Che cos'è l'abbreviazione?

Negli ultimi anni, il bacino europeo è diventato l'ultimo di tutto ciò con cui la persona media entra in contatto. Ciò vale in particolare per i salari reali, i telefoni cellulari, i laptop, i costi aziendali o le dimensioni del motore e le emissioni. Sfortunatamente, i tagli al personale non hanno ancora colpito un'amministrazione pubblica o statale così fatiscente. Tuttavia, il significato della parola "riduzione" nell'industria automobilistica non è così nuovo come potrebbe sembrare a prima vista. Alla fine del secolo scorso, anche i motori diesel hanno alzato i loro tagli al primo stadio, che, grazie alla sovralimentazione e alla moderna iniezione diretta, hanno mantenuto o ridotto il loro volume, ma con un aumento significativo dei parametri dinamici del motore.

L'era moderna dei motori a benzina "dawnsizing" è iniziata con l'avvento dell'unità 1,4 TSi. A prima vista, questo di per sé non sembra un ridimensionamento, come confermato anche dalla sua inclusione nell'offerta Golf, Leon o Octavia. Il cambio di prospettiva non è avvenuto fino a quando Škoda non ha iniziato ad assemblare il motore 1,4 TSi da 90 kW nel suo modello Superb più grande. Tuttavia, la vera svolta è stata l'installazione del motore 1,2 TSi da 77 kW in auto relativamente grandi come Octavia, Leon e persino VW Caddy. Solo allora iniziarono le vere e, come sempre, le più sagge esibizioni da pub. Espressioni come: "non si trascina, non durerà a lungo, non c'è sostituto del volume, l'ottagono ha un motore in tessuto, l'hai sentito?" Erano più che comuni non solo nel quarto prezzo dei dispositivi, ma anche nelle discussioni online. Il ridimensionamento richiede uno sforzo logico da parte dei produttori di veicoli per far fronte alla costante pressione per ridurre i consumi e le tanto odiate emissioni. Certo, niente è gratis, e anche il ridimensionamento non porta solo benefici. Pertanto, nelle righe seguenti, discuteremo più in dettaglio cosa si chiama ridimensionamento, come funziona e quali sono i suoi vantaggi o svantaggi.

Che cos'è l'abbreviazione e le ragioni?

Ridimensionare significa ridurre la cilindrata di un motore a combustione interna mantenendo la stessa o addirittura maggiore potenza. Parallelamente alla riduzione del volume, la sovralimentazione viene effettuata utilizzando un turbocompressore o un compressore meccanico, o una combinazione di entrambi i metodi (VW 1,4 TSi - 125 kW). Così come l'iniezione diretta di carburante, la fasatura variabile delle valvole, l'alzata delle valvole, ecc. Con queste tecnologie aggiuntive, più aria (ossigeno) per la combustione entra nei cilindri e la quantità di carburante fornita può essere aumentata proporzionalmente. Naturalmente, una miscela così compressa di aria e carburante contiene più energia. L'iniezione diretta, combinata con la fasatura variabile e l'alzata delle valvole, a sua volta ottimizza l'iniezione e la turbolenza del carburante, aumentando ulteriormente l'efficienza del processo di combustione. In generale, un volume del cilindro più piccolo è sufficiente per rilasciare la stessa energia di motori più grandi e comparabili senza ridimensionamento.

Come già indicato all'inizio dell'articolo, l'emergere di riduzioni è principalmente dovuto all'inasprimento della normativa europea. Per lo più si tratta di ridurre le emissioni, mentre il più visibile è l'impulso a ridurre le emissioni di CO su tutta la linea.₂... Tuttavia, in tutto il mondo, i limiti di emissione vengono gradualmente inaspriti. In conformità con un regolamento della Commissione Europea, le case automobilistiche europee si sono impegnate a raggiungere un limite di emissione di 2015 g di CO entro il 130.₂ per km, tale valore è calcolato come valore medio del parco auto immesso sul mercato nell'arco di un anno. I motori a benzina giocano un ruolo diretto nel ridimensionamento anche se, in termini di efficienza, hanno maggiori probabilità di ridurre i consumi (cioè anche CO₂) rispetto a quelli diesel. Tuttavia, ciò rende difficile non solo per un prezzo più elevato, ma anche per l'eliminazione relativamente problematica e costosa delle emissioni nocive nei gas di scarico, come gli ossidi di azoto - NO_x, monossido di carbonio - CO, idrocarburi - HC o nerofumo, per la rimozione dei quali viene utilizzato un filtro DPF (FAP) costoso e ancora relativamente problematico. Pertanto, i piccoli diesel stanno gradualmente diventando più complessi e le piccole auto vengono suonate con violini più piccoli. Anche i veicoli ibridi ed elettrici competono con il ridimensionamento. Sebbene questa tecnologia sia promettente, è molto più complessa di un ridimensionamento relativamente semplice, eppure troppo costosa per il cittadino medio.

Un po 'di teoria

Il successo del ridimensionamento dipende dalla dinamica del motore, dal consumo di carburante e dal comfort di guida generale. Potenza e coppia vengono prima di tutto. La produttività è il lavoro svolto nel tempo. Il lavoro presentato durante un ciclo di un motore a combustione interna con accensione a scintilla è determinato dal cosiddetto Ciclo Otto.

L'asse verticale è la pressione sopra il pistone e l'asse orizzontale è il volume del cilindro. Il lavoro è dato dall'area delimitata dalle curve. Questo diagramma è idealizzato perché non si tiene conto dello scambio termico con l'ambiente, dell'inerzia dell'aria che entra nel cilindro e delle perdite dovute all'aspirazione (lieve depressione rispetto alla pressione atmosferica) o allo scarico (lieve sovrapressione). E ora una descrizione della storia stessa, mostrata nel diagramma (V). Tra i punti 1-2, il palloncino viene riempito con una miscela: il volume aumenta. Tra i punti 2-3 si verifica la compressione, il pistone lavora e comprime la miscela aria-carburante. Tra i punti 3-4 avviene la combustione, il volume è costante (il pistone è al punto morto superiore) e la miscela di carburante brucia. L'energia chimica del combustibile viene convertita in calore. Tra i punti 4-5, la miscela bruciata di carburante e aria funziona, espandendosi ed esercitando pressione sul pistone. Nei paragrafi 5-6-1 si verifica il flusso inverso, cioè lo scarico.

Più aspiriamo la miscela aria-carburante, più energia chimica viene rilasciata e l'area sotto la curva aumenta. Questo effetto può essere ottenuto in diversi modi. La prima opzione è aumentare adeguatamente il volume del cilindro, rispettivamente. l'intero motore, che nelle stesse condizioni otteniamo più potenza - la curva aumenterà a destra. Altri modi per spostare l'aumento della curva verso l'alto sono, ad esempio, aumentare il rapporto di compressione o aumentare la potenza per lavorare nel tempo e fare diversi cicli più piccoli contemporaneamente, ovvero aumentare la velocità del motore. Entrambi i metodi descritti presentano molti svantaggi (autoaccensione, maggiore resistenza della testata e delle sue guarnizioni, maggiore attrito a velocità più elevate - descriveremo più avanti, emissioni più elevate, la forza sul pistone è ancora pressoché la stessa), mentre l'auto ha un guadagno di potenza relativamente grande sulla carta, ma la coppia non cambia molto. Di recente, sebbene la Mazda giapponese sia riuscita a produrre in serie un motore a benzina con un rapporto di compressione insolitamente elevato (14,0: 1) chiamato Skyactive-G, che vanta parametri dinamici molto buoni con un consumo di carburante favorevole, tuttavia, la maggior parte dei produttori utilizza ancora una possibilità è per aumentare il volume dell'area sotto la curva. E questo serve a comprimere l'aria prima di entrare nel cilindro mantenendo il volume - troppopieno.

Quindi il diagramma p (V) del ciclo di Otto si presenta così:

Poiché la carica 7-1 si verifica a una pressione diversa (maggiore) rispetto all'uscita 5-6, viene creata una curva chiusa diversa, il che significa che viene eseguito un lavoro aggiuntivo nella corsa del pistone non operativa. Questo può essere utilizzato se il dispositivo che comprime l'aria è alimentato da una certa energia in eccesso, che nel nostro caso è l'energia cinetica dei gas di scarico. Un tale dispositivo è un turbocompressore. Viene utilizzato anche un compressore meccanico, ma è necessario tenere conto di una certa percentuale (15-20%) spesa per il suo funzionamento (il più delle volte è azionato dall'albero motore), quindi parte della curva superiore si sposta verso quella inferiore uno senza alcun effetto.

Verremo per un po', mentre siamo sopraffatti. L'aspirazione di un motore a benzina esiste da molto tempo, ma l'obiettivo principale era aumentare le prestazioni, mentre i consumi non erano particolarmente decisi. Così le turbine a gas li trascinavano per salvarsi la vita, ma mangiavano anche l'erba lungo la strada, premendo sul gas. C'erano diverse ragioni per questo. Innanzitutto, ridurre il rapporto di compressione di questi motori per eliminare la combustione knock-knock. C'era anche un problema di raffreddamento del turbo. A carichi elevati, la miscela doveva essere arricchita con carburante per raffreddare i gas di scarico e proteggere così il turbocompressore dalle alte temperature dei fumi. A peggiorare le cose, l'energia fornita dal turbocompressore all'aria di sovralimentazione viene parzialmente persa a carico parziale a causa della frenatura del flusso d'aria alla valvola a farfalla. Fortunatamente, la tecnologia attuale sta già aiutando a ridurre il consumo di carburante anche quando il motore è turbocompresso, che è uno dei motivi principali del ridimensionamento.

I progettisti dei moderni motori a benzina stanno cercando di ispirare quei motori diesel che funzionano con un rapporto di compressione più elevato ea carico parziale, il flusso d'aria attraverso il collettore di aspirazione non è limitato dall'acceleratore. Il pericolo di colpi in testa causati da un elevato rapporto di compressione, che può distruggere molto rapidamente un motore, è eliminato dall'elettronica moderna, che controlla la fasatura dell'accensione in modo molto più preciso di quanto avvenisse fino a poco tempo fa. Un grande vantaggio è anche l'uso dell'iniezione diretta di carburante, in cui la benzina evapora direttamente nel cilindro. Pertanto, la miscela di carburante viene efficacemente raffreddata e viene aumentato anche il limite di autoaccensione. Da segnalare anche il diffuso sistema di fasatura variabile delle valvole, che consente di influenzare in una certa misura il rapporto di compressione effettivo. Il cosiddetto ciclo di Miller (corsa di contrazione ed espansione irregolare). Oltre alla fasatura variabile delle valvole, anche l'alzata variabile delle valvole aiuta a ridurre i consumi, che può sostituire il controllo dell'acceleratore e quindi ridurre le perdite di aspirazione, rallentando il flusso d'aria attraverso l'acceleratore (ad es. Valvetronic di BMW).

Il sovraccarico, la modifica della fasatura delle valvole, l'alzata delle valvole o il rapporto di compressione non sono una panacea, quindi i progettisti devono considerare altri fattori che, in particolare, influenzano il flusso finale. Questi includono, in particolare, la riduzione dell'attrito, nonché la preparazione e la combustione della stessa miscela incendiaria.

I progettisti lavorano da decenni per ridurre l'attrito delle parti mobili del motore. Bisogna ammettere che hanno fatto passi da gigante nel campo dei materiali e dei rivestimenti, che attualmente hanno le migliori proprietà di attrito. Lo stesso si può dire di oli e lubrificanti. Il design del motore stesso non è stato lasciato senza attenzione, dove le dimensioni delle parti mobili, i cuscinetti sono ottimizzati, la forma delle fasce elastiche e, naturalmente, il numero di cilindri non sono cambiati. Probabilmente i motori più noti con un numero di cilindri "inferiore" al momento sono i motori Ford EcoBoost a tre cilindri di Ford o i bicilindrici TwinAir di Fiat. Meno cilindri significa meno pistoni, bielle, cuscinetti o valvole, e quindi logicamente attrito totale. Ci sono certamente alcune limitazioni in questo settore. Il primo è l'attrito accumulato sul cilindro mancante, ma compensato in una certa misura dall'attrito aggiuntivo nei cuscinetti dell'albero di bilanciamento. Un'altra limitazione è legata al numero di cilindri o alla cultura operativa, che incidono in modo significativo sulla scelta della categoria del veicolo che guiderà il motore. Attualmente impensabile, ad esempio, la BMW, nota per i suoi motori moderni, era dotata di un ronzante motore bicilindrico. Ma chissà cosa accadrà tra qualche anno. Poiché l'attrito aumenta con il quadrato della velocità, i produttori non solo riducono l'attrito stesso, ma cercano anche di progettare motori per fornire una dinamica sufficiente alle velocità più basse possibili. Poiché il rifornimento atmosferico di un piccolo motore non può far fronte a questo compito, viene nuovamente in soccorso un turbocompressore o un turbocompressore combinato con un compressore meccanico. Tuttavia, nel caso di sovralimentazione solo con un turbocompressore, questo non è un compito facile. Va notato che il turbocompressore ha una significativa inerzia rotazionale della turbina, che crea la cosiddetta turbodiera. La turbina del turbocompressore è azionata dai gas di scarico, che devono essere prima prodotti dal motore, in modo che vi sia un certo ritardo dal momento in cui si preme il pedale dell'acceleratore all'inizio previsto della spinta del motore. Naturalmente, vari moderni sistemi di turbocompressione cercano di compensare più o meno con successo questo disturbo e vengono in soccorso nuovi miglioramenti del design dei turbocompressori. Quindi i turbocompressori sono più piccoli e leggeri, rispondono sempre più velocemente a velocità più elevate. I conducenti orientati allo sport, cresciuti con motori ad alta velocità, incolpano un motore turbo così "a bassa velocità" per la scarsa risposta. nessuna gradazione di potenza all'aumentare della velocità. Quindi il motore tira emotivamente a bassi, medi e alti regimi, purtroppo senza potenza di picco.

La composizione della miscela combustibile stessa non si è fatta da parte. Come sapete, un motore a benzina brucia la cosiddetta miscela stechiometrica omogenea di aria e carburante. Ciò significa che per 14,7 kg di carburante - benzina c'è 1 kg di aria. Questo rapporto è anche indicato come lambda = 1. Detta miscela di benzina e aria può essere bruciata anche in altri rapporti. Se usi la quantità di aria da 14,5 a 22: 1, allora c'è un grande eccesso di aria - stiamo parlando della cosiddetta miscela magra. Se il rapporto è invertito, la quantità di aria è inferiore a quella stechiometrica e la quantità di benzina è maggiore (il rapporto tra aria e benzina è compreso tra 14 e 7:1), questa miscela è chiamata cosiddetta. miscela ricca. Altri rapporti al di fuori di questo intervallo sono difficili da accendere perché sono troppo diluiti o contengono troppo poca aria. In ogni caso, entrambi i limiti hanno effetti opposti su prestazioni, consumi ed emissioni. In termini di emissioni, nel caso di miscela ricca, si verifica una significativa formazione di CO e HC._x, produzione NO_x relativamente basso a causa delle temperature più basse quando si brucia una miscela ricca. D'altra parte, la produzione di NO è particolarmente elevata con la combustione a combustione magra._xa causa della maggiore temperatura di combustione. Non dobbiamo dimenticare la velocità di combustione, che è diversa per ogni composizione della miscela. La velocità di combustione è un fattore molto importante, ma è difficile controllarla. La velocità di combustione della miscela è inoltre influenzata dalla temperatura, dal grado di turbolenza (mantenuto dal regime del motore), dall'umidità e dalla composizione del carburante. Ciascuno di questi fattori è coinvolto in modi diversi, con il vortice e la saturazione della miscela che hanno la maggiore influenza. Una miscela ricca brucia più velocemente di una magra, ma se la miscela è troppo ricca, la velocità di combustione si riduce notevolmente. Quando la miscela viene accesa, la combustione è inizialmente lenta, con l'aumentare della pressione e della temperatura aumenta la velocità di combustione, facilitata anche dall'aumento del vortice della miscela. La combustione magra contribuisce ad aumentare l'efficienza di combustione fino al 20%, mentre, secondo le attuali capacità, è massima con un rapporto di circa 16,7 a 17,3: 1. Poiché l'omogeneizzazione della miscela si deteriora durante la permanenza magra, con conseguente riduzione significativa del velocità di combustione, riduzione dell'efficienza e produttività, i produttori hanno escogitato la cosiddetta miscela a strati. In altre parole, la miscela combustibile è stratificata nello spazio di combustione, in modo che il rapporto attorno alla candela sia stechiometrico, cioè facilmente infiammabile, e nel resto dell'ambiente, invece, la composizione della miscela è molto più alto. Questa tecnologia è già utilizzata nella pratica (TSi, JTS, BMW), purtroppo finora solo fino a determinate velocità o. in modalità carico leggero. Tuttavia, lo sviluppo è un rapido passo avanti.

Vantaggi della riduzione

• Un motore del genere non è solo più piccolo di volume ma anche di dimensioni, quindi può essere prodotto con meno materie prime e un minor consumo di energia.
• Poiché i motori utilizzano materie prime simili, se non le stesse, il motore sarà più leggero a causa delle sue dimensioni più ridotte. L'intera struttura del veicolo può essere meno robusta e quindi più leggera ed economica. con il motore più leggero esistente, meno carico sull'asse. In questo caso vengono migliorate anche le prestazioni di guida, poiché non sono così fortemente influenzate da un motore pesante.
• Un tale motore è più piccolo e più potente, e quindi non sarà difficile costruire un'auto piccola e potente, che a volte non ha funzionato a causa delle dimensioni limitate del motore.
• Il motore più piccolo ha anche una massa inerziale inferiore, quindi non consuma tanta potenza per muoversi durante i cambiamenti di potenza quanto il motore più grande.

Svantaggi della riduzione

• Tale motore è soggetto a sollecitazioni termiche e meccaniche significativamente più elevate.
• Sebbene il motore sia più leggero di volume e peso, a causa della presenza di varie parti aggiuntive come turbocompressore, intercooler o iniezione di benzina ad alta pressione, il peso totale del motore aumenta, il costo del motore aumenta e l'intero kit richiede maggiore manutenzione. e il rischio di guasto è maggiore, soprattutto per un turbocompressore soggetto a elevate sollecitazioni termiche e meccaniche.
• Alcuni sistemi ausiliari consumano energia nel motore (ad es. pompa a pistoni a iniezione diretta per motori TSI).
• La progettazione e la fabbricazione di un tale motore è molto più difficile e complessa che nel caso di un motore a riempimento atmosferico.
• Il consumo finale è ancora relativamente fortemente dipendente dallo stile di guida.
• Attrito interno. Tieni presente che l'attrito del motore dipende dalla velocità. Questo è relativamente trascurabile per una pompa dell'acqua o un alternatore in cui l'attrito aumenta linearmente con la velocità. Tuttavia, l'attrito delle camme o delle fasce elastiche aumenta in proporzione alla radice quadrata, il che può far sì che un piccolo motore ad alta velocità mostri un attrito interno maggiore rispetto a un volume maggiore che funziona a velocità inferiori. Tuttavia, come già accennato, molto dipende dal design e dalle prestazioni del motore.

Quindi c'è un futuro per i tagli del personale? Nonostante alcune carenze, penso di sì. I motori ad aspirazione naturale non scompaiono subito, tuttavia, semplicemente a causa di risparmi di produzione, progressi tecnologici (Mazda Skyactive-G), nostalgia o abitudine. Per i non partigiani che non si fidano della potenza di un piccolo motore, consiglio di caricare un'auto del genere con quattro persone ben nutrite, quindi guardare su per la collina, sorpassare e provare. L'affidabilità rimane una questione molto più complessa. C'è una soluzione per gli acquirenti di biglietti, anche se richiede più tempo di un giro di prova. Aspetta qualche anno che appaia il motore e poi decidi. Nel complesso, tuttavia, i rischi possono essere riassunti come segue. Rispetto a un motore aspirato più potente della stessa potenza, il motore turbo più piccolo è caricato molto più pesantemente con la pressione del cilindro e la temperatura. Pertanto, tali motori hanno cuscinetti significativamente più caricati, un albero a gomiti, una testata, un quadro elettrico, ecc. Tuttavia, il rischio di guasto prima della scadenza della durata prevista è relativamente basso, poiché i produttori progettano i motori per questo carico. Tuttavia, ci saranno errori, noto, ad esempio, problemi con la catena di distribuzione che salta nei motori TSi. Nel complesso, tuttavia, si può affermare che la durata di vita di questi motori probabilmente non sarà lunga come nel caso dei motori aspirati. Questo vale principalmente per le auto con chilometraggio elevato. Occorre prestare maggiore attenzione anche ai consumi. Rispetto ai vecchi motori a benzina turbocompressi, i moderni turbocompressori possono funzionare in modo significativamente più economico, mentre i migliori corrispondono al consumo di un turbo diesel relativamente potente in funzionamento economico. Il rovescio della medaglia è la dipendenza sempre crescente dallo stile di guida del guidatore, quindi se vuoi guidare in modo economico, devi stare attento con il pedale dell'acceleratore. Tuttavia, rispetto ai motori diesel, i motori a benzina con turbocompressore compensano questo svantaggio con una migliore raffinatezza, livelli di rumorosità inferiori, una gamma di velocità utilizzabile più ampia o la mancanza del tanto criticato DPF.