Motore ad iniezione d'acqua

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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 e ridurre gli inquinanti[1].

Storia[modifica | modifica wikitesto]

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

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 eliminasse i difetti di accensione e di mantenimento costante del moto. Sperimentò poi il sistema anche su motori a olio leggero e a olio pesante, riscontrando i medesimi miglioramenti oltre a una maggior pulizia da depositi catramosi. Notò anche un'evidente diminuzione dell'usura nei componenti meccanici e migliori affidabilità e raffreddamento delle parti interne del motore.

Questa tecnologia fu però poi ignorata per molto tempo.

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

BMW M4 GTS, prima vettura omologata per uso stradale ad avere l'iniezione ad acqua nei cilindri

Invece per il trasporto su gomma ci furono poche altre produzioni di motori con questo sistema di serie, ma solo su vetture da competizione non omologate per l'uso stradale tra cui le Ford Escort RS Cosworth 4WD[2] o le monoposto di Formula 1 Ferrari 126 C2 e Ferrari 126 C3.[3] Successivamente, con una versione sviluppata dalla Bosch, il sistema viene applicato per la prima volta su una vettura stradale di serie, la BMW M4 GTS.[4]

Teoria[modifica | modifica wikitesto]

Nei motori a combustione interna la potenza è creata dal calore prodotto dalla combustione del carburante che fa dilatare i gas all'interno del motore. Purtroppo molto calore, e quindi molta energia, 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. Di conseguenza aumenta la potenza e diminuisce i consumi a parità di chilometri percorsi, in quanto nei gas in entrata sottrae spazio al carburante. Questa maggior pressione, unitamente al migliorato raffreddamento dei gas entranti, giustifica ancor più l'utilizzo di acqua 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 per ogni giro, questo è ottenuto semplicemente erogando una quantità di acqua costante. L'acqua è immessa immediatamente a valle della valvola a farfalla tramite un nebulizzatore tipo aerosol.

Nelle macchine dotate di questa elaborazione è usuale ridurre il flusso al circuito di raffreddamento poiché la funzione refrigerante del radiatore è pressoché superflua. Se il radiatore è sprovvisto di valvola termostatica che lo esclude quando la temperatura del fluido scende eccessivamente si corre il rischio di sottrarre eccessivo calore utile al motore con effetto deleterio.

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 demineralizzata e metanolo. Negli Stati uniti questo metodo è noto come "anti-detonant injection" o ADI. D'inverno è comunque utile aggiungerne un po'[di cosa?] 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.

Difetti[modifica | modifica wikitesto]

Questa soluzione ha come difetti:

  • Maggiore fumosità: anche se è meno inquinante, un mezzo dotato di questo sistema emette molto fumo bianco dovuto alla maggiore quantità di vapore acqueo allo scarico soprattutto all'avvio.
  • Necessità di acqua distillata o demineralizzata: 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 a quelli di 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. In alcune applicazioni dei motori a ciclo Otto questo vantaggio può essere sfruttato 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[5]. L'iniezione di acqua può anche ridurre le emissioni di NOx e di monossido di carbonio[5].

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 emulsionante 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 l'idrofobia della benzina è troppo elevata e quindi la miscelazione non è stabile: l'acqua e la benzina non restano in soluzione, ma si separano.

Nei motori a ciclo diesel il combustibile viene spruzzato dagli iniettori in fase liquida per cui un'emulsione di gasolio e acqua non subisce, come avviene nei motori a ciclo Otto con 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 acqua-benzina in camera di scoppio. Il gasolio è non polare, mentre l'acqua è polare, e 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. ^ Motori con iniezione ad acqua: dagli aerei alla BMW M4 Safety Car, in Automoto.it. URL consultato il 12 gennaio 2017.
  2. ^ rscosworth.it: Produzioni.
  3. ^ P. Casucci, p. 54
  4. ^ di Dario D'Elia, Bosch spruzza l'acqua nel motore e migliora le prestazioni, in Tom's Hardware, 1 Settembre 2016.
  5. ^ 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]