Automotive e Automotive alternativo

1 maggio 2011

Quanti km può durare una frizione?

Rubrica: Incominciamo a parlare di automobili
Titolo o argomento: La frizione è un organo che ha una durata assolutamente variabile

C’è chi non arriva a nemmeno 50.000 km e deve già sostituire la frizione, c’è chi la cambia quando lo dice il meccanico, c’è persino chi crede che un motore a 100.000 km sia finito (classico luogo comune). E poi… poi ci sono i casi come il mio: quasi 350.000 km (trecentocinquantamila km) con la medesima frizione.

Premesso che sono un amante delle prove tecniche (prove di resistenza, prove di durata, affidabilità, prove meccaniche, prove non distruttive) e premesso che sono anche motorista nel motorsport dal 1996 (quindi ho una particolare cura nell’utilizzo e nel controllo dei miei mezzi), ebbene sono riuscito a percorrere esattamente 346.000 km con la medesima frizione e non l’ho sostituita perchè mi ha lasciato a piedi, bensì per pura cautela. In questi giorni mi sono deciso a smontare il motore della mia auto per effettuare controlli e revisioni di precisione del tutto preventivi importanti per evitare rotture indesiderate.

Un kit frizione, generalmente, è composto dal disco frizione, dallo spingidisco e dal cuscinetto reggispinta. Nel mio caso, dopo un lungo chilometraggio, non era il disco frizione a risultare danneggiato (ragione per cui non si avvertiva alcuno slittamento), bensì lo spingidisco (il quale presentava la molla a diaframma indebolita e usurata con degli evidenti segni a mo’ di gradino) ed il cuscinetto reggispinta (il quale disponeva di una molla ormai collassata). L’usura di questi ultimi due organi causa difficoltà nell’inserimento delle marce. Una difficoltà che aumenta molto gradualmente con i km ed alla quale ci si può abituare senza accorgercene (specie se si guida spesso). Tale usura, nonostante il sovrabbondante chilometraggio, è risultata essere nella norma. La lunga durata di questi organi è stata garantita prevalentemente dall’ottima qualità dei materiali impiegati (non citiamo la marca) e dalla potenza contenuta del motore (solo 100 cavalli circa) che non ha messo sotto il torchio la trasmissione. L’usura contenuta del disco frizione, tra l’altro, è da attribuirsi al ridotto utilizzo della vettura in città. Questa infatti, essendo utilizzata prevalentemente nell’extraurbano ed in autostrada, non ha risentito di particolari sollecitazioni termiche e meccaniche. In fondo, per ogni cosa, c’è sempre una spiegazione.

Tutto questo per dire che spesso crediamo (dandolo per scontato) che su diverse qualità di automobili, a parte la linea esteriore e gli interni, il resto sia tutto uguale. La realtà è che di uguale c’è il nome delle componenti ed ogni automobilista non può obbligatoriamente essere un tecnico esperto; per questo assistiamo sempre più spesso alla scelta di veicoli che magari hanno una sbarazzina porta usb ma, al di là dell’abitacolo, celano un’improbabile meccanica. La scelta di un buon veicolo (robusto e affidabile) vi permette di ottenere enormi risparmi di denaro nel tempo.

Image’s copyright: www.ralph-dte.net

22 aprile 20115 febbraio 2020

E’ nata prima l’auto elettrica o l’auto con motore a scoppio?

Rubrica: The expert on the salmon

Titolo o argomento: L’auto elettrica aprì l’era dell’automotive (con curiose proposte imprenditoriali)

Forse non tutti sanno che i veicoli elettrici hanno cercato di prendere piede nella società sin dalla fine del 1800, e oggi la storia sembra ripetersi. Il chimico Pedro Salom e l’inventore Henry Morris attraversavano le strade di Philadelphia a bordo della loro “Electrobat”, una delle prime automobili al mondo, il 31 agosto 1894. Impiegarono soli due mesi per la costruzione di questo colosso di 2000 kg di peso di cui 750kg provenienti dalle batterie al piombo* che conferivano alla loro vettura un’autonomia di 80-150 km. La Electrobat 2, molto più leggera di quella originale con una massa di soli 800kg, è stata utilizzata dal servizio taxi di Morris and Salom a Manhattan (la Electric Carriage and Wagon Company), che vantava un migliaio di passeggeri nell’aprile del 1897. Per attenuare il problema dell’autonomia della batteria, la Electric Storage Battery Company, che comprò la Electric Carriage and Wagon Company, commissionò un imponente sistema di sostituzione della batteria (swap battery system). Quando gli investitori ed i produttori furono coinvolti nel business il futuro sembrò promettente. L’espansione ebbe luogo e furono aperti uffici a Boston, New Jersey, Chicago, e Newport. Purtroppo, il successo del servizio di taxi elettrico fu di breve durata. La cattiva gestione, la mancanza di formazione dei conducenti e la scarsa cura delle batterie portarono alla sua scomparsa immediatamente prima dell’avvento dell’auto a scoppio.

Ora che l’industria dei veicoli elettrici (non solo auto ma anche moto e biciclette denominate e-bike) sta di nuovo guadagnando auge, grazie anche ad un continuo ed interessante studio effettuato su nuove tecnologie per realizzare batterie con prestazioni superiori, forse avremmo presto una riuscita versione moderna del prodotto che questi visionari sognarono oltre 100 anni fa. Inoltre la loro idea imprenditoriale di “servizio taxi elettrico” potrebbe tramutarsi in un interessante servizio di “ev car sharing” che diverse compagnie di autonoleggio stanno già pensando di attuare a breve.

Articolo scritto a cura di:
Ing. Gestionale Davide Mazzanti in collaborazione con il Blog ralph-dte.eu

Curiosità: la prima auto elettrica

Negli anni trenta (dell’ottocento) un imprenditore scozzese di nome Robert Anderson inventò la prima carrozza elettrica.

Curiosità: il primo veicolo con motore a scoppio

Enrico Bernardi iniziò nel 1874 i suoi approfonditi studi sperimentali sul motore a scoppio il quale fu inventato a Firenze da Eugenio Barsanti e Felice Matteucci nel 1853. Nel 1882 coprì con un brevetto industriale il motore a scoppio da lui progettato e realizzato (n.14.460) anticipando di qualche mese i tedeschi Benz e Daimler. Nel 1884 realizzò un triciclo in legno, per suo figlio, alimentato con motore a scoppio. Fu il primo veicolo al mondo mosso da motore a scoppio.

Curiosità: il primo veicolo a raggiungere i 100 km/h

Fu un’auto elettrica che, nella storia delle automobili, raggiunse per prima i 100 km/h. Accadde il 29 aprile del 1899 ed il record fu realizzato da Camille Jenatzy con la sua auto elettrica (Jamais Contente) che toccò i 105,88 km/h.

Le vetture a trazione elettrica nacquero alcuni anni prima di quelle con motore a combustione interna, tuttavia la scarsa tecnologia delle batterie, l’inesistenza all’epoca di dinamo o alternatori ha portato ad una frenata evolutiva durato circa un secolo nella quale il motore a scoppio si è rivelato molto più pratico e meno problematico. A scapito però di un notevole impatto ambientale.

20 aprile 2011

Confronto caratteristiche batterie per kit di trasformazione biciclette in e-bike, ma non solo…

Rubrica: Biciclette elettriche e kit di trasformazione

Titolo o argomento: Dalle batterie al piombo acido alle batterie che sfruttano le nanotecnologie

Le batterie di cui si parla in questo articolo sono assai differenti tra loro per materiali, prestazioni, vantaggi e svantaggi e non sono adatte solo alla trasformazione di una bicicletta normale in una e-Bike. Si parla di batterie che vanno da quelle più obsolete a quelle che ancora devono raggiungere la produzione passando per interessanti varianti evolutive. Tali batterie sono impiegabili anche per moto e scooter elettrici, per auto elettriche o auto ibride e persino per applicazioni quali tagliaerba, utensili elettrici, elettrodomestici, macchinari e quant’altro.

Quello che è opportuno tenere bene in mente è che molti dei dispositivi elencati sono ancora molto costosi all’acquisto inoltre non inquinano solo all’apparenza. L’aria intorno a voi è infatti più pulita ma al termine della sua vita utile, una batteria, va smaltita e, possibilmente, riciclata. Questo comporta delle spese che prima o poi si dovranno sostenere e comporta una percentuale di inquinamento.

Batteria al piombo acido

Si tratta del primo tipo di batteria ricaricabile destinata prevalentemente ad auto/moto. Divenne un congegno considerato utile solo dopo che fu inventata la dinamo. Sono economiche ed offrono elevata potenza istantanea all’accensione ma hanno bassi rapporti energia/peso ed energia/volume. Non sono pertanto indicate per alimentare una bicicletta elettrica. L’apporto di peso sarebbe eccessivo e l’autonomia scarsa. Inoltre se si scaricano completamente non possono essere più ricaricate.

Batteria al piombo gel

Si tratta di una batteria molto simile alla precedente ma nella quale l’elettrolita non è un liquido, bensì ha la consistenza di un gel. Questo oltre a impedire pericolosi versamenti di acido quando si è in piega, offre una maggiore protezione delle piastre della batteria in fase di scarica. Ciò permette cicli di scarica piuttosto profondi (rispetto alle batterie al piombo acido) ed una maggiore longevità della batteria (importante è la ricarica con appositi caricatori onde evitare una drastica diminuzione della vita utile). Nonostante si tratti di un’interessante evoluzione della classica batteria al piombo acido, le sue caratteristiche non sono adatte per l’impiego su bici elettriche per via di rapporti pressoché simili di energia/peso ed energia/volume e per il fatto che non possono essere scaricate completamente, pena l’impossibilità di ricaricarle correttamente o il totale danneggiamento.

Batteria agli ioni di litio (Li-Ion)

Generalmente utilizzata per computer portatili e telefoni cellulari, la batteria agli ioni di litio offre un rapporto potenza/peso decisamente migliore rispetto alle batterie al piombo, il famoso effetto memoria (tipico delle batterie al nichel-cadmio ed al nichel metallo idruro) è assente e la perdita di carica quando non vengono utilizzate è molto lenta. Possono essere modellate con la forma più congeniale rispetto al dispositivo sul quale devono essere installate. Gli ioni di litio hanno una densità di carica molto elevata e questo permette di realizzare batterie dal peso piuttosto contenuto. Diversi kit di trasformazione per biciclette elettriche utilizzano questo genere di batterie proprio per tale ragione. Tutto questo però a scapito di costi ben più elevati e di una vita utile indipendente dai cicli di carica e scarica. Ciò significa che dal momento in cui escono di fabbrica inizia il loro invecchiamento. Un problema serio se si pensa che si potrebbe andare incontro ad offerte particolarmente invitanti (specie su internet) per poi trovarsi con delle batterie pagate un 20% in meno ma che hanno già vissuto nei magazzini il 60% della loro vita…

La durata delle batterie agli ioni di litio è inoltre legata alla temperatura del dispositivo nel quale vengono inserite. Maggiore è la temperatura e minore sarà la loro vita utile. Sebbene possa rappresentare un problema su un computer portatile, lo è senz’altro meno su una bicicletta elettrica utilizzata d’estate la quale però non andrebbe lasciata mai al sole (specie durante le ore di punta). La perdita di prestazioni delle batterie agli ioni di litio non avviene gradualmente, bensì in modo brusco. Potreste partire la mattina e viaggiare comodamente tra casa e lavoro con la vostra e-bike per poi trovarvi a pranzo a pedalare perchè il pacco batterie ha deciso che è giunta la sua ora 🙂

In caso di incidente, la rottura delle batterie agli ioni di litio, risulta assai pericolosa, tossica (con riversamento di solvente organico) ed a rischio incendio. Altro problema delle batterie agli ioni di litio è che queste devono sempre essere installate assieme ad un circuito di monitoraggio della carica. Tali batterie infatti non possono essere scaricate completamente e risulta necessario che un dispositivo rilevi la soglia di tensione sotto la quale non si deve scendere in modo tale da escluderle ed avvisare della necessità di ricaricare. Il litio infine è scarsamente presente in natura e la sua estrazione è molto complicata, due fattori che ne determinano i costi proibitivi. Una batteria 36v-10Ah per e-bike costa oggi circa 300,00 Euro e non si hanno dati certi sulla durata ed il relativo ammortizzamento dei costi.

Batteria al nichel metallo idruro (NiMH)

Frequentemente ed impriopriamente chiamate batterie al nichel metal idrato, sono batterie che hanno molti punti in comune con le batterie al nichel-cadmio. In entrambe l’elemento nichel funge da catodo. La differenza sostanziale risiede nel fatto che nelle NiMH l’anodo è costituito da una lega invece che dall’elemento cadmio. Le batterie al NiMH hanno capacità superiori di circa 3 volte ed un minore effetto memoria rispetto alle batterie al nichel-cadmio di pari volume. Nonostante tutto il rapporto energia/volume ed il fenomeno di auto-scarica è assai sfavorevole se confrontato con le batterie agli ioni di litio. Sono pertanto consigliate come batterie per effettuare semplici test con una spesa di gran lunga inferiore a quella delle batterie agli ioni di litio o quelle ai litio polimeri.

Batteria al litio ferro fosfato

Batteria della famiglia Li-Ion che utilizza come catodo il litio-ferro-fosfato. Le caratteristiche, i vantaggi e gli svantaggi di questa tipologia di batterie, sono molto simili a quelle delle sorelle Li-Ion ma alcuni parametri sono stati sensibilmente migliorati. Dispongono di una maggiore resistenza termica, un’ottima stabilità della tensione, hanno una minore corrente di auto-scarica, una maggiore resistenza all’invecchiamento, (se ben curate e correttamente caricate possono raggiungere i 2000 cicli di carica-scarica), una più alta corrente di picco e sono più ecologiche in quanto il ferro (utilizzato in sostituzione del cobalto) ha un basso impatto ambientale. D’altra parte però sono più ingombranti di una batteria agli ioni di litio a parità di prestazioni (aspetto problematico se utilizzate per una e-bike che può arrivare, con motore e batterie, a pesare tre volte di più di una normale bicicletta con tutte le conseguenze che ne derivano in termini di maneggevolezza e sicurezza di guida).

Batteria al litio polimero (Li-Poly)

Trattasi di uno sviluppo tecnologico dell’accumulatore agli ioni di litio. L’elettrolita (in sale di litio) non è contenuto in un solvente organico bensì in un composito di polimero solido (generalmente poliacrilonitrile). Uno dei principali vantaggi rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio è che il polimero solido non è infiammabile e le batterie risultano molto meno pericolose in caso di danneggiamento o violenti urti a bordo di una bicicletta elettrica. Inoltre non è necessario inserirle in un contenitore metallico, in tal modo è possibile contenere i pesi ed attribuire alle batterie la forma più adatta al dispositivo sul quale devono essere alloggiate. Uno dei principali svantaggi è invece la minor durata (circa 500 cicli di carica-scarica) rispetto alle batterie agli ioni di litio.

La loro densità energetica è maggiore del 20% rispetto ad una normale batteria agli ioni di litio e pari al triplo di quella delle batterie al nichel cadmio o al nichel metallo idruro. La tensione delle celle delle batterie ai litio polimeri va da circa 2,7 V (tensione da scariche; attenzione però il carico di lavoro deve essere rimosso non appena si toccano i 3,0V) a circa 4,23 V (tensione da cariche oltre la quale non si deve mai salire). Questi valori devono essere tenuti sotto controllo da un circuito di monitoraggio che deve per forza di cose andare a corredo del kit per trasformare la vostra bici in e-bike. Ignorare questi parametri porta ad una precoce perdita di prestazioni della batteria.

Le normali batterie Li-Poly richiedono generalmente oltre un’ora per una ricarica ottimale. Una nota casa giapponese che produce anche computer portatili ha realizzato con questa tecnologia batterie in grado di ricaricarsi in soli 3 minuti. Ottime soprattutto per soluzioni legate all’automotive elettrico. In realtà ad oggi abbiamo solo alcuni piccoli prodotti, quali ad esempio lettori mp3, che sono dotati di simili batterie.

Batteria a schiuma di grafite e litio

Le batterie (della famiglia Li-Ion) più conosciute come A123 racing, sono le batterie a schiuma di grafite e litio (in forma nanometrica) che offrono prestazioni da F1 con ben 3.000 watt/kg (5800 watt/litro) e quindi con più che soddisfacenti rapporti energia/peso ed energia/volume. Possono essere ricaricate fino al 90% della loro capacità in soli 5 minuti e sono in grado di reggere cicli di carica-scarica 10 volte superiori rispetto alle tradizionali batterie ricaricabili. L’arrivo sul mercato di queste batterie sarà inizialmente dedicato agli utensili elettrici (avvitatori, levigatrici, trapani…) per poi raggiungere biciclette elettriche, tagliaerba e vetture ibride.

Le nanotecnologie hanno permesso la creazione di questo nuovo tipo di batteria agli ioni di litio che può fornire un’energia 5 volte superiore rispetto alle normali Li-Ion. Durante le fasi di carica e scarica, le batterie agli ioni di litio trasferiscono gli ioni fra i due elettrodi. Se da un lato diminuire la dimensione delle particelle di litio può aumentare la potenza della batteria, dall’altro può anche favorire la tendenza all’esplosione. Il tecnico Chiang della A123 Systems ha utilizzato materiali più sicuri, che sono addirittura scarsamente conduttivi, con uno stratagemma (generalmente destinato ai semiconduttori) che prevede di dopare un materiale con tracce di un altro al fine di renderlo conduttivo. Successivamente ha ridotto la dimensione delle particelle dopate, per rendere più facile l’uscita degli ioni. Ovviamente i costi sono ancora molto elevati e solo in seguito ad una produzione su larga scala è possibile ottenerli a prezzi decisamente convenienti.

18 aprile 2011

Autostrade elettrificate

Rubrica: The expert on the salmon
Titolo o argomento: Elettrificare le autostrade, un’implementazione possibile?

Ultimamente in questo blog abbiamo parlato più volte del futuro dell’automobilismo. Personalmente trovo che sia un argomento molto affascinante per via delle molteplici incognite; ciò permette un approccio creativo di problem-solving. Due dei punti più discussi circa le vetture elettriche sono la scarsa autonomia ed i tempi di ricarica. Molti si chiedono: “Perché dover sacrificare il proprio stile di vita in funzione delle necessità della macchina?”

Per rispondere in modo originale al problema della ridotta autonomia, ho preso spunto da un vecchio gioco del quale ero un timido appassionato: le Slot Car, meglio conosciute in Italia come Polistil. Con questo gioco si creavano circuiti automobilistici di plastica per mini-auto elettriche comandate attraverso l’uso di potenziometri con i quali si regolavano manualmente l’accelerazione e la decelerazione. L’idea di trasportare questo concetto al mondo reale non è così folle come potrebbe sembrare a prima vista. Si tratterebbe di realizzare un circuito di ricarica aerea che sorvoli le autostrade come già avviene per le linee ferroviarie ed i filobus. L’auto elettrica entrando in autostrada solleverebbe un connettore aereo il quale, collegato al circuito, si incaricherebbe di alimentare la vettura durante tutto il percorso in autostrada oltre a ricaricare le batterie per un secondo momento. In questo modo l’autonomia del veicolo aumenta notevolmente quando più è necessario.

Dal punto di vista meccanico, l’implementazione di un sistema di approvvigionamento elettrico aereo sarebbe piuttosto semplice: una sorta di antenna estraibile da attivare all’ingresso in autostrada. Inoltre da un punto di vista più economico si potrebbe prevedere al pagamento dell’energia assorbita dalla rete in concomitanza con il pagamento del pedaggio autostradale. L’unica difficoltà tecnica resterebbe l’infrastruttura, ma visto che l’investimento sarebbe facilmente recuperabile con la vendita di elettricità in autostrada potrebbe non essere uno scoglio insormontabile. Perché l’idea prenda piede basterebbe quindi coordinare uno standard tra i vari stakeholders (produttori di automobili e gestori di autostrade). Chissà che nel frattempo qualche auto designer non stia già spolverando la sua vecchia pista Polistil.

Ora la domanda è: “Arriveremo in pochi anni ad avere batterie più prestanti, con tempi di ricarica notevolmente ridotti e colonnine di ricarica sparse su tutto il territorio nazionale? Oppure verranno installate elettrificazioni aeree sulle autostrade? O ancora, assisteremo realmente alla nascita di impianti di ricarica wireless? O il futuro sarà ibrido?”

Articolo scritto da:
Ing. Gestionale Davide Mazzanti.

Leggi tutti gli articoli della rubrica “The Expert on the Salmon” a cura dell’Ing. Davide Mazzanti.

*Per farsi un’idea, il pacco batterie della Tesla Roadster pesa circa 400 kg e quello della Nissan Leaf circa 300 kg

11 aprile 2011

Anelli sedi valvole sinterizzati. Particolarmente indicati per motori performanti e per motori alimentati a gas.

Rubrica: Materiali e motori

Titolo o argomento: Un componente importante per sopperire ai problemi derivanti dall’alimentazione a gas

Oggi i motori hanno potenze specifiche sempre più elevate. Questo non accade per reale utilità ma per questioni di concorrenza e pubblicità. I motori più pepati presenti in commercio sono così sottoposti a sollecitazioni termiche e meccaniche che spesso sono tanto alte quanto inutili. Per porre rimedio ai problemi tecnici che ne derivano (microsaldatura valvole-sedi valvole, erosione…), tali motori vengono corredati di sedi valvole costituite da materiale sinterizzato (metallurgia delle polveri). La sinterizzazione è un trattamento termico che consiste nel riscaldamento di pezzi ottenuti per pressatura al fine di migliorare la coesione delle particelle per diffusione e ricristallizzazione. In tal modo migliorano nettamente le proprietà meccaniche dei pezzi trattati. Ma il problema delle elevate temperature non è legato solo ai motori “spinti”, bensì anche ai tranquilli motori alimentati a metano. Quest’ultimi, pur offrendo prestazioni limitate rispetto ai motori alimentati a benzina o gasolio, sviluppano temperature elevatissime in camera di combustione con conseguenze poco piacevoli per valvole, sedi valvole, guarnizione della testata e pistoni.

Vi sono diversi tipi di sedi valvole sinterizzate. Due in particolar modo sono piuttosto interessanti. Un primo tipo, costituito da una miscela di carburo di tungsteno finemente dispersa in una matrice di acciaio legato e temprato, offre un’elevata durezza ed allo stesso tempo un’ottima lavorabilità. Un secondo tipo, costituito da un acciaio al carburo di tungsteno nella cui matrice sono inclusi particolari additivi ceramici appositamente messi a punto e resistenti alle elevate temperature, offre una elevata resistenza all’usura che viene mantenuta anche a temperature estremamente elevate. Grazie alla notevole quantità di queste particelle lubrificanti annegate nella lega, le sedi valvola per elevate temperature sono particolarmente adatte per carburanti “secchi” come propano, gas di petrolio liquefatto (GPL) oppure metano. Le caratteristiche del materiale impediscono la “microsaldatura“ dell’anello sede sulla superficie della valvola, eliminando così la prima causa di usura per erosione. Le sedi valvole per elevate temperature sono pertanto indicate per motori a gas, a gas di petrolio liquefatto, per motori da competizione nonché per motori turbocompressi sottoposti ad elevatissime sollecitazioni.

Maggiori informazioni sul sito Automotive & Motorsport di Ralph DTE: www.ralph-dte.net

Una testata dotata di anelli sedi valvole sinterizzati. Tale soluzione si è rivelata particolarmente utile nei motori a metano che, con le normali sedi valvole, manifestano evidenti danni di erosione dopo poche decine di migliaia di chilometri percorsi.

8 marzo 2011

Iniezione elettronica diretta D.I.C.C. per motori 2 tempi

Rubrica: Tecnologia 2 tempi

Titolo o argomento: Iniezione elettronica diretta D.I.C.C.

E’ fuori discussione il fatto che il motore due tempi vanti molteplici aspetti positivi rispetto ad un motore quattro tempi. Il 2T infatti è molto più leggero, performante, semplice, di facile manutenzione, economico, vibra poco e, anche se nel motomondiale l’hanno pensata diversamente, rimane il motore più adatto al mondo delle due ruote “estreme”.

Nonostante tutto ci sono degli svantaggi… il due tempi infatti ha un rendimento complessivo di qualche punto percentuale più basso di un motore 4T e, aspetto cruciale, inquina molto più di un 4T. E’ infatti noto che buona parte della miscela (aria benzina olio) che entra in camera di scoppio, “fa una passeggiata sul cielo del pistone” e viene direttamente espulsa allo scarico senza nemmeno essere bruciata. Gli idrocarburi incombusti (HC) rappresentano il problema endemico dei motori 2T. Inoltre l’olio lubrifcante viene consumato in dosi massicce (essendo rinnovato ad ogni ciclo e prendendo parte alla combustione) per proteggere debitamente il motore. Esso quindi non si muove in un circuito chiuso come nel 4T e non viene pertanto riutilizzato più volte.

Il professor Enrico Nino dell’Università degli studi della Basilicata ha studiato e brevettato un sistema di iniezione elettronica diretta per motori due tempi davvero interessante. Il sistema è denominato D.I.C.C. ovvero Direct Injection Combustion Control. Il suo scopo principale è quello di ridurre notevolmente i consumi di carburante, i consumi di lubrificante e quindi le emissioni inquinanti di un motore 2 tempi senza rinunciare ai suoi vantaggi costruttivi.

Il sistema si propone di:

Introdurre nel cilindro tutto e solo il combustibile necessario al funzionamento del motore. La fase di lavaggio avviene solo con aria e non più con la miscela infiammabile. L’introduzione del combustibile ha luogo al termine della fase di lavaggio.
Determinare condizioni di funzionamento regolari in presenza di miscele magre (eccesso di ossigeno) realizzando situazioni di carica stratificata all’interno della camera di combustione e in tutte le condizioni di carico del motore.
Escludere dalla combustione la maggior parte dell’olio lubrificante.
Realizzare gli obiettivi con un sistema semplice ed economicamente vantaggioso in termini di industrializzazione mediante l’uso di componenti reperibili sul mercato e non espressamente concepiti.

L’interessante brevetto del “professor Enrico Nino” non è rimasto nel cassetto ma è stato ceduto ad “Athena spa” la quale ha provveduto con professionalità a realizzare un kit di trasformazione (composto da componenti meccaniche ed elettroniche) per convertire un normale ed inquinante propulsore 2T in un due tempi ad iniezione elettronica diretta.

I risultati sono stati sorprendenti: a parità di prestazioni il sistema D.I.C.C. offre fino al 50% in meno di consumi di carburante, fino al 60% in meno di consumi di olio e fino al 65% in meno di emissioni inquinanti di HC+Nox. Vedi inoltre la tabella sotto.

tabella dati iniezione diretta elettronica dicc

Il kit Athena prevede i seguenti componenti: Gruppo termico, iniettore, pompa benzina, ECU, ed ogni altro componente necessario a completare il kit che può essere installato sia su mezzi dotati di batteria, sia sui mezzi che ne sono sprovvisti.

La semplicità costruttiva del motore due tempi il quale è privo di organi di distribuzione si traduce in un elevato rendimento organico, elevate potenze specifiche ed un ottimo rapporto peso/potenza. Il tutto, sommato al sistema D.I.C.C. si traduce anche in un notevole abbattimento degli inquinanti. Questa soluzione permette quindi a tutti coloro che possiedono un mezzo due tempi di poter rispettare le normative anti-inquinamento e poter girare nuovamente nei centri urbani (ma non solo) inquinando pochissimo e con spese di carburante impercettibili. Prima di cambiare mezzo, hai pensato alle potenzialità in termini di vantaggi tecnici ed economici di un simile dispositivo?

Si ringrazia il Professor Enrico Nino per la sua disponibilità e cordialità e la Athena spa per il materiale tecnico fornito, la loro professionalità e l’estrema rapidità con la quale hanno contribuito alla realizzazione di questo articolo.

4 marzo 2011

Volere è potere: progettare e realizzare un motore

Rubrica: Motorismo

Titolo o argomento: Progettare e realizzare un motore per una Vespa da competizione

Di recente ho avuto modo di parlare con diversi studenti di Ingegneria Meccanica di differenti Università italiane. Alcuni, come me, si dedicano ad approfondire la loro passione per motori, telai, sospensioni, carrozzerie e aerodinamica, tecnologie, ecc…

Fin qui tutto normale se non fosse per una sorta di strana anomalia. Alcuni raccontano che i loro professori li hanno scoraggiati nel momento in cui hanno mostrato il desiderio di voler progettare un motore. C’è persino chi ha detto al proprio studente tesista: “E’ inutile che ti fissi nel voler fare la tesi sui motori, tanto nella tua vita non progetterai mai motori…”

Ora desidero semplicemente portare alla vostra attenzione il fatto che ci sono ragazzi (grandi appassionati di motori e tecnica) i quali, ancor prima di prendere il diploma di Perito Meccanico Industriale, sono stati in grado di “progettare” nonchè “costruire” il motore che loro volevano fortemente. Quindi non solo questi ragazzi non sono degli ingegneri, ma alcuni di loro hanno realizzato il loro primo motore (o parte di esso) prima ancora di conseguire il diploma… Non dico altro.

Uno di questi ragazzi (Stefano) è stato così gentile da fornirmi alcune foto di uno dei suoi motori realizzati con un suo caro amico. A scuola, qualche mese prima di prendere il diploma, lo ha disegnato con un software di progettazione meccanica 3D. Durante la realizzazione della sua tesina di maturità ha iniziato la sua lavorazione e, alcuni mesi dopo, ha completato un suo primo prototipo funzionante*.

Ma non solo! Ha montato il suo motore su una Vespa da competizione che utilizza per partecipare a regolari gare di accelerazione (sui 150 metri) organizzate da appositi enti sportivi su tracciati chiusi al traffico. I risultati ottenuti sono i seguenti: 6,5″ per raggiungere i 150 metri, una velocità d’uscita di ben 134 km/h ed una soddisfazione impareggiabile. Viene da sé che Stefano è solo all’inizio della sua carriera motoristica e che presto realizzerà motori sempre più complessi e con lavorazioni sempre più precise e raffinate. Stefano potrebbe anche non iscriversi mai ad ingegneria meccanica e progettare comunque i suoi motori perchè: volere è potere. Certo è che se si incrive potrà fare molto di più (al di là di quello che pensano i più pessimisti).

*Il motore realizzato da Stefano sfrutta il cilindro di un motore già esistente. Situazione perfettamente comprensibile visto che possiamo già considerare inverosimile il fatto che alla sua giovane età lui abbia realizzato diverse componenti con un suo amico appassionato di tecnica e macchine utensili.

8 febbraio 2011

Tecnologia Williams Hybrid Power

Rubrica: Tecnologie utili ai mezzi elettrici ed ibridi, ma non solo…

Titolo o argomento: Tecnologia Williams Hybrid Power – Parte seconda

Nell’articolo “Che cos’è un accumulatore di energia cinetica a volano?” vi abbiamo mostrato una panoramica del sistema Williams Hybrid Power basato su accumulatore di energia cinetica a volano, ora vi raccontiamo le caratteristiche tecniche nel dettaglio.

Il volano è in grado di raggiungere i 40.000 giri/minuto in soli 2 secondi.
In caso di avanzamento a velocità inferiore ai 7 km/h il sistema viene automaticamente scaricato per evitare ogni possibile fuga di energia elettrica.
Il sistema di controllo dell’isolamento è in continuo monitoraggio per individuare eventuali perdite di corrente.
Alla partenza della gara (ricordiamo che il dispositivo è montato su una Porsche 911 Hybrid destinata alle gare di endurance: 24 ore del Nurburgring, ecc.) l’accumulatore di energia cinetica è scarico ma bastano 2 secondi di frenata per portarlo a 40.000 giri/minuto.
L’accumulo di energia è straordinariamente veloce ma l’autonomia per alimentare i motori elettrici ha una durata di 6-8 secondi. Una normale batteria non riuscirebbe ad elaborare la corrente necessaria in tempi così brevi di carica e di scarica.
L’accumulatore di energia cinetica a volano è in grado di accumulare 1 Megajoule di energia.
E’ prevista una vita utile pari ad un milione di cicli di ricarica.
Piena potenza (60kw a motore – due motori alimentati) disponibile per 6-8 secondi.

I motori elettrici montati sull’avantreno della Porsche 911 Hybrid hanno un rendimento del 90% circa (rendimento che potrebbe essere superiore dato che non lavorano nel proprio carico ottimale ma girano tra 0 e 15.000 giri/min), inoltre l’elettronica di gestione dell’impianto Williams Hybrid Power comporta una perdita di un ulteriore 10%. In conclusione si può sfruttare solo l’80% circa dell’energia caricata e per una sequenza full in/full out si ottiene un rendimento stimato attorno al 65-66% ovvero un rendimento doppio a quello di un raffinato motore a scoppio.

Al momento il software di gestione del sistema e l’elettronica della vettura sono in pieno stadio di sviluppo e si presume pertanto di poter migliorare le prestazioni complessive del sistema stesso. Porsche sta compiendo tali sviluppi in piena autonomia in modo da approfondire le conoscenze necessarie in merito e fruire in futuro di una propria tecnologia.

Clicca per ingrandire. Porsche 911 Hybrid con tecnologia Williams Hybrid Power

4 febbraio 2011

Che cos’è un accumulatore di energia cinetica a volano?

Rubrica: Tecnologie utili ai mezzi elettrici ed ibridi, ma non solo…

Titolo o argomento: Tecnologia 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 da raccogliere in 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”, o se desiderate “volano elettrico”, la tecnologia Williams Hybrid Power adottata con esito più che soddisfacente sulla Porsche 911 Hybrid destinata alle gare Endurance. Essa è basata su un volano in grado di accumulare, durante la frenata, l’energia elettrica proveniente dai motori elettrici (ma sarebbe più opportuno dire “macchine elettriche”) collocati all’avantreno. 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 combustione interna), quando invece non si dà gas e, anzi si sta frenando, fungono da generatori in grado di inviare energia elettrica all’accumulatore di energia cinetica a volano.

Normalmente un volano è costituito da un rotore tenuto sospeso da appositi supporti (nei sistemi più evoluti tali supporti sono magnetici al fine di ridurre le perdite per attrito e quindi l’autoscarica) e connesso ad un motore elettrico/generatore sia in accoppiamento diretto che in accoppiamento elettromagnetico (per un ulteriore riduzione delle perdite). Per la realizzazione di un accumulatore di energia cinetica a volano si possono utilizzare diversi materiali tra cui l’acciaio, varie fibre di carbonio e compositi. Si sono studiate diverse geometrie del rotore, al fine di garantire un’elevata velocità di rotazione ed un altrettanto elevato momento di inerzia, che hanno permesso di raggiungere il ragguardevole valore di 100.000 rotazioni al minuto.

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 l’uscita da una 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).

Un volano (flywheel) accumula energia sotto forma di energia cinetica rotazionale di una massa rotante (rotore). L’energia accumulata vale: E = 1/2 I ω² dove I è il momento di inerzia della massa rotante e ω è la velocità rotazionale.

Si tratta di sistemi con una moltitudine di proprietà interessanti:

ricarica rapida,
lunga vita utile,
elevata energia specifica (c.a. 130 Wh/kg),
elevata potenza specifica,
elevata efficienza di carica/scarica (c.a. 90%).

Vantaggi rispetto alle batterie:

regime di carica/scarica dipendente dall’elettronica e dal sistema/motore/generatore,
prestazioni indipendenti dalla temperatura,
materiali utilizzati privi di particolare impatto sull’ambiente,
contenuto energetico facilmente misurabile rilevando la velocità rotazionale.

D’altra parte vi sono anche degli svantaggi tra cui:

l’autoscarica dipende fortemente dalle condizioni d’uso,
l’effetto giroscopico della massa rotante influisce sulla dinamica di guida e richiede un opportuno bilanciamento che può rivelarsi persino vantaggioso se ben progettato,
rischio di esplosione (intesa come rilascio rapido dell’intera energia accumulata) della massa rotante in caso di malfunzionamento.

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