Motore ad iniezione d'acqua

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Aereo KC-135, dove all'inizio dell'iniezione di acqua il fumo generato è ben visibile

In un motore a combustione interna, l'iniezione d'acqua, detta anche iniezione antidetonante, si realizza mediante la nebulizzazione di acqua, liquido inerte, nel flusso in ingresso dell'aria (o della miscela aria-combustibile); questo può avvenire sia all'interno del condotto di aspirazione dei motori, sia direttamente nel cilindro.

Lo scopo dell'iniezione acquosa è quella di raffreddare alcune parti che possono produrre preaccensione della miscela combustibile, nonché di aumentare il rapporto di compressione.

Storia[modifica | modifica wikitesto]

Il primo ad avere l'idea di iniettare acqua nel motore a combustione interna fu Pierre Hugon nel 1865 sul suo motore a gas. Egli si accorse come ciò ne eliminasse i difetti di accensione e mantenimento costante del moto. Sperimentò poi il sistema anche su motori ad olio leggero e ad olio pesante, riscontrando i medesimi miglioramenti oltre ad una maggior pulizia da depositi catramosi. Notò anche un'evidente diminuzione dell'usura nei componenti meccanici.

Questa tecnologia fu però poi ignorata per molto tempo.

Gli unici motori prodotti in serie ad utilizzare questo sistema furono motori per aerei a elica della seconda guerra mondiale tra cui:

Per il trasporto su gomma, invece, ci furono poche altre produzioni di motori con questo sistema di serie, tra cui le Ford Escort Cosworth 4wd[1]

Teoria[modifica | modifica wikitesto]

Nei motori a combustione interna è il calore prodotto dalla combustione del carburante, che fa dilatare i gas all'interno del motore, a creare potenza. Purtroppo molto calore, e quindi potenza, va perso con i gas di scarico.

Rapporto di compressione[modifica | modifica wikitesto]

I gas escono a una temperatura notevolmente inferiore, essendo essa stata sottratta dall'acqua per evaporare, difatti l'acqua è un composto che evaporando aumenta notevolmente di volume e questo ne fa il mezzo ideale per creare in camera di combustione una pressione più elevata a parità di volume di gas in ingresso, e quindi ne aumenta la potenza e diminuisce i consumi (a parità di km percorsi, in quanto impegna spazio ai gas in entrata, la cui riduzione dei consumi è quindi proporzionale). Tale qualità, la maggior pressione, unitamente al migliorato raffreddamento dei gas entranti, ne fanno un metodo ancor più giustificato nei motori dotati di turbocompressore.

Essendo l'acqua un liquido incomprimibile, provoca di per sé un aumento di rapporto di compressione. Inoltre assorbendo il calore prodotto dalla combustione permette una migliore efficienza del motore e ne allunga la vita diminuendo l'usura e allungando la durata dell'olio motore e delle candele. Grazie alle minori temperature gli ossidi di azoto risultano notevolmente abbattuti.

Per principio di funzionamento, può essere considerato una via di mezzo tra un motore a combustione interna e motore a vapore.

Impianto[modifica | modifica wikitesto]

Esistono in commercio diversi sistemi tutti molto costosi, ragion per cui è uso degli appassionati impiantare artigianalmente i sistemi creati da sé. Ciò è facilitato in quanto la regolazione della quantità è automatica, ovvero una volta trovata la proporzione ideale questa è indipendente dal regime del motore in quanto a bassi giri può utilizzare più acqua mentre ad alti giri deve utilizzare meno acqua (inteso per ogni giro), questo è ottenuto semplicemente con una quantità di acqua erogata costante. L'acqua è immessa immediatamente dopo la valvola a farfalla (a valle) tramite un nebulizzatore tipo aerosol.

Nelle macchine dotate di tale elaborazione è usuale ridurre il flusso al circuito di raffreddamento, la funzione refrigerante del radiatore è pressoché superflua, e se il radiatore è sprovvisto di valvola termostatica (che lo escluda quando la temperatura del fluido scende eccessivamente) è addirittura deleterio in quanto rischia di sottrarre eccessivo calore utile al motore.

Utilizzando questo sistema è possibile montare turbocompressori molto più spinti. Alcuni, solo con lo scopo di aumentare la potenza a parità di cilindrata in auto da corsa, utilizzano una miscela di acqua e metanolo. Negli Stati uniti questo metodo è noto come "anti-detonant injection", o ADI. D'inverno è comunque utile aggiungerne un po' come antigelo.

Un'elaborazione molto più estrema consiste nel sostituire i pistoni normali con pistoni a testa bombata (definiti anche rialzati o a tetto), in modo da aumentare il rapporto di compressione allo scopo di aumentare la potenza specifica, operazione possibile in quanto grazie alle temperature di lavoro più basse e all'assenza di depositi carboniosi è praticamente eliminato il pericolo di detonazione.

Al liquido utilizzato, acqua distillata, può essere aggiunto del metanolo, anche per l'effetto antigelo al fine di prevenire il congelamento del serbatoio in presenza di basse temperature esterne.

Difetti[modifica | modifica wikitesto]

Questa soluzione ha come difetti:

  • Maggiore fumosità: un mezzo dotato di questo sistema emette, in modo vistoso, molto fumo bianco allo scarico soprattutto all'avvio, anche se è meno inquinante e consistente solo nella maggiore quantità di vapore acqueo.
  • Necessità di acqua distillata: non è possibile utilizzare acqua normale, perché contiene sali
  • Inefficacia degli attuali sistemi catalizzanti: la marmitta catalitica, che necessita di alte temperature per svolgere il suo scopo, rimane sempre a temperature troppo basse per il suo funzionamento.
    Tuttavia, in un'auto dotata di iniezione ad acqua, il motore produce una esigua quantità di gas inquinanti, inferiore ad un'auto normale dotata di marmitta catalitica nuova e in perfetta efficienza, soprattutto per gli ossidi di azoto, che sono quasi azzerati.
  • Difficoltà di applicazione su veicoli datati: nelle auto più vecchie un problema consisteva nella regolazione dell'anticipo e della carburazione; nei motori più moderni, controllati dalla centralina elettronica di controllo (ECU), questi problemi non esistono più in quanto il tutto è regolato tramite la sonda lambda della marmitta catalitica, dal debimetro, e da altri sensori.

Utilizzi[modifica | modifica wikitesto]

Nei motori a getto per l'aviazione, è usata per incrementare la spinta a bassa velocità e al decollo.

Nei motori a ciclo Otto, l'effetto di raffreddamento indotto dall'iniezione di acqua permette il raggiungimento di rapporti di compressione più alti, riducendo il problema del battito in testa dovuto alla detonazione della miscela. Questo vantaggio, in alcune applicazioni dei motori a ciclo Otto, può essere sfruttato, in alternativa, per ottenere maggiori prestazioni in combinazione con la sovralimentazione (compressore volumetrico o turbocompressore) e con altre modifiche nel funzionamento del motore, come, ad esempio, una regolazione più aggressiva della fasatura di accensione.

A seconda del motore, miglioramenti nella potenza possono essere ottenuti anche con la sola iniezione di acqua[2]. L'iniezione di acqua può anche ridurre le emissioni di NOx e di monossido di carbonio[2].

L'iniezione di acqua può essere usato in alcuni motori a turbogetto o a turboalbero come sistema momentaneo per aumentarne la spinta in particolari situazioni.

Gasolio bianco[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Lo stesso argomento in dettaglio: Gasolio § Accorgimenti.

Una tecnologia simile è utilizzata nei motori Diesel miscelando (grazie ad un solvente) gasolio e acqua. Il processo di miscelazione è applicabile grazie ad una maggiore affinità del gasolio verso l'acqua. Ciò non è praticabile nei motori a benzina dato che la idrofobia della benzina è troppo elevata, e quindi la miscelazione non è stabile, (acqua e benzina non restano in soluzione, ma si separano).

Nei motori a ciclo diesel il combustibile viene spruzzato dagli iniettori in fase liquida per cui una emulsione di gasolio e acqua non subisce , come nei motori ciclo otto subisce la benzina, una fase di evaporazione. Questo comporta che la miscela acqua gasolio non rischia una distillazione frazionata in camera di combustione come la rischierebbe una emulsione benzina- acqua in camera di scoppio. Il gasolio è non polare, l'acqua è polare , non esiste un solvente che li solubilizzi in una soluzione ternaria, esistono stabilizzatori di emulsione a base acida o basica.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ rscosworth.it: Produzioni.
  2. ^ a b (EN) Wilson, J. Parley, Effects of Water Injection and Increased Compression Ratio in a Gasoline Spark Ignition Engine, Thesis, University of Idaho, 2011. URL consultato il 12 aprile 2016.

Bibliografia[modifica | modifica wikitesto]

  • (EN) Kroes, M and Wild, T: "Aircraft Powerplants" 7th edition, Glencoe, 1995

Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]