Accensione a compressione di carica omogenea HCCI

Alla ricerca di un consumo di carburante e di una riduzione delle emissioni in costante miglioramento, un'idea vecchia e molto promettente ha trovato nuova vita. La tecnologia HCCI (Omogeneous Charge Compression Ignition) è in circolazione da molto tempo ma ha recentemente ricevuto rinnovata attenzione ed entusiasmo. Mentre i primi anni videro molti ostacoli insormontabili (all'epoca) le cui risposte sarebbero arrivate solo quando i sofisticati sistemi elettronici controllati dal computer sarebbero stati sviluppati e maturati in tecnologie affidabili, il progresso si è bloccato. Il tempo, come sempre, ha fatto la sua magia e quasi tutti i problemi sono stati risolti. HCCI è un'idea il cui tempo è arrivato con quasi tutte le parti e i pezzi di tecnologia e know-how in atto per farcela davvero.

Cos'è l'HCCI?

Un motore HCCI è un mix di accensione convenzionale a scintilla e tecnologia di accensione a compressione diesel. La fusione di questi due design offre un'alta efficienza simile al diesel senza le difficili e costose da gestire con le emissioni di NOx e di particolato. Nella sua forma più semplice, significa semplicemente che il carburante (benzina o E85) viene miscelato in modo omogeneo (completo e completo) con l'aria nella camera di combustione (molto simile a un normale motore a benzina a scintilla), ma con una percentuale molto elevata di aria da alimentare (miscela magra). Man mano che il pistone del motore raggiunge il punto più alto (punto morto superiore) sulla corsa di compressione, la miscela aria / carburante si autoaccende (si combina spontaneamente e completamente senza assistenza della candela) dal calore di compressione, proprio come un motore diesel. Il risultato è il migliore dei due mondi: basso consumo di carburante e basse emissioni.

Come funziona HCCI?

In un motore HCCI (che si basa sul ciclo Otto a quattro tempi), il controllo dell'erogazione del carburante è di fondamentale importanza nel controllo del processo di combustione. Sulla corsa di aspirazione, il carburante viene iniettato nella camera di combustione di ciascun cilindro tramite iniettori di carburante montati direttamente nella testata. Ciò si ottiene indipendentemente dall'induzione dell'aria che avviene attraverso il plenum di aspirazione. Alla fine della corsa di aspirazione, carburante e aria sono stati completamente introdotti e miscelati nella camera di combustione del cilindro.

Quando il pistone inizia a risalire durante la corsa di compressione, il calore inizia a formarsi nella camera di combustione. Quando il pistone raggiunge la fine di questa corsa, si è accumulato calore sufficiente a causare una combustione spontanea della miscela carburante / aria (non è necessaria alcuna scintilla) e forzare il pistone verso il basso per la corsa di potenza. A differenza dei motori a scintilla convenzionali (e persino dei diesel), il processo di combustione è un rilascio snello, a bassa temperatura e senza fiamma di energia nell'intera camera di combustione. L'intera miscela di carburante viene bruciata simultaneamente producendo potenza equivalente, ma utilizzando molto meno carburante e rilasciando molte meno emissioni nel processo.

Alla fine della corsa di potenza, il pistone inverte di nuovo la direzione e inizia la corsa di scarico, ma prima che tutti i gas di scarico possano essere evacuati, le valvole di scarico si chiudono presto, intrappolando parte del calore di combustione latente. Questo calore viene preservato e una piccola quantità di carburante viene iniettata nella camera di combustione per una precarica (per aiutare a controllare le temperature di combustione e le emissioni) prima dell'inizio della successiva corsa di aspirazione.

Sfide per l'HCCI

Un problema di sviluppo in corso con i motori HCCI è il controllo del processo di combustione. Nei motori a scintilla tradizionali, i tempi di combustione sono facilmente regolabili dal modulo di controllo di gestione del motore che modifica l'evento della scintilla e forse l'erogazione del carburante. Non è così facile con la combustione senza fiamma di HCCI. La temperatura della camera di combustione e la composizione della miscela devono essere strettamente controllate entro soglie che cambiano rapidamente e molto strette che includono parametri quali la pressione della bombola, il carico del motore e gli RPM e la posizione dell'acceleratore, i valori estremi della temperatura dell'aria ambiente e le variazioni della pressione atmosferica. La maggior parte di queste condizioni sono compensate con sensori e regolazioni automatiche ad azioni altrimenti normalmente fisse. Sono inclusi sensori di pressione dei singoli cilindri, sollevamento variabile della valvola idraulica e phaser elettromeccanici per la fasatura dell'albero a camme. Il trucco non è tanto quello di far funzionare questi sistemi, ma di farli lavorare insieme, molto rapidamente e per molte migliaia di miglia e anni di usura. Forse altrettanto problematico sarà il problema di mantenere accessibili questi avanzati sistemi di controllo.

Vantaggi di HCCI

• La combustione magra restituisce un aumento del 15 percento dell'efficienza del carburante rispetto a un motore ad accensione comandata convenzionale.
• Combustione più pulita e emissioni più basse (soprattutto NOx) rispetto a un motore ad accensione comandata convenzionale.
• Compatibile con benzina e carburante E85 (etanolo).
• Il carburante viene bruciato più rapidamente e a temperature più basse, riducendo la perdita di energia termica rispetto a un motore a scintilla convenzionale.
• Il sistema di induzione senza farfalla elimina le perdite di pompaggio per attrito sostenute nei motori a scintilla tradizionali (corpo farfallato).

Svantaggi di HCCI

• Le pressioni elevate del cilindro richiedono una costruzione del motore più forte (e più costosa).
• Gamma di potenza più limitata di un motore a scintilla convenzionale.
• Le molte fasi delle caratteristiche di combustione sono difficili (e più costose) da controllare.

È chiaro che la tecnologia HCCI offre un consumo di carburante e un controllo delle emissioni superiori rispetto al convenzionale motore a benzina con accensione comandata. Ciò che non è ancora così certo è la capacità di questi motori di offrire queste caratteristiche in modo economico e, probabilmente ancora più importante, in modo affidabile per tutta la vita del veicolo. I continui progressi nei controlli elettronici hanno portato l'HCCI al picco della realtà praticabile e saranno necessari ulteriori perfezionamenti per spingerlo oltre i limiti nei veicoli di produzione di tutti i giorni.