In un panorama automobilistico sempre più orientato verso l’elettrificazione, Porsche sorprende con un’audace innovazione: un motore a combustione interna a 6 tempi. Questa tecnologia, ancora in fase di sviluppo, promette di ridefinire i limiti dei motori termici, offrendo un’alternativa più efficiente e sostenibile.
Indice
L’evoluzione del motore a combustione interna
Per comprendere l’importanza di questa innovazione, è utile ripercorrere brevemente l’evoluzione del motore a combustione interna. Dai primi motori a 2 tempi, semplici ma inefficienti e inquinanti, si è passati ai motori a 4 tempi, che hanno dominato il mercato per oltre un secolo grazie alla loro maggiore efficienza e alla riduzione delle emissioni.
Tuttavia, anche i motori a 4 tempi presentano limiti intrinseci:
- perdita di energia termica attraverso i gas di scarico: nei motori a 4 tempi, una parte significativa dell’energia generata dalla combustione viene dispersa attraverso i gas di scarico caldi. Questa perdita rappresenta un’inefficienza intrinseca del ciclo termodinamico, limitando il rendimento complessivo del motore;
- difficoltà di ottimizzare il rapporto di compressione: parametro cruciale che influenza l’efficienza e le prestazioni di un motore. Tuttavia, trovare un rapporto di compressione ottimale per tutte le condizioni di funzionamento è una sfida. Un rapporto di compressione elevato favorisce l’efficienza a pieno carico, ma può portare a fenomeni di detonazione (battito in testa) a bassi carichi. Viceversa, un rapporto di compressione basso limita il rischio di detonazione ma riduce l’efficienza a pieno carico.
Per superare questi limiti, l’industria ha esplorato diverse soluzioni, come:
- motori a ciclo Atkinson: utilizzano una fasatura delle valvole particolare per ritardare la chiusura della valvola di aspirazione durante la fase di compressione. Questo riduce il rapporto di compressione effettivo, limitando il rischio di detonazione e migliorando l’efficienza a bassi carichi. Tuttavia, i motori Atkinson tendono ad avere una potenza specifica inferiore rispetto ai motori a ciclo Otto convenzionali;
- sistemi di recupero dell’energia termica: catturano una parte del calore disperso attraverso i gas di scarico e lo convertono in energia elettrica o meccanica utilizzabile. Sebbene promettenti, questi sistemi aggiungono complessità e costi al veicolo, e la loro efficienza è ancora limitata;
- ibridazione: combina un motore a combustione interna con uno o più motori elettrici, consentendo di recuperare l’energia in frenata e di utilizzare il motore elettrico per assistere quello termico nelle fasi di accelerazione o a bassi carichi. L’ibridazione offre vantaggi significativi in termini di efficienza e riduzione delle emissioni, ma aumenta la complessità e il costo del veicolo.
La tecnologia del motore a 6 tempi di Porsche
Porsche, da sempre all’avanguardia nell’ingegneria motoristica, si spinge oltre con un motore a 6 tempi rivoluzionario. Il cuore di questa innovazione è un albero motore unico, progettato con un complesso sistema di ingranaggi epicicloidali che gli permette di ruotare su due cerchi concentrici.
Questo design introduce due fasi extra nel ciclo di combustione: una seconda compressione e una seconda espansione. Il pistone compie due corse complete per ogni ciclo, massimizzando l’utilizzo dell’energia prodotta.
I 6 cicli della combustione
Il processo si divide in due sequenze distinte:
fase attiva, ricalca il funzionamento di un tradizionale motore a 4 tempi, generando la potenza motrice:
- aspirazione: la miscela aria-carburante viene aspirata nel cilindro attraverso la valvola di aspirazione aperta;
- compressione: il pistone si muove verso l’alto, comprimendo la miscela aria-carburante e aumentando la sua temperatura e pressione;
- espansione: la candela innesca la combustione della miscela compressa, generando un’espansione rapida dei gas che spinge il pistone verso il basso, producendo lavoro utile.
fase di recupero termico, rappresenta l’innovazione, focalizzata sul recupero dell’energia termica normalmente dispersa nei gas di scarico:
- compressione: dopo la prima espansione, i gas di scarico, ancora caldi, vengono ulteriormente compressi da un secondo movimento del pistone verso l’alto. Questa compressione aumenta ulteriormente la loro temperatura e pressione;
- iniezione e espansione: una seconda iniezione di carburante (o aria, a seconda della strategia adottata) viene introdotta nel cilindro. La miscela si incendia nuovamente, sfruttando il calore residuo dei gas di scarico compressi, generando una seconda espansione e quindi un ulteriore lavoro utile sul pistone;
- scarico: infine, i gas di scarico, ormai a bassa pressione e temperatura, vengono espulsi dal cilindro attraverso la valvola di scarico aperta.
Vantaggi potenziali
I benefici di questa rivoluzionaria architettura motoristica sono molteplici e potrebbero rappresentare un punto di svolta nel panorama dell’automotive:
- efficienza termica migliorata: il recupero dell’energia termica dei gas di scarico aumenta l’efficienza complessiva, riducendo consumi ed emissioni. Si stima un aumento fino al 50% rispetto a un motore a 4 tempi equivalente;
- maggiore potenza e coppia: la seconda fase di espansione contribuisce ad aumentare la potenza e la coppia erogate dal motore rispetto a un equivalente 4 tempi, offrendo prestazioni più elevate senza necessariamente aumentare la cilindrata;
- rapporto di compressione variabile: il design unico dell’albero motore potrebbe consentire di variare il rapporto di compressione, ottimizzando il funzionamento del motore in diverse condizioni e migliorando ulteriormente l’efficienza. Questa flessibilità consentirebbe al motore di adattarsi a diverse esigenze di guida, offrendo prestazioni elevate quando richieste e consumi ridotti in condizioni di marcia tranquilla;
- riduzione delle emissioni inquinanti: oltre alla CO2, la combustione più efficiente e completa potrebbe portare a una riduzione significativa di altri inquinanti come gli ossidi di azoto (NOx) e il particolato (PM), contribuendo a migliorare la qualità dell’aria.
Sfide tecnologiche e soluzioni innovative
Nonostante le promettenti prospettive, il motore a 6 tempi dovrà affrontare diverse sfide prima di poter raggiungere la produzione di serie:
- complessità meccanica e costi: l’albero motore a due cerchi e il sistema di ingranaggi rappresentano una sfida ingegneristica. Porsche sta investendo in ricerca e sviluppo per semplificare il design e ottimizzare i processi produttivi, ad esempio attraverso l’utilizzo di tecnologie di produzione avanzate come la stampa 3D di componenti chiave;
- peso e ingombro: il sistema di ingranaggi potrebbe aumentare peso e ingombro. Porsche sta esplorando l’utilizzo di materiali leggeri e ad alta resistenza, come leghe di alluminio e magnesio, per ridurre il peso complessivo del motore. Inoltre, un design compatto e ottimizzato consentirà di integrare il motore a 6 tempi nei veicoli senza compromettere lo spazio a bordo e la distribuzione dei pesi;
- gestione termica: la seconda compressione genera temperature elevate, richiedendo materiali resistenti e sistemi di raffreddamento avanzati. Porsche sta sviluppando soluzioni innovative per la gestione termica, come l’utilizzo di rivestimenti ceramici per i componenti critici e sistemi di raffreddamento a liquido ad alta efficienza;
- sviluppo e ottimizzazione: il motore è ancora in fase di sviluppo e richiede ulteriori test e ottimizzazioni. Sarà necessario affinare iniezione, accensione, scarico e sviluppare un sistema di controllo elettronico sofisticato. L’intelligenza artificiale e l’apprendimento automatico potrebbero giocare un ruolo chiave nell’ottimizzazione del motore, consentendo di adattare il suo funzionamento in tempo reale alle diverse condizioni di guida e alle esigenze del conducente.
