Nell'estate del 2017, Mazda ha fatto un annuncio:l'azienda automobilistica ha trovato un modo per realizzare motori a benzina ad accensione spontanea per autovetture. Mazda ha affermato che il suo nuovo motore potrebbe migliorare il risparmio di carburante dal 20 al 30 percento, un risultato considerevole per un motore a benzina.
Prima di fare un tuffo in questa tecnologia, vale la pena notare che il motore ad accensione per compressione non è un concetto nuovo. Le auto di Formula 1 utilizzano motori ad accensione spontanea e molte altre case automobilistiche hanno tentato di sviluppare una versione commercialmente valida per le autovetture. Ma il motore di Mazda, soprannominato Skyactiv-X, sarà il primo motore di questo tipo prodotto in serie e disponibile in commercio. Grazie a Jay Chen, un ingegnere propulsore di Mazda, HowStuffWorks è stato in grado di apprendere come è stata raggiunta questa svolta. Prima, però, dobbiamo dare un'occhiata alle funzioni di base di un motore.
Un motore funziona accendendo il carburante in due modi:calore e compressione. I motori ad accensione comandata si trovano nella maggior parte delle auto a benzina. In questi tipi di motori, le candele si attivano per accendere il carburante nella camera di combustione, mentre anche la miscela di carburante e aria viene compressa. Questa è una versione molto semplificata del processo, ovviamente, solo per illustrare la principale differenza tra i due tipi di motore. I motori ad accensione comandata seguono un ciclo e richiedono tempi precisi per funzionare, ma sono generalmente affidabili in una varietà di condizioni [fonte:Knight].
I motori ad accensione per compressione funzionano più come i motori diesel. I diesel sono progettati per una compressione molto più elevata (che richiede componenti più pesanti e una costruzione più robusta) e utilizzano candele ad incandescenza come fonte di calore anziché candele. Le candelette riscaldano la camera di compressione, che a sua volta aumenta la compressione all'interno della camera. Quando il carburante viene aggiunto alla camera, viene spruzzato sulla punta della candeletta, ma il processo si basa sulla compressione più che sul contatto del carburante e della candela. La mancanza di "scintilla" aiuta i motori diesel a ottenere valutazioni EPA più elevate rispetto ai motori a benzina con specifiche altrimenti simili [fonte:Stewart].
Se ci stiamo concentrando sul gas, ti starai chiedendo, che senso ha spiegare come funziona un motore diesel? Semplicemente, per illustrare l'importanza della compressione. Il modo migliore per migliorare il motore a gas è capire come aumentare la compressione, che consente al motore di utilizzare la sua alimentazione di carburante in modo più efficiente.
Un motore a benzina con accensione per compressione combina le parti migliori di questi processi. Il motore è programmato per intrappolare l'aria (in genere, lo scarico del motore) nel cilindro del motore regolando la fasatura delle valvole di scarico e di aspirazione. Gli iniettori di carburante aggiungono carburante a questo scarico intrappolato e poiché la miscela intrappolata è sottoposta a una compressione molto elevata, la quantità relativamente piccola di carburante è in grado di accendersi.
I motori ad accensione per compressione possono anche essere suddivisi in due diversi tipi [fonte:Lindberg].
La principale differenza tra questi due motori è il punto del processo in cui viene aggiunto il carburante, ottenuto attraverso regolazioni dei cicli e della fasatura dei motori. In caso contrario, i motori funzionano in modo simile; la compressione è il fattore più importante.
I motori ad accensione spontanea presentano alcuni vantaggi e almeno altrettanti svantaggi. Tra i suoi vantaggi ci sono:
"Per un'analogia approssimativa, l'accensione di una scintilla è simile all'accensione di un incendio accendendo solo un bordo del foglio di giornale e lasciando che la fiamma si arrampichi gradualmente sulla carta", spiega Jay Chen, ingegnere del powertrain Mazda, via e-mail. "[L'accensione per compressione] è più simile alla combustione spontanea in cui il carburante e l'aria hanno raggiunto la pressione e la temperatura critiche e l'intera carica cambia fase allo stesso tempo, rilasciando tutta l'energia in una volta. Rilasciando tutta l'energia quasi in una volta, [ accensione per compressione] può estrarre più potenza (poiché avviene ben prima che il rapporto di espansione si esaurisca) dalla stessa quantità di aria utilizzando da due a tre volte meno carburante e a temperature di combustione molto più basse, il che riduce ulteriormente lo spreco di energia termica e la formazione di emissioni ."
Suona benissimo, vero? Il problema è che questi motori sono davvero schizzinosi:se fossero facili da progettare e utilizzare, a quest'ora li guideremmo. Anche se non hai familiarità con i motori diesel, potresti aver sentito dire che possono essere scomodi in condizioni non ottimali. In parte ciò è dovuto al carburante diesel stesso, che tende a "gelificare" a temperature molto basse. Non abbiamo questo problema con la benzina, che rimane liquida anche sotto lo zero termico. Ma l'accensione per compressione può ancora essere influenzata dal tempo e da altre condizioni ambientali, nonché da altri fattori come la qualità del carburante.
"Finora, i motori a combustione interna con accensione per compressione esistevano solo in condizioni di laboratorio stabili o prototipi di veicoli grezzi troppo grezzi per essere applicati in produzione", afferma Chen.
In altre parole, se la pressione e la temperatura nei cilindri non vengono mantenute con cura, il processo non funzionerà. Temperature troppo basse possono danneggiare i componenti sensibili del motore. Se il motore si surriscalda, può iniziare a battere, una condizione che si verifica quando la miscela aria-carburante diventa troppo calda ed esplode al momento sbagliato, il che comporta uno spreco di carburante e un motore che funziona male. Un motore ad accensione comandata può anche diventare troppo freddo o troppo caldo, ma ha un margine di errore molto più alto.
Il funzionamento affidabile di un motore ad accensione per compressione dipende da una precisa combinazione di aria, carburante e gas di scarico miscelati in un rapporto perfetto, alla compressione perfetta, con la giusta quantità di calore applicata al momento giusto. Come sappiamo, nessuno è ancora stato in grado di costruire un'auto con un motore a gas ad accensione spontanea, quindi questo processo doveva essere ulteriormente perfezionato.
Poco dopo l'annuncio di Mazda, gli esperti del settore automobilistico hanno iniziato a ipotizzare se un motore ad accensione per compressione del mercato di massa potesse "salvare" i motori a gas. Cioè, poiché l'industria si sposta maggiormente verso la tecnologia ibrida ed elettrica, questo motore a gas potrebbe essere abbastanza efficiente da essere un valido concorrente?
Chen dice che Mazda è motivata dalla convinzione che, "spremendo ogni minima efficienza dal motore a combustione interna (in combinazione con l'elettrificazione una volta che il motore a combustione interna è stato perfezionato), possiamo fornire un metodo per alimentare l'automobile fino a questo secolo che ha il potenziale per generare le stesse o meno emissioni di CO2 "da pozzo a ruota" come veicoli elettrici a batteria pura alimentati da centrali elettriche a combustibili fossili di varie forme."
In altre parole, Mazda pensa che con l'innovazione continua, un'auto alimentata da un motore a gas possa essere efficiente almeno quanto un'auto elettrica, e forse anche di più. Diamo un'occhiata a come questa svolta nella tecnologia dell'accensione per compressione è diversa da quelle che l'hanno preceduta.
Nel 2007, Motor Trend ha guidato un Saturn Aura alimentato da un motore ad accensione spontanea, che ha ottenuto una riduzione del 15% del consumo di carburante rispetto a un'Aura normale [fonte:Markus]. A quel tempo, GM prevedeva di rilasciare un veicolo con un motore ad accensione spontanea nel 2015, ma il marchio Saturn è stato chiuso solo pochi anni dopo e GM ha gradualmente spostato la sua attenzione su veicoli elettrici e ibridi plug-in come il Chevrolet Volt.
Più o meno nello stesso periodo, Mercedes-Benz stava lavorando a un sistema di accensione per compressione chiamato DiesOtto e anche Ford aveva un progetto in fase di sviluppo [fonte:Estrada]. Tuttavia, nessuno di questi motori ha ottenuto il via libera per la produzione e l'esperienza di Hyundai può aiutare a spiegare perché [fonte:Markus].
A parte Mazda, Hyundai ha probabilmente fatto più progressi, con sforzi che sono venuti alla luce per la prima volta intorno al 2013 [fonte:Markus]. L'azienda ha progettato la sua versione di un motore ad accensione spontanea senza candele o candelette, con una data di rilascio prevista per il 2023.
Nonostante i promettenti progressi, Hyundai ha rivelato nel 2016 che i componenti del motore non erano abbastanza forti per affrontare la compressione richiesta per il funzionamento del processo. Naturalmente è possibile progettare componenti del motore più robusti, ovvero blocco, manovella e cuscinetti; è così che funzionano i motori diesel. È solo molto costoso e quei componenti più forti aggiungono peso all'auto e riducono la sua efficienza complessiva. Hyundai aveva pianificato da sempre di utilizzare un turbocompressore per aumentare la potenza e mantenere la compressione necessaria, ma hanno scoperto di aver bisogno anche di un compressore, il che ha ulteriormente ridotto il budget. E infine, Hyundai non era soddisfatta della quantità di inquinamento prodotto da questi propulsori. Alla fine, il progetto è stato molto più costoso e non così pulito ed efficiente come previsto [fonte:Markus].
Gli sforzi di sviluppo di Mazda vanno avanti quasi quanto i suoi concorrenti.
"Skyactiv-X era sempre nei piani anche prima del lancio della prima generazione di Skyactiv", spiega l'ingegnere Mazda Chen. "Il primo passo in questa tabella di marcia è stata la tecnologia Skyactiv di Mazda [che è stata] introdotta nel 2009. Il miglioramento chiave in quel momento è stata l'applicazione di un rapporto di compressione del motore non convenzionale per aumentare l'efficienza complessiva del motore e le prestazioni del gruppo propulsore. Ciò è stato ottenuto attraverso un combinazione sinergica di tecniche esistenti applicate insieme per ottenere ciò che (fino ad allora) riteneva impossibile per i motori di produzione."
In parole povere:"Skyactiv" è il termine per la strategia di Mazda di aumentare la compressione per aumentare l'efficienza, e Mazda ha dovuto armeggiare un po' per far funzionare il prossimo Skyactiv-X. Come risultato di tale armeggiare, Mazda ha aggiunto una candela nella miscela, in modo che il motore possa passare dalla compressione all'accensione a scintilla a seconda di ciò che è il più efficiente in quel momento. Potrebbe sembrare che vada contro le basi della tecnologia dei motori ad alta compressione, ma Chen dice che funziona.
"Questa svolta, che chiamiamo accensione per compressione controllata da scintilla (SPCCI), ha notevolmente ampliato la gamma utilizzabile di funzionamento e controllo dell'accensione per compressione, oltre a fornire la soluzione per una transizione senza soluzione di continuità tra CI [accensione per compressione] e SI [accensione a scintilla] modalità di combustione utilizzate ad alti regimi del motore (nel caso di Skyactiv-X)", afferma Chen.
In parole povere, la candela è l'ingrediente magico che consente al motore di funzionare senza intoppi e adattarsi alle diverse condizioni, e verrà utilizzata solo quando assolutamente necessario. Il motore di Mazda è progettato per monitorare se stesso e regolare il proprio funzionamento in base a fattori come le condizioni ambientali attuali, il modo in cui l'auto viene guidata e le preferenze e le impostazioni del guidatore [fonte:Estrada].
Dopo che Mazda ha avuto questa idea, ci sono voluti altri due anni per sviluppare il motore, durante i quali è stata presa un'altra importante decisione. I veicoli dotati di motori Skyactiv-X saranno dotati di compressori per aumentare le specifiche di potenza, che miglioreranno la dinamica di guida e contribuiranno a convincere i potenziali acquirenti a correre un rischio con questa nuova tecnologia [fonte:Estrada].
L'ultima grande domanda:quando i conducenti possono aspettarsi di vederlo? Un portavoce di Mazda afferma che la società non può ancora rivelare quali veicoli saranno i primi equipaggiati con il motore Skyactiv-X o quando saranno disponibili. Inoltre non sappiamo se i veicoli alimentati da motori ad accensione spontanea costeranno di più rispetto a veicoli comparabili con motori ad accensione comandata. È lecito ipotizzare, tuttavia, che mentre Mazda sarà la prima a commercializzare questa tecnologia, altri produttori quasi sicuramente seguiranno.
A differenza di molti miei colleghi, non sono particolarmente preoccupato di "salvare i motori a gas", anche se probabilmente ciò aiuterebbe con la sicurezza del lavoro. Forse dovrei essere un po' più egoista al riguardo, ma ho deciso di scrivere del motore ad accensione spontanea semplicemente perché sono incuriosito da qualsiasi innovazione che possa aiutare a rendere un'auto più efficiente.
Per questo motivo, la sostenibilità in generale, non vedo l'ora di provare un veicolo con un motore ad accensione spontanea non appena saranno disponibili. Come ibridi ed elettrici, penso che ci saranno molte discussioni sul fatto che questi veicoli siano abbastanza potenti o meno. Onestamente, sospetto che la persona media non sarà in grado di dire la differenza. Ci sono molti modi per rendere un'auto interessante da guidare oltre a renderla il più potente possibile, ed è un'area in cui Mazda eccelle.
