Mondo motori
Tecnica 2
Motori alternativi
Sul blog ralph-dte.eu abbiamo scritto diversi interessanti articoli inerenti il mondo dell'automotive elettrico. Per leggerli accedi alla pagina "Motori" del blog e visita la sezione "Automotive alternativo". Puoi anche commentare i nostri articoli sul blog "ralph-dte.eu", raccontarci le tue esperienze sia di utilizzo di veicoli con motori alternativi, sia esperienze di tipo lavorativo e professionale.
Motori elettrici
Trattasi di una soluzione che fino a pochi mesi fa era assai costosa e nel bilancio poco vantaggiosa anche se molto interessante. Ora invece le cose stanno cambiando a favore di questa soluzione e la vera innovazione è rappresentata da batterie sempre più efficienti. Abbiamo provato la Tesla Roadster ed abbiamo apprezzato autonomie considerevoli che arrivano ad oltre 480km con una ricarica nel caso della Model S.
Leggi i nostri articoli, inerenti le auto elettriche, presenti sul nostro blog.
Motori ibridi
Aggiungere al motore a combustione interna un motore elettrico che collabori con esso o addirittura lo sostituisca nei brevi tratti in città alle basse velocità, può essere un interessante connubio in attesa di soluzioni realmente evolute. Le principali case automobilistiche hanno sviluppato vetture equipaggiate con tecnologia ibrida al fine non di aumentare le prestazioni, bensì di consumare meno carburante a parità di prestazioni ottenute.
Soluzioni ibrido benzina-diesel
Alcuni ricercatori stanno tentando un ultimo disperato tentativo di realizzare un motore unicamente a scoppio che consumi meno. Una soluzione estrema che prevede la realizzazione di un motore a scoppio che disponga sia dei vantaggi dei motori diesel che dei vantaggi dei motori benzina; una sorta di ibrido Benzina-Diesel di cui vi alleghiamo alcuni articoli del nostro blog:
Soluzione BMW Active Hybrid
All'avviamento della vettura l'energia elettrica fluisce dalla batteria attraverso la centralina per raggiungere i due motori elettrici sull'asse anteriore e posteriore. Cambio e ruote portano su strada l'energia. L'energia cinetica che si libera durante le frenate o in discesa viene recuperata dal Brake Energy Regeneration e serve per ricaricare gli accumulatori. Su un tratto libero a velocità sostenuta l'auto viene spinta dal motore a scoppio (nel caso della Vision si tratta di un motore 1500cc diesel 3 cilindri con turbocompressore a geometria variabile e trasmissione con cambio a doppia frizione). Per l'accelerazione massima si utilizzano tutti e tre i motori per una potenza complessiva di 262Kw ovvero 356 cavalli e ben 80kgm di coppia massima. Durante i viaggi in autostrada il motore a scoppio fa da padrone e un generatore termoelettrico sfrutta come ulteriore sorgente energetica il calore presente nei gas di scarico frutto della combustione.
Soluzione Porsche 911 GT3R Hybrid
La tecnologia Williams Hybrid Power, utilizzata nelle gare di endurance (24 ore del Nurburgring, 24 ore di Le Mans, 24 ore di SPA....) ha lo scopo di ridurre i consumi e di conseguenza le emissioni inquinanti, pur mantenendo le medesime prestazioni. Tale tecnologia non viene quindi sviluppata per aumentare la potenza del veicolo sul quale è installata. Nonostante ciò il sistema ha un suo peso (che si aggira intorno ai 150 kg) ed il bilancio tra l'incremento di peso e l'incremento di potenza ottenuto grazie ai due motori elettrici da 60 kw ognuno (incremento ottenuto solo per 5 o 6 secondi in uscita di curva e nei tratti in salita) deve in fin dei conti lasciare le prestazioni del mezzo pressochè inalterate*. Certo è che percorrere una gara come la 24 ore del Nurburgring, fermandosi meno ai box, include nel bilancio un sicuro vantaggio in termini di posizioni ottenute.
Per sapere come funziona guarda il paragrafo più in basso relativo all'Accumulatore di Energia Cinetica a Volano.
*Rispetto al veicolo tradizionale
(1+5) Elettronica di gestione potenza; (2) Asse a portale con due motori elettrici da 60Kw; (3) Cavo ad alto voltaggio; (4) Accumulatore elettrico a volano di Williams Hybrid Power.
Soluzione Porsche 918 Hybrid
Descrizione in costruzione
Soluzione Toyota Prius Hybrid Synergy Drive
Un motore a combustione interna ed un motore elettrico operano sinergicamente sotto il cofano delle Toyota Prius. Lo studio di questa soluzione ha avuto inizio nel 1997, oggi oltre 2 milioni di Prius circolano in tutto il mondo percorrendo una media di 25 km/l sia in città che nell'extraurbano. Nei veicoli dotati di un tradizionale sistema di trasmissione l'energia viene dispersa in particolar modo a causa delle continue frenate. Hybrid Synergy Drive recupera gran parte di questa energia immagazzinandola in una batteria e riadoperandola nel momento più opportuno tramite un motore elettrico in grado di raggiungere regimi di 13.000 giri al minuto in assenza di attrito. Tale motore viene impiegato alle basse velocità in un range di funzionamento ove il motore a combustione manifesta notevoli pecche sia nell'erogazione della potenza, che nei consumi molto più elevati alle basse andature piuttosto che alle medio/alte andature. La batteria di cui è dotato il veicolo è ad alta tensione ed è progettata per una vita utile pari a quella del veicolo. L'unità di controllo di Hybrid Synergy Drive gestisce in modo fluido il funzionamento di entrambi i motori utilizzandone solo uno o entrambi in modo intelligente. In modalità puramente elettrica la vettura può percorrere fino a 2 chilometri ad un'andatura di 50 km/h. Quando è richiesta la massima accelerazione entrambi i motori entrano in funzione e cooperano.
Ausili ai motori ibridi
Accumulatore di energia cinetica a volano Williams Hybrid Power
Ogni volta che, alla guida della vostra auto, frenate, buttate letteralmente l’energia che il vostro veicolo ha acquisito nella precedente accelerazione (e mantenuto durante il suo moto) con una grande spesa di carburante. Ma se ogni volta che frenate, una buona parte dell’energia cinetica venisse trasformata in energia elettrica e raccolta da un apposito dispositivo, allora potreste riutilizzarla durante la successiva accelerazione del vostro veicolo per alimentare uno o più motori elettrici di ausilio al normale motore a scoppio. Ciò comporterebbe un evidente risparmio di carburante. Si chiama “accumulatore di energia cinetica a volano” (se desiderate “volano motore elettrico”) la tecnologia Williams Hybrid Power adottata con esito più che soddisfacente sulla Porsche 911 Hybrid nelle gare delle 24 ore. Essa è basata su un volano “elettrico” in grado di accumulare l’energia elettrica proveniente dai motori elettrici (collocati all’avantreno) durante la frenata. Tali motori vengono chiamati a svolgere una duplice funzione: quando vengono alimentati forniscono trazione alle ruote anteriori generando 60 kw ognuno (potenza che si va a sommare a quella del motore a scoppio), quando invece non si dà gas e, anzi si sta frenando, fungono da generatori in grado di inviare energia elettrica all’accumulatore a volano. Il rallentamento del veicolo avviene inizialmente unicamente per via meccanica. Solo nel momento in cui la presa tra le pasticche ed i dischi è massima inizia la trasformazione dell’energia di frenata in energia elettrica che attiva l’accumulatore di energia cinetica a volano. L’energia cinetica di quest’ultimo viene frenata elettricamente durante l’accelerazione del veicolo e la carica ottenuta aziona i motori posti all’avantreno i quali forniranno il loro “aiuto” durante un’uscita di curva, un sorpasso, una salita… insomma quando si desidera uno spunto in più che provenga da un recupero di energia (quindi da una sorta di ottimizzazione) piuttosto che dall’impiego di una maggiore quantità di carburante. La soluzione, per l’appunto montata sulla Porsche 911 Hybrid, non serve infatti ad incrementare le prestazioni bensì a ridurre i consumi e di conseguenza anche le emissioni inquinanti a parità di prestazioni. Va infatti considerato che i 60 kw di potenza in più servono a compensare i 150 kg aggiuntivi dell’impianto. Non se ne trae quindi un vantaggio prestazionale ma solo ed esclusivamente in termini di riduzione dei consumi e di conseguenza delle emissioni nocive. Di recente il volano motore elettrico di Williams è stato migliorato con una particolare innovazione ovvero la tecnologia MLC (Magnetically Loaded Composite) che prevede l’impiego, al posto dei comuni magneti permanenti, di una polvere magnetica mescolata nella matrice di un rotore realizzato in composito. In assenza di grandi strutture metalliche le perdite di corrente ed il riscaldamento sono fenomeni trascurabili, ne segue logicamente un rendimento elettrico molto elevato. Inoltre tali dispositivi possono essere sfruttati a fondo e con continuità senza per questo pregiudicarne le prestazioni, l’affidabilità e la longevità. E’ da notare infine che l’utilizzo di un rotore in composito aumenta la sicurezza passiva del sistema: in caso di rotture (è opportuno pensare anche a questa evenienza) non ci sono frammenti metallici con una forte inerzia che possono essere centrifugati con forte rischio di espulsione (il rotore è in grado di raggiungere i 40.000 giri/min).
Brake Energy Regeneration - BMW
Riutilizzo dell'energia liberata: la batteria si ricarica trasformando l'energia di spinta, senza dover usare il motore. Questo sistema consente di avere a disposizione una maggiore potenza propulsiva in accelerazione e permette un risparmio di carburante fino al 3%. Le vetture di oggi necessitano di una notevole quantità di energia elettrica per funzioni di comfort e sicurezza. Normalmente questa energia viene prodotta anche dal generatore, azionato dal motore attraverso una cinghia trapezoidale. Il generatore funziona ininterrottamente quando il motore è in moto ma, con l'ausilio di un'unità di comando intelligente, nella fase di accelerazione è possibile spegnerlo ottenendo un risparmio di carburante anche del 3%. Con la Brake Energy Regeneration il generatore si attiva solamente quando il conducente scosta il piede dall'acceleratore oppure frena, ovvero quando è disponibile energia in eccesso generata dal moto del veicolo. Questa “energia di frenata“ viene trasformata dal generatore in corrente e immagazzinata dalla batteria.
La produzione mirata di energia elettrica presenta un ulteriore vantaggio: in caso di accelerazione massima il motore dispone anche della forza motrice che, in caso di caricamento convenzionale, servirebbe al generatore. Oltre all'economicità aumenta quindi anche il piacere di guidare. In casi eccezionali, quando lo stato di carica della batteria raggiunge il limite inferiore, il sistema si attiva per caricarla anche durante la fase di accelerazione evitando un eccessivo scaricamento della batteria.
Freno rigenerativo
Il freno rigenerativo è un dispositivo in grado di recuperare energia utile quando si frena un veicolo (auto elettriche, auto ibride, autobus, tram, metropolitane, treni, di recente anche scooter e moto elettriche nonché e-bike e persino F1). E’ noto che, durante la frenata, una quantità non indifferente di energia posseduta dal veicolo viene persa sotto forma di attrito generato dal contatto delle pasticche con i dischi e quindi trasformata in calore. Sulle “normali” autovetture tale energia è in parte recuperabile ponendo sulla trasmissione un generatore elettrodinamico. Questo consente di non utilizzare costantemente l’alternatore per l’alimentazione delle funzioni di comfort e sicurezza ottenendo così un risparmio di carburante pari a circa il 3%. L’alternatore, che è trascinato dal motore tramite una cinghia trapezoidale, può essere quindi disinserito in fase di accelerazione non gravando sul motore stesso. Sulle vetture “elettriche” e su quelle “ibride” invece i motori elettrici di trazione vengono riutilizzati in frenatura come generatori elettrici in quella che viene definita frenatura elettrodinamica. Qui il compito della rigenerazione non è quello di alleggerire il carico del motore, bensì quello di ricaricare le batterie destinate all’alimentazione del veicolo in modalità elettrica. Il freno rigenerativo, oltre ad aiutare notevolmente il rallentamento del veicolo, permette di convertire l’energia cinetica del veicolo in energia elettrica disponibile per le batterie anziché in attrito e quindi in calore inutilmente perso nell’aria. Ciò si traduce anche in un gran risparmio di elementi quali pasticche e dischi dei freni e in una conseguente minore immissione nell’aria di polveri finissime molto fastidiose sia per la salute dell’uomo sia per la pulizia e l’ordine del mezzo. D’altra parte però il continuo alternarsi delle fasi di trazione (l’energia elettrica viene trasformata in energia meccanica) e rigenerazione (l’energia meccanica viene trasformata in energia elettrica per uso inverso del motore elettrico) provoca forti surriscaldamenti del motore elettrico il quale è spesso provvisto di un circuito di raffreddamento a liquido. Inoltre la capacità di frenare il veicolo viene interrotta alle basse velocità ragione per cui, il freno rigenerativo, non può essere considerato un sostituto ma un assistente del tradizionale impianto frenante. A velocità ridotte il rotore (presente all’interno del motore elettrico) ha una velocità angolare insufficiente per generare il potenziale necessario ad ottenere un corretto effetto frenante. L’efficienza del generatore si riduce notevolmente con la riduzione della velocità angolare del rotore. Ne deriva un drastico calo della forza frenante. Per il completo arresto del veicolo risulta quindi necessario anche un impianto frenante tradizionale che sfrutta l’attrito. E’ importante tener presente che, ogni qualvolta acceleriamo, consumiamo ingenti quantità di carburante che letteralmente gettiamo “al vento” ad ogni successiva frenata (specie in città). Anche un guidatore modello che in città evita inutili rapide accelerazioni, e frequenti frenate, non può evitare simili sprechi senza una tecnologia dedicata.
Ultracapacitore
Un ultracapacitore è una sorta di batteria in grado di accumulare grandi quantità di energia, essere ricaricata centinaia di migliaia di volte e, cosa più importante, essere ricaricata in tempi decisamente brevi. La tecnologia oggi è arrivata al punto di offrire ultracapacitori in grado di ricaricarsi completamente in tempi che vanno da 1 a 30 secondi. Ci sono delle pecche? Come è naturale che possa essere sì: una è il peso e l'altra è rappresentata dai costi (anche se tenderanno a scendere). Simili dispositivi sono stati scartati ad esempio nel progetto della Porsche 911 Hybrid perchè, nonostante la buona autonomia fornita ai motori elettrici nonché la possibilità di ricarica rapida ad ogni frenata, il peso non rendeva complessivamente vantaggioso il sistema messo a punto da Porsche. Ragione per cui si è optato per un accumulatore di energia cinetica a volano (descritto alcuni paragrafi più su). Gli ultracapacitori sono prevalentemente destinati all’uso industriale (backup, unità di potenza ausiliaria, compensazione della potenza istantanea, compensazione potenza di picco), alle energie rinnovabili (stoccaggio energia ricavata in eccesso dai pannelli fotovoltaici), alle piccole utilità elettroniche (cellulari, computer portatili…) ed ai trasporti (vetture elettriche, vetture ibride, moto e biciclette elettriche, trasporti pesanti). L’efficienza è attestata intorno a valori del 90-95% e sono previsti 500.000 cicli di ricarica senza problemi. Tecnicamente un ultracapacitore è un dispositivo a cavallo tra le tradizionali batterie ricaricabili ed un condensatore elettrolitico. Vanta elevata potenza, energia e affidabilità a lungo termine. Un ultracapacitore è composto da due elettrodi immersi in un elettrolita. La separazione avviene per mezzo di un dielettrico poroso che previene il cortocircuito degli elettrodi. Un ultracapacitore immagazzina energia sotto forma di cariche elettrostatiche. Queste si dispongono in versanti opposti a seconda della carica che si forma tra la superficie degli elettrodi e l’elettrolita. Insomma possiamo definire un ultracapacitore un dispositivo affatto complesso che sfrutta un fenomeno puramente fisico di un processo reversibile, anziché una reazione chimica, con la conseguenza che si ottengono i vantaggi e gli svantaggi sopra citati.
Generatore termoelettrico
La tendenza oggi è di portare sui veicoli di tutti i giorni persino la tecnologia disponibile sui mezzi della NASA. Sulle sonde spaziali infatti sono montati dei generatori termoelettrici per la produzione di corrente. Questi dispositivi si basano sul un preciso effetto: nei semiconduttori termoelettrici si forma una tensione elettrica non appena si manifesta uno scarto di temperatura. L’automobile risulta quindi un ottimo veicolo nel quale trapiantare questa tecnologia in quanto il calore dei gas di scarico che è sempre andato perso senza essere sfruttato, ora può essere utilizzato per la produzione di corrente elettrica attraverso un generatore. Da quando l'impegno per realizzare veicoli più efficienti è stato incrementato, anche il rendimento di questi sistemi è stato altrettanto incrementato. Al momento si punta ad ottenere, solo da questa soluzione, risparmi di carburante fino al 5% mentre i risparmi di carburante previsti a breve termine per i veicoli ibridi efficienti pare si aggiri attorno al 20%.
Hybrid module ZF
Descrizione in costruzione
Trasmissione ibrida
BMW Active Hybrid
Sistemi E.R.S.
Motori a idrogeno
Sul Blog al quale è legato questo sito si parlerà più volte delle soluzioni per motori a impatto zero. Il lato tecnico verrà accostato dal lato imprenditoriale, dai vincoli imposti dalle abitudini culturali, dai problemi che favoriranno o meno il diffondersi di questa tecnologia.
I prototipi delle Università italiane
Descrizione in costruzione
Motori a gas
Non sempre spendere meno prima dà un reale vantaggio a lungo termine. Diversi motori a metano hanno accusato seri problemi di affidabilità legati ai materiali poco adatti impiegati per la loro costruzione. Nettamente più affidabili le soluzioni a GPL. La soluzione a metano, in taluni motori, genera consistenti e costosi problemi alle testate, alle sedi valvole ed al cielo dei pistoni già dopo 100.000 km.
Motori alimentabili con più combustibili
Lotus Omnivore
Descrizione in costruzione
Motori Rotativi
Wankel
Rappresenta a mio avviso la soluzione più intelligente mai presentata sin'ora. Gli organi in gioco sono davvero pochi. Questo significa che non c'è una distribuzione per mezzo di alberi a camme, punterie e valvole e non c'è un moto alterno da trasformare in rotatorio... In sintesi le perdite per attrito, le perdite di tipo organico sono davvero ridotte. La potenza erogata da un motore Wankel infatti è, a parità di cilindrata, molto maggiore di un motore tradizionale eppure qualcosa non ha funzionato. Per anni le case costruttrici hanno puntato sui motori che tutti oggi conosciamo. La falla nei motori Wankel era rappresentata da problemi di affidabilità alle fasce elastiche poste sui rotori. Oggi il problema sembra risolto e Mazda continua a puntare su questa geniale soluzione, tuttavia le altre case che hanno speso per decenni ingenti capitali per lo sviluppo dei tradizionali motori a ciclo otto, non hanno alcuna intenzione di iniziare lo sviluppo di questo genere di motore alternativo. Sarebbero troppo indietro. Ormai il treno è passato.
De Bei
Si chiama “motore a pistoni rotanti” oppure, se volete, motore rotativo. Lo ha ideato e realizzato il tecnico bassanese Claudio De Bei (lo stesso che inventò la forcella a parallelogramma per le Aprilia RS 250 da Gp dei primi anni ‘90) un uomo dalle innate capacità inventive. Quello che vi presentiamo in questo articolo è un motore decisamente interessante. Per la prima volta ci sono stati forniti (dal figlio del tecnico Claudio De Bei, Gianluca) i risultati del primo studio cinetostatico condotto dalla MDA Multiphysics Diagnostic & Automation di Treviso (azienda che si occupa di effettuare ricerche in campo scientifico tecnologico). Non siamo al momento autorizzati a pubblicare interamente i dati dello studio ma possiamo, in questa rubrica, offrirvi alcune linee generali che descrivono questo particolare brevetto De Bei.