Nuovo motore Porsche a 6 tempi, caratteristiche e come funziona
Porsche prosegue nello sviluppo dei motori termici, brevettando un propulsore a sei tempi per ottenere maggiori potenze e ridurre le emissioni. Le caratteristiche, come funziona e le future applicazioni, con benzina, e-fuel e idrogeno.
Mentre le case automobilistiche si stanno scontrando con le grandi difficoltà di una transizione elettrica imposta con miope superficialità, c’è chi vuole dimostrare che il motore a combustione interna abbia ancora molto da dire e permetta ancora grossi margini di miglioramento in termini di efficienza e miglioramento delle emissioni.
Nuovo motore Porsche
Ha destato molto interesse la proposta di Porsche, che ha recentemente presentato negli Stati Uniti un brevetto per un nuovo motore a 6 tempi: l’invenzione consiste in una particolare configurazione di cilindro e pistone che permette due sequenze di scoppio, in ognuna delle quali avvengono 3 corse del pistone.
Come sappiamo, il motore a due tempi completa il ciclo in un solo giro dell’albero motore, con una combustione ad ogni giro, mentre il motore a quattro tempi effettua una combustione ogni due giri, completando il ciclo in due giri dell’albero motore.
L’obiettivo del brevetto Porsche è combinare i pregi delle due soluzioni riducendo i rispettivi svantaggi. Il motore a 6 tempi presenta un ciclo di lavoro (ciclo complessivo) di tre giri di albero motore, durante i quali il pistone effettua corse di diversa lunghezza, raggiungendo due diversi punti morti superiori e due diversi punti morti inferiori.
In pratica il motore effettua una prima combustione, con una corsa più corta, aspirando aria dalle valvole di aspirazione, scaricando parzialmente i gas combusti attraverso le valvole di scarico e introducendo aria attraverso apposite luci di lavaggio radiali; poi comprime di nuovo la miscela presente nella camera di combustione e ne fa una seconda, con corsa di compressione più lunga. Al termine di questa seconda compressione si aprono di nuovo le valvole di scarico.
Motore Porsche a 6 tempi, caratteristiche, com’è fatto
Scopriamo le particolari componenti di questo motore con l’aiuto dei disegni tecnici presentati da Porsche per il suo brevetto:
Fig. 1 è una vista prospettica del cilindro, del pistone e del manovellismo secondo una delle configurazioni del motore brevettate.
Fig. 2 è una vista dettagliata della ruota planetaria, con il perno di manovella (42) e l’elemento eccentrico (41) al quale è collegato l’albero motore. Quindi il perno di manovella non fa parte dell’albero a gomiti ma della ruota planetaria, e l’eccentricità (e) tra l’asse di rotazione della ruota planetaria (K) e il centro del perno di manovella (M) fa in modo che, nell’arco dei tre giri dell’albero motore, il pistone effettui corse di lunghezza diversa.
Fig. 3 è una sezione trasversale di un cilindro, con il profilo di movimento del perno di manovella, quindi anche del pistone, con indicazione dei 4 punti morti (OT’, OT”, UT’, UT”).
Fig. 4 è una sezione alla biella con il pistone (20) nel secondo punto morto inferiore, quando le luci di lavaggio (11) sono scoperte.
La figura 4b è una vista dettagliata del cilindro (10) con il pistone (20) al secondo punto morto inferiore.
La figura Fig. 5a è una sezione alla biella con il pistone al primo punto morto inferiore.
La figura 5b è una vista dettagliata del cilindro (10) con il pistone (20) al primo punto morto inferiore.
La figura 6 illustra il profilo di movimento del pistone rispetto all’angolo della manovella, con indicazione delle fasi e delle loro durate angolari.
La figura 7 è una rappresentazione schematica del motore a sei tempi secondo una configurazione con fasatura variabile della valvola di aspirazione.
Come si evince dai disegni, il perno di manovella è solidale ad una ruota dentata planetaria, la quale a sua volta è collegata eccentricamente all’albero a gomiti.
Ruota planetaria motore Porsche 6 tempi
La ruota planetaria ruota in un anello dentato (50). Le dimensioni della ruota planetaria e la disposizione eccentrica dell’elemento di collegamento sono tali che, in tre giri dell’albero a gomiti e quindi della ruota planetaria nell’anello, il pistone raggiunge due volte il primo punto morto superiore OT’ e una volta il secondo punto morto superiore OT”, due volte il primo punto morto inferiore UT’ e una volta il secondo punto morto inferiore UT” (vedi fig. 6).
Per consentire questo ciclo di lavoro, il diametro della ruota planetaria è tre quinti del diametro dell’anello. Il rapporto di velocità tra la ruota planetaria e l’albero motore è preferibilmente due a tre.
Il fissaggio eccentrico del collegamento tra la ruota planetaria e l’albero motore assicura che il centro geometrico del perno di manovella sia forzato su un percorso ipocicloidale, descrivendo così i diversi punti morti. Il dimensionamento dell’eccentricità definisce le distanze tra i punti morti.
Le dimensioni delle ruote – planetaria e anello – che costituiscono l’ingranaggio “cuore” del motore a sei tempi sono scelte in modo che il rapporto tra la distanza tra il primo punto morto superiore OT’ e il primo punto morto inferiore UT’ e la distanza tra il primo punto morto superiore OT’ e il secondo punto morto inferiore UT”, cioè tra la corsa “corta” e la corsa “lunga”, sia compreso tra 0,7 e 0,85. Questo rapporto garantisce un funzionamento particolarmente vantaggioso del motore e per quanto riguarda la combustione pulita e l’erogazione della potenza.
Cilindro motore Porsche 6 tempi
Il cilindro presenta luci di lavaggio radiali (11) ricavate sul cilindro tra il primo punto morto inferiore e il secondo punto morto inferiore. Le luci di lavaggio sono progettate per effettuare il lavaggio della camera di combustione quando il pistone, scendendo sotto il primo punto morto inferiore, le scopre e una miscela di gas fresco viene immessa attraverso le luci, mentre lo scarico della miscela dei gas combusti è assicurato da una classica valvola di scarico (o, in un’altra configurazione possibile, anche da un’altra luce di scarico dedicata).
Le luci di lavaggio sono alimentate da un sistema di sovralimentazione, come accade nei motori a due tempi con pompa di lavaggio separata presenti in letteratura (vedi motore Achates e altri esempi storici).
Le valvole di aspirazione e scarico, controllate da un classico albero a camme, possono aprirsi più volte nello stesso ciclo. Il motore a sei tempi, secondo quanto indicato nel brevetto, deve preferibilmente avere un numero di cilindri multiplo di 3. I cilindri possono essere disposti in linea, a V e ovviamente orizzontali, come da classico schema “boxer” Porsche.
Come funziona il motore Porsche
Nella figura 1 abbiamo una vista prospettica di una delle configurazioni possibili del motore a 6 tempi: il pistone (20) si muove nel cilindro (10), e il volume della camera di combustione (14) dipende dalla lunghezza della corsa del pistone in ogni fase.
Sulla testa del cilindro sono presenti una valvola di aspirazione (12), una valvola di scarico (13), comandate dall’albero a camme (70) tramite i due appositi eccentrici (71 e 72). Ovviamente sono possibili configurazioni bialbero e multivalvole.
Nel cilindro sono presenti le luci di lavaggio radiali (11), la cui apertura e chiusura è comandata dal mantello del pistone, come nei classici motori a 2 tempi.
L’albero a gomiti (60) fa ruotare le ruote planetarie (40). Come detto, la biella (30) è collegata eccentricamente alle ruote planetarie che ruotano nell’anello (50); quindi gli assi di rotazione delle ruote stesse e del perno di manovella non coincidono, come si vedrà più chiaramente in fig.2.
Nella figura 2 possiamo vedere in dettaglio la ruota planetaria (40) con i suoi denti (43), che ingaggiano i denti interni dell’anello (50). La biella viene installata sull’elemento cilindrico (perno di manovella, 42), il cui centro (M), come detto, non coincide con quello della ruota planetaria (K). La distanza tra i punti M e K, un parametro fondamentale per il funzionamento di questo motore, viene definita “eccentricità” (e).
L’asse del foro di connessione (41) dell’albero a gomiti (60) corrisponde invece all’asse di rotazione della ruota planetaria.
La figura 3 mostra la sezione del cilindro e il grafico del movimento del punto M, cioè il centro dell’elemento cilindrico (42) a cui è connessa la biella. Come si può vedere, il movimento delle ruote planetarie fa sì che il pistone raggiunga nel ciclo due diversi punti morti superiori (OT’ e OT”) e due diversi punti morti inferiori (UT’ e UT”). Questo avviene in tre giri dell’albero motore, e quindi anche in tre giri delle ruote planetarie (40) nell’anello (50).
Il grafico del movimento del punto M, che corrisponde al movimento del pistone, descrive una curva ipocicloidale che presenta 3 massimi (tocca due volte OT’ e una volta OT”) e tre minimi (tocca due volte UT’ e una volta UT”). Si nota come le luci di lavaggio (11) vengono scoperte dal pistone solo quando quest’ultimo raggiunge il secondo punto morto inferiore UT”.
Nella figura 4a vediamo una sezione alla biella del motore con il pistone (20) al secondo punto morto inferiore UT”, con le luci di lavaggio (11) scoperte, come si può apprezzare nel dettaglio di fig.4b. Questa posizione del pistone consente l’immissione dell’aria compressa dal sistema di sovralimentazione nella camera di combustione (14), tramite le luci di lavaggio.
Nella figura 5a invece il pistone è al primo punto morto inferiore e le luci di lavaggio sono coperte dal mantello del pistone (come è evidente anche nella fig.5b).
La figura 6 è il grafico della corsa del pistone durante un ciclo, riferita alla posizione angolare dell’albero motore. Si nota subito che il ciclo comporta 3 rotazioni dell’albero motore (360° x 3 = 1.080°).
Fasi motore Porsche 6 tempi
- da 0° a 180° il pistone va da OT” a UT’ e compie una fase di aspirazione attraverso le valvole di aspirazione poste nella testa del cilindro
- da 180° a 360° il pistone va da UT’ a OT’ e compie una compressione
- da 360° a 540° il pistone va da OT’ a UT”, erogando potenza dopo la prima combustione e iniziando la fase di lavaggio scoprendo le apposite luci radiali, mentre le valvole di scarico sulla testa si aprono per espellere i gas di combustione. In questa fase è possibile immettere miscela fresca anche attraverso le valvole di aspirazione.
- da 540°a 720° il pistone va da UT” a OT’, terminando il lavaggio e operando una seconda compressione
- da 720° a 900° il pistone va da OT’ a UT’ erogando potenza dopo la seconda combustione
- – da 900° e 1.080° il pistone da UT’ va a OT”, terminando il ciclo con la fase di scarico attraverso le valvole di scarico presenti sulla testa del cilindro.
Ci sono due combustioni e due erogazioni di potenza durante il ciclo, che quindi si può dire essere composto da 2 differenti sequenze di 3 tempi. Da notare che entrambe le compressioni avvengono tra i punti morti UT’ e OT’, quindi il rapporto di compressione di entrambe le fasi è costante.
Nella figura 7 viene illustrata una configurazione alternativa del motore rispetto a quanto mostrato nella figura 1: in questo caso è presente un settore dentato circolare (51) che si estende oltre la metà della circonferenza dell’anello (50).
Con la rotazione della vite senza fine (80), l’anello (50) ruota intorno all’albero motore (60), spostando anche la ruota planetaria (40) e modificando leggermente la fasatura del movimento della biella (30).
In questo modo possono essere modificati, oltre agli angoli motore nei quali vengono raggiunti i punti morti, anche il rapporto di compressione e la fasatura delle valvole di aspirazione in testa.
Come viene impiegato
In alcune configurazioni di questo motore, come già accennato, i gas combusti possono essere espulsi dalla camera di combustione anche attraverso apposite luci di scarico. In un’altra configurazione, la miscela di combustibile viene immessa nella camera di combustione durante il movimento del pistone dal secondo punto morto inferiore al primo punto morto superiore. La miscela di combustibile viene immessa attraverso la valvola di aspirazione o alimentata attraverso le porte di lavaggio.
Altra possibilità, un’iniezione può avvenire anche durante il lavaggio della camera di combustione, poco dopo che il pistone è passato attraverso il secondo punto morto inferiore, e prima che il primo punto morto inferiore sia raggiunto dal pistone. Grazie a questa ulteriore alimentazione di miscela combustibile, si ottiene una seconda combustione particolarmente efficiente e pulita e una seconda più corposa erogazione di potenza.
Pregi e difetti
Secondo Porsche, il ciclo a sei tempi permette di avere due fasi utili in tre giri dell’albero motore e di effettuare combustioni complete ed efficienti.
Ovviamente, sull’altro piatto della bilancia c’è la maggiore complessità meccanica comportata dalla presenza delle ruote planetarie e dell’anello. Inoltre la funzione del pistone che deve aprire e chiudere le luci di lavaggio necessita di un mantello abbastanza alto, che non consentirà design molto spinti del pistone stesso, che invece sono necessari per ridurre gli ingombri del motore e raggiungere alti regimi di rotazione.
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