Le auto ibride, lo sappiamo, tendono a consumare meno delle altre, soprattutto in ambito urbano. Tutto merito dell'aggiunta dell'elettrificazione? No, piuttosto si tratta di un gioco di squadra che consente di usare per il motore termico una soluzione particolarmente efficiente, ma che prima dell'elettrificazione non si usava perché rendeva i motori piuttosto pigri: il ciclo Atkinson.
L'origine e il funzionamento: dalla meccanica alla fasatura variabile
Lontano dalle logiche dei propulsori tradizionali, che erano pensati per massimizzare le prestazioni, il Ciclo Atkinson privilegia l'efficienza termica, riducendo gli sprechi energetici.
Prende il nome dall'ingegnere britannico James Atkinson, che ne brevettò il progetto originale nel 1882. A differenza del classico ciclo Otto dei motori a benzina convenzionali — dove la corsa di compressione e quella di espansione hanno la stessa lunghezza — il brevetto originario utilizzava un complesso sistema di leveraggi meccanici per variare i volumi interni.
Nei propulsori moderni, invece, non ci sono complesse architetture meccaniche mobili. Si ottiene un risultato equivalente dal punto di vista termodinamico sfruttando la fasatura variabile delle valvole, con quello che più propriamente si chiama Ciclo Miller (ebbene sì, la stragrande maggioranza delle auto che oggi dichiarano di usare il ciclo Atkinson, ne adottano in realtà la variante Miller). Che funziona così...
Al termine della fase di aspirazione, le valvole di aspirazione rimangono aperte leggermente più a lungo del normale, mentre il pistone inizia a risalire. Questa apertura prolungata fa sì che una parte dell'aria fresca aspirata venga spinta indietro nel collettore d'ingresso. Di conseguenza, l'effettiva quantità d'aria compressa all'interno del cilindro risulta inferiore rispetto a quella che sarebbe consentita dalla cilindrata geometrica.
Di fatto è il contrario di ciò che si vuole ottenere con la sovralimentazione: a pari volume del cilindro, la quantità di aria che vi rimane è minore e va da sé che questa strategia va contro la ricerca di prestazioni elevate. Infatti, aria e benzina devono essere presenti in proporzioni ben definite, per poter bruciare bene, e meno aria vuol dire anche meno carburante.
Il vantaggio principale sta nel fatto che la fase di espansione (la spinta utile generata dalla combustione) sfrutta una corsa relativa più lunga rispetto alla compressione effettiva. Il motore riesce così a estrarre una maggiore quantità di energia utile dai gas combusti, disperdendo meno calore dallo scarico e migliorando sensibilmente l'efficienza termica.
Perché l'efficienza termica comporta un compromesso sulla potenza
Ogni scelta tecnica comporta dei compromessi, e il ciclo Atkinson non fa eccezione. Riducendo la compressione effettiva, il motore a parità di cilindrata sviluppa inevitabilmente meno potenza e coppia rispetto a un equivalente propulsore a ciclo Otto, soprattutto ai bassi regimi.
Sotto carico elevato o nelle partenze da fermo, un motore che adotta questa architettura pura può risultare meno pronto e reattivo. È esattamente il motivo per cui, storicamente, questa soluzione è rimasta confinata ai margini della produzione di massa, almeno fino all'avvento della propulsione elettrificata.
Il matrimonio perfetto con il sistema ibrido
È qui che i moderni powertrain ibridi — spesso anche quelli mild a 48V — risolvono brillantemente il problema. Il motore elettrico, infatti compensa la principale debolezza del ciclo Atkinson senza snaturarne i pregi. Nelle partenze e nelle fasi di accelerazione, la generosa coppia immediata erogata dall'unità elettrica copre il vuoto di spinta.
Il motore termico può lavorare più frequentemente nell'arco di regimi in cui risulta più efficiente e nelle situazioni di traffico cittadino o a velocità costante, il sistema può inoltre spegnere completamente il propulsore a benzina, azzerando le perdite per pompaggio e riducendo al minimo i consumi.
E c'è di più. Dal momento che il ciclo Atkinson Miller viene attuato in presenza di sistemi di gestione dinamica delle valvole, molti costruttori moderni sfruttano il variatore di fase per modificare il ciclo di funzionamento del motore in base alle condizioni d'uso, passando senza soluzione di continuità da un funzionamento simile al ciclo Otto a uno di tipo Atkinson a seconda del tipo di guida e della richiesta di potenza del momento.
Altro elemento utile per ottimizzare consumi e prestazioni dei motori Miller è il turbo, che a queste applicazioni è storicamente associato da ben prima dell'avvento dell'elettrificazione. L'aumento di pressione in camera di scoppio consentito dalla sovralimentazione compensa in parte la perdita di compressione intrinseca del sistema (senza però poter fare molto ai regimi più bassi). Ecco perché alcune auto ibride moderne adottano l'elettrificazione sulla base di motori Atkinson/Miller sovralimentati.
Illustrazione nel testo di MichaelFrey - Opera propria, based on US Patent US367496A, CC BY-SA 4.0
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Giornalista dal ’97, nella sua carriera Emanuele si è occupato di motori a 360 gradi, svolgendo anche il ruolo di tecnico e pilota collaudatore per Maserati e Alfa Romeo. Di MotorBox è l’anziano, il riferimento per tutti e non solo mentre siede alla scrivania: se un collega sta poltrendo, se ne accorge anche mentre è impegnato in una prova in pista a centinaia di chilometri. Ama le auto ma adora le moto, e in fatto di tecnologia è sempre un passo avanti. Proprio come a tavola: quantità e qualità.