Archivio per gennaio 2011

ALFA ROMEO – IL MOTORE MODULARE

ALFA ROMEO – IL MOTORE MODULARE

“Fra i vari problemi che ancora oggi affliggono i motori ad accensione comandata (ciclo otto), ve n’è uno particolarmente importante che riguarda il rendimento del motore, cioè la sua capacità di trasformare in lavoro meccanico una percentuale il più possibile elevata dell’energia calorifica potenzialmente disponibile nel carburante.
Infatti, durante la normale marcia su strada il rendimento del motore di un qualsiasi veicolo non è mai costante ed il suo valore si modifica moltissimo e rapidamente (in funzione del regime e dell’apertura della farfalla) raggiungendo in genere il massimo solo in condizioni di piena ammissione (farfalla tutta aperta) e all’incirca attorno al regime di coppia massima.

Statisticamente però le condizioni di piena ammissione (con riferimento all’uso medio della vettura, specie se di cilindrata medio-alta) si verificano con frequenza nettamente inferiore rispetto al funzionamento ai carichi medi e medio-bassi (farfalla semi aperta – traffico urbano e suburbano).
Ne deriva che nella maggior parte dei casi i motori delle nostre auto funzionano con rendimenti molto bassi.
A riprova di quanto affermato possiamo osservare l’andamento generale dei consumi specifici di un motore a 4 tempi: essi variano fra un minimo di 180 g/cvh in condizioni di piena ammissione ed attorno al regime di coppia massima e massimi di 300-500 g/cvh nelle altre situazioni.

Le cause di questo fenomeno sono da ricercarsi soprattutto nel fatto che attualmente la potenza del propulsore viene regolata dal pilota parzializzando la quantità di aria aspirata per ogni ciclo, cosa che genera una depressione a monte della valvola di aspirazione in grado di consumare parte dell’energia necessaria per l’immissione nella carica di miscela nel cilindro.
Si ha così una forte dissipazione che per le basse produzioni di potenza penalizza molto il rendimento.
Va aggiunto che la bassa densità della miscela immessa nel cilindro ai carichi medio-bassi e bassi ostacola la rapida e regolare propagazione della combustione (fronte di fiamma), con conseguente ulteriore dissipazione di energia sotto forma di energia termica.

A questo punto è chiaro che se si riuscisse ad ottimizzare il rendimento del motore nelle diverse situazioni di marcia si arriverebbe automaticamente ad una grossa riduzione dei consumi senza penalizzare le prestazioni della vettura.
Proprio in quest’ottica l’Alfa Romeo ha recentemente sviluppato, nell’ambito delle ricerche finanziate dal CNR, un motore che abbinando fra loro i concetti di sovralimentazione e modularizzazione è in grado se non di risolvere perlomeno di contenere i termini del problema.
Il costo di questo programma di ricerca, supportato all’80% da finanziamento pubblico, ammonta a circa 3 miliardi di lire.

Prima di descrivere l’ultima versione del motore, che è da ritenersi definitiva per quanto riguarda sia l’architettura sia la logica di funzionamento e di controllo, vediamo assieme cosa si intende per “Modularizzazione” e quali sono state le fasi propedeutiche dell’attività di ricerca (alcune svolte dall’Alfa Romeo per proprio conto) che hanno portato a questo tipo di scelta.

La regolazione per la modularizzazione consiste sostanzialmente nel vincolare il numero di cicli attivi prodotti nell’unità di tempo dal motore alla richiesta di potenza da parte del pilota.
Per ottenere ciò ai bassi carichi si opera una diminuzione del numero dei cilindri attivi del motore agendo sull’alimentazione, che viene esclusa in alcuni dei cilindri stessi.
Ciò permette di far lavorare agli altri con carichi medio-alti ottimizzandone di conseguenza lo riempimento e migliorandone la combustione.
Il loro rendimento risulta così aumentato. I vantaggi derivanti dalla modularizzazione si avvertono soprattutto ai bassi carichi, nonostante un’intrinseca diminuzione del rendimento meccanico del sistema dovuta ai cilindri inattivi che sono trascinati dagli altri.

Nel 1981 fu allestita una flotta sperimentale di dieci taxi che svolsero regolare servizio pubblico nella città di Milano.

La vettura impiegata era l’Alfetta 2000 e la modularizzazione era ottenuta escludendo di volta in volta due cilindri.
Il motore, aspirato, aveva un rapporto di compressione (R.C.) 9 e camere di combustione emisferiche.
Successivamente, sempre sullo stesso tipo di motore, furono analizzate e provate varie soluzioni di modularizzazione e di parcellizzazione del combustibile; al fine di valutare l’influenza del rapporto di compressione su consumi, emissioni allo scarico e prestazioni e per pervenire ad un adeguato software di regolazione e controllo.
Questa ricerca inoltre permise la scelta dei sensori e degli attuatori più idonei (a minima inerzia di risposta) e la verifica delle diverse combinazioni di funzionamento dei cilindri.

Nel frattempo furono avviate anche le sperimentazioni sul motore a 6 cilindri a V (2500 Alfetta GTV) e fu allestito un prototipo funzionante su vettura caratterizzato da alimentazione aspirata su entrambe le bancate e da un alto rapporto di compressione (R.C. 13).

Per pervenire ad una scelta ottimale della camera di combustione, si allestirono e provarono anche motori prototipo dotati di camere tipo Heron (R.C. 13) ed emisferiche (R.C. 12).
La soluzione con camera di combustione tipo Heron diede luogo però a fenomeni di detonazione alle alte velocità (causate da insufficiente smaltimento del calore prodotto durante la fase di scoppio) che portavano a principi di grippaggio.

Il ridisegno della camera e della testa del pistone, non che l’ottimizzazione del flusso del liquido di raffreddamento, permisero di eliminare, almeno in buona parte, tali inconvenienti, ma la scelta finale cadde comunque sulla camera di combustione di tipo emisferico, per la quale furono effettuate, dapprima al freno dinamometrico e poi su vettura, tutte le prove necessarie alle completa definizione delle principali grandezze motoristiche (rapporto aria/combustibile, anticipo di accensione, ecc.) e dell’algoritmo che sovrintende alla logica modulare (zone di funzionamento a 3 o 6 cilindri attivi e transitori).

Si arrivò così alla definizione dell’ultima versione del motore, per il cui prototipo definitivo ci si è avvalsi del motore 6V 2500cc dell’Alfa 90.

L’allestimento prevede che le due bancate di tre cilindri siano così realizzate:

-la bancata sinistra (cilindri 4-5-6) è aspirata, ad alto rapporto di compressione (R.C. 12) ed è destinata al funzionamento continuativo. L’alto rapporto di compressione consente un notevole risparmio di combustibile alle velocità medie e basse ed in particolare nell’impiego cittadino;

-la bancata destra (cilindri 1-2-3) è invece sovralimentata (R.C. 8,3) ed è caratterizzata da funzionamento intermittente.

In evidenza, nella vista dall’alto, la centralina elettronica con le sue due schede di logica e di potenza.

La vista frontale è dominata dalla presenza dello scambiatore di calore. Sulla bancata destra (osservando appunto frontalmente) il turbocompressore….

… che vediamo meglio qui. Notare in questo trio di foto la notevole compattezza del propulsore, disturbata solo da turbo e spinterogeno.

La bancata sovralimentata, inattiva e trascinata ai carichi parziali, entra in funzione per la richiesta di alte prestazioni, quando i valori combinati dell’angolo di apertura della farfalla e del numero di giri (letti ed integrati da una centralina elettronica) superano il limite massimo previsto per il funzionamento con i soli tre cilindri ad aspirazione naturale.
Essa permette di aumentare la potenza massima disponibile fino a 192 cv a 5800 giri/minuto (contro i 160 cv della versione base) e coppia massima a 26 kgm a 4500 giri/minuto.
Inoltre tale bancata è alimentata in maniera costante per mezzo di un turbocompressore Garrett T2 azionato dai gas di scarico della bancata aspirata, dotata, allo scopo, di un collettore di scarico progettato in modo da massimizzare il rendimento della turbina.
Al raffreddamento dell’aria uscente dal turbo provvede uno scambiatore di calore di tipo aria/aria.

Da un punto di vista alimentazione ed accensione le due bancate sono completamente indipendenti: i circuiti di alimentazione del combustibile e dell’aria sono infatti separati, come pure la regolazione e la gestione dell’anticipo di accensione e dell’iniezione di combustibile.
Esse risultano, pertanto, costantemente alimentate in modo ottimale, ricevendo la quantità di benzina strettamente necessaria al momento e dispongono anche del correttore dell’angolo di anticipo.
Il sistema di controllo elettronico, basato su di un microprocessore Intel 8051 dotato di banchi di memoria da 8Kbytes, sovrintende all’apertura delle valvole a farfalla, all’avviamento ed al mantenimento di un regime costante per il funzionamento al minimo.
Inoltre il sistema governa e gestisce le zone di funzionamento a 3 ed a 6 cilindri attivi.

Per quanto riguarda i transitori che, come noto, sono i più difficili da gestire, il prototipo presentava problemi di guidabilità rispetto alla vettura di serie soprattutto nel passaggio da 3 a 6 cilindri.
Furono studiate numerose soluzioni per assicurare l’attivazione e la disattivazione progressive della bancata destra, fra le quali meritano di essere ricordate quelle basate sulla riduzione dell’anticipo di accensione della bancata sovralimentata e sull’apertura della valvola waste-gate del compressore.
La soluzione decisiva fu comunque individuata nella separazione dei gruppi di aspirazione delle due bancate mediante l’adozione di un sistema a tre farfalle (una per cilindro) per quella aspirata ed un sistema monofarfalla per quella sovralimentata.
Il monofarfalla è poi azionato da un motorino passo-passo gestito dal sistema di regolazione centrale e tutto il sistema nel suo complesso consente di eliminare quasi completamente i disturbi di guidabilità nei transitori e di realizzare un’ulteriore riduzione dei consumi poiché, mantenendo tutto aperto il monofarfalla, diminuiscono le perdite di pompaggio nella bancata trascinata.

Le prove su vettura, come constatato anche da chi scrive, hanno dato risultati più che soddisfacenti ed il passaggio da 3 a 6 cilindri e viceversa, non dà luogo a vibrazioni di particolare intensità, né a problemi di guidabilità.
La riduzione dei consumi inoltre sta confermando i risultato delle prime sperimentazioni al banco e le ipotesi di progetto.
Può essere indicativo notare che con funzionamento a 3 cilindri aspirati si è raggiunta una velocità di 162 km/h.

Inoltre la riduzione dei consumi, valutata sul ciclo Europa Ece 15, risulta del 34% circa rispetto al normale motore di serie (6 cilindri aspirati con R.C. 9).

La modularizzazione rappresenta quindi, soprattutto per le vetture del segmento altro dell’attuale gamma, una soluzione di grande interesse e validità al fine di consentire un impiego cittadino con consumi contenuti, senza rinunciare al comfort ed alle prestazioni proprie delle vetture di questa classe.”

SCHEMA DI FUNZIONAMENTO

“Per capire meglio il principio di funzionamento di questo motore ricorriamo ad uno schema esemplificativo.

Su tutti i motori a 4 tempi la potenza erogata è controllabile dal pilota mediante l’acceleratore, parzializzando il condotto di aspirazione dei vari cilindri.
Tutti però lavorano congiuntamente e pertanto forniscono la stessa potenza unitaria che, moltiplicata per il numero dei cilindri stessi, da appunto la potenza totale richiesta dal guidatore.
Ciò però provoca gli inconvenienti già descritti sopra.

Nel motore Alfa Romeo, invece, finchè il pilota chiede poca potenza questa viene fornita dalla bancata di sinistra i cui cilindri pertanto lavorano sempre in condizioni di parzializzazione ridotta e di conseguenza con buoni rendimenti.
La bancata destra invece resta inattiva perchè non riceve carburante (i suoi organi meccanici però si muovono in quanto solidali con l’albero motore).
Quando la potenza richiesta dal pilota supera un certo valore il computer inizia ad alimentare anche la bancata destra che, da quel momento, comincia a produrre lavoro. Il suo funzionamento pertanto non è continuativo ed il fatto che sia sovralimentata dal turbocompressore azionato dai gas di scarico della bancata opposta (essa pertanto non risente di contropressioni allo scarico) gli permette di raggiungere elevati livelli di potenza specifica.

Va precisato che lo schema qui sopra riportato è riferito ad una delle prime versioni del motore e come si può notare la parzializzazione dell’aspirazione era ottenuta tramite due farfalle, una per ogni bancata.
Successivamente tale soluzione è stata modificata e per la bancata aspirata si è fatto ricorso ad un gruppo di tre farfalle (una per ogni cilindro) poste a monte dei collettori di aspirazione. Inoltre, l’aria uscente dal turbo prima di essere avviata ai cilindri viene raffreddata da uno scambiatore di calore.
In pratica una vettura dotata di questo motore è come se fosse equipaggiata con due motori a tre cilindri, uno dei quali interviene solo quando necessario.”

IL SISTEMA NERVOSO DEL MODULARE

“Vediamo ora in questo schema l’insieme dei sensori e degli attuatori che presiedono e controllano il funzionamento del modulare.

A sinistra sono stati raggruppati i sensori, alcuni dei quali sono sdoppiati, in modo che i punti di controllo delle due bancate risultino indipendenti fra loro.

Sensore giri e fase motore: permette al computer di bordo di conoscere istantaneamente il regime di rotazione e, grazie al segnale fornito dal sensore di inizio ciclo motore, la posizione istantanea dell’albero motore e di conseguenza quella di tutti gli organi meccanici ad esso collegati.

Sensore angolo farfalla: ogni bancata ne utilizza uno; il computer attraverso di essi può rilevare la posizione delle farfalle. Tale dato, insieme ai valori della pressione e della temperatura aria, viene poi utilizzato per individuare in modo preciso la quantità di aria aspirata nei cilindri e di conseguenza la quantità di carburante da iniettare in ciascun cilindro.

Sensori pressione assoluta: leggono la pressione nei condotti di aspirazione di ciascuna bancata e quello relativo alla bancata sovralimentata controlla la waste-gate.

Sensori di temperatura aria: permettono di rilevare la temperatura dell’aria in prossimità dei collettori di aspirazione a monte degli iniettori.

Sensore di temperatura acqua di raffreddamento: la sua funzione è basilare durante il periodo di riscaldamento del motore per il controllo del regime di minimo.

Sensore di detonazione: montato sulla bancata sovralimentata provvede a variare l’anticipo nel caso insorgessero fenomeni di detonazioni e nei casi più gravi concorre all’azionamento della waste-gate.

Sensori di posizione acceleratore: permette al computer di valutare la richiesta di potenza effettuta dal pilota e quindi di decidere se alimentare o meno la seconda bancata”.

Fine.

Immagini e info di testo da Automobilismo – 1986 – Lionello Negri

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