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22/04/2015
NUOVI MOTORI: PIÙ PRESTAZIONI, MENO EMISSIONI!

Dal motore alle ruote

 

Le aziende stanno studiando tutta una serie di innovazioni che aumenteranno l’efficienza dei veicoli senza diminuire le prestazioni, anzi...

Nicodemo Angì

Probabilmente siamo ormai abituati a pensare che l’elettronica sia il dominus dei veicoli, in un imperio che lascia assai poco spazio al “ferro”, cioè alla meccanica. La verità, come sempre, è nel mezzo e assegna – verrebbe da dire: ovviamente - ruoli importanti a entrambi i segmenti. L’elettronica è quella che ha fatto segnare, proporzionalmente, i maggiori progressi, consentendo, tanto per fare qualche esempio, la creazione di servosterzi nei quali il volante non è meccanicamente collegato alla scatola dello sterzo oppure sistemi d’iniezione capaci di effettuare iniezioni multiple per ogni ciclo di combustione. 

L’elettronica è diventata un fattore abilitante per nuove soluzioni meccaniche sofisticate che, a loro volta, sono consentite da progressi nel campo della meccanica e dei materiali. A questa sinergia se ne aggiunge un’altra, che chiama in causa la Rete e la connettività e permette significativi progressi nel campo dell’efficienza energetica.

Per cercare di delineare i sentieri evolutivi dei motori partiamo proprio da quest’ultimo punto, ovvero il contributo che può dare una connessione di Rete al contenimento dei consumi. L’idea è usare il GPS e la connettività per guardare in “avanti”, nel senso che vari parametri e regolazioni sono impostati in base a quel che succederà durante il percorso per risparmiare più energia possibile.

 

Accedere alla Rete per diminuire i consumi

Il concetto non è un nuovo e trova applicazione in veicoli già in commercio: sapere che a breve si percorrerà una discesa, per esempio, potrà consentire di diminuire la portata (e quindi l’assorbimento) della pompa dell’olio e dell’acqua e il lavoro dell’alternatore, dato che nella discesa si diminuirà il carico del motore alleggerendo l’acceleratore.

Questa strategia sarà suscettibile di ulteriori evoluzioni nel caso venga applicata a powertrain ibridi che, cioè, prevedano un sistema di recupero dell’energia invece che un semplice risparmio.

Un esempio può essere illuminante: secondo AVL, un’azienda austriaca di ricerca e consulenza per l’automotive, per un veicolo elettrico con motore da 80 kW può essere sufficiente un range extender da soli 30 kW qualora il veicolo fosse equipaggiato in modo da anticipare le condizioni del percorso e potesse mettere in atto una guida predittiva che tenesse conto del traffico e del percorso e conoscesse in anticipo lo stato di semafori, passaggi a livello e simili. In questo senso si può dire che un powertrain connesso è un fattore che può orientare la meccanica dei veicoli, in questo caso influenzando la scelta di un range extender. Una simulazione condotta da AVL in un percorso cittadino ha permesso di verificare come una strategia di questo tipo permetta di portare l’autonomia dello stesso veicolo elettrico da 70 a 120 km.

Il discorso si applica ovviamente anche agli ibridi: un veicolo connesso che sapesse dell’approssimarsi di una discesa utilizzerà il più possibile la batteria, per risparmiare il motore termico, considerando che essa sarà ricaricata a breve dal tratto in pendenza.

 

La fatica della pulizia

Un aspetto interessante dell’evoluzione dei motori è che toccherà a quelli a scoppio sobbarcarsi gli impegnativi target per le emissioni di CO2 da raggiungere entro il 2020: l’Unione Europea ha fissato in 95 grammi/km l’emissione media del circolante, gli USA 140 g, il Giappone 105 e la Cina 117. L’apparente paradosso deriva dal fatto che la diffusione delle auto ibride ed elettriche sarà piuttosto lenta ed il loro contributo sarà quindi limitato; i motori a scoppio ed i powertrain si dovranno quindi sviluppare velocemente per soddisfare i valori imposti.

Una strada che potrebbe essere percorsa sarà rendere variabile il rapporto di compressione, ad esempio adottando speciali bielle nelle quali il foro per lo spinotto sarà inserito in un eccentrico, in modo da poter variare la distanza fra manovella e pistone.

Anche le trasmissioni potranno dire la loro: FEV (azienda che ha collaborato con BMW per l’ibrida i8) ha presentato un cambio a doppia frizione a 10 marce che, grazie all’aiuto di un motore elettrico, permette di ridurre le parti in movimento (ha solo 4 sincronizzatori) e rendere la cambiata più dolce. Questo gruppo è lungo soltanto 37 centimetri e gestisce coppie di 400 Newton/metro e potenze di 200 kilowatt.

Grandi miglioramenti arriveranno dall’adozione, per i nuovi motori, di alti rapporti di compressione (eventualmente variabili, vedi sopra), variatori di fasatura per le valvole, cicli alternativi rispetto a quello Otto (ad esempio il Miller/Atkinson), e da EGR (è il ricircolo dei gas di scarico) raffreddati a liquido. Le potenzialità di questo accorgimento sono dimostrate da una democar sviluppata da AVL su base Volkswagen 1.600: il motore, modificato per funzionare con ciclo Miller, EGR e scarico raffreddati e alta compressione ha emesso sono 92 g/km di CO2!

Altri miglioramenti deriveranno dalla riduzione degli attriti interni, dal recupero del calore residuo e da metodi che accelereranno il raggiungimento della temperatura di regime.

 

Meccanica prestante, consumo declinante

Anche i motori diesel diranno ovviamente la loro: un gruppo formato da AVL, Hyundai, Valeo e East Penn (un produttore di batterie), sta sviluppando un’unità che combina un diesel da 1,7 litri il cui turbocompressore è affiancato da un secondo compressore azionato elettricamente; il tutto è integrato con uno speciale alternatore/avviatore da 14 kW e un pacco batterie a 48 volt al Piombo-Carbonio, speciali – e longevi - accumulatori al piombo con le piastre negative costituite da elettrodi di carbonio.

L’insieme può essere qualificato come un mild-hybrid “impreziosito” dal compressore elettrico e dalle speciali batterie, che offrono diversi vantaggi rispetto sia agli elementi al litio sia a quelli al piombo convenzionali.

Il sistema può trascinare il veicolo per brevi distanze in modalità elettrica pura, mentre il compressore elettrico, con la sua risposta immediata, “riempie” il turbo lag del turbocompressore, donando una piacevole prontezza alla risposta. Il sistema elettrico a 48 Volt permette inoltre di massimizzare il recupero di energia in frenata.

L’insieme di queste tecnologie promette di aumentare la potenza del diesel di partenza del 25% diminuendo, al contempo, i consumi del 20%. Sembra proprio che il ruolo dei compressori elettrici sarà sempre più importante anche per i motori prestazionali: un prototipo Volvo a 4 cilindri da 2 litri, equipaggiato con due turbo e un e-compressor a 48 Volt, sviluppa 450 CV e 500 Nm di coppia, il tutto rispettando le norme Euro 6 e impiegando materiali compatibili con la normale produzione di serie dato che le sollecitazioni rimangono nei limiti dei motori odierni. Fra le altre primizie tecnologiche citiamo l’iniezione della benzina a pressione molto elevata – 250 bar – creata da una doppia pompa Denso.

Dato che queste prestazioni monstre derivano anche dallo sfruttamento ottimale dell’energia del carburante e dalla meticolosa riduzione degli attriti interni, i consumi risultano inoltre molto minori rispetto a quelli di qualsiasi altro motore di pari potenza.

Insomma, sembra proprio che con questi nuovi motori ci si potrà divertire rispettando la propria coscienza ecologica!

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