Quali sono le possibilità che ha il motore endotermico per sopravvivere?

I motori a combustione interna si dividono in due macrocategorie, a seconda della modalità di combustione che adottano. Abbiamo infatti i motori ad accensione comandata, ovvero i motori a ciclo Otto che come combustibile utilizzano la benzina e per innescare la combustione si affidano ad una candela, e i motori ad accensione spontanea, ovvero i motori a ciclo Diesel che come combustibile utilizzano il gasolio e la combustione viene innescata grazie alla compressione della miscela. Queste sono le due modalità di combustione principali, che, come tutti ben sappiamo, hanno il grande svantaggio di emettere quantità importanti di gas inquinanti. Con lo scopo quindi di ridurre tali emissioni sono state sviluppate strategie di combustione differenti dai classici cicli Otto e Diesel. Pertanto, ci si riferisce a queste nuove modalità di combustione con il termine di combustioni innovative, delle quali in questo articolo vedremo quelle più comuni. Una caratteristica che accomuna tutte le tipologie di combustioni innovative è la volontà di realizzare combustioni ad alta efficienza termodinamica (in analogia ai cicli Diesel, operanti con elevati rapporti di compressione) con minime produzioni di ossidi di azoto e particolato (che invece costituiscono gli inquinanti più critici per i motori Diesel).

Dal punto di vista teorico la cosa è abbastanza semplice. Se si realizza infatti un processo di combustione che comporti sia l’assenza di miscele ricche che quella di miscele leggermente magre e si fa avvenire il processo ad alta temperatura, si può raggiungere l’ambizioso obiettivo di una combustione povera di particolato e NOx. Il problema è che realizzare un motore che rispetti queste condizioni è molto più complesso. Senza entrare troppo nel dettaglio delle singole soluzioni, introduciamo vantaggi e svantaggi delle principali tipologie di combustioni innovative.

1. La combustione HCCI

La modalità di combustione denominata HCCI (Homogenous Charge Compression Ignition) è caratterizzata dalla combustione di una carica omogenea di combustibile e comburente. L’innesco è fornito dall’accensione spontanea e simultanea di tutta la carica una volta raggiunte le necessarie condizioni di temperatura e pressione. La combustione viene avviata dalla sola compressione operata dal pistone (in analogia ai motori Diesel), pur presentando un’elevata velocità di completamento (in analogia al ciclo Otto). Si può dunque considerare la combustione HCCI come la fusione di quanto avviene nei motori a ciclo Otto e Diesel. Si cerca quindi di abbinare l’elevata efficienza dei motori Diesel alle ridotte emissioni dei motori ad accensione comandata. Tuttavia, questa strategia di combustione presenta notevoli difficoltà nell’utilizzo pratico, primo tra tutti la richiesta di una miscela pressoché omogenea in tutta la camera di combustione (condizione difficile da ottenere). Un altro limite è la mancanza di un controllo sull’avvio della combustione. Un esempio di applicazione di questa tipologia di combustione è il motore SkyActive di Mazda.

2. La combustione PCCI

La combustione PCCI (Premixed Charge Compression Ignition) è caratterizzata dalla combustione spontanea di una miscela parzialmente premiscelata, ossia con una stratificazione del rapporto aria/combustibile, pur priva dei picchi di miscele ricche della combustione Diesel. Si interpone quindi tra la combustione Diesel e quella HCCI. Al fine di ottenere una carica parzialmente premiscelata, l’iniezione del combustibile avviene in anticipo rispetto al sistema Diesel, ma non così in anticipo come del caso dei motori HCCI. Complessivamente si ha una combustione con minori emissioni inquinanti, intermedie tra quelle dei motori Diesel e quella HCCI, ma con il vantaggio di essere più controllabile rispetto a quest’ultima.

3. La combustione RCCI

La combustione RCCI (Reactivity Controlled Compression Ignition) consiste in una combustione ad accensione spontanea di una miscela a reattività controllata, data dall’utilizzo simultaneo di due diversi combustibili. L’obiettivo della combustione RCCI è lo sfruttamento delle caratteristiche peculiari dei due combustibili utilizzati nei cicli Otto e Diesel: uno a bassa reattività (benzina) e uno ad alta reattività (Diesel). Potendo controllare il rapporto tra le quantità dei due combustibili iniettati si mantiene dunque un discreto livello di controllo sull’avvio della combustione, migliorando uno dei più stringenti limiti operativi dell’HCCI.

Nei motori RCCI si ha una buona omogeneità della miscela con modeste temperature massime raggiunte, permettendo di realizzare combustioni con bassissimi livelli di particolato e di ossidi di azoto.