Diesel, motore a 2 tempi a pistoni contrapposti (OP) Achates per inquinare meno

In questi tempi di normative antinquinamento sempre più stringenti passate dalla Euro 0 alla Euro 6 e di ostracismo verso il motore diesel per via anche del particolato, ha destato una certa sorpresa il motore Achates a cilindri e pistoni contrapposti, caratterizzato da un notevole rendimento termico e conseguente abbattimento delle emissioni inquinanti rispetto a quelli a gasolio convenzionali. Come funziona questo motore diesel a 2 tempi, sovralimentato, con 6 pistoni opposti e solo 3 cilindri?

Caratteristiche motore a 2 tempi diesel Achates

Il motore diesel a due tempi di Achates OP (opposed piston engine) è dotato di due alberi motore, posizionati ai due estremi del propulsore, dotati di ruote dentate e collegati alla grande ruota dentata della presa di forza centrale a formare una cosiddetta cascata di ingranaggi.

Come è fatto il motore diesel a cilindri contrapposti a 2 tempi

Il motore a cilindri contrapposti a 2 tempi è formato da 2 coppi di tre cilindri in linea, uniti tra loro sul piano di flangiatura della testa, con gli alberi motore collegati in maniera che al moto dei pistoni del primo corrisponda un moto uguale, ma in verso contrario, del secondo.

In questa configurazione di motore a 2 tempi, non sono presenti né le classiche valvole a fungo ma neanche la testata! Ognuna delle tre coppie di pistoni condivide un cilindro: è come se un pistone facesse da testata all’altro

Come funziona un motore diesel a 2 tempi con pistoni opposti?

Come funziona un motore diesel 2 tempi? Scopriamolo! Ci sono quindi 3 ruote dentate, due collegate ai rispettivi alberi a gomito e la terza le unisce. La coppia motrice viene prelevata dalla ruota dentata centrale più grande che gira, per via dei rapporti, ad una velocità inferiore rispetto a quella degli alberi a gomito, con un proporzionale aumento della coppia inviata alla trasmissione.

I pistoni accoppiati si allontanano in fase di espansione e si avvicinano in quella di compressione. È come se la corsa fosse divisa tra i due pistoni: ciò consente di adottare gli elevati rapporti corsa/alesaggio necessari a un due tempi senza raggiungere valori troppo elevati di velocità media del pistone, a tutto vantaggio dell’affidabilità.

L’ammissione e lo scarico avvengono tramite luci presenti sulle pareti del cilindro, che sono aperte e chiuse dal mantello degli stantuffi: quelli inferiori comandano lo scarico, mentre quelli superiori l’ingresso dell’aria aspirata, compressa mediante turbocompressore e compressore volumetrico in serie.

Questa configurazione di propulsore a 2 tempi è chiamata “a lavaggio unidirezionale”. Il carburante viene immesso direttamente nel cilindro con due iniettori diametralmente opposti, ovviamente controllati elettronicamente. La versione più recente del motore, un 2,7 litri sovralimentato, sviluppa 270 CV a 3.600 g/m e 650 Nm di coppia massima, disponibile tra 1.600 e 2.100 g/m.

SEQUENZA 1 – Il cilindro 1 è in fase di scoppio; il 2 inizia la compressione e il 3 è in espansione. Notare l’andamento elicoidale dei flussi.

SEQUENZA 2 Il cilindro 1 è in espansione in seguito allo scoppio; nel 2, quasi al termine della fase di compressione, avviene l’iniezione di carburante; il 3 è in fase di lavaggio con le luci di aspirazione e scarico aperte.

SEQUENZA 3 Il cilindro 1 giunge alla fase di lavaggio; il 2 è in fase di scoppio mentre il 3 inizia la fase di compressione.

Motore a 2 tempi diesel Achates Pregi e difetti

Il motore a 2 tempi diesel Achates con questa configurazione a cilindri “attestati” del propulsore OP presenta un intuibile svantaggio di ingombro e peso rispetto a un motore convenzionale. Tuttavia, l’elevato rendimento di lavaggio conseguibile permette di ottenere consumi molto ridotti, con evidenti ripercussioni in termini di emissioni inquinanti che vedremo più avanti.

Resta il dubbio sulle modalità con cui i progettisti abbiano affrontato il problema storico di questo tipo di motore, ovvero il raggiungimento di condizioni sufficienti per il raffreddamento dei pistoni, che normalmente smaltiscono parte del calore generato dalla combustione attraverso la testa.

Un ulteriore possibile inconveniente nasce dal fatto che nel ciclo a due tempi c’è una fase utile a ogni giro dell’albero motore, e non ogni due giri come nel quattro tempi: perciò gli iniettori sono chiamati a effettuare un numero di iniezioni doppie rispetto alla soluzione tradizionale.

Quindi al regime massimo di 3.600 giri al minuto sono sottoposti a un carico di lavoro che in un quattro tempi si raggiunge a 7.200 g/m, valore non toccato dagli attuali diesel che non oltrepassano i 4.500 g/m.

È facile prevedere che gli iniettori del propulsore OP, adeguatamente dimensionati per la maggiore frequenza di lavoro, risultino più costosi di quelli di un 4 tempi. La configurazione a 3 cilindri offre il grande vantaggio di sollecitare in modo ottimale la turbina a gas di scarico, con fasi di lavaggio che durano 120° per ogni cilindro e quindi si alternano perfettamente in un giro di albero motore (360°), sollecitando in maniera continua la girante della turbina.

Rendimento maggiore del motore a 2 tempi a cilindri e meno emissioni inquinanti

Gli studi effettuati dalla SAE (Society of Automobile Engineers) hanno dimostrato che un motore a pistoni opposti ha un rendimento termico maggiore rispetto a un 4 tempi di potenza e dimensioni comparabili.

Tale vantaggio è dovuto principalmente alle minori perdite di calore nel cilindro, grazie all’eliminazione della testata e al rapporto tra la superficie e il volume del cilindro che è inferiore del 30% rispetto al 4 tempi: ciò riduce la superficie attraverso la quale il prezioso calore della combustione viene disperso all’esterno.

Inoltre lo schema di questo propulsore consente un ottimo lavaggio unidirezionale tramite le luci che vengono aperte e chiuse dal mantello del pistone.

EMMISSIONI Per quanto riguarda la CO2, le emissioni sono più basse di circa il 15%. I risultati sono notevoli anche per gli ossidi di azoto NOx, la cui emissione va controllata sia riducendone la formazione durante la combustione sia convertendoli in azoto, acqua e anidride carbonica mediante i catalizzatori SCR (Selective Catalyst Reduction).

Motore a 2 tempi diesel Achates un aiuto al SCR

Il vantaggio del motore achetes OP consiste proprio nella sua interazione con il catalizzatore SCR: tale dispositivo necessita di una temperatura superiore ai 200 °C per essere efficace e con i classici diesel a 4 tempi per raggiungerla possono volerci anche 600 secondi (10 minuti, ndr) dopo una partenza a freddo.

Il propulsore OP, durante la fase di riscaldamento del catalizzatore, funziona con un basso coefficiente di lavaggio (ovvero il rapporto tra la massa d’aria che effettivamente viene aspirata nel cilindro e quella che riempirebbe il volume della cilindrata nelle condizioni di riferimento): ciò provoca un aumento delle temperature all’interno del cilindro.

L’azione combinata della sovralimentazione, che assicura un’elevata pressione nel condotto di aspirazione, e dell’iniezione, che avviene in più fasi e con ritardo rispetto alle condizioni a caldo, causa un repentino incremento delle temperature dei gas di scarico, a beneficio dell’efficienza dell’SCR, che si attiva in meno di 100 secondi.

In un motore convenzionale, durante le fasi di rilascio -in cui l’iniezione viene tagliata- l’SCR viene attraversato dall’aria pompata dai pistoni senza aver generato una combustione: questo passaggio abbassa la temperatura del dispositivo ecologico. Nel propulsore Achates si può interrompere il flusso d’aria aspirata nelle fasi di cutoff, a vantaggio dell’inerzia termica del catalizzatore selettivo.

Motore a 2 tempi diesel Achates EGR “naturale”

Il motore a 2 tempi di Achates presenta uno strumento importantissimo per la riduzione dei NOx è il ricircolo dei gas di scarico (EGR). Gli ossidi di azoto si formano quando azoto e ossigeno reagiscono ad alta temperatura; immettere un certo volume di gas di scarico nella camera di combustione diminuisce la quantità di ossigeno aspirata e assorbe il calore della combustione, riducendo la temperatura finale dei gas espulsi.

Nei 4 tempi l’EGR si ottiene spillando un certa quantità di gas di scarico e immettendola nel collettore di aspirazione, quindi è necessario un sistema dedicato.

Nel motore Achates, invece, avviene “naturalmente”: abbiamo visto che un pistone comanda le luci di aspirazione e un altro le luci di scarico; il pistone “di scarico” è in anticipo su quello “di immissione” di qualche grado, per permettere un adeguato lavaggio del cilindro grazie alla maggiore pressione dell’aria aspirata, spinta dal compressore.

Ai bassi carichi viene iniettata una minore quantità di carburante e quindi viene pompata un’inferiore quantità di aria, grazie alla valvola di ricircolo del compressore volumetrico, facendo diminuire così la differenza di pressione tra le luci di aspirazione e quelle di scarico. In questo modo circa il 50% dei gas combusti viene trattenuto nella camera di combustione, ottenendo dunque un ottimo ricircolo dei gas di scarico.

È possibile installare comunque un EGR esterno per aumentare ulteriormente l’efficienza del sistema (riduzione dei NOx fino al 90% in meno di un propulsore convenzionale). Questo lavaggio parziale riduce anche le perdite di pompaggio ai bassi regimi, con benefici sul rendimento e sul consumo di carburante.

Motore a 2 tempi diesel Achates temperature più basse e meno particolato

Grazie alle sue peculiarità, il motore achates OP presenta temperature dei gas di scarico che non superano i 400 °C, contro gli oltre 700 °C dei propulsori convenzionali, ovvero sono più densi e quindi di minore volume a parità di cilindrata.

Ciò comporta la possibilità di utilizzare catalizzatori più piccoli e leggeri e con una vita utile paragonabile a quella del veicolo. Inoltre, questo motore vanta due caratteristiche che consentono di limitare le emissioni di microparticelle.

• La prima è la presenza di due iniettori diametralmente opposti, che aumentano la superficie di contatto tra aria e combustibile, a tutto vantaggio di una combustione completa.
• La seconda è l’aerodinamica interna che, grazie agli angoli dei condotti di aspirazione e alla sagoma delle corone dei pistoni, genera un’elevata turbolenza in camera di scoppio che riduce le dimensioni delle gocce di carburante: la miscela che si forma è quindi “magra”, con basse emissioni di microparticelle.

ACHETES

Achates è una azienda fondata nel 2004 a San Diego, California: il marchio prende il nome da un coraggioso compagno di battaglia di Enea, citato da Virgilio nell’Eneide. Il coraggio di certo non è mancato agli ingegneri statunitensi: il motore di cui parliamo infatti non solo è un diesel, ma a 2 tempi, sovralimentato e con pistoni opposti, ovvero ha 6 pistoni con solo 3 cilindri!