Motori con iniezione ad acqua: dagli aerei alla BMW M4 Safety Car
In tutti i motori esiste un “raffreddamento interno”, che si ottiene grazie al fatto che il carburante liquido quando vaporizza, cioè passa allo stato gassoso, sottrae calore. La sensazione di freschezza sulla pelle che si ha quando evapora un dopobarba a base alcolica è dovuta proprio a questo.
Sfruttando il calore latente di vaporizzazione del liquido introdotto nei cilindri si può ottenere una apprezzabile refrigerazione della carica, ossia della miscela aria-carburante. Oltre a ridurre in una certa misura le sollecitazioni termiche (a una minore temperatura di compressione corrisponde una minore temperatura massima del ciclo), ciò contribuisce ad ostacolare l’insorgere della detonazione e determina anche un lieve miglioramento del rendimento volumetrico; la carica infatti è a temperatura minore e quindi è più densa.
Non tutti i liquidi hanno lo stesso calore latente di vaporizzazione. Quello del metanolo, ad esempio, è di gran lunga superiore a quello della benzina e questo, unitamente all’elevato numero di ottano, è positivo ai fini delle prestazioni. Se con la benzina è possibile ottenere un abbassamento della temperatura della carica dell’ordine di una ventina di gradi, alimentando il motore con metanolo la riduzione di temperatura può addirittura avvicinarsi a 150 °C!
Naturalmente i motori a iniezione diretta sono avvantaggiati, dato che il carburante viene immesso all’interno del cilindro, e pertanto vaporizza tutto lì e non in larga misura nei condotti di aspirazione, come avviene con l’iniezione indiretta. Si ottiene in tal modo un miglior raffreddamento interno, il che agevola l’adozione di rapporti di compressione particolarmente elevati.
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- La casa tedesca ha fatto ricorso alla iniezione d’acqua e metanolo negli anni Quaranta per aumentare le prestazioni del suo splendido 801, motore d’aviazione a quattordici cilindri che nelle versioni più evolute erogava circa 2000 cavalli
L’idea di immettere acqua nei cilindri per ottenere un raffreddamento della carica particolarmente vigoroso non è nuova. Qualcuno ci aveva già pensato negli anni dieci del secolo scorso. È stato con lo sviluppo di motori d’aviazione sovralimentati di elevata potenza però che, all’inizio degli anni Quaranta, l’idea è stata messa in pratica. L’aggiunta di acqua (che ha un calore latente di vaporizzazione all’incirca doppio rispetto a quello del metanolo!) migliorava notevolmente la resistenza alla detonazione e permetteva di adottare pressioni di sovralimentazione più elevate. A utilizzare al meglio le possibilità offerte da questa soluzione sono stati i tedeschi (che per inciso alimentavano i loro motori impiegando efficienti sistemi di iniezione diretta e non carburatori, come i costruttori delle altre nazioni). Sui loro aerei veniva impiegata una miscela di acqua e metanolo, con quest’ultimo che aveva fondamentalmente la funzione di evitare che il liquido congelasse alle basse temperature che si incontravano in quota.
In tal modo era possibile ottenere incrementi di potenza che potevano anche essere superiori al 10%. Tra i costruttori di motori d’aviazione spiccava la BMW, che produceva gli eccellenti 801 a doppia stella. La casa bavarese ha così potuto mettere insieme già all’epoca un importante know-how anche in questo campo.
I risultati più significativi l’iniezione di acqua può fornirli se impiegata su motori sovralimentati e con un rapporto di compressione elevato. Sono state anche effettuate prove mescolando l’acqua con il carburante prima dell’iniezione, ma la soluzione migliore è quella di immetterla separatamente, con una elevata polverizzazione.
I risultati più significativi, l’iniezione di acqua, li può fornire se impiegata su motori sovralimentati e con un rapporto di compressione elevato
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Grazie all’elettronica oggi disponibile si può gestire al meglio la situazione, stabilendo con grande precisione quanta acqua deve essere iniettata (cosa importante per ottenere i migliori risultati ed evitare effetti indesiderati come dilavamento del velo d’olio o fenomeni di corrosione). Inoltre, la centralina può stabilire quando effettuare l’iniezione, prendendo in considerazione fondamentalmente il carico e il regime del motore.
La BMW M4 è dotata di uno straordinario sei cilindri di 3000 cm3 biturbo che di serie ha una potenza massima di 431 cavalli, corrispondente a 144 CV/litro, e una coppia di 550 Nm, costante da 1850 a 5500 giri/min.
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- La BMW M4 in versione Safety Car della MotoGP 2015
Nella versione safety car per il mondiale MotoGP 2015, ora allestita, si fa ricorso alla iniezione di acqua, con quest’ultima che viene emessa sotto forma di fine spray nel polmone, posto a valle dell’intercooler, dal quale respirano i sei condotti di aspirazione. Vengono impiegati tre iniettori, ossia uno ogni due cilindri. L’acqua è contenuta in un serbatoio da cinque litri, piazzato nel bagagliaio, e viene inviata agli iniettori con una pressione di dieci bar. Il sistema non richiede manutenzione ed è adatto anche per un eventuale uso quotidiano. La casa tedesca sta valutando la possibilità di impiegarlo sulle auto di serie, in un prossimo futuro. Per quanto riguarda l’autonomia, dovrebbe essere necessario all’incirca un rifornimento di acqua ogni cinque pieni di carburante.
Come già detto, la soluzione permette di ottenere un miglioramento delle prestazioni (si parla di un incremento di potenza dell’8% circa) senza dar luogo a un aumento del carico termico al quale sono sottoposti i vari componenti; inoltre, può consentire anche una lieve diminuzione dei consumi. Un altro vantaggio è costituito dalla possibilità di compensare il calo delle prestazioni causato da una più elevata temperatura ambiente (in tal caso la centralina aumenta la quantità di acqua emessa dagli iniettori). La soluzione è conveniente pure per quanto riguarda la riduzione della quantità di inquinanti emesse dallo scarico, con particolare riferimento agli ossidi di azoto.
