo stesso meccanismo permette invece di sfruttare l’intera corsa per l’espansione, andando così ad operare con un rapporto di espansione superiore rispetto a quello di compressione:

(immagine tratta dal Dizionario Tecnico dell’Automobilismo)

Come si può vedere dalla precedente immagine, la pressione dei gas di scarico alla fine dell’espansione risulta inferiore rispetto a quella del corrispondente ciclo Otto convenzionale, pertanto l’energia residua contenuta in essi risulta spesso inadeguata per procedere con la sovralimentazione mediante turbocompressore, mentre risulta sempre possibile la sovralimentazione volumetrica.

In virtù del minore calore disperso allo scarico, il rendimento del ciclo Atkinson risulta superiore dell’analogo ciclo Otto, mentre la potenza risulta limitata proporzionalmente alla differenza tra i due rapporti di compressione, ovvero alla minore carica presente nel cilindro al momento della combustione.

Motore a Ciclo Miller

Il motore a ciclo Miller (ideato da Ralph Miller)  rappresenta una semplificazione del ciclo Atkinson, in quanto non prevede sistemi di imbiellaggio particolari, pertanto è in tutto e per tutto analogo ad un motore a ciclo Otto (o Diesel) nel quale viene fatto ampio uso della fasatura all’aspirazione variabile.

Pur disponendo di un elevato rapporto di compressione geometrico, in virtù dell’anticipata chiusura delle valvole di aspirazione durante la fase di aspirazione stessa, oppure della ritardata chiusura di queste durante la fase di compressione, permette di “mostrare al fluido” un rapporto di compressione inferiore rispetto a quello geometrico, consentendo pertanto di avere un rapporto di espansione superiore rispetto a quello di compressione effettivo.

Per questa soluzione valgono le stesse considerazioni in termini di maggiore efficienza e minore potenza rispetto al ciclo tradizionale di riferimento, ma bisogna considerare che, a differenza del motore Atkinson, trattandosi sostanzialmente di un motore tradizionale dotato di fasatura (quantomeno all’aspirazione) variabile, risulta possibile ottenere una flessibilità di funzionamento elevata senza complicazioni ulteriori sulla cinematica, potendo operare sia “in ciclo Miller” che “in ciclo tradizionale” in base alle impostazioni della fasatura.

CONSIDERAZIONI FINALI

Da quanto sopra esposto, si comprende come tali soluzioni, permettano di ottenere dei benefici in termini di rendimento, ed in particolare la soluzione a ciclo Miller permetta di estendere la flessibilità di funzionamento del motore anche in virtù delle problematiche legate alla “ibridizzazione Otto-Diesel” di cui già abbiamo parlato in precedenza illustrando i concetti HCCI, PCCIMK, UnibusPPC, dove la variazione del rapporto di compressione permette di rendere maggiormente gestibili tali concetti innovativi.

Anche per oggi è tutto, vi invito a continuare a seguirci e vi rinnovo l’appuntamento a lunedì prossimo, sempre su AppuntiDigitali, sempre con la rubrica Energia e Futuro.

4 Commenti »

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  • # 1
    joe.vanni
     scrive: 

    Motori Atkinson & Miller

    Il principio è buono ma come detto nel post c’è il difetto di sacrificare la potenza per un –credo- modesto miglioramento dei consumi (un po’come dire vai più piano che consumi di meno)

    In effetti i motori Atkinson sono proposti su macchine ibride in cui il motore elettrico da una mano nei momenti di accelerazione al poco potente Atkinson. Esempi sono le ibride Toyota Prius e il SUV Ford Escape

    Il Miller ho visto che è proposto su una Mazda 1.3 litri con riduzione consumi del 20%

    La critica più forte per questi motori è che non fanno abbastanza. Oltre alla riduzione consumi, comunque limitata non mi danno grossi miglioramenti, come downsizing (riduzioni di peso e ingombro a parità di potenza), riduzioni di consumi senza penalizzare le prestazioni; e coppia a tutti i carichi, per cui hanno bisogno di aiuti come il motore elettrico.

    Per essere pratici e una volta tanto non essere esterofili il Fiat Twinair della 500 in solo 900 cc eroga 85 CV (come un motore 1400 e consuma come un 900) e non a caso ha ricevuto il premio di motore dell’anno

    Nome Motore:
    Twinair 875 Multiair
    Cilindri / Valvole / Tipo Aspirazione
    2 / 8 / Turbo
    Potenza Kw (Cv) @ numero giri
    63 (85) 5500
    Coppia Massima NM @ numero giri
    155 @ 2000
    Consumi – Dir CE (l/100 km):
    Ciclo urbano: 4,9-4,7

    La potenza dell’aspirato da 900 cc che uscira a breve sarà di 65 CV.

    Questo per dire che solo introducendo fasatura indipendente idraulica delle valvole e ricircolo gas scarico su uno schema di motore già esistente hanno ottenuto risultati eccezionali

    Chissà cosa si otterrebbe applicando tutte queste innovazioni ad un motore atkinson che aumenta anche il rapporto di compressione

    Chissa cosa si potrebbe ottenere aggiungendo (si può fare?) l’accensione PPC.

  • # 2
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ joe.vanni

    Non dimenticare che un motore non viaggia quasi mai a pieno carico, pertanto un miglioramento del rendimento è sempre gradito… certo non si userebbe in ambito sportivo…

    Il downsizing lo puoi fare sempre nelle proporzioni della perdita di potenza… il discorso invece sul ricircolo dei gas di scarico (mi pare ne parlammo già in precedenza) invece mi torna poco… su come fanno e soprattutto sul perché lo fanno… o meglio, un’idea mi è venuta, e se dovessi avere ragione fanno proprio il ciclo Miller (che capiamoci, non è qualcosa di immutevole… se tengo le valvole aperte o le chiudo prima sono in funzionamento Miller, se la fasatura è standard sono in funzionamento Otto)… perché altrimenti il ricircolo non ha senso (anche perché altrimenti si tratterebbe di un EGR interno con tutti i peggioramenti del caso, EGR che normalmente si usa nei Diesel per ridurre gli NOx, problema davvero ridotto nel ciclo Otto)

    Comunque non si deve dimenticare che (e purtroppo è quello che leggo quando capito in qualche forum) l’uso di una determinata soluzione non significa automaticamente un miglioramento di tot… ovvero l’impiego della fasatura variabile (per esempio, ma il discorso si estende ad ogni soluzione come iniezione diretta ecc) non si traduce automaticamente in un miglioramento delle prestazioni o consumi od emissioni di tot%, idem tutto il resto… il motore è un sistema complesso, dove tutto partecipa al risultato finale…

    La soluzione PPC (che più che altro è legata alla formazione della miscela) e la “modulabilità” del rapporto di compressione insieme le trovo interessanti… questo “grado di libertà” potrebbe rendere il PPC più flessibile…

  • # 3
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ joe.vanni

    da come ho scritto sembra che nei diesel si faccia l’EGR interno… questo non è vero in quanto è di tipo esterno (ovvero c’è una linea apposita)… diciamo che la frase andava spezzata in due… il commento che seguiva si riferiva al perché si usa l’EGR nei diesel

  • # 4
    joe.vanni
     scrive: 

    Proseguendo nel confronto sui motori Miller e Atkinson

    I cicli dei due motori sono identici ma cambia il modo per attuarli

    Col motore atkinson pur avendo un manovellismo in più è un ciclo costante,
    quindi più semplice da realizzare del ciclo miller , ma senza possibilità di regolazione del rapporto di compressione che è costante per ogni modello di motore atkinson.

    Col Miller invece regolando anticipi e ritardi di apertura delle valvole posso variare convenientemente il rapporto di compressione “virtuale” in funzione di numero giri, tipo combustibile e altre variabili. Quindi è come disporre di infiniti motori Atkinson + il motore in fase normale.
    Immagino sia tanto facile a dirsi, ma un lavoro complicatissimo da realizzare.

    Molti costruttori di motori penso che lo applichino senza dichiararlo (forse anche perché come marketing la parola non è abbastanza suggestiva)

    Il discorso del ricircolo interno, in effetti ,come dici , non avrebbe senso nel motore otto. Ho voluto approfondire e sul motore in oggetto che è turbocompresso non se ne parla
    http://www.autoblog.it/post/28359/fiat-twinair-breve-analisi-tecnica-del-nuovo-motore

    Nel sito fiat si parla di ricircolo interno dei gas di un motore otto per un altro motore, il 1.2 fire evo ii da 69 cv (euro 5) aspirato, che motorizza la nuova lancia Y. In questo caso per dare potenza e bassi consumi a bassi regimi
    http://www.lanciapress.com/press/detail/11294

    Comunque non voglio uscire dal seminato.

    Ritornando ad una roadmap futuribile per un motore ideale, cioè compatto, parco nei consumi, pulito, flex-fuel (per tanti carburanti) e brillante

    Se riuscissi a mettere insieme in un motore

    – Fasatura variabile a piacere e quindi ciclo Miller, Otto con rapporto di compressione regolabile a piacere per i vari regimi
    – Accensione PPC che migliora combustione, rendimento e emissioni
    – Turbocompressione che mi da potenza in più, praticamente gratuita

    A questo punto – se non sbaglio- mi manca solo di riuscire ad implementare il tutto in un motore rotativo per avere la perfezione

    O no?

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