Motori a iniezione d'acqua: diminuiscono i consumi e aumenta la potenza

A luglio dello scorso anno BMW aveva diramato la notizia riguardante i test effettuati con l'iniezione d'acqua sui nuovi motori 3 cilindri 1.5 turbo a benzina della Serie 1. Prendendo spunto dall'interessante applicazione della Casa bavarese, SicurAUTO.it ne aveva spiegato i vantaggi peraltro già sperimentati con successo sui motori aeronautici dei migliori caccia della Seconda Guerra Mondiale e, negli anni '80, in F1 dalla Ferrari (leggi qui il nostro approfondimento sull'iniezione d'acqua). Ma, per amore di verità, è doveroso menzionare anche le interessanti applicazioni dell'iniezione d'acqua sulla Ford Escort Cosworth 4WD e sulla Saab 99 Turbo S del 1978. Assodato che non si tratta in assoluto di una novità tecnologica (neanche sulle auto di normale produzione), siamo ora in grado di analizzare in modo più approfondito la soluzione sviluppata da Bosch con BMW.

IL CONCETTO DI BASE Il sistema e i relativi benefici sono ben noti da oltre 70 anni. L'acqua nebulizzata iniettata direttamente nella camera di combustione o nel collettore di aspirazione, durante la combustione della miscela aria-benzina, evapora assorbendo calore, abbassando in tal modo la temperatura all'interno della camera di combustione. Tale benefico effetto refrigerante consente di aumentare la pressione di sovralimentazione (o il rapporto di compressione) e nel contempo  allontana il rischio del pericoloso fenomeno della detonazione. Infatti l'acqua presenta eccellenti caratteristiche antidetonanti e il suo Numero di Ottano è praticamente infinito. BMW e Bosch affermano che con l'iniezione d'acqua si ottiene una diminuzione di 25°C della temperatura di combustione con un aumento della potenza del 10% ed una diminuzione del consumo dell'8% con picchi del 13%. Inoltre, le emissioni di CO2 nel ciclo WLTC si riducono del 4%. Ovviamente, l'acqua necessaria è contenuta in apposito serbatoio rifornibile con acqua demineralizzata del commercio o, come sperimentato da Bosch, anche dalla condensa del climatizzatore, dello scarico o da acqua piovana.

CONSUMI RIDOTTI Anche i motori a benzina più evoluti sprecano circa un quinto del carburante consumato. Soprattutto agli alti regimi di rotazione, parte della benzina viene utilizzata per raffreddare le pareti della camera di combustione. Con il suo nuovo sistema di iniezione ad acqua, Bosch dimostra che questo spreco può essere eliminato. In particolare, in accelerazione decisa o in autostrada, l'effetto refrigerante dell''iniezione di acqua si sostituisce vantaggiosamente a quello della benzina e consente di ridurre il consumo di carburante fino al 13%. “Con l'iniezione ad acqua abbiamo dimostrato che i motori a combustione interna hanno ancora qualche asso nella manica” ha dichiarato Rolf Bulander, presidente del settore Bosch Mobility Solutions e membro del Board of Management di Bosch. La riduzione dei consumi di carburante ottenuta da questa tecnologia Bosch emerge particolarmente nei motori a tre e quattro cilindri delle auto di medie dimensioni.

PIU' POTENZA SUI MOTORI TURBOCOMPRESSI Come detto, il risparmio di carburante non è l'unico vantaggio offerto dall'iniezione d'acqua:  può anche rendere le auto più potenti. “L'iniezione d'acqua può fornire un incremento di potenza ai motori con turbocompressore” ha dichiarato Stefan Seiberth, Presidente della divisione Gasoline Systems di Bosch.  Prima che avvenga la combustione, nel condotto di aspirazione viene nebulizzata l'acqua (tramite apposito iniettore) e grazie all'elevato calore di vaporizzazione assicura un raffreddamento efficace dell'aria in entrata. Giova ricordare che nei motori turbocompressi l'aria aspirata subisce un notevole, dannoso riscaldamento ed esce compressa dal turbo a temperature dell'ordine di 160-190 °C. L'intercooler provvede quindi a raffreddarla fino a circa 70°C, temperatura non ancora ottimale ai fini di un buon rendimento volumetrico e termodinamico. L'iniezione d'acqua nel collettore di aspirazione raffredda ulteriormente l'aria e ne incrementa la sua densità, quindi la quantità di ossigeno in essa contenuto. Ma vale la pena menzionare un altro aspetto positivo offerto dall'iniezione d'acqua.  Nei motori di elevata potenza specifica si possono raggiungere nella camera di combustione picchi di circa 2000°C per tempi molto brevi. Ebbene, con tali temperature la molecola dell'acqua (H2O) subisce il fenomeno della termolisi (o cracking termico) che ne provoca la scissione in ioni di H2 e OH-. La presenza di idrogeno migliora la combustione con relativa riduzione di emissioni di HC, CO, NOx, PM.

RIFORNIMENTO DI ACQUA DEMINERALIZZATA L'impianto Bosch funziona ad una pressione media di 10 bar e  la mandata degli iniettori d'acqua è in funzione del carico motore, del numero di giri e della temperatura. Come accennato, l'acqua utilizzata è distillata (demineralizzata) per evitare che si formino  depositi e incrostazioni calcaree. E' contenuta in un serbatoio di 5-8 litri (alloggiato sotto il bagagliaio) in cui pesca una pompa gestita elettronicamente (vedi schema). Il consumo specifico di acqua in L/1000 Km varia in funzione dei diversi parametri tra cui il carico del motore, il numero di giri e la temperatura ambiente. I test condotti da Bosch su diverse tipologie di auto hanno evidenziato consumi specifici di acqua compresi tra 1,3 L/1000 Km (vetture media fino a 115 kW e 1610 kg di peso)  e 2,8 L/1000 Km (vetture fino a 130 kW). Per i SUV (115 kW e 2130 kg) è stato riscontrato un consumo medio di 1,9 L/1000 Km (vedi tabella). La differenza tra il valore minimo di consumo e quello massimo è del 115%. Con un serbatoio di acqua da 5 litri l'autonomia media varia quindi tra i 3846 km e i 1785 km. In caso di assenza d'acqua nel serbatoio o guasto nel sistema, il motore continua a funzionare regolarmente senza tuttavia erogare le massime prestazioni poiché vengono ridotti elettronicamente la pressione di sovralimentazione e l'anticipo d'accensione. Il serbatoio dell'acqua è protetto contro il congelamento e ogni volta che viene spento il motore l'acqua che si trova nei condotti ritorna al serbatoio, onde evitare che a temperature sotto lo zero si ghiaccino i componenti del sistema.

TECNOLOGIA GIA' IN PRODUZIONE La nuova BMW M4 GTS è il primo modello di serie della Casa bavarese a integrare l'iniezione d'acqua Bosch nel motore 3.0 litri 6 cilindri in linea biturbo Mono Scroll da 500 CV(368 kW). Per questo motore il sistema d'iniezione d'acqua prevede 3 iniettori installati nei collettori di aspirazione (uno ogni 2 cilindri). Nel confronto con la BMW M4 la potenza massima del motore aumenta del 16% e viene raggiunta già a 6.250 g/min. La coppia di punta sale del 10% (600 Nm) ed è disponibile nell'arco di regime tra 4.000  e 5.500 g/min. La nuova BMW M4 GTS accelera da 0 a 100 km/h in 3,8 secondi e la velocità massima è di 305 km/h (autolimitata). Nonostante il significativo aumento della potenza, il propulsore raggiunge anche degli eccellenti valori di consumo di carburante: il consumo nel ciclo combinato UE è di 8,5 l/100 km e le emissioni di CO2 nel ciclo combinato sono di 199 g/km. A seconda del motore e del tipo di vettura, gli effetti positivi del sistema d'iniezione d'acqua possono essere utilizzati in  modi differenti. I progettisti dispongono dunque di un campo di applicazione relativamente ampio per decidere se ottimizzare il propulsore in direzione della potenza o dei consumi. Se il sistema d'iniezione d'acqua viene considerato già nella fase di progettazione di un motore ad alte prestazioni, il turbocompressore sarà progettato con un grado di sovralimentazione alto. In un motore turbo che raggiunge il numero di giri massimo alla potenza nominale, è possibile ottenere un aumento di potenza dell'8%. Contemporaneamente, le perdite di potenza determinate dall'aumento della temperatura ambiente (>20°C) vengono compensate incrementando il quantitativo d'acqua nebulizzata.