Motori a combustione interna: da propulsori a generatori

photo credit: NRMA New Cars

Articolo del luglio 2009 presente in originale nel gruppo Hainz di google.

Comprereste un’auto elettrica con buone prestazioni ma con 200km di autonomia?

Facendo questa domanda ad alcuni amici e conoscenti ho avuto risposte quasi unanimi: no. L’auto non deve porre limiti di autonomia, in special modo se unica, perché capita qualche volta durante l’anno, che si percorrano anche più di 400km nell’andare in vacanza o per lavoro e sicuramente non si vuole fermarsi per 5 ore a pranzo per poter ricaricare le batterie. Sicuramente si potrebbe anche affittare l’auto per queste occasioni, ma i prezzi ancora alti dell’affitto, la diffidenza e l’attaccamento al possesso degli italiani limitano questa soluzione.

In più, con le tecnologie attuali, le auto elettriche sarebbero sicuramente troppo pesanti e il pacco batteria troppo ingombrante, poiché le prestazioni delle attuali batterie al nichel montate anche sulle varie ibride (Prius, Suv Lexus e Insight) hanno un rapporto peso/potenza ancora troppo elevato.

Si sono viste anche concept car con nuove batterie, attualmente utilizzate per cellulari e pc, in cui l’elemento principale è il litio, ma al momento attuale risulterebbero troppo costose per essere competitive, solo Tesla con la sua Roadster (la versione elettrica della Lotus Elise) ha in commercio un’elettrica pura, ma si porta dietro 400kg di batterie e costa 100’000 euro, mentre Mercedes ha presentato la versione ibrida della sua ammiraglia, la Classe S, con un ridottissimo pacco di batterie al litio (20kg) attualmente in fase di lancio.

Ci sono però alcune case, come Renault, che credono fortemente nelle auto elettriche tanto da progettare sin da ora sia le auto che i punti di ricarica in cui sostituire batterie al litio con altre, in questo modo si possono diminuire il costo, l’ingombro e il peso degli accumulatori che vengono noleggiati (progetto comune con il visionario israeliano Shai Agassi che ha creato la società “Better Place” di Palo Alto in California).

Personalmente ritengo che per auto completamente elettriche ci vorrà del tempo e molta ricerca per stoccare energia elettrica in modo efficiente e poco costoso, mentre auto ibride sono già realtà.
Nei prossimi anni assisteremo al proliferare di soluzioni ibride di vario genere, ma la vera rivoluzione avverrà con la commercializzazione di auto in cui la trazione non sarà più demandata al motore a combustione interna, ma al motore elettrico; perciò il motore, come lo conosciamo ora, da propulsore diventerà “generatore” di energia elettrica per sopperire al basso contenuto energetico delle batterie che, oltre a costare molto, sono particolarmente pesanti.
Questa tipologia di ibride viene chiamata “serie”, poiché il motore a combustione interna non è collegato alle ruote, ma ricarica le batterie; queste ultime forniscono l’energia da utilizzare nel motore elettrico con la possibilità ulteriore di essere “plug-in” e quindi di ricaricare le batterie da una normale presa di corrente senza inquinare localmente o con la possibilità di ricaricarle da fonti rinnovabili. Alcuni esempi di questo genere sono la Volt della General Motors e la 200C di Chrysler, sicuramente concept car con alcuni dettagli da fantascienza, ma che nascondono auto che veramente arriveranno sul mercato e che guideremo sia perché basate su auto esistenti (infatti la 200C è realizzata sul pianale accorciato di 10cm della Chrysler 300C) sia perché sui vari forum di auto sono già comparse le foto-spia delle versioni di serie della Volt.

Le due auto ibride americane sono definite ibride Erev (Extended Range Electric Vehicle), poiché adottano un motore elettrico dedito alla trazione e batterie abbastanza potenti da compiere i tragitti quotidiani di un americano medio (circa 50-60km) in puro elettrico, dopodiché se si deve procede ulteriormente la centralina elettronica comanda l’accensione del motore endotermico di cilindrata ridotta (dato che non deve essere dimensionato per spingere l’auto, 1,4 a benzina per la Volt e bicilindrico di cilindrata ignota per la 200C) a cui è collegato un generatore elettrico che fornisce l’energia elettrica al motore elettrico e ricarica le batterie.
Con l’accordo Fiat-Chrysler potremmo assistere all’utilizzo sulla 200C di Chrysler del tanto atteso bicilidrico FPT che risulta ideale per l’applicazione essendo particolarmente compatto e poco costoso (sarà prodotto su vasta scala per 500 e Gpunto e le future Panda e Topolino) che potrebbe anche non avere costosi “accessori” come il Multiair (e, forse, anche il turbo) riducendone la complessità e il costo anche perché deve girare a regime costante essendo collegato al generatore.

I vantaggi risiedono nel fatto che il motore a benzina non deve essere dimensionato per le massime prestazioni che si richiedono poche volte durante la guida per poi funzionare a bassi regimi e bassi carichi con rendimenti decisamente scarsi, ma per ricaricare le batterie. Al suo posto il motore elettrico è adatto al funzionamento in città e a bassi “carichi” (andature) ha un decadimento del rendimento quantificabile in pochi punti percentuali rispetto alla massima potenza.
Inoltre il motore a benzina è particolarmente piccolo e potrebbe non funzionare quando la macchina è ferma o in colonna con frequenti stop&go, perciò il radiatore può essere di ridotte dimensioni ed eventualmente coperto quando si procede in modalità puramente elettrica con il risultato di migliorare il cx dell’auto (infatti il prototipo GM Volt ha una piccola griglia inferiore come si possono vedere nelle foto nella sezione immagini).
In aggiunta a ciò il motore a combustione interna consuma moltissimo appena è avviato sia perché l’olio non è alla giusta temperatura (è molto più denso) sia per la necessità di portare velocemente in temperatura il catalizzatore (a quasi 1000 °C), perché, altrimenti, non converte i gas combusti in gas meno inquinanti. Questo arco di tempo potrebbe essere ridotto con una mia idea: collegare il radiatore del liquido di raffreddamento del motore elettrico (che regima a 60 °C) con quello del motore a combustione in modo da velocizzare il warm-up: infatti in questo modo quando le batterie sono scariche, avendo fornito tutta l’energia al motore elettrico, il motore a benzina viene acceso e si trova ad una temperatura decisamente migliore (circa 60°) consumando meno benzina; a questo punto, però, bisognerà dividere i due circuiti di raffreddamento perché il motore a benzina ha una regimazione termica superiore (pari a 90°C).

Così facendo si ottengono minori emissioni di gas inquinanti, ma la vera svolta sarà quella di integrare i navigatori satellitari nella gestione dell’energia: infatti le attuali auto ibride cercano di mantenere le batterie il più cariche possibili, eppure capita, per esempio, di percorrere un passo dolomitico nel quale durante la salita si vorrebbe sfruttare tutta la carica delle batterie sapendo che, successivamente, ci sarà tutta una lunga discesa nella quale caricare le batterie. Con navigatori che conoscono il percorso che si vuol fare e l’altimetria si riesce perciò a sfruttare al massimo le batterie e il motore elettrico come generatore di energia, cosa fisicamente impossibile al nostro amato motore a benzina.

Enzo Ceroni – Hainz 7/07/2009

Piccoli incisi:

1) Il pianale LX Chrysler usato dalla 200C è quello della 300C accorciato e dovrebbe essere utilizzato anche per costruire l’ammiraglia Alfa erede della 166 con motori V6 a benzina e diesel, riportando finalmente l’Alfa alla trazione posteriore).

2) Guardando lo spaccato della Chrysler 200C presente nella sezione immagine del gruppo si intravvede un manicotto di grandi dimensioni che collegherebbe l’intercooler anteriore con una eventuale (perché non si vede) turbina posta dietro al motore, sembrerebbe quindi un bicilindrico turbo per di più la cui cilindrata non viene resa nota! Vuoi vedere che questo bicilindrico turbo sulla concept 200C è quello FPT in sviluppo??