Analisi tecnica del motore Infiniti VC Turbo a compressione variabile

La realizzazione di un motore ad accensione comandata  con rapporto di compressione variabile è sempre stato, da vari anni, uno dei sogni nel cassetto di molti progettisti. Tale soluzione consentirebbe di ottimizzare in tempo reale le caratteristiche del propulsore in termini di efficienza energetica e prestazioni, in funzione delle variabili condizioni di marcia del veicolo. Come è noto, il rapporto di compressione influenza direttamente il rendimento termodinamico di un motore (quindi i consumi), ma anche, a parità di altri parametri, la potenza e la coppia erogate. Quindi un rapporto di compressione elevato costituisce una soluzione conveniente ed ampiamente utilizzata che tuttavia pone dei limiti connessi essenzialmente al fenomeno della detonazione e della resistenza dei materiali. Vediamo qual è ne dettagli l'interpretazione Nissan-Infiniti del rapporto di compressione variabile per i prossimi motori pronti al lancio.

RAPPORTI DI COMPRESSIONE ELEVATI Attualmente i rapporti di compressione dei motori aspirati a benzina di normale produzione sono abbastanza elevati (circa 10:1 ed anche oltre), grazie alle eccellenti qualità antidetonanti delle benzine moderne ed ai notevoli progressi nei materiali, nello studio della fluodinamica e del controllo della combustione. Nei motori turbocompressi i rapporti di compressione sono invece più bassi in quanto la pressione di sovralimentazione, seppur non elevata, è sufficiente a garantire eccellenti rendimenti. In ogni caso, quando il motore ipoalimentato funziona a carichi parziali (marcia in città o comunque a regimi modesti), è conveniente un rapporto di compressione alto per un miglior rendimento. Viceversa, in condizioni di consistenti  aperture di farfalla (riempimento ottimale della cilindrata) è preferibile disporre di un rapporto di compressione più basso.

SOLUZIONE COMPLESSA Ma non è affatto semplice realizzare un motore che soddisfi tali diverse esigenze. Per decenni, gli ingegneri che sviluppano tecnologie motoristiche hanno creduto che la svolta decisiva per la tecnologia dei motori endotermici  sarebbe arrivata  dal controllo del rapporto di compressione variabile. Infiniti è il primo costruttore ad introdurre questa tecnologia, sviluppata negli ultimi 20 anni, nella produzione di serie e ha brevettato oltre 300 nuove tecnologie specificamente adottate nel nuovo motore VC-Turbo.

PMS VARIABILE Il nuovo propulsore 2 litri Turbo benzina VC-Turbo di Infiniti (Variable Compression Turbocharged) utilizza un sistema “multi-link” a bracci multipli in gradodi alzare o abbassare la posizione dei pistoni al PMS (punto morto superiore, leggi qui per approfondire) entro un range prestabilito in modo  da ottenere sempre il miglior rapporto di compressione in funzione delle condizioni di utilizzo del veicolo. Con tale sistema il motore è in grado di configurare qualsiasi rapporto di compressione compreso tra 8:1 (per elevate prestazioni) e 14:1 (per alta efficienza). Il risultato è un motore che combina la potenza di un 2.0 litri turbo benzina prestazionale con la coppia e l'efficienza di un turbodiesel di ultima generazione. In corrispondenza del rapporto di compressione più elevato (14:1) il motore VC-T funzione in base al ciclo Atkinson (lo stesso adottato dai motori Toyota abbinati al sistema ibrido) che prevede angoli di apertura valvole particolarmente ampi. Ma come è possibile ottenere la variazione del rapporto di compressione in marcia? In verità, altri costruttori hanno già realizzato, in tempi recenti, motori a benzina a compressione variabile, rimasti tuttavia allo stadio di prototipi. Giova ricordare il SAAB  1.6 turbo  5 cilindri SVC ( SAAB VariableCompression) risalente al 2000. Questo propulsore, accreditato di 225 CV  realizza la variazione del rapporto di compressione (da 8:1 a 14:1) modificando fino ad un max. di 4° l'inclinazione del gruppo cilindri-testata rispetto al basamento. Un altro sistema consiste nella variazione dell'altezza dell'albero motore senza modificare la corsa del pistone (sistema Diesotto Mercedes), oppure variando il fulcro del leveraggio tra biella e pistone (sistema Peugeot MCE-5, un 1.5 turbo da 270 CV presentato nel 2009).

DI SERIE NEL  2018 Infiniti ha creato 'Harmonic Drive', sistema che muove un braccio di controllo. Nel momento in cui l'attuatore dell'Harmonic Drive ruota, anche l'albero alla base del motore subisce una rotazione ed attiva il multi-link. Modificando l'angolo del multi-link varia il punto morto superiore dei pistoni e quindi il rapporto di compressione. Il propulsore su ogni singolo cilindro utilizza la fasatura variabile sulle valvole di aspirazione, mentre l'iniezione è diretta multi-point. Il collettore di scarico viene integrato nella testa dei cilindri per una migliore efficienza termica. Il VC-Turbo impiega una valvola wastegate a controllo elettronico per mantenere costante la pressione e la spinta  del turbocompressore.Il propulsore adotta inoltre la tecnologia a basso attrito 'mirror bore coating' ed è in grado di passare dal ciclo Atkinson a quello Otto  tradizionale senza interruzioni. Il VC-Turbo è un motore in linea a quattro cilindri che non richiede contralberi di equilibratura. Il costruttore nipponico afferma che il livello di scorrevolezza intrinseca del nuovo motore  garantisce caratteristiche di NVH (Noise, Vibration and Harshness) simili ad un motore V6 tradizionale. Il propulsore VC-Turbo andrà ad equipaggiare nuovi modelli Infiniti dal 2018.