Tecnica: il motore con combustione a volume costante

Tecnica: il motore con combustione a volume costante

3 gen, 2009

La Italia lo scorso anno aveva presentato alla  stampa un rivoluzionario motore in grado di contenere notevolmente la emissioni nocive ad al contempo di ridurre i costi di produzione grazie ad un risparmio di ingombro e peso rispetto ad un motore a quattro tempi tradizionale.

La definizione tecnica corretta di questo nuovo tipo di propulsore, sviluppato notevolmente nel corso di quest’anno ed i cui prototipi hanno dimostrato la bontà del progetto, è

“Motore a 6 fasi isovolumetrico (combustione a Volume Costante) con biella rotante e pistone semi flottante”

premessa: i alternativi si distinguono attualmente in ciclo a 2 Tempi e ciclo a 4 Tempi.

Come è noto la distinzione fra essi consiste nel fatto che le fasi caratteristiche per un corretto funzionamento del motore ed ossia Aspirazione, Compressione, Combustione, Aspirazione e Scarico,avvengono nel motore a due Tempi in un solo giro (360°) dell’albero motore e in due giri (720°) nel motore a quattro tempi.

Uno dei problemi che normalmente ritroviamo in questo tipo di motore a scoppio è dato dal fatto che lo stantuffo che si muove in maniera simmetrica rispetto al P.M.S. e al P.M.I. è “costretto” da una legge sinusoidale imposta dal raggio di manovella dell’albero a gomiti e dalla lunghezza della biella.

Naturalmente sia il raggio di manovella che la biella sono costanti e la posizione dello stantuffo nel cilindro è unicamente determinata dall’angolo di rotazione dell’albero a gomiti a cui lo stantuffo è vincolato della biella.

Per cercare di migliorare le prestazione dei vari motori i progettisti, sino ad oggi, hanno potuto soltanto cercare di ottimizzare l’apertura e chiusura delle valvole per sfruttare al meglio, ai fini del rendimento volumetrico, le posizioni progressivamente assunte dallo stantuffo rispetto al P.M.S. e al P.M.I..

Ma ogni volta questo genere di soluzioni ha portato a compromessi o limitazioni, prima fra tutte quella di avere una combustione a volume variabile. L’ideale sarebbe di poter regolare la corsa verticale dello stantuffo indipendentemente dal moto di rotazione dell’albero motore.

Il concetto : l’ idea dei ricercatori della Motor Union Italia spazza via i compromessi ai quali ogni progettista ha dovuto sino ad oggi piegarsi. Basandosi sul loro rivoluzionario manovellismo i ricercatori della M.U.I. propongo un motore a 6 Fasi a combustione isovolumica grazie ad un albero motore non più dotato della manovella bensì di un profilo ad eccentrico assimilabile ad una camma e pertanto in grado di generare in grado di generare leggi di moto sostanzialmente diverse da quelle simmetriche del manovellismo.

Il pistone è in questo motore vincolato a seguire il profilo dell’eccentrico per mazzo di un rullo il cui perno è quello dello spinotto dello stesso pistone.

Il rullo ruota senza strisciare sul profilo della camma che, a differenza della manovella, non è a raggio costante ma è costituito da un susseguirsi di archi di cerchio i cui parametri possono essere variati per regolare il moto verticale dello stantuffo durante ciascuna fase.

Ma qual e il motivo per cui si e voluto inventare un motore nel quale il pistone non si muove secondo la classica legge sinusoidale generata dall’accoppiata biella-manovella?

Per dare modo al pistone stesso di seguire in modo più logico ed appropriato l’evolversi termo e fluidodinamica degli eventi che caratterizzano il funzionamento della macchina termica.

In breve con un meccanismo di questo genere è possibile raggiungere due traguardi motoristici che appaiono senza dubbio estremamente attraenti: la combustione a volume costante e la fasatura del tutto arbitraria, cioè asimmetrica rispetto ai punti morti, della distribuzione del fluido di lavoro.

La particolarità di questo motore alternativo con Combustione a Volume costante permette, per dirla in maniera più semplice, al pistone di fermarsi al P.M.S. (punto morto superiore)

Ad al P.M.I. (punto morto inferiore ) per il tempo necessario ad ottenere un ciclo a 6. fasi con grandi vantaggi di consumo e di dolcezza di funzionamento e senza alcuno di quei compromessi che tendono, appunto, a sacrificare le varie fasi, compromessi ai quali si deve assolutamente ricorrere negli altri motori alternativi descritti.

Fase 1- Combustione a volume costante. Si realizza il sogno dei tecnici motoristici. 

L’ accensione inizia quando il pistone e fermo al P.M.S.  La fermata del pistone dura per il tempo prescelto dal progettista per completare la combustione e per evitare la contro-pressione dovuta all’anticipo di accensione. Permette una più completa utilizzazione dell’energia calorifica del carburante, con conseguente diminuzione del consumo fino al 20%.

Fase 2 – Corsa di Espansione completa, la fase attiva e completa.

Allo stato della Tecnica la fase attiva è ridotta a circa il 65% della corsa di espansione, a causa dell’anticipo di apertura dello scarico, con una perdita di oltre il 4% del lavoro utile ottenibile. Nel caso considerato la corsa di espansione avviene completamente dal P.M.S. al P.M.I.

Fase 3 – si apre la valvola di scarico avviene in due fasi distinte: una fase di scarico spontaneo dei gas ad alta pressione, con il pistone fermo al P.M.I. dopo la corsa di espansione.

Fase 4- Scarico forzato dal moto del pistone dal P.M.I. al P.M.S.

In questa fase il gas di scarico si trova a bassa pressione, ciò conduce ad un risparmio di energia motore valutata al 2%. Lo scarico continua allorché il pistone si ferma al P:M:S. mentre si ha l’incrocio con l’apertura della valvola di aspirazione che si apre, e subito dopo si chiude la valvola di scarico.

Fase 5- Corsa di Aspirazione.

Il pistone se muove dal P.M.S. al P.M.I., dove si ferma, mentre la colonna dei gas aspirati continua per inerzia ad affluire nel cilindro, mentre la valvola di aspirazione si chiude. Il rendimento volumetrico di aspirazione e più altp, a parità di parametri, rispetto a quello dello Stato della Tecnica Attuale.

Fase 6- Corsa di Compressione.

E’ una corsa completa dal P.M.I. al P.M.S.  L’accensione avviene dal P.M.S. senza anticipo di accensione. In un motore alla Stato della Tecnica l’accensione avviene durante la corsa di comprensione dando luogo ad una contropressione sul cielo del pistone, quindi ad una perdita energetica del momento motore.

I ricercatori della MOTOR UNION ITALIA hanno quindi cercato un sistema semplice ed economico per privilegiare innanzitutto la più negletta e sacrificata delle varie fasi, quella della combustione, ed hanno ottenuto ciò modificando la legge di moto del pistone (fissa ed inamovibile nell’attuale Stato dell’Arte poiché determinata solo dalle misure della manovella dell’albero motore e dalla lunghezza della biella), modificando il concetto attuale di albero motore, cambiando profondamente il disegno  della biella e cambiando il disegno della manovella che invece di una misura fissa assume lunghezze variabili secondo la legge del moto che si vuole che il pistone segua, momento per momento.

Il sistema suggerito permette pertanto di progettare un numero illimitato di leggi del moto del pistone, studiate per ogni applicazione, con possibilità suddividere un giro dell’albero motore in più fasi di funzionamento razionali, ben individuate e separate fra loro, cosi da potere non solo privilegiare quelle più importanti, combustione e espansione, ma riuscendo anche a diminuire le perdite di energia per tutti i seguenti motivi:

            Per la diminuzione di attrito dei perni di biella.

            Per aver diminuito l’energia per il pompaggio di espulsione dei gas di scarico.

            Per l’eliminazione della contropressione dovuta all’anticipo di accensione.

            Per aver eliminato la diminuzione del rapporto di compressione che avviene nei motori attuali durante la fase di combustione, dovuta all’anticipo accensione, con conseguente aumento della camera di combustione per il moto del pistone prima del P.M.S.  e dopo questo verso il P.M.I.

            Per la diminuzione di attrito per il minor di attrito per il minor numero dei supporti dell’albero motore in un motore pluricilindrico.

            Per la più completa corsa di espansione.

Un altro grande vantaggio di questo sistema e che non stravolge completamenteil funzionamento dei motori attuali, anzi. I vantaggi sopra specificati si ottengono infatti con la sola modifica dell’albero motore ma utilizzando gli stessi cilindri, pistone, testata e tutti gli organi della distribuzione come nei motori attuali, mantenendo per tanto non solo tutta la tecnologia ed il know-how acquisito, ma con l’utilizzo di tutto il parco di macchine utensili, metodi di fusione e lavorazione esistenti.

I prototipi costruiti di Motore a 6 Fasi hanno confermato non solo le aspettative teoriche ma anche la relativa facilita ed il minor ingombro. A partita di cilindrata la riduzione del volume e del 35% e con lo stesso materiale usato per il manovellismo, la carcassa, i cilindri, ecc., si può avere un risparmio totale di peso dal 30 al 50% rispetto allo Stato dell’Arte su tutti gli altri motori.

Inoltre le più ridotte dimensioni permetterebbero una diversa architettura nella progettazione dei veicoli per il trasporto delle persone, concedendo più spazio ai passeggeri a parità di ingombro totale. In fase di studio da oltre un anno, in collaborazione con il dipartimento di Energetica dell’Università di Ancona un innovativo motore a Combustione Esterna (ciclo stirling) che, sfruttando il nuovo principio di trasformazione del moto rettilineo del pistone in moto rotatorio dell’albero motore senza ricorrere al sistema biella-manovella, principio che sta alla base del motore a combustione interna a 6 fasi, permette di migliorare considerevolmente le potenze specifiche ottenibili con il ciclo Stirling ottenendo un propulsore più leggero, di dimensioni e costi inferiori.

Come e noto il motore a combustione esterna, che utilizza il calore originato da qualsiasi fonte (energia solare e geotermica, calore da carburanti rinnovabili come oli vegetali, alcool, etc.), è alla base di ricerche riprese con grande slancio da oramai circa venti anni da parte di società ed enti statali quali General Motors, Ford , Philips, dal centro ricerche della Nasa, società tedesche e giapponesi e da molte Università in tutto il mondo. In Italia sono l’Università La Sapienza di Roma e l’Università di Ancona a condurre ricerche teoriche e sperimentazioni.

Tutto il lavoro in collaborazioni fra il Dipartimento di Energetica dell’Università di Ancona e la M.U.I. è stato presentato da un relatore della stesa Università a “the 9Th International Stirling Engine Conference and Exhibition “ che si e tenuta dal 2 al 4 giugno 1999 in Sud Africa.

Sempre in collaborazione con l’Università di Ancona, la M.U.I. sta verificando teoricamente ed analiticamente l’applicazione del nuovo principio di trasformazione del moto sul motore a dos Tempi con particolare vantaggio per i motori pluricilindrici. Un motore a 3 cilindri a 120° cosi concepito ha difatti una larghezza pari quella di un monocilindrico.

La Motor Union sta inoltre progettando un 2 Tempi destinato alle competizioni, banco di prova assoluto alla quale la Motor Union intende affacciarci in virtù delle idee innovative che da sempre sa proporre per farsi conoscere ad apprezzare sempre più sul mercato. Questo nuovo motore sfruttando concetti assolutamente originali prevede una lubrificazioni a recupero e non a perdere, tipo 4 Tempi, un nuovo tipo di lavaggio del cilindro che consentirà l’eliminazione delle perdite allo scarico.

In fase di progetto anche un motore il cui sviluppo sarà destinato ad approdare sui circuiti della Formula 1, motore i cui contenuti sono per adesso top secret nell’attesa di terminare lo studio e realizzarne un eventuale prototipo.

Motore da competizione a due tempi (2t) a 6 fasi

Il problema e stato preso in considerazione per il suo interesse tecnico e sono stati uno studio preliminare ed una simulazione teorica che hanno confermato le potenzialità previste ma prima di addentrarci nel problema occorre fare delle necessarie premesse.

I fattori che influenzano la creazione di potenza di qualsiasi motore sono eminentemente la p.m.e. (pressione media effettiva) ed il numero dei giri corrispondente. Inoltre occorre spendere poca potenza in attriti e perdite varie.

La p.m.e. dipende dalla differenza fra la temperatura (e pressione ) massima e quella di scarico e tutto ciò occorre ottenere un buon riempimento del cilindro, possibilmente una sovralimentazione mediante lo sfruttamento dell’inerzia della carica fresca nella intonazione della pulsazine del condotto di ammissione.

Analogamente, trattandosi di motore a due tempi, occorre intonare la pulsazione del tubo di scarico, per tenere dentro al cilindro la carica fresca che tende a sfuggire nell’arco di tempo che va dalla fine del travaso alla chiusura della luce di scarico.

Il problema di carattere costruttivo meccanico per un motore a quattro cilindri di 500 cmc, due Tempi, sei Fasi con rotazione a 16.000/18.000 giri/min. è stato facilmente risolto date le potenzialità offerte dal nuovo manovellismo.

Un propulsore così concepito ha dalla sua dimensioni ridotte, una grande semplicità di costruzione, un albero motore rettilineo e cortissimo ed adotta una soluzione che eliminando l’attrito di contatto fra cilindro e pistone rende superflua la  lubrificazione a miscela olio-benzina tipica di tutti i motori a due tempi tradizionali in quanto si andrebbe a realizzare per ogni cilindro una zona calda (quella del pistone – testa), dove non c’è bisogno di lubrificazione, ed una zona fredda (quella del manovellismo e della guida del pistone), dove la lubrificazione avviene con olio in pressione ed a bassa temperatura.

Naturalmente la due zone sono separate fra loro in modo da far agire la parte inferiore del pistone da elemento premente del “carter pompa”.

Il volume morto del sistema “carter pompa” (continuiamo a chiamarlo così per analogia con il due tempi classico anche se in realtà nulla ha e che vedere con quello) è modulabile a piacere con un sistema a membrana per aumentarne il volume ai bassi regimi e portarlo al minimo agli alti regimi.

Le perdite per attrito rispetto ad un classico propulsore a due tempi sia perché non vi e attrito fra pistone e cilindro sia perché i supporti di banco sono solo due e gli altri supporti sono tutti lubrificanti a regola d’arte.

Il sistema di manovellismo permette di ampliare considerevolmente la funzione sezione x tempo della fase di aspirazione aumentandone il risultato del 50% ed oltre non che  la stessa funzione x la base di scarico e di travaso.

La vera difficoltà non risolta, per ora, e quella di assicurare la preparazione della miscela aria-benzina negli stetti limiti della stechiometria al variare del numero dei giri alle altissime velocità di rotazione.

Come detto precedentemente il problema fluidodinamica potrà essere risolto. La difficoltà vera rimane quella della preparazione della miscela carburante, difficoltà per la quale occorrono ulteriori ricerche e soprattutto investimenti che MOTOR UNION ITALIA, ogni, non può affrontare da sola.

Per affrontare questa e tutte le altre ricerche che la vendono impegnata la Motor Union Italia sta organizzando un consorzio fra esosità private e Università per realizzare prototipi pre-industriali dei vari propulsori descritti, consorzio che accenderà ai fondi stanziati dal Miinistero della Ricerca Scientifica (M.U.R.S.T,) il quale provede risorse finanziare alle aziende impegnate nella ricerca più avanzata.

Share and Enjoy

  • Google Plus
  • Facebook
  • Twitter
  • Delicious
  • LinkedIn
  • StumbleUpon

TAGS: motor union motori

Lascia una risposta

 
Pinterest