Il motore termico delle auto ibride: Otto, Atkinson o Miller?

Quali sono le differenze e come funziona il motore termico delle auto ibride, proviamo con questo approfondimento a spiegare termini e differenze tra Otto, Atkinson e Miller

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Nelle scorse settimane abbiamo dato la notizia del rientro di Honda nelle auto ibride con il nuovo crossover CR-V, un lettore nei commenti ci ha chiesto se il motore termico adottasse il ciclo Miller al posto di quello Atkinson. Abbiamo così pensato di fare questo approfondimento per mettere alla luce le differenze e spiegare il funzionamento.

Quale motore adottano le auto ibride

Iniziamo col dire che nelle auto ibride con motore termico a benzina (sono assai rare le diesel, ma ci sono) quest’ultimo funziona secondo un ciclo termodinamico diverso dall’abituale ciclo Otto usato da tutti i normali motori a benzina (qui trovate una spiegazione dei diversi schemi adottati dai costruttori). Questo per almeno un paio di motivi.

In primo luogo perché la priorità assoluta sulle ibride è la riduzione dei consumi, perciò il rendimento tipico del ciclo Otto, assai inferiore a quello del ciclo Diesel, vanificherebbe in parte i vantaggi offerti dalla componente ibrida: il risultato finale non potrebbe offrire prestazioni eclatanti in termini di efficienza energetica.

In secondo luogo perché il motore elettrico per le sue caratteristiche di erogazione di coppia può svolgere un ruolo per certi versi complementare di quello del motore termico, quindi quest’ultimo può anche non essere eccessivamente ottimizzato per coppia a basso regime e potenza: le sue intrinseche lacune saranno parzialmente colmate e nascoste dall’intervento del “collega” elettrico. Quindi niente turbocompressore, overboost, etc. per rinforzare la coppia a bassi regimi e niente potenze specifiche elevate per elevare le prestazioni assolute.

La ricerca di rendimenti migliori a discapito della potenza colmata dall’elettrico

Perciò si è adottato un ciclo in cui grazie a particolari accorgimenti il rapporto di espansione è agli effetti pratici maggiore del rapporto di compressione; questo, pur di essere disposti a rinunciare a una elevata potenza specifica, consente di raggiungere rendimenti termodinamici che sfiorano il 40% (valore tipicamente indicato sia da Toyota sia da Hyundai), quindi a un livello paragonabile se non leggermente migliore di quello tipico di un Diesel.

Infatti più prolungata è la fase di espansione più lavoro meccanico si riesce ad estrarre dai gas caldi. In un normale motore aspirato a ciclo Otto, in regime di piena ammissione, al termine della fase di espansione (quando sta per aprirsi la valvola di scarico) i gas hanno ancora una pressione di diverse atmosfere, superiore alla pressione esterna, quindi c’è una quota di lavoro meccanico sprecato che invece avrebbe potuto ancora essere ricavata dalla loro pressione se solo la fase di espansione avesse potuto durare più a lungo (ma non poteva, perchè il pistone era già giunto al punto morto inferiore).

Abitualmente ci si riferisce a questo tipo di ciclo con il nome di “ciclo Atkinson” ma questa dizione in realtà non è rigorosamente esatta. Vediamo perchè.

Come funziona il ciclo Otto sui motori a benzina

Per riferimento vediamo innanzitutto come funziona il ciclo Otto ideale, che approssimativamente seguono i comuni motori a benzina (fonte Wikipedia):



0-1: aspirazione miscela a pressione costante (atmosferica o con sovralimentazione; valvole di ammissione aperte)

1-2: compressione adiabatica, ossia senza scambio di calore con l’esterno (valvole chiuse)

2-3: riscaldamento a volume costante (nella realtà corrisponde al rapido riscaldamento della miscela conseguente alla combustione innescata dalla candela quando il pistone si trova in prossimità del punto morto superiore e le valvole sono chiuse)

3-4: espansione adiabatica, ossia senza scambio di calore con l’esterno

4-1: cessione di calore (con conseguente calo di pressione) a volume costante (nella realtà approssimato dallo sfogo libero e rapido della sovrappressione dei gas caldi quando il pistone si trova in prossimità del punto morto inferiore e si apre la valvola di scarico)

1-0: espulsione forzata dei gas di scarico a pressione costante (durante la risalita del pistone con valvole di scarico aperte)

Il rapporto di compressione è geometricamente uguale al rapporto di espansione per come sono costruiti i manovellismi che guidano il pistone.

Come funziona il ciclo Atkinson

Il ciclo Atkinson, secondo i primi due brevetti depositati negli USA dall’inventore britannico nel 1882 (“Differential Engine”, con due pistoni contrapposti) e nel 1887 (“Cycle Engine” con singolo pistone), prevedeva accorgimenti cinematici particolari per far variare il volume della camera di combustione in modo meno regolare e simmetrico rispetto al consueto ciclo Otto.

Nel “Differential Engine” la camera di combustione era compresa fra due pistoni contrapposti azionati da dei manovellismi asimmetrici infulcrati su uno stesso rotore. Le leggi di moto dei due pistoni erano congegnate in modo tale da produrre, per il volume della camera di combustione, il necessario andamento nel tempo, così da ottenere rapporti di compressione e di espansione diversi. Basta però un’occhiata per rendersi conto che si trattava di un motore complicato e delicato da costruire e da mettere a punto.

(animazione: fonte Wikipedia)



Un po’ più semplice e più simile a motori convenzionali era il “Cycle Engine“, con 1 solo pistone per cilindro, però anziché una semplice biella impegnata su albero a gomiti, un ingegnoso insieme di leveraggi faceva sì che il pistone compisse tutti e quattro i tempi a ogni singolo giro di albero motore (mentre nel ciclo Otto a quattro tempi ciò richiede 2 giri completi di albero motore). Inoltre il pistone si spostava di distanze diverse nei 4 tempi del ciclo (mentre nel ciclo Otto si muove sempre della stessa distanza, la “corsa”).

(animazione: fonte Wikipedia)

Costruttivamente semplificato ma ancora complicato, difficile da bilanciare e inadatto a motori ad alto regime di rotazione, il “Cycle Engine” fu seguito nel 1892 da un terzo brevetto, sempre di Atkinson, per il cosiddetto “Utilite Engine” completamente ripensato dal punto di vista meccanico (i manovellismi complessi spariscono e resta una singola normalissima biella), ma sempre orientato ad approssimare lo stesso ciclo termodinamico.

In questo modello l’effetto saliente del ciclo Atkinson (fase di espansione più lunga di quella di compressione) si otteneva con cinematismi “normali”, assai simili a quelli di un semplice e leggero motore a due tempi (quindi con 1 fase utile ad ogni giro dell’albero motore), ma con posizionamento e azionamento delle valvole fatti in modo particolare.

(schema: fonte Wikipedia)

In sostanza, Atkinson ha innanzitutto proposto un particolare ciclo termodinamico ad alta efficienza il cui diagramma sul piano pressione-volume assomiglia a un ciclo Otto che sia stato “stirato” lungo l’asse dei volumi, a causa dell’aumento della fase di espansione e dell’aggiunta di una fase di compressione “sprecata” a pressione costante. L’estrazione di maggior lavoro nella fase di espansione, fin quasi a portare i gas al livello della pressione atmosferica (in tal caso il tratto 5-6 si ridurrebbe a un punto) converte in lavoro utile una maggior quantità di calore altrimenti sprecato, il che porta con sè il desiderato aumento del rendimento termodinamico.

(diagramma: fonte Wikipedia)



Poi, nei successivi 10 anni, Atkinson ha proposto ben 3 strutture meccaniche, completamente diverse tra loro, pensate per implementare il suddetto ciclo: la prima con manovellismi complessi e 2 pistoni contrapposti per cilindro; la seconda con manovellismi analoghi ma un singolo pistone per cilindro; la terza con normale biella e albero a gomiti, simile a un motore a due tempi e (come nel motore a due tempi) un ciclo completo a ogni rotazione dell’albero motore, ma con le posizioni delle luci di ammissione e scarico – e le temporizzazioni delle valvole ausiliarie – scelte in modo tale da dare luogo a fasi di compressione ed espansione che approssimano durate differenziate come prescritto dal ciclo Atkinson.

L’arrivo di Miller negli anni 50 e il suo brevetto

E qui, 65 anni dopo, entra in scena Miller, il quale nel suo brevetto del 1957 propone una modifica ai motori convenzionali a due o quattro tempi, Otto o Diesel (ma sovralimentati con turbocompressore e intercooler) per avere un rapporto di compressione variabile grazie a una apposita valvola che consente a una quantità più o meno grande di miscela di sfuggire alla fase di compressione; a pieno carico si userà un rapporto di compressione intenzionalmente ridotto rispetto a quello geometrico grazie al pieno intervento della valvola; il rapporto di espansione invece rimane sempre fisso ed è quello geometrico; in questo modo si può variare il rapporto.. tra i rapporti di compressione ed espansione, privilegiando quest’ultimo quando è opportuno, in base alle stesse considerazioni termodinamiche che sono alla base del ciclo Atkinson; i modelli proposti da quest’ultimo però erano più rigidi, non consentendo di variare il rapporto tra le durate delle fasi di compressione ed espansione.

Come sono concepiti i motori moderni per le auto ibride

Le moderne unità termiche impiegate negli schemi ibridi riprendono la filosofia termodinamica del ciclo Atkinson e per implementarla si ispirano all’espediente di Miller della valvola di regolazione della compressione, ma con una soluzione più semplice: anzichè aggiungere valvole by-pass di sfiato, semplicemente si utilizzano sistemi per variare i periodi di azionamento delle valvole di cui il motore è già provvisto; in particolare di quella di aspirazione.

Infatti, chiudendo poco o molto più tardi del normale la valvola di aspirazione si fa “salire a vuoto” per un certo tratto più o meno lungo il pistone, che in tale fase (una sorta di “quinto tempo” in un motore altrimenti a quattro tempi) non fa altro che ripompare indietro miscela fresca nei condotti di aspirazione, e si fa iniziare più tardi la fase di compressione, quando sarà finalmente chiusa la valvola di aspirazione. Invece la fase di espansione sarà sempre fatta eseguire a durata completa. Così facendo il rapporto tra le durate (e i rapporti) di compressione e di espansione potrà essere variato semplicemente variando l’istante di chiusura della valvola di aspirazione.

In conclusione, le unità termiche dei motori ibridi attuali pur approssimando a livello termodinamico il ciclo Atkinson, meccanicamente non sono a rigore nè motori Atkinson nè motori Miller.

Non sono motori come quelli ideati da Atkinson, in quanto sono a quattro tempi (a differenza dello “Utilite Engine”), hanno 1 solo pistone per cilindro (a differenza del “Differential Engine”), hanno una normale biella e non manovellismi complicati (a differenza di “Differential Engine” e “Cycle Engine”).

Non sono però nemmeno motori come quello concepito da Miller, in quanto non vi è una apposita valvola di controllo della compressione, ma solo una sofisticata regolazione in tempo reale della fase della normale valvola di ammissione; nè vi è il turbocompressore con intercooler, ma si tratta sempre di motori aspirati (almeno negli esempi visti finora).

Cosa li distingue da un tradizionale motore a ciclo Otto

In fondo quindi si tratta di motori meccanicamente quasi indistinguibili da un aspirato a ciclo Otto a quattro tempi, ma provvisti di un sistema di variazione fase valvole (cosa diffusissima sui motori Otto) sfruttato soprattutto per gestire la temporizzazione della valvola di aspirazione in modo tale da “sprecare” parte della fase di compressione (come nel motore Miller) ed avvicinarsi termodinamicamente il più possibile al ciclo Atkinson ideale, cercando di arrivare ad avere gas di scarico che al termine della fase di espansione abbiano già raggiunto una pressione uguale a quella atmosferica.

Non a caso qualcuno fa riferimento a questo ciclo chiamandolo “Atkinson-Miller“, anche se è più diffusa l’abitudine di chiamarlo per brevità semplicemente “Atkinson”. Ai posteri l’ardua sentenza… anche se la semplificazione delle elettriche ci fa propendere, nei prossimi anni, a un passaggio diretto e sempre più spinto verso il full electric, che ci farà superare ben presto i complicati meccanismi dei motori termici.

1 COMMENTO

  1. Bell’articolo, bravo Marco. Perché non parlare del ciclo Budack adottato ultimamente da VW sul 2.0? Sarebbe attinente.

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