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Reinventare il motore a benzina
Un nuovo concetto di motore sviluppato dai ricercatori dell'Università del Wisconsin-Madison potrebbe ridurre il consumo di carburante di circa il 30% nelle automobili e di quasi il 20% nei camion pesanti. Nelle auto a gas, il nuovo design aggiungerebbe poco al costo del motore. Nei veicoli pesanti, ridurrebbe sostanzialmente i costi eliminando la necessità di costosi sistemi di post-trattamento per ridurre le emissioni.
motore di prova: I ricercatori dell'Università del Wisconsin-Madison hanno utilizzato questo motore diesel Caterpillar per impieghi gravosi per testare un nuovo concetto di combustione ad alta efficienza.
Il concetto, che è stato dimostrato nei motori di prova, prevede la miscelazione precisa di due diversi combustibili nella camera di combustione, che offre un maggiore controllo sia sui tempi che sulla durata della combustione. Potrebbe fornire un modo per soddisfare le normative sul risparmio di carburante senza i più costosi motori elettrici e batterie che si trovano nei veicoli ibridi (sebbene per una maggiore efficienza, il nuovo design potrebbe essere incorporato in un veicolo ibrido). Il nuovo concetto di motore è reso possibile dalla precisa iniezione elettronica del carburante e dai progressi nelle simulazioni al computer. Abbiamo scoperto questo processo utilizzando una modellazione computerizzata avanzata, che ci ha permesso di identificare la ricetta per una miscelazione ottimale dei combustibili, afferma Rolf Reitz , professore di ingegneria meccanica alla UW-Madison.
Il progetto prevede due versioni, una per sostituire i motori diesel per impieghi gravosi e un'altra, che sarà presentata questo autunno, che sostituirà i motori a benzina convenzionali. Entrambi utilizzano lo stesso processo di combustione che rende i motori diesel significativamente più efficienti dei motori a benzina, comprimendo carburante e aria fino a raggiungere le pressioni e le temperature che ne provocano l'accensione, invece di utilizzare una scintilla per accendere il carburante. Il nuovo design migliora l'efficienza del motore oltre a quella dei motori diesel, riducendo la quantità di energia sprecata sotto forma di calore e migliorando il controllo sui tempi di combustione. Riduce inoltre notevolmente le emissioni associate ai motori diesel, aspetto particolarmente importante ora che le nuove normative sulle emissioni richiedono alle case automobilistiche di impiegare costosi sistemi di post-trattamento.
Nella versione progettata per sostituire i motori diesel pesanti, la benzina da un serbatoio del carburante viene iniettata nella porta di aspirazione vicino alla camera di combustione, dove si mescola con l'aria prima di entrare nella camera (questa è la forma convenzionale di iniezione di carburante nei veicoli a benzina ). Quindi il carburante diesel da un altro serbatoio viene iniettato direttamente nella camera utilizzando un iniettore di carburante a bassa pressione. Man mano che questa miscela viene compressa, si accende per primo il diesel, seguito poco dopo dalla benzina, che è più resistente alla combustione. Il controllo del rapporto dei due combustibili determina sia i tempi della combustione che la sua durata. Il design richiede un controllo preciso sull'iniezione del carburante, poiché il rapporto e la distribuzione dei due carburanti nella camera devono cambiare a seconda del carico posto sul motore. Con carichi leggeri, il mix è di circa 50-50, mentre carichi più pesanti potrebbero richiedere un minimo del 5% di diesel. Il motore risultante ha un'efficienza di circa il 55%, rispetto all'efficienza dal 40 al 45% dei motori diesel convenzionali per impieghi gravosi. Le emissioni sono sufficientemente basse da eliminare la necessità di sistemi di post-trattamento per i sistemi di scarico che, in un autocarro pesante, possono costare quanto il motore stesso.
Nella versione destinata a sostituire i tradizionali motori a benzina, il gasolio viene sostituito con benzina che viene miscelata con un additivo per renderlo più reattivo, migliorando l'accensione del carburante. Invece di avere due serbatoi di carburante, l'auto ha bisogno solo di un serbatoio di benzina e di un piccolo serbatoio delle dimensioni di una bottiglia di liquido lavavetri per contenere l'additivo. Il gas ordinario viene iniettato dall'iniettore della porta e il gas miscelato con l'additivo viene iniettato direttamente nella camera. Il risultato è un motore con un'efficienza del 45%, rispetto a circa il 30% di efficienza per i motori a benzina convenzionali.
In entrambi i sistemi, l'approccio riduce la pressione e la temperatura del motore, riducendo la formazione di smog e altri inquinanti pericolosi. Le temperature più basse riducono anche la quantità di energia che viene persa in calore, rendendola disponibile per azionare il pistone. Estendiamo l'evento di combustione per un periodo di tempo controllato per ottenere un rilascio di calore delicato che non porti a un aumento violento della pressione e ad alte temperature nella camera di combustione, afferma Reitz.
Robert Dibble , professore di ingegneria meccanica presso l'Università della California a Berkeley, afferma che il nuovo design è un'idea intelligente. Dice che il design a due carburanti potrebbe essere difficile da convincere le case automobilistiche e i consumatori ad adottare, ma osserva che gli attuali sistemi di post-trattamento diesel richiedono già ai conducenti di aggiungere un fluido di trattamento dei gas di scarico separato durante il rifornimento, quindi questa barriera potrebbe essere più bassa ora. La versione del nuovo design che utilizza un additivo per benzina richiederebbe solo di rabboccare l'additivo ad ogni cambio d'olio, afferma Reitz, riducendo l'inconveniente.
Dibble afferma che un altro ricercatore sta adottando un approccio simile per migliorare l'efficienza del motore, ma il suo approccio utilizza un solo carburante. Bengt Johansson , capo della divisione dei motori a combustione presso l'Università di Lund in Svezia, ha dimostrato elevate efficienze e basse emissioni controllando i tempi e la durata della combustione con iniezioni multiple di carburante. Ma a differenza del metodo UW-Madison, che utilizza combustibili con diverse proprietà di combustione, l'approccio di Johansson controlla la combustione creando regioni all'interno della camera di combustione con concentrazioni variabili di carburante e aria. Un potenziale svantaggio è che, a causa degli elevati livelli di compressione utilizzati, richiede un motore più costoso di quelli utilizzati nelle auto a gas convenzionali.