UN BREVETTO MULTICARBURANTE - Cosa dire di un brevetto Ford che fa vedere un motore a 8 cilindri alimentato a gas, eventualmente idrogeno? Solo il tempo potrà dirlo ma di carne al fuoco ce n’è molta, anche perché questo patent arriva da un costruttore che ha deciso di separare la divisione delle auto elettriche da quella che si occupa di veicoli con motore convenzionale (qui per saperne di più). Il brevetto scoperto dal sito specialistico Muscle Cars & Trucks risale al 2013 ed è piuttosto corposo, dato che nelle sue 27 pagine vengono descritti molti sistemi alternativi, tutti basati sull’alimentazione a gas compreso l’idrogeno.

QUESTIONE DI LAMBDA - Un aspetto importante di questo patent è il controllo della combustione, non banale perché l’idrogeno ha un’alta infiammabilità ed è incline al ritorno di fiamma attraverso il collettore di aspirazione. Questa “vivacità” ha però un gradito effetto collaterale: l’idrogeno si accende anche con miscele molto magre proprio perché molto predisposto alla combustione. Sappiamo che il rapporto stechiometrico indica quanta aria è necessaria per la combustione completa di una certa quantità di carburante e per la benzina vale 14,7: quindi per bruciare efficacemente un grammo di benzina occorrono 14,7 grammi di aria. La lettera greca "λ" (lambda) indica il rapporto effettivo tra l'aria e il combustibile rispetto al rapporto stechiometrico del combustibile utilizzato: per la benzina se c’è aria in eccesso questo rapporto è maggiore di 1 (λ >1) e la carburazione è magra mentre valori di λ < 1 indicano un eccesso di benzina. Se un motore a benzina può funzionare indicativamente con rapporti aria/carburante fra 8:1 e 18:1 (λ fra 0,54 e 1,25) con l’idrogeno ci si può spingere fino a λ = 2, cosa che equivale 68 parti di aria per una di idrogeno, dato che il rapporto stechiometrico è di 34. usare miscele magre diminuisce anche la possibilità di detonazione, sempre in agguato per la velocità di combustione. 

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INIEZIONE DOPPIA - Molta parte del brevetto è infatti dedicata al controllo della combustione, un’esigenza dettata proprio dalla “vivacità” dell’idrogeno. Abbiamo così l’iniezione diretta, che permette di controllare il carburante e l'aria in modo indipendente: usando questo sistema un motore alimentato a idrogeno può erogare circa il 15% di potenza in più rispetto alla benzina. Se si chiede più potenza, e quindi si inietta più idrogeno, allora interviene la valvola EGR che, ricircolando in aspirazione parte dei gas di scarico, abbassa la temperatura in camera di combustione diminuendo la possibilità che si instauri il battito in testa (detonazione). Ma c’è un altro buon motivo per cercare di lavorare con valori di λ elevati e quindi con miscele aria/idrogeno magre: gli ossidi di azoto. La combustione dell’idrogeno genera teoricamente solo vapor d’acqua (ed eventualmente pochissimi idrocarburi incombusti nel caso ci sia qualche particella d’olio) ma se la temperatura sale molto allora l’azoto dell’aria può ossidarsi generando i nocivi NOx. Ricordiamo poi che questo brevetto parla anche di carburanti misti, con l’eventuale metano che può essere erogato da un sistema di iniezione indiretta.

figura_1.png > Le emissioni di ossidi d’azoto per un motore a idrogeno sono quasi nulle con miscele “magre” (la quantità Phi è il reciproco di λ) per poi salire velocemente avvicinandosi al rapporto stechiometrico. È per questo che si tende a usare una miscela con eccesso di aria.

MOTORI CHE TORNANO A RUGGIRE - Sempre allo scopo di controllare finemente la combustione Ford parla anche di una “valvola di aspirazione che esegue due aperture indipendenti durante un ciclo di lavoro e questo si potrebbe ottenere con una corsa ausiliaria della valvola eseguita prima della corsa principale”, implicando un sistema di fasatura capace di variare anche l’alzata della valvola stessa. Ricordiamo che la BMW aveva tentato, con poca fortuna, la strada dei motori endotermici alimentati a idrogeno (qui per saperne di più) mentre la Toyota ci sta provando seriamente, collaudandolo addirittura in corsa (leggi qui la notizia). Un’ultima considerazione: dato che gli li idrocarburi incombusti e la velocità di propagazione del fronte di fiamma non sono un problema i motori a idrogeno sono adatti ad avere rapporti alesaggio/corsa superquadri, cosa che descrive propulsori adatti a girare in alto: avremo una Mustang con zona rossa a 10.000 e più giri?

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