Ecco come rendere più efficienti i propulsori a benzina delle auto ibride (e non solo)

Prima della comparsa della Toyota Prius (che risale al '95) e della sua successiva affermazione come ibrida di riferimento, soltanto chi - probabilmente - ha alle spalle studi di ingegneria aveva già sentito parlare di motori a ciclo Miller, Atkinson o Miller-Atkinson. È una terminologia che invece oggi sta diventando sempre più familiare e dietro alla quale c'è l'idea che contribuisce a tener bassi i consumi delle auto a doppia propulsione.

D'altronde l’efficienza energetica, i consumi e le emissioni stanno diventando sempre più una priorità, non soltanto per le ibride (tra cui ricordiamo la recente Honda Jazz Hybrid). Ecco perché qualche costruttore ha iniziato ad adottare questi cicli di funzionamento anche su motori non elettrificati, iniziando dalla stessa Toyota che lo impiega in alcune fasi di funzionamento sul 1.0 della Yaris. Un altro esempio è quello di Mazda, nel caso del motore Skyactiv-X.

Troppa energia sprecata...

Per parlare dei cicli Miller e Atkinson, è bene prima di tutto parlare del funzionamento del ciclo Otto, che sta alla base di tutti i comuni motori a combustione interna a benzina. Combustione che è composta da 4 fasi, chiamate 4 "tempi": aspirazione, compressione, combustione/espansione e scarico. Di queste, l’unica fase utile - da cui si ricava energia e quindi potenza - è quella di espansione, mentre le altre richiedono "lavoro negativo", ovvero energia spesa per far muovere le parti.

Fotogallery: I motori a ciclo Miller-Atkinson

L'idea di Atkinson

Per migliorare l’efficienza energetica dei motori a combustione, nel 1882 l’ingegnere britannico James Atkinson studiò un particolare tipo di leveraggi, che permetteva di avere una corsa diversa tra le fasi di espansione e di compressione. Normalmente, infatti, un pistone "percorre" la stessa distanza nelle due direzioni, mentre con lo stratagemma di Atkinson era possibile abbreviare la corsa in fase di compressione o allungarla in fase di espansione, riuscendo quindi in teoria a spendere meno energia di quella che si guadagnava. In teoria, dicevamo, perché il sistema di leveraggi comportava un aumento delle parti in movimento e dunque degli attriti.

Atkinson

Da Atkinson a Miller

Successivamente, intorno agli anni ’60, l’ingegnere statunitense Ralph Miller brevettò un ciclo omonimo, che sfruttava l'idea di Atkinson realizzandola però su un comune motore a ciclo Otto, con bielle e albero a gomiti "fissi". Invece di modificare la geometria del motore, Miller trovò il modo di ridurre la pressione nel cilindro durante la compressione, facendo sì che il pistone incontrasse meno resistenza nella prima parte della risalita.

Per farlo, utilizzò un'ulteriore "valvola di controllo della compressione" (CCV), situata nella testa del cilindro e azionata dalla pressione del collettore di aspirazione. Prima di richiudersi, la valvola CCV scaricava la pressione nella prima parte della risalita del pistone, consentendogli di portare a termine la compressione.

Per quanto interessante, l'idea ha un limite evidente: riduce la compressione effettiva in rapporto al volume del cilindro, dunque a parità di cilindrata consente di esprimere una potenza inferiore rispetto a un ciclo Otto. Per questo non se ne è più sentito parlare fino all'avvento delle ibride, che con l'aggiunta del motore elettrico possono colmare questo gap prestazionale.

I motori a ciclo Miller-Atkinson

L’evoluzione moderna

Anche se sono comunemente definiti Atkinson e più raramente Miller-Atkinson, i motori che ai giorni nostri utilizzano un ciclo derivato da questi ultimi non impiegano esattamente le soluzioni elaborate dai due ingegneri. Lo ottengono, invece, lavorando sui tempi di apertura delle valvole di aspirazione, oggi più gestibili grazie ai variatori di fase. 

In questo tipo di propulsori, infatti, le valvole di aspirazione sono tenute aperte anche durante la fase di compressione: in questo modo si ha un ritorno del flusso verso il condotto di aspirazione e una minore resistenza esercitata sul pistone nella prima parte della "fase" o "tempo". L'iniezione diretta risolve invece il problema del ritorno della miscela aria-benzina nei collettori.

Pro

  • Maggiore efficienza energetica
  • Consumi minori
  • Emissioni minori

Contro

  • Minore potenza specifica utile