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FELICE ESPOSITO CORCIONE Direttore dell'Istituto Motori del CNR, Napoli

IL MOTORE A
COMBUSTIONE INTERNA:		IL GRANDE
Rimane competitivo sia in termini di efficienza energetica sia come emissioni gassose		SCONOSCIUTO

La storia del motore a combustione interna ha dell'incredibile ed è basata su due meraviglie: la prima è che il motore funziona e la seconda è la sua rapida affermazione (meno di 20 anni), all'inizio del XX secolo, come macchina motrice al posto di quella a vapore.

Se il motore non fosse stato ancora inventato e "qualcuno" dicesse di aver pensato a una macchina nella quale un piccolo pistone, muovendosi in un cilindro, intrappoli un volume di aria pari a quello del cilindro stesso e che l'aria, poi, miscelata con un combustibile, liquido o gassoso, venga compressa e accesa da una scintilla in frazioni di millisecondo raggiungendo temperature massime di 2500°C e pressioni di una decina di MPa, sostenendo che tale miscela, ad alta pressione e temperatura, produca in un'ora un lavoro meccanico, all'asse della macchina, pari a quello prodotto in un giorno da 50 operai e che il processo si ripeta 3.000 volte al minuto ovvero 180.000 volte all'ora con l'aiuto di valvole che si aprono e si chiudono in frazioni di millisecondo, questo "qualcuno" all'ascoltatore sembrerebbe un pazzo!

Ebbene, una macchina così fatta esiste! Ha influenzato e influenzerà ancora molto lo stile di vita di intere generazioni. Tale macchina è il motore a combustione interna. Esso nella versione Diesel iniezione diretta - sovralimentato con turbocompressore a geometria variabile, ricircolo dei gas di scarico raffreddato, sistema di iniezione "common rail" a controllo elettronico per iniezioni multiple, alimentato con un combustibile liquido a basso tenore di zolfo - può raggiungere, in alcuni casi, anche rendimenti intorno al 50% con bassissime emissioni di particolato e di NOx.

Nel futuro, un veicolo passeggeri di peso complessivo intorno a 1300 kg, equipaggiato con un tale motore Diesel, può essere altamente competitivo con i nascenti sistemi di propulsione elettrico-fuel cell.

L'idea del motore a combustione interna con accensione per scintilla risale al 1854 quando gli italiani Eugenio Barsanti (fisico, padre Scolopio) e Felice Matteucci (ingegnere) brevettarono e successivamente realizzarono il primo motore termico a combustione interna. Era un monocilindro nel quale l'accensione di una miscela di gas illuminante (gas ottenuto per distillazione secca del carbone) spingeva in alto uno stantuffo creando sotto di questo il vuoto. Nella corsa di ritorno, sotto l'azione della pressione atmosferica, lo stantuffo trasmetteva il movimento all'albero motore per mezzo di un'asta dentata.

Il motore di Barsanti e Matteucci subì nel tempo sostanziali modifiche sia termodinamiche, ad opera del francese Beau de Rochas, che strutturali, ad opera dei tedeschi Nikolaus August Otto (1876) e G. Daimler che nel 1889 brevettò un motore ad accensione per scintilla veloce (chiamato poi motore Otto), utilizzante come combustibile i distillati leggeri del petrolio, cioè la benzina.

Nel 1892, il tedesco Rudolf Diesel depositò il brevetto del motore ad accensione spontanea, passato alla storia come motore Diesel. Sin dalle prime prove, il motore raggiunse rendimenti elevati (24%). Nel febbraio del 1894, nelle officine della ditta tedesca MAN, il motore Diesel funzionò per circa un minuto compiendo 88 giri ed erogando una potenza di 13.2 cv. L'idea di Rudolf Diesel era divenuta realtà.

Nel giugno del 1898 il motore Diesel riceveva la consacrazione ufficiale in un'esposizione di Monaco in cui furono esposti tre motori, ciascuno costruito da una ditta diversa. Lo sviluppo del motore a combustione interna ad accensione spontanea, chiamato Diesel dal nome del suo inventore, divenne inarrestabile. In soli venti anni soppiantò la maggior parte delle macchine operatrici a vapore dell'epoca.

Dal 1990, con l'emanazione delle Direttive dell'UE (Euro1 Euro4) in materia di contenimento delle emissioni gassose e di particolato da mezzi mobili, i motori sono stati migliorati notevolmente non solo nei confronti delle potenze specifiche ma anche nei confronti dei consumi specifici e delle emissioni. La ricerca motoristica ha contribuito moltissimo al raggiungimento di tali risultati migliorando le conoscenze sulla natura dei fenomeni termofluidodinamici che sono alla base del funzionamento dei motori. Un esempio è dato dai moderni Diesel automobilistici a iniezione diretta: dieci anni fa nei laboratori di ricerca fu dimostrato che l'innalzamento della pressione massima di iniezione da 20 a 160 MPa, insieme con la modulazione della legge di iniezione, portava a una drastica riduzione del particolato carbonioso nei motori Diesel iniezione diretta. Tuttavia, un sistema di iniezione, riproducibile in un elevato numero di pezzi, capace di generare quelle pressioni non era ancora disponibile e pertanto i risultati della ricerca non poterono essere trasferiti alla produzione. Recentemente, Bosch prima e Delphi poi hanno prodotto il ben noto "common rail", a controllo elettronico, che realizza simultaneamente le necessarie elevate pressioni di iniezione e il controllo elettronico dell'anticipo e della quantità iniettata.

Il motore ad accensione per scintilla, a sua volta, ha avuto un notevole progresso tecnologico principalmente per la messa a punto del controllo elettronico dell'accensione e dell'alimentazione a iniezione e, recentemente, con l'utilizzo di nuove strategie di controllo elettronico "model-based" sia nei motori a iniezione nel collettore (MPI) che in quelli a iniezione diretta (GDI). Tuttavia, i consumi specifici sono ancora elevati rispetto a quelli degli attuali motori Diesel.

Il vero salto tecnologico sia dei motori Diesel che dei motori ad accensione per scintilla a iniezione diretta si è avuto con l'uso del "common rail" e degli elettroiniettori a controllo elettronico. Il "common rail" ha permesso di raggiungere pressioni elevate e mantenerle costanti all'interno di un piccolo serbatoio di accumulo (rail) adibito all'alimentazione comune (common) degli elettroiniettori comandati dalla centralina elettronica di bordo. Con questo sistema è stato possibile gestire in modo completamente indipendente dalla velocità di rotazione del motore la pressione di iniezione, l'inizio della fase di iniezione, la quantità di combustibile iniettata e il numero di iniezioni per ciascun ciclo del motore. Il risultato di questa gestione è il contemporaneo miglioramento del rendimento del motore, l'abbattimento del rumore di combustione e la minimizzazione delle emissioni gassose e di particolato dei motori.

Per il futuro (dopo il 2005), il motore a combustione interna dovrà competere con i nascenti sistemi di propulsione ibrida elettrico-fuel cell a idrogeno sia in termini di efficienza energetica che di emissioni inquinanti. Analisi energetiche comparative mostrano che il motore Diesel nella versione più evoluta - cioè ad iniezione diretta di combustibile senza zolfo, quattro valvole per cilindro, sovralimentato a gas di scarico con turbocompressore a geometria variabile raffreddato, common rail a controllo elettronico per iniezioni multiple, ricircolo dei gas di scarico raffreddato, montato su una vettura di classe media - è competitivo con il sistema di propulsione elettrico-fuel cell a idrogeno di pari potenza, montato sulla stessa vettura, sia in termini di efficienza energetica (CO2) che di emissioni gassose (CO e HC). Tuttavia, restano irrisolti due grossi problemi del Diesel. Il primo è relativo alle emissioni allo scarico di particelle di particolato di dimensioni nanometriche, dannose per l'uomo perché cancerogene. Il secondo è relativo alle emissioni di NOx, responsabili in parte dell'effetto serra, ancora troppo elevate nonostante le strategie di controllo elettronico innovative.

Al fine di studiare e risolvere questi due problemi, l'Istituto Motori, insieme con altri pochi laboratori al mondo, ha messo a punto alcune tecniche diagnostiche innovative, basate sull'interazione luce-materia, che consentono, da un lato, di studiare i meccanismi di base della formazione della miscela, della combustione e della formazione delle specie gassose (NO) e, dall'altro, di determinare le dimensioni delle particelle di particolato in motori dotati di accessi ottici e allo scarico. Precisamente, in due motori "trasparenti", messi a punto nel nostro Istituto, si stanno effettuando, direttamente in camera di combustione, le misure di chemiluminescenza, per la determinazione temporale e spaziale delle regioni di autoaccensione, e di assorbimento-estinzione e scattering di luce pulsata policromatica per la determinazione delle particelle di particolato e della concentrazione di NO al variare delle condizioni operative del motore, della composizione del combustibile e delle modalità di alimentazione.

VM MOTORI SpA

La VM Motori di Cento (Ferrara), che dal 1947 si è specializzata nella progettazione e nella costruzione di propulsori per impiego industriale, marino e agricolo, nel 1978 è entrata con successo nel mondo, assai più competitivo ed esigente, dell'automobile. Questa scelta ha fatto sì che l'Azienda affinasse ulteriormente la propria sensibilità e l'attenzione costante per tutti gli aspetti che si riferiscono alle prestazioni dei motori sia in termini di potenza che di comfort (rumorosità, emissioni, ruvidità ecc.). Il segno più evidente della validità dei risultati conseguiti è l'ingresso, nell'ottobre 2000, di VM assieme alla Casa madre Detroit Diesel Corporation nella DaimlerChrysler, il gruppo tedesco-americano all'avanguardia nel settore automotoristico.

In linea con questi standard tecnici è l'ultimo prodotto della VM, un diesel di 2,5 litri di cilindrata, ad iniezione diretta common rail con 4 valvole per cilindro, denominato "VM 2516". Nei diesel con 4 valvole per cilindro riveste primaria importanza la scelta delle geometrie dei condotti di aspirazione, che nel VM 2516 si basano su una coppia di condotti di tipo "elicoidale/tuffante".

Il primo condotto crea elevata turbolenza (swirl) in camera di combustione, in modo da poter ricircolare i gas di scarico in forti percentuali grazie al dispositivo EGR (Exhaust Gas Recirculation) e quindi ridurre la presenza dei componenti inquinanti; il secondo favorisce le alte portate d'aria per ottenere dal motore più potenza agli elevati regimi di rotazione. Con questa soluzione, il miglior rendimento si è ottenuto con un rapporto di compressione di 17,5 a 1 e con l'impiego di polverizzatori del combustibile a 5 fori, che offrono anche una maggior costanza della portata nel tempo.

Oggi gli iniettori common rail utilizzano una pressione massima di 1350 bar, ma presto gli iniettori common rail di seconda generazione potranno lavorare fino a 1600 bar e pertanto si polverizzerà meglio il carburante senza usare valori elevatissimi di swirl, anche portando il numero dei fori del polverizzatore da 5 a 7 oppure 8. Peraltro il VM 2516 monta oggi una pompa di alta pressione CP 3 che è già in grado di sostenere la pressione di 1600 bar.

I tecnici della VM stanno inoltre sperimentando una nuova soluzione, brevettata, per il controllo dello swirl: si tratta di una particolare farfalla che permette di chiudere completamente o parzialmente uno dei due condotti di aspirazione, indifferentemente, con minori complicazioni costruttive, senza introdurre perdite fluodinamiche.

Un ulteriore miglioramento verrà introdotto a breve con l'adozione di iniettori superveloci, capaci di effettuare fino a 5 iniezioni per ciclo. In particolare due o tre pre-iniezioni si sono rivelate lo strumento più valido per ridurre la rumorosità fino a 3500 giri/min, mentre una post-iniezione si renderà necessaria in caso di impiego di un filtro per particolato (per modificare la temperatura dei gas di scarico), al fine di raggiungere la norma Euro 4 su vetture di massa elevata.

Oltre a questi sviluppi e alla naturale evoluzione del "2516", con cilindrata elevata a 2,8 litri, la VM sta sperimentando due nuovi motori common rail: un quattro cilindri in linea e un sei cilindri a V di 60°, entrambi con cilindrata unitaria di 500 cm3 (alesaggio 83, corsa 92 mm). Il rapporto corsa/alesaggio che ne deriva (pari a 1,1) è oggi ritenuto quello di miglior compromesso per il funzionamento del motore.

I diesel VM sono stati scelti da importanti industrie mondiali, come Chrysler, Ford, General Motors, Rover e Alfa Romeo (che per prima presentò nel 1979 una vettura motorizzata con un diesel turbo della VM).

Chrysler è oggi il maggior cliente dell'azienda di Cento e adotta l'ultima serie di motori a iniezione diretta common rail sui nuovi "Voyager" e Jeep "Cherokee".

Vilmo Ferioli

Amministratore Delegato VM Motori S.p.a.


a sinistra: Moderno motore automobilistico Diesel a iniezione diretta "common rail" (JTD), quattro cilindri, 1900 cm3 di cilindrata, quattro valvole per cilindro, con emissioni allo scarico entro i limiti Euro 3 a destra: Sistema di combustione di un moderno motore diesel a iniezione diretta "common rail" a quattro valvole per cilindro

Summary
	The internal combustion engine is one of the most used propulsion system for mobile transportation. It was born at the end of the XIX century and at the beginning of the XX century, in only 20 years, replaced all other operating machines. The recent technological development of the injection system, known as common rail, has allowed to reach important results for both direct injection spark ignition and Diesel engines. However, the complex in-cylinder termofluidynamics processes are still unknown.	Thus, the Istituto Motori of the CNR has developed advanced optical diagnostics techniques like chemiluminescence, light absorbtion-extinction and scattering to investigate the in-cylinder combustion and pollutant formation of engines with optical accesses. The objectives of this research activity is to improve the performance and minimize the exhaust emissions internal combustion engines to compete with advanced hydrogen-electric-fuel cell propulsion systems.