Il panorama normativo dei motori a combustione interna ha subito una profonda trasformazione negli ultimi decenni. Gli standard di emissione di carburante e di gas serra hanno costretto gli automaker a ripensare l'architettura del venerabile motore Otto. Una volta che si è sviluppata una ricerca diretta di potenza e coppia di materiali ibridi in un complesso atto di bilanciamento tra efficienza, emissioni, prestazioni e costi.

Comprendere il motore del ciclo di Otto

Il ciclo Ottone, chiamato da Nikolaus Otto che brevettò un motore a quattro tempi nel 1876, rimane il ciclo termodinamico dominante per motori a benzina leggera. Nella sua forma ideale, si compone di quattro colpi distinti: aspirazione, compressione, espansione (potenza), e scarico. Il ciclo si basa sull’accensione a scintilla per iniziare l’efficienza di combustione vicino al centro superiore, producendo un rapido aumento della pressione che spinge verso il basso.

Tuttavia, la tendenza della benzina a bussare sotto alta temperatura e pressione impone un soffitto pratico. Inoltre, la necessità di operare su una vasta velocità e gamma di carichi costringe un compromesso in cam tempi, la consegna del carburante e l'avanzamento della scintilla. Automakers storicamente ha prioritizzato la produzione specifica e la scorrevolezza, lasciando notevoli guadagni di efficienza sul tavolo semplicemente perché le richieste di mercato e i prezzi del carburante non hanno fatto.

La Spinta Regolatrice per l'Economia del Carburante

Gli Stati Uniti hanno stabilito il programma Corporate Media Fuel Economy (CAFE) nel 1975, ma gli standard iniziali sono rimasti relativamente statici per anni. Entro i primi anni 2000, la combinazione di preoccupazioni di sicurezza energetica e il crescente consenso scientifico sul cambiamento climatico ha generato una nuova ondata di regolazione.

Nel frattempo, l’Unione europea ha adottato obiettivi obbligatori di emissioni di CO2 per le nuove autovetture, con la media della flotta 2021 fissata a 95 g di CO2/km, pari a circa 57 mpg per i veicoli a benzina. Il 2030 obiettivo richiede un’ulteriore riduzione del 55 per cento dalla linea di base 2021.

Come Regolazioni Progettazione del Motore di Riforma

Downsizing e Turbocharging

La maggiore efficienza dei motori turbocompressori di potenza e dei turbocompressori di grandi dimensioni, grazie al rialzo dei motori a turbocompressore, il più elevato dei consumi di potenza e il miglioramento della potenza dei turbocompressori di una maggiore potenza di 3,5 litri, che consente di mantenere una migliore efficienza del motore a benzina del 15-30 per cento.

Sistemi di iniezione e ad alta pressione diretti

Iniezione diretta di benzina (GDI) è diventata una tecnologia di base per soddisfare obiettivi di economia del combustibile. Iniezione del combustibile direttamente nella camera di combustione, il calore latente di vaporizzazione raffredda la carica di assunzione, sopprimendo il busto e consentendo rapporti di compressione più elevati. GDI fornisce anche una misurazione precisa del carburante e consente un funzionamento magra stratificato sotto carico leggero, dove il consumo di carburante può essere ridotto di 10-15 per cento rispetto all'iniestrazione del porto.

Regolazione e sollevamento della valvola

La variazione dei tempi di rotazione delle valvole (VVT) si è evoluta da semplici phaser a camme a sistemi complessi in grado di passare tra Otto e Atkinson. Il ciclo di Atkinson, dove la valvola di aspirazione si chiude tardivamente, permettendo una parte della carica di assunzione di essere spinta indietro nel collettore di assunzione, riduce la compressione efficace mantenendo il colpo di espansione completo.

Ratio di compressione variabile

Il motore VC-Turbo di Nissan rappresenta la prima applicazione di massa di un meccanismo di compressione variabile (VCR) che modifica il lancio di una disposizione a più collegamenti asta, il motore può regolare il suo rapporto di compressione da 8:1 per un elevato aumento e la massima potenza fino a 14:1 per un'efficienza del ciclo di luce.

Disattivazione del cilindro e combustione dei magra-burn

I sistemi di accensione passivi di NOx sono in grado di ridurre notevolmente i costi di accensione e di eliminazione dei gas passivi. I nuovi sistemi di immissione e di scarico sono in grado di ridurre i costi di produzione e di ridurre i costi di combustione.

Gestione termica avanzata

La gestione termica è emersa come area critica per i guadagni dell'economia del combustibile. I collettori di scarico integrati si innestano nel riscaldamento della testa del cilindro e riducono l'energia termica necessaria per raggiungere la temperatura di scarico catalizzatore. I circuiti di raffreddamento e termostati elettrici consentono il blocco e la testa di essere raffreddati in modo indipendente, tagliare l'attrito e migliorare la resistenza al rumore.

Pivot strategici R&D in tutto il settore

La pressione regolamentare ha cambiato radicalmente il modo in cui gli OEM destinano i bilanci di ricerca e sviluppo. Un decennio fa, le risorse di sviluppo del motore sono state in gran parte divise tra le varianti di prestazione e l'efficienza mainstream. Oggi, quasi ogni nuovo programma di motore benzina viene giudicato prima sul suo consumo di carburante e le cifre di CO2, con prestazioni trattate come ottimizzazione di combustione limitata.

Ibridazione come ponte

I sistemi ibridi di compressione miti (48V) utilizzano un generatore di spinta a cinghia per fornire assistenza coppia, recupero energetico e coste senza il costo di una trasmissione ibrida completa.

Controllo motore con tecnologia software

Le moderne unità di controllo del motore (&ECU) ora gestiscono una serie di attuatori, dai turbocompressori di geometria variabile e dalle valvole di ricircolo del gas di scarico (EGR) alle pompe di acqua elettrica e alle pompe di olio.

Leggerezza e materiali Scienza

Blocchi motore, teste cilindriche e anche alberi a manovella sono migrati da ghisa a leghe di alluminio, e in alcuni casi a magnesio o materiali compositi, per ridurre la massa del veicolo. La produzione aggiuntiva (3D stampa) è utilizzata per parti prototipi e produzione a basso volume di geometrie complesse, come i canali di raffreddamento integrati e le staffe leggere.

Case Studies: Pioneering Otto Cycle Innovations

Alcuni motori di produzione si distinguono per il modo in cui incarnano il cambiamento R&D a comando regolamentare. La famiglia Toyota Dynamic Force, lanciata nel 2017, vanta un sistema di raffreddamento a quattro cilindri aspirazione naturale da 2,5 litri con una massima efficienza termica del 40% sulla benzina e il 41 per cento in forma ibrida.

Il Mazda Skyactiv-X[] è una risposta straordinaria alla sfida di regolazione. Utilizza l’accensione a compressione controllata a scintilla (SPCCI) per sfruttare l’efficienza di una combustione magra, a compressione-accensione-come, mantenendo una candela plug come trigger. Questo motore offre una coppia di torce diesel e un’economia di carburante da una base benzina, con riduzioni di CO2 efficienti fino a GGSA

Il motore turbocompresso di Volkswagen EA888 Gen4 2.0 litri utilizza un turbocompressore a geometria variabile BorgWarner, un primo per un motore a benzina di massa in questo segmento. La VGT riduce la pressione e migliora la risposta a basso costo, mentre il ciclo Budack pesantemente revisionato (una variante di chiusura della valvola di incarico iniziale del ciclo Miller).

[LTFLT:0]La VC-Turbo di Nissan, menzionata in precedenza, è una pietra miliare di produzione in variabilità. Mentre il tasso di assunzione è stato modesto, dimostra che VCR meccanico è fattibile e potrebbe essere raffinato per un uso più ampio. La ricerca in meccanismi VCR alternativi, come cuscinetti a pistone eccentrici o teste a cilindro idrauliche, continua a più centri di ingegneria.

Sfide e trade-off

Motori ad iniezione diretta, efficiente, producono particolato (PM) che necessitano di filtri antiparticolato gasolina (GPF), aggiungendo backpressure, peso e spesa.

Il WLTP è più rappresentativo del vecchio NEDC, ma gli studi del [ Consiglio Internazionale su trasporto pulito (ICCT) mostrano che il consumo di carburante reale supera ancora i valori di omologazione del tipo del 10-20 per cento sulla media. Questo divario espone i produttori di carburante alla conformità di rischi e di responsabilità legale robusti.

Il capitale massiccio necessario per sviluppare motori a combustione interna sempre più sofisticati è sotto controllo come pressione degli azionisti e politica pubblica spingono verso l'elettrificazione. Alcuni produttori hanno annunciato che non svilupperanno più nuove famiglie di motori a combustione interna, optando invece per iterare sulle architetture esistenti, reindirizzando le risorse ai veicoli elettrici a batteria.

La Strada Ahead: Otto Cycle in un mondo decarbonizzato

La nuova flotta di regolamentazione è inconfondibile. Il pacchetto “Fit for 55” dell’Unione europea propone un obiettivo di riduzione del 100 per cento di CO2 per le nuove auto entro il 2035, vietando efficacemente la vendita di nuovi veicoli non-zero-emissione incentivanti. Mentre i veicoli sintetici e biocarve-out, la strada principale è l’elettrificazione.

Per i motori a ciclo Otto, il futuro è probabilmente uno dei ruoli restringenti ma non scomparire. Ibridi micidi e plug-in manterranno i motori a benzina sulla strada nel 2040, soprattutto nei mercati con infrastrutture di ricarica insufficienti o pesanti modelli di guida a lunga distanza. Gli ingegneri continueranno a spingere i costi termici verso il 45 per cento e oltre attraverso l'uso di metodi di combustione avanzati come l'accensione a getto turbolenza, spine a molla pre-chamber, e compressione elettrica.

Alcuni produttori stanno studiando i motori a combustione di idrogeno dedicati come un aggiornamento a zero-carbonio dell’architettura del ciclo di Otto. L’ampia gamma di infiammabilità dell’idrogeno e il numero elevato di ottani permettono un’operazione ultra-lean, ad alta efficienza con emissioni di CO2 quasi zero, anche se il trattamento e lo stoccaggio di NOx rimangono preoccupazioni. Toyota, Yamaha, e altri hanno dimostrato pubblicamente motori a idrogeno-fuel e prototipi, segnalando che la fondazione del ciclo di Otto può essere adattata

Conclusioni

I regolamenti sull'economia del carburante hanno rimodellato il motore a ciclo di Otto da un dispositivo relativamente semplice, ottimizzato per i costi in una vetrina di ingegneria di precisione. Turbocharging, iniezione diretta, attuazione valvola variabile, compressione variabile e ibridazione profonda sono stati tutti propulsi da idee di nicchia a necessità tradizionali attraverso il peso di mandati legali. La transizione è tutt'altro che indolore: aumento dei costi, moltiplica la complessità e il divario tra il risultato di produzione di strada richiede costante.

Il materiale, gli algoritmi di controllo e le conoscenze di combustione sviluppate per i motori a ciclo avanzato di Otto informeranno il design di range-extenders, plug-in ibridi powertrains, e forse motori a combustione di idrogeno. Il motore R&D del prossimo decennio sarà definito dalla gara per estrarre ogni ultimo grammo di CO2 dal flusso di scarico, rendendo brillante l’azione tecnica del motore di combustione.