Il segreto della Ferrari e Mercedes è l’ HCCI?

Pubblicato il autore: Gianluca_Rizzo Segui

Sono voci che ormai girano con insistenza da diverso tempo all’interno del paddock di Formula1, il segreto della Mercedes prima e della Ferrari poi sembra essere l’ HCCI. Ma cos’è e come funziona? Scopriamolo insieme
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L’ HCCI è l’acronimo di Homogeneous Charge Compression Ignition, cioè accensione per compressione di una carica omogenea.

La Mercedes ha iniziato i lavori di sviluppo su questo tipo di combustione ormai da diversi anni. Risale al 2007 la presentazione del primo prototipo al salone di Francoforte motorizzato con un sistema chiamato DiesOtto, che si basa sul sistema di funzionamento HCCI. Con l’avvento del sistema ibrido e del turbo compressore è stato possibile applicare questo tipo di tecnologia alla Formula 1.

La Ferrari sembra essere arrivata all’introduzione di questo sistema solo quest’anno, quindi con un grosso ritardo rispetto alla concorrenza che ne giustifica ancora il non perfetto funzionamento.

Il motore HCCI può essere definito un ibrido tra il classico motore Diesel (ad accensione spontanea) e il motore a benzina (ad accensione controllata). Il sistema HCCI unisce gli aspetti positivi di questi due tipi di motori con grossi vantaggi, ma altrettante difficoltà.

I motori Diesel, si basano sull’aumento della pressione nella camera di combustione per avviare l’accensione della miscela, utilizzano un combustibile poco volatile senza avere premiscelamento come avviene invece per i motori a benzina; il processo di combustione nel caso del motore Diesel è prevalentemente diffusivo.

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Questa tipologia di motori è caratterizzata da un alto rendimento, e al contrario dei motori a benzina, risente meno delle perdite di efficienza nei carichi parziali.

Il sistema HCCI si basa sul concetto di aumento della pressione nella camera di combustione per generare l’auto-accensione della miscela, utilizzando però una miscela omogenea di aria e combustibile come avviene nei motori ad accensione controllata. Tale miscela però è spostata verso valori di magro, cioè più aria che combustibile, questo permette temperature di esercizio più basse.

All’interno della camera di combustione è introdotta una miscela di aria e combustibile, che compressa dal movimento del pistone, genera una trasformazione termodinamica provocando un aumento di temperatura. Per funzionare bene questo sistema richiede rapporti di compressione molto elevati, e come per il motore diesel il rendimento nei carichi medio/bassi è maggiore rispetto al sistema con accensione a candela. L’accensione della miscela avviene in una regione molto ampia della camera di combustione coinvolgendo una grossa quantità di carica; questo però genera picchi di pressione con sollecitazioni che impediscono al motore di poter lavorare ad alti carichi. Nella fase di scarico dei gas combusti, la valvola di scarico si chiude prima che tutti i gas siano evacuati, intrappolando una parte di calore latente; questo sarà poi utilizzato insieme a una piccola quantità di carburante per una pre-carica, che aiuta nel controllo della temperatura di combustione.

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Ci sono però grossi problemi nell’utilizzo di questo tipo di combustione, come già visto le sollecitazioni meccaniche sono molto forti; queste causano anche forti vibrazioni (problema avuto gli scorsi anni da Mercedes e quest’anno anche da Ferrari) che si distribuisco non solo sui cilindri ma anche sul basamento del motore. Inoltre le fasi delle combustioni sono molto instabili, è molto difficile prevedere con esattezza l’andamento del processo e l’assenza della candela rende l’intero processo dipendente dalla chimica della miscela. A tal proposito la collaborazione tra Mercedes e Petronas ha contribuito a risolvere numerosi problemi, cosa che sta facendo anche la Ferrari con Shell.

Oltre agli aspetti negativi però ce ne sono molti positivi: prima di tutto dal punto di vista dei consumi, infatti, grazie all’utilizzo di una miscela magra il risparmio di benzina è notevole, consumare meno si traduce in un serbatoio più scarico; in media per ogni 10kg di peso risparmiato si guadagno 3 decimi. Una miscela magra, come già detto, comporta anche un processo di combustione a temperature più basse, e dal punto di vista dell’efficienza questo vuol dire che viene persa meno energia sotto forma di calore. Nelle prestazioni a basso carico è evidente il vantaggio che comporta l’introduzione HCCI poiché vi è un netto aumento del valore della coppia. Fondamentale poi è la scelta delle dimensioni del turbocompressore, trovando la giusta combinazione tra pressione di aspirazioni e massa della girante è possibile aumentare il campo di funzionamento del sistema HCCI, permettendogli di lavorare a carichi più elevati rispetto allo stesso sistema aspirato. Questo potrebbe spiegare la scelta fatta dalla Ferrari di montare un turbocompressore più grande rispetto agli anni scorsi.

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Se è vero che Mercedes e Ferrari utilizzano questo sistema sulle loro monoposto è probabile che questo sia comunque affiancato dal normale sistema di accensione con le candele che entra in funzione quando c’è bisogno di maggiore potenza.

In casa Ferrari sembra che siano riusciti ad arrivare ad una pressione di circa 200 bar all’interno della camera di combustione. L’obiettivo è quello di raggiungere l’auto-accensione rendendola più stabile possibile avvicinarsi alla soglia massima di 500 bar consentita dal regolamento. La squadra teutonica è riuscita a raggiungere una pressione maggiore nella camera di combustione e questo insieme a una migliore affidabilità può spiegare la differenza di prestazioni tra le due monoposto.

La sfida non è solo in pista. Visto che questo sistema sfrutta una minore quantità di benzina, i consumi si riducono e a giovarne sono anche le emissioni. La prima casa che riuscirà a rendere stabile questo sistema potrà trasferirlo anche nella produzione in serie con un enorme vantaggio rispetto alla concorrenza.

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