Mitigare gli effetti della preaccensione nei motori più piccoli

La tutela dell’ambiente è un fattore a cui sia le imprese sia gli individui attribuiscono sempre più importanza: tutti i settori stanno quindi affrontando una pressione crescente da parte del mercato e vincoli normativi rigorosi. Nel mondo automotive questi vincoli hanno portato a un rinnovato impegno e a investimenti da parte delle case costruttrici e dei relativi fornitori nello sviluppo di motori e tecnologie in grado di ridurre le emissioni.

Nel settembre del 2017 è stato introdotto un nuovo ciclo di test per la certificazione dei nuovi modelli di auto venduti nell’UE e nel settembre del 2018 per tutti i nuovi veicoli. La procedura internazionale unificata per testare i veicoli leggeri (Worldwide Harmonised Light Vehicle Test Procedure, WLTP) è stata studiata per rappresentare in modo più fedele le emissioni di inquinanti e di anidride carbonica generate nelle situazioni di guida odierne.

I nuovi obiettivi in materia di CO2 prevedono che i paesi dell’UE riducano del 37,5% le emissioni da auto nuove fra il 2021 e il 2030, mentre le emissioni da nuovi veicoli commerciali dovranno scendere del 31%.

C’è anche un obiettivo intermedio: la riduzione del 15% della CO₂ prodotta da auto e veicoli commerciali entro il 2025. Le prestazioni medie in termini di emissioni di CO2 dei nuovi veicoli venduti nell’UE nel 2017 sono state del 31% inferiori rispetto a quelle dei nuovi veicoli venduti nel 2000.

Anche la normativa sulle emissioni di sostanze inquinanti per i nuovi veicoli è diventata sempre più severa, con limiti alle emissioni di ossidi di azoto (NOx) ridotti dell’84% rispetto al 2000, particolati (PM) ridotti praticamente a zero ed emissioni di monossido di carbonio (CO) a livelli molto bassi.

Sono state introdotte nuove misurazioni su strada per le emissioni di NOx e particolati. I nuovi test delle emissioni in condizioni di guida reali (Real Driving Emissions, RDE) rilevano le sostanze inquinanti in percorsi predefiniti e con traffico reale, per garantire la conformità dei veicoli in situazioni d’uso effettive.

Una delle principali strategie per la riduzione delle emissioni di CO2 è il miglioramento dell’efficienza dei motori attraverso la riduzione della cilindrata. Un motore di piccola-media cilindrata lavora a pressioni più elevate in modo più efficiente. Tale efficienza di funzionamento, insieme alla riduzione dell’attrito dovuta alla presenza di un numero inferiore di pistoni e cuscinetti, comporta un maggiore risparmio del carburante. La ricerca e lo sviluppo del motore a combustione interna (MCI) hanno consentito agli ingegneri di migliorare la potenza a parità di carburante consumato. Il motore a combustione interna inietta carburante e ossigeno miscelati in proporzione fissa; pertanto, la potenza del motore è limitata dalla quantità d’aria che è in grado di aspirare. In un motore più piccolo e compatto viene utilizzato un turbocompressore per aumentare la densità dell’aria aspirata, recuperando quindi potenza del motore in maniera più efficiente.

Vi sono numerosi esempi di motori più piccoli e compatti già sul mercato. Il motore benzina turbocompresso EcoBoost 1.000 Ford è disponibile con potenze di 99, 123 e 138 cavalli, questo significa che è in grado di sostituire in modo efficace i motori 1.400, 1.600 e anche alcuni 1.800 aspirati del passato. Se prendiamo l’esempio di Ford, quindi, il motore benzina non turbocompresso 1.250 da 81 CV è in grado di raggiungere circa 23 km/L ed emette 122 g/km di CO₂, disponendo di potenza sufficiente per accelerare da 0 a 100 km/h in 13,3 secondi. Il motore turbocompresso più piccolo della Fiesta 1.000 EcoBoost da 99 CV arriva quasi a 28 km/L, emette 99 g/km di CO₂ ed è in grado di passare da 0 a 100 km/h in 11,2 secondi.

Ispezione di un motore. Le formulazioni dei lubrificanti Castrol consentono di mitigare il fenomeno dell’LSPI e mantenere le prestazioni complessive del motore.

Il fenomeno dell’LSPI

Paul Beasley, expert technologist presso il centro di ricerca Castrol di Pangbourne.

Una delle sfide dell’introduzione di motori più piccoli e più potenti è il rischio di pre-accensione a basso regime (LSPI, Low Speed Pre-Ignition): si tratta di una forma di combustione anomala che si verifica nei motori piccoli a elevata compressione. «Questi motori piccoli ad elevata compressione, quando si trovano a regimi bassi e con carichi elevati, presentano il rischio di pre-accensioni a basso regime, che possono essere particolarmente distruttive – spiega Paul Beasley, expert technologist presso il centro di ricerca Castrol di Pangbourne –. Alcuni costruttori di auto e l’American Petroleum Institute (API) impongono un test LSPI. Nel verificarsi dell’LSPI è coinvolto l’olio che si insinua sotto forma di piccole gocce nello spazio di combustione. Abbiamo verificato che determinati ingredienti dell’olio peggiorano la situazione, quindi dobbiamo trovare delle contromisure».

LSPI: cause ed effetti

L’LSPI è un evento di combustione anticipata, che può verificarsi prima dell’accensione programmata quando i nuovi motori turbocompressi e di cilindrata ridotta funzionano a basso regime e carico elevato. L’LSPI è causata da goccioline di olio e carburante nella camera di combustione che innescano prematuramente la miscela carburante/aria, causando una combustione anomala. Ne risulta un forte e incontrollato aumento di pressione nel cilindro, il cui rumore è udibile. Eventi ripetuti possono causare guasti meccanici del motore, ad esempio la rottura delle candele e dei pistoni. Una singola LSPI è sufficiente a produrre gravi danni al motore.

«Per impedire il verificarsi dell’LSPI è necessario comprendere i fattori che la causano – sottolinea Beasley. Le cause dell’LSPI possono essere molteplici; ad esempio, la struttura del motore e la composizione di carburante e lubrificante. Per quanto riguarda i lubrificanti, un aspetto che può causare l’LSPI è la composizione chimica del detergente e, in particolare, il contenuto di calcio. Studiamo attentamente il fenomeno da anni, sia internamente sia in collaborazione con vari costruttori di motori. Il nostro lavoro include una dettagliata analisi scientifica dell’effetto di olio e carburante sull’LSPI nei motori e la formulazione di soluzioni per mitigarlo. Comprendendo come vari elementi e additivi influiscono sull’LSPI, siamo stati in grado di formulare con attenzione tutto il nostro pacchetto di lubrificanti, in modo da affrontare il problema continuando a garantire prestazioni di lubrificazione eccellenti. I test sui motori per l’LSPI sono sempre più parte integrante delle specifiche delle case costruttrici, pertanto dobbiamo essere in grado di dimostrare che i nostri prodotti offrono protezione da questo problema per poter ottenere le approvazioni».

Vi sono altri parametri della formulazione dei lubrificanti che sono legati all’LSPI, come i modificatori di attrito e gli additivi antiusura. Le formulazioni dei lubrificanti Castrol sono studiate per contenere il fenomeno dell’LSPI e mantenere le prestazioni complessive del motore.

di Erik Intra

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