Il ciclo Budack: la “risposta” Volkswagen al ciclo Atkinson

Dopo aver esplorato il ciclo Atkinson e quello Miller, andiamo alla scoperta di quello Budack, utilizzato su alcune auto del gruppo Volkswagen

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Sollecitato dalla stretta attualità, un lettore ci ha invitati ad andare ancora oltre nella nostra disamina dei motori attualmente in uso sulle automobili. Gli ingegnosi approcci Atkinson e Miller con cui le ibride guadagnano in efficienza termodinamica, potendo contare sul sostegno della parte elettrica ma rinunciando sul versante termico a un po’ di potenza, hanno rivitalizzato i convenzionali cicli Otto e Diesel usati dalle normali auto termiche. La “novità” viene da Volkswagen, che ha introdotto una variante del suo 2 litri TFSI capace all’occorrenza, grazie a un variatore montato sul comando valvole, di passare da ciclo Otto a ciclo.. no, nè Atkinson nè Miller, ma ciclo “Budack“, dal nome del progettista Volkswagen, Ralf Budack, che lo ha inventato.

Il ciclo Budack di Volkswagen

Il ciclo Budack implementa in modo diverso lo stesso concetto del ciclo Atkinson-Miller, ossia avere un rapporto di espansione maggiore del rapporto di compressione. La fase di espansione viene protratta fino a portare i gas praticamente al livello della pressione atmosferica, al fine di estrarre più lavoro meccanico possibile dai gas caldi. A causa del rapporto di compressione inferiore al valore geometricamente possibile, si perde un po’ di potenza specifica.

Ma non potendo aumentare il rapporto di espansione oltre il valore geometrico determinato dai manovellismi (quindi la corsa), dall’alesaggio e dal volume della camera di scoppio (forma della testata e forma della superficie del pistone), in questi tipi di motore si ricorre all’espediente di ridurre artificialmente il rapporto di compressione. La riduzione viene compensata ingrandendo il motore (aumento della cilindrata geometrica) per ottenere comunque la potenza richiesta pur “sprecando” parte della cilindrata.

Il modo in cui il rapporto di compressione viene artificialmente ridotto rispetto al valore geometrico è però diverso nel ciclo Budack rispetto al ciclo Atkinson.

Nel ciclo Atkinson la valvola di aspirazione viene tenuta aperta più a lungo del normale e viene chiusa dopo che il pistone ha già raggiunto il punto morto inferiore, ossia mentre il pistone sta già risalendo durante quella che in un motore a ciclo Otto sarebbe già la fase di compressione. Così facendo, parte della miscela (o semplice aria, nei motori a iniezione diretta) appena aspirata viene ripompata indietro nel collettore di aspirazione e non rimarrà nel cilindro per questo ciclo; verrà il suo turno al prossimo ciclo. Solo una parte della miscela aspirata verrà intrappolata quando la valvola di ammissione verrà finalmente chiusa, e sarà interessata dalla compressione, iniezione (in caso di motori a iniezione diretta), combustione ed espansione.

Come funziona il ciclo Budack

Nel ciclo Budack lo stesso effetto si ottiene chiudendo la valvola di aspirazione ancora prima che il pistone abbia raggiunto il punto morto inferiore. Così, per l’ultimo tratto della sua discesa, il pistone non sta più aspirando miscela/aria, ma sta lavorando per espandere quella aspirata fino a quel momento, abbassando pressione e temperatura della miscela/aria stessa.

Nel fare questo deve spendere ancora più lavoro di quanto ne spenda già normalmente per l’aspirazione, in quanto deve muoversi contro una forza che gli si oppone in modo crescente ed è dovuta alla differenza di pressione sfavorevole tra l’aria nel carter e la miscela/aria nel cilindro. In dettaglio, l’aria nel carter sotto il pistone si trova a circa 1 atmosfera, mentre la miscela/aria nel cilindro sopra il pistone è a pressione inferiore a 1 atmosfera – salvo effetti di una eventuale sovralimentazione – e in ulteriore diminuzione man mano che il pistone scende. Poi, superato il punto morto inferiore e incominciata la risalita per la fase di compressione, essendo la valvola già chiusa e assumendo di poter considerare approssimativamente adiabatico il processo, la miscela/aria recupera nel primo tratto di risalita del pistone le condizioni di pressione e temperatura che aveva quando poco prima la valvola di aspirazione è stata chiusa precocemente. In questo tratto il pistone lavora, non da solo ma aiutato dallo stesso differenziale di pressioni fra carter e cilindro che prima invece gli si opponeva nella discesa.

A questo punto inizia la compressione vera e propria, che interessa solo una frazione del volume disponibile nel cilindro, esattamente come avviene nel ciclo Atkinson. Poi, dopo l’accensione si ha l’espansione, che avviene sempre sfruttando l’intera capacità geometrica. Nell’animazione qui sotto si vedono gli andamenti di pressione e temperatura durante le sole fasi di aspirazione e di compressione del ciclo Budack (a destra, implementato nel nuovo motore EA888 gen 3B) a confronto con quelli nel ciclo Otto (a sinistra, precedente motore EA888 Gen3).

In un certo senso sia il ciclo Atkinson-Miller, sia quello Budack, ottengono agli effetti pratici una riduzione del rapporto di compressione “sprecando” deliberatamente parte della cilindrata del motore giocando sulle tempistiche di apertura delle valvole. In un certo senso “sprecano tempo”: fra il tempo Aspirazione e il tempo Compressione infatti trova posto una fase il cui effetto netto è praticamente nullo ai fini della produzione di lavoro meccanico (anzi a causa di attriti e perdite per pompaggio si ha un leggero spreco di lavoro).

Più precisamente, il motore Atkinson-Miller spreca tempo in quanto l’ultima parte della miscela/aria, aspirata spendendo un po’ di lavoro, viene fatta tornare indietro nel collettore di aspirazione recuperando all’incirca quel lavoro. Il motore Budack, invece, spreca tempo in quanto usa una parte della corsa di aspirazione non per aspirare ulteriore miscela/aria, ma per espandere (fornendo e non ricavando lavoro) quella già aspirata, e poi usa un simmetrico tratto iniziale della corsa di compressione semplicemente per riportare il gas nelle condizioni di pressione, volume e temperatura che aveva poco prima, ricavando una analoga quantità di lavoro (meno le perdite per pompaggio). Insomma, in entrambi i cicli questa breve “sottofase” si risolve all’incirca in un gioco a somma zero (salvo attriti e perdite per pompaggio).

In entrambi i motori è un po’ come se il motore avesse una cilindrata inferiore quando aspira miscela rispetto a quando la miscela viene fatta espandere. Lo stesso vale per il rapporto di compressione rispetto a quello di espansione: per esempio, secondo alcune stime, nel motore Atkinson della Toyota Prius il valore efficace del rapporto di compressione è di 8:1, mentre quello del rapporto di espansione è di 13:1.

Il piccolo svantaggio del ciclo Budack

Nel ciclo Budack c’è un piccolo svantaggio intrinseco rispetto al ciclo Atkinson-Miller. Siccome le valvole di aspirazione vengono chiuse in anticipo rispetto a quando lo farebbe il ciclo Otto, e ancora di di più rispetto a quando lo farebbe il ciclo Atkinson, la miscela/aria fresca entrata nel cilindro ha nettamente più tempo per vedere “calmarsi” i moti e le turbolenze che inizialmente la animano. Così, quando arriverà il momento dell’iniezione (per motori a iniezione diretta) e soprattutto dell’accensione, la miscela sarà più “in quiete” rispetto a un motore tradizionale o Atkinson, e la propagazione del fronte di fiamma sarà meno ottimale, fra l’altro con possibili svantaggi in caso di funzionamento con miscela magra. Per mantenere una buona turbolenza fino al momento dell’accensione, quindi, in un motore a ciclo Budack appare particolarmente opportuno usare, come si dice i progettisti Audi abbiano fatto, speciali accorgimenti riguardanti i condotti di aspirazione e la forma della superficie del pistone. Quest’ultima può inoltre essere progettata in modo tale da favorire una migliore diffusione in aria del carburante iniettato. Insomma, un’efficace progettazione di questi componenti potrebbe rivestire un’importanza anche maggiore rispetto alla modesta (da un punto di vista termodinamico) differenza del ciclo Budack rispetto al ciclo Atkinson-Miller.

Che sia per questo che l’ing. Budack si è fatto fotografare non davanti a una lavagna con disegnato un ciclo Budack, ma con uno speciale pistone del “suo” motore a confronto con uno normale?

 

Ma perché non usare il ciclo Atkinson-Miller? Che bisogno c’era per Volkswagen di inventare questa variante che in pratica mira allo stesso effetto?

Forse per ragioni brevettuali, ma non rispetto agli inventori dei cicli originali Atkinson e Miller, dato che i brevetti per innovazioni industriali hanno una durata massima di 20 anni e tutti e tre i brevetti Atkinson (risalenti al XIX secolo) e quello Miller (del 1957) sono abbondantemente scaduti.

Perché Volkswagen ha usato il ciclo Budack?

Una possibilità è che la decisione sia legata a una questione brevettuale con i concorrenti contemporanei, e che riguardi innanzitutto la combinazione del ciclo Atkinson con un sistema di regolazione della fase apertura valvole. Un motore di questo tipo può passare da un funzionamento Atkinson a un funzionamento Otto a seconda delle esigenze. Quando occorre la massima potenza il motore può essere fatto lavorare a ciclo Otto, sacrificando i consumi. Quando la richiesta di potenza è inferiore e può essere soddisfatta funzionando a ciclo Atkinson, viene scelto quest’ultimo. Altra questione analoga è l’abbinamento di un motore Atkinson con un sistema di sovralimentazione, che aiuta a neutralizzare il calo di potenza specifica connaturato con il ciclo Atkinson. Toyota ha realizzato motori Atkinson dotati di una o entrambe le soluzioni ed è verosimile, anzi probabile, che abbia protetto queste soluzioni con brevetti. Anche General Motors ha ottenuto un brevetto per un motore a doppia sovralimentazione (volumetrico+turbo), ciclo Atkinson e variatore di fase per le valvole.

Introdurre un ciclo termodinamicamente equivalente all’Atkinson, ma sufficientemente diverso da poter essere eventualmente brevettato (inclusa la sua combinazione con variatore di fase e turbocompressore), può essere stato un modo per mettersi al riparo dalla possibile accusa di aver copiato dai concorrenti, per non arricchirli con royalties sui loro brevetti.

Al momento nessuno dei brevetti concessi al progettista Ralf Budack pubblicati sul sito dell’European Patent Office sembra riguardare questo nuovo ciclo per motori a combustione interna, ma è possibile che una richiesta di brevetto sia stata depositata e sia ancora in fase di valutazione, quindi non compaia ancora fra i risultati.

Dove si trova il motore con ciclo Budack?

Il primo motore Volkswagen a implementare il ciclo Budack, combinato con il variatore di fase per le valvole e il turbocompressore, è l’EA888 Generazione 3B da 2 litri, montato sulla VW Tiguan e sulla Audi A4 con motore 2.0 TFSI.

Rispetto al motore EA888 precedente sono stati ridotti gli attriti interni dell’8%. Il rapporto di compressione geometrico è di 11.7:1.

Il sistema di controllo fasatura valvole di questo motore non consente una variazione continua, ma supporta solo 2 modalità, ottenute con un albero a camme in cui per ogni valvola ci sono due camme a profilo diversificato; la selezione di quella da far agire si ottiene facendo scorrere assialmente di qualche millimetro l’albero a camme, grazie a degli attuatori che agiscono su dei binari scavati sull’albero, in modo tale da farlo scorrere assialmente di qualche millimetro in un senso o nell’altro, così da allineare l’uno oppure l’altro set di camme ai bilanceri. Questo preciso riallineamento, quando viene attivato, avviene entro di 1 giro di rotazione dell’albero. Non ci sono vie di mezzo: o il motore funziona in modo “tipo Otto” o in modo “tipo Budack”, a seconda di quale dei due set di camme è allineato con i bilancieri e quindi è in uso.

Per confronto, sui motori Toyota VVT-i un sistema idraulico consente di variare in modo continuo la sola fasatura valvole. Altri sistemi supportano una più sofisticata variazione continua di fase e alzata: fra essi ricordiamo:

il sistema Advanced VTEC brevettato da Honda nel 2005 (grazie a un componente sagomato e mobile, interposto fra camma e bilanciere, nello schema sotto);

  

il BMW Valvetronic, a funzionamento elettromeccanico;

il Fiat-Alfa Romeo Multiair, elettroidraulico.

Il nuovo EA888 3B, pur essendo un 2.0, è stato descritto da Marcel Zirwes (manager, Powertrain Product Management, Volkswagen USA) come un motore che fornisce “una potenza da motore 1.8 litri ma con l’efficienza di un 1.4-1.5 litri”. In particolare, rispetto al precedente motore con ciclo convenzionale, il nuovo sistema assicurerebbe un miglioramento di efficienza dell’8% e un aumento di coppia massima del 20%.

E’ interessante vedere questo motore adottato su una vettura non ibrida quale la Tiguan. Anche se è ragionevole aspettarsi che in futuro venga integrato in modelli ibridi (magari nei “finti ibridi” mild hybrid) del gruppo Volkswagen, si ha l’impressione che nella strategia della Casa questo tipo di motore serva piuttosto come alternativa strategica al motore Diesel: quasi altrettanto efficiente, eppure a benzina.

3 COMMENTI

  1. Bell’articolo. Esaustivo come sempre. Sulla via della ricerca dell’efficenza ed elasticità d’utilizzo, che ne pensi dell’interpretazione dell’HCCI da parte di Mazda con il suo Skyactive-x?

    Complimenti di nuovo.

  2. Siete cascato nella trapola VAG che sa fare parlare di se! il ciclo Atkinson e il ciclo Miller non sono la stessa cosa ! Il ciclo Atkinson é quello da voi descritto e si po usare nei motori aspirati, il ciclo Miller invece é fatto per motori sovraallimentati (come Mazda) e lavora in grosso modo come la invenzione (!!!) VAG…chiude le valvole di aspirazioni primo del punto morto.

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