Nuova tecnologia di combustione GM
PONTIAC, Michigan (USA) – Dopo che gli esperti di motori l’avevano sognato, ne avevano parlato e fatto oggetto di conferenze, oggi – per la prima volta – il gruppo General Motors si prepara a mettere in circolazione la “più attesa ed avanzata tecnologia di combustione” degli ultimi trent’anni.
GM mostrato per la prima volta il processo di combustione ufficialmente noto come accensione per compressione a carica omogenea (o più brevemente HCCI) su due veicoli speciali realizzati sulla base delle versioni 2007 di Saturn Aura e di Opel Vectra. Abbinato a quelle moderne tecnologie che ne permettono l’uso (iniezione diretta, fasatura elettrica delle camme, alzata valvole variabile e controllo della pressione all’interno dei cilindri), HCCI permette di abbassare fino al 15% i consumi di carburante e di rientrare nei limiti delle future normative sulle emissioni.
"Ricordo che, quando era ancora al college, si discuteva del potenziale di questo sistema di combustione» ha detto Tom Stephens, vice-presidente di gruppo di GM responsabile per Tecnica e la Qualità. «Allora era solo un sogno. Oggigiorno invece, avendo la possibilità di utilizzare previsioni analitiche a base matematica ed altri strumenti, cominciamo a vedere come questa tecnologia possa diventare una realtà. Abbinando la tecnologia HCCI a moderni motori a benzina e tecnologie per la gestione degli stessi, otteniamo importanti risparmi in fatto di consumi a vantaggio dei nostri clienti".
In un concetto integrato di motore, la maggiore efficienza offerta dalla tecnologia HCCI e dalle altre che ne consentono il funzionamento avvicinano il propulsore a benzina a quello a gasolio, senza però che si debba ricorrere a costosi sistemi di post-trattamento del NOx. Questa efficienza inizia con una combustione del carburante a temperature inferiori e con una riduzione delle dispersioni di energia calorica
I prototipi dotati della tecnologia HCCI – una Saturn Aura ed una Opel Vectra equipaggiate con un 4 cilindri in linea 2.2 ECOTEC modificato – si guidano come una qualsiasi automobile di tipo convenzionale, ma hanno un’efficienza di funzionamento superiore anche del 15% rispetto ad analoghe autovetture con motore ad iniezione indiretta. (Questo miglioramento in termini di efficienza varia a seconda del veicolo e del modo di guidare del conducente). I due prototipi rappresentano una delle prime dimostrazioni pratiche della tecnologia HCCI al di fuori di un laboratorio.
"Sono molto soddisfatto dei progressi compiuti dai nostri ingegneri - ha proseguito Stephens - Questa è un’altra espressione della politica del gruppo General Motors per sviluppare avanzate tecnologie di propulsione che possano diminuire la nostra dipendenza dal petrolio. Tecnologia HCCI, iniezione diretta, fasatura ed alzata variabile delle valvole, gestione attiva del carburante possono migliorare tutte i consumi e le prestazioni dei motori a combustione interna. Sono convinto che un giorno HCCI avrà un posto tra le nostre tecnologie per ridurre i consumi di carburante".
Gli aspetti qualificati della tecnologia HCCI
La tecnologia HCCI si caratterizza per importanti benefici:
- Efficienza di funzionamento paragonabile a quella dei motori Diesel con importanti riduzione dei costi di post-trattamento
- Realizzata sulla base di tecnologie ben collaudate come l’iniezione diretta di benzina e la distribuzione variabile
- Adattabile alla struttura dei normali motori a benzina
- Richiede solo i normali sistemi di post-trattamento
- Compatibile con tutti i motori a benzina e miscela E85 attualmente in vendita
Come funziona la tecnologia HCCI
Un motore HCCI accende una miscela di benzina e di aria comprimendola nel cilindro. Al contrario di quanto avviene in un normale motore a benzina od a gasolio, la tecnologia HCCI fa sì che l’energia si liberi senza fiamma a bassa temperatura nell’intera camera di scoppio. Qui tutto il carburante viene bruciato contemporaneamente, producendo una potenza simile a quella dei motori a benzina di tipo convenzionale, ma utilizzando una minore quantità di benzina.
Il calore è una condizione indispensabile del processo HCCI. Per questo motivo nei cilindri ci sono normali candele per generare il calore necessario per gli avviamenti a freddo e per mandare rapidamente in temperatura il catalizzatore, consentendo il funzionamento in modalità HCCI. In questa fase la composizione della miscela è piuttosto magra, poiché contiene una maggiore percentuale d’aria. La possibilità di HCCI di funzionare con una miscela magra fa sì che l’efficienza del motore sia simile a quella di un Diesel, ma comporta solo la presenza di sistemi di post-trattamento di tipo convenzionale. Per ridurre le emissioni, i motori Diesel necessitano invece di sistemi di post-trattamento più complessi e costosi.
La tecnologia HCCI sfrutta l’integrazione di altre tecnologie motoristiche avanzate – alcune della quali già utilizzate nella produzione in serie – che possono essere adattate a motori a benzina già esistenti. Il rapporto di compressione è simile a quello dei normali motori ad iniezione diretta di benzina e compatibile con tutte le benzine in commercio e con la miscela E85.
GM ha dimostrato l’adattabilità della tecnologia HCCI su veicoli sperimentali funzionanti realizzati sulla base di autovetture prodotte in serie come Saturn Aura ed Opel Vectra, la prima con trasmissione automatica, la seconda (che è destinata al mercato europeo) con cambio manuale.
Entrambe le vetture sono equipaggiate con un motore 2.2 ECOTEC da 180 CV (132 kW) che ha una coppia massima di 23,5 kgm (230 Nm). Questo propulsore è dotato di iniezione diretta, regolazione variabile delle valvole di aspirazione e di scarico, due fasatori elettrici degli assi a camme e trasduttori singoli della pressione nei cilindri, in grado di controllare la combustione assicurando al tempo stesso un passaggio graduale tra le due modalità di combustione.
Un sofisticato sistema di controllo, che utilizza sensori di pressione nei cilindri ed algoritmi di controllo studiati da GM, gestisce il processo di combustione HCCI, così come il passaggio dalla combustione HCCI a quella a candela. Tale passaggio è avvertibile sui prototipi, ma è destinato a diventare impercettibile sui modelli di normale produzione dove sarà paragonabile alla disattivazione del sistema di gestione attiva GM del carburante.
Attualmente i prototipi possono funzionare in modalità HCCI fino a circa 55 miglia orarie, per poi passare all’accensione a candela, con l’aumentare della velocità e del carico del motore. Un maggiore raggio d’azione della modalità HCCI comporterà un ulteriore affinamento della centralina elettronica e delle componenti meccaniche del motore.
"Il maggior problema che la tecnologia HCCI deve affrontare è rappresentato forse dalla gestione del processo di combustione - ha spiegato Uwe Grebe, direttore esecutivo di GM Powertrain Advanced Engineering - Con l’accensione a candela, si può regolare la fasatura e l’intensità dell’accensione. Con la combustione senza fiamma di HCCI, è invece necessario variare la composizione della miscela e la temperatura in modo complesso ed appropriato se si vogliono avere prestazioni confrontabili".
Il gruppo di progettisti GM che in varie parti del mondo lavora su HCCI continuerà a mettere a punto questa tecnologia nelle più svariate condizioni di impiego che si possono incontrare sul pianeta: dal caldo torrido al freddo estremo, verificando anche gli effetti dell’aria rarefatta in altitudine.
"Nonostante i costi considerevoli che HCCI comporta, abbiamo fatto grandi passi avanti per portare questa lungamente attesa tecnologia di combustione fuori dai laboratori di ricerca e provarla su strada con queste Saturn Aura ed Opel Vectra sperimentali - ha proseguito Grebe. - Ora sono necessarie ulteriori spese per lo sviluppo, che comprende programmi di ricerca e di prova, per fare in modo che questa tecnologia sia pronta per essere utilizzata nelle molteplici situazioni che gli automobilisti si trovano a dover affrontare".
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