Categoria: Automotive e Automotive alternativo

Soluzioni per muoversi oggi (con spunti alternativi), suggerimenti e preziose curiosità per difendersi dall’opportunismo in ambito automotive a 360 gradi.

Pubblicato il

Sistemi di accumulo aerostatico dell’energia: L’accumulo pneumatico e pneumatico/idraulico

Rubrica: Sistemi di accumulo dell’energia

Titolo o argomento: L’accumulo aerostatico di tipo pneumatico e pneumatico/idraulico

L’accumulo aerostatico consta di un serbatoio nel quale un gas, solitamente aria, viene compresso al fine di acquisire energia potenziale di compressione. Anche il sistema di accumulo aerostatico, puramente pneumatico, come quello idrostatico, non offre grandi vantaggi a causa della scarsa quantità di energia per unità di volume. Il discorso cambia di fronte ad un sistema misto pneumatico/idraulico.

Accumulo meccanico (pneumatico – pneumatico/idraulico)

Si tratta di un sistema di accumulo che immagazzina aria compressa a pressioni diverse. Gli elementi che lo costituiscono sono sostanzialmente due: il serbatoio di accumulo ed il trasformatore (compressore/espansore) che permette di collegare l’aria accumulata (e la relativa energia associata) con il carico meccanico (generalmente una massa rotante). L’energia, quindi, per essere trasformata da meccanica (contenuta nell’aria compressa all’interno del serbatoio) ad elettrica (per la trazione di un veicolo ibrido o elettrico) necessita almeno di due trasformazioni; se poi si desidera aumentare l’efficienza e la densità di energia del sistema occorre aggiungere un processo intermedio da pneumatico a idraulico interponendo un liquido tra il serbatoio d’aria e la massa rotante del generatore (accumulo pneumatico/idraulico). Un simile sistema accusa delle perdite principalmente nei riscaldamenti e raffreddamenti conseguenti ai processi di compressione ed espansione. I risultati ottenuti ne dimostrano comunque la convenienza di utilizzo dato che l’efficienza complessivo del veicolo aumenta (l’efficienza del solo ciclo di compressione/espansione si aggira attorno al 70%). Un sistema di accumulo con serbatoi di acciaio da 250 bar dispone di una densità di energia pari a 2 Wh/l ed energia specifica pari a 3,2 Wh/kg.

Applicazioni veicolari: Hydraulic Hybrid Technology

Al fine di ottimizzare i consumi di carburante, ridurre le emissioni inquinanti ed i gas serra, l’EPA (Environmental Protection Agency) ha sviluppato, diversi anni or sono, un sistema di accumulo pneumatico/idraulico dell’energia (noto anche come Hydraulic Hybrid Technology) che è stato installato sui veicoli commerciali del noto corriere espresso UPS. Il sistema sostanzialmente recupera l’energia in frenata di un mezzo pesante accumulandola sotto forma di gas compresso (nella fattispecie azoto) in apposite bombole ad alta pressione. Una pompa connessa, mediante ruote dentate, con la trasmissione viene attivata (trascinata per l’appunto dall’albero di trasmissione del veicolo) durante la fase di frenata al fine di inviare il gas prelevato, dal serbatoio di bassa pressione, al serbatoio di alta pressione dove verrà incamerato e compresso. Il lavoro speso per l’azionamento della pompa e la compressione del gas permette al mezzo pesante di frenare riducendo l’usura dei freni addirittura del 75%. Nel momento in cui il veicolo si ferma, si arresta anche il sistema. Non appena il conducente agisce nuovamente sull’acceleratore, l’azoto compresso passa dalla bombola di alta pressione alla pompa, che ora funge da motore e mette in rotazione la trasmissione permettendo al mezzo di accelerare (minimizzando drasticamente i consumi di carburante), per raggiungere poi il serbatoio di bassa pressione. Il ciclo ricomincia nuovamente alla successiva frenata. L’economicità del dispositivo, l’elevata efficienza e vita utile indipendente sia dai cicli di carica/scarica che dalla profondità di scarica, sono i punti di forza della tecnologia ibrida idraulica sviluppata da EPA ed i suoi partner. Risulta però importante notare che il dispositivo permette di ridurre drasticamente i consumi (anche del 50-60%) e le emissioni inquinanti (del 30-40%) durante le fasi di accelerazione, non appena la bombola di alta pressione si scarica, il veicolo procederà con il solo lavoro del propulsore a combustione interna.

I componenti

Il serbatoio di accumulo ad alta pressione immagazzina energia utilizzando un fluido idraulico che comprime un gas (in questo caso azoto); tale serbatoio, per la sua funzione, è paragonabile ad un pacco batterie destinato a veicoli elettrici ed ibridi.

La pompa di azionamento (in modalità motore) converte la pressione del fluido idraulico, spinto dall’espansione dell’azoto presente nel serbatoio ad alta pressione, in lavoro meccanico di rotazione atto a muovere le ruote tramite la trasmissione.

Il serbatoio di accumulo a bassa pressione immagazzina l’azoto espanso dopo che ha compiuto il lavoro sul fluido idraulico al fine di azionare la pompa in modalità motore.

La pompa di azionamento (in modalità pompa) cattura ben il 70% dell’energia, che verrebbe altrimenti persa con la frenata, pompando il fluido idraulico che comprimerà l’azoto nel serbatoio di alta pressione.

Il motore a combustione interna dispone di una seconda pompa/motore la quale, in modalità pompa, genera un’alta pressione addizionale da accumulare nel serbatoio di alta pressione recuperando eventuali eccessi di energia provenienti dallo stesso motore a combustione.

Il controller monitora la guida dell’autista (entità di accelerazioni e frenate) inviando ai vari componenti del sistema i comandi da attuare.

Caratteristiche fondamentali del sistema (freno rigenerativo, spegnimento motore, ottimizzazione consumi)

Il sistema di accumulo pneumatico/idraulico lavora come un freno rigenerativo sia in fase di rallentamento che di completo arresto del veicolo. La rotazione delle ruote, durante il rallentamento, permette di pompare e comprimere, tramite un sistema idraulico, l’azoto presente nel serbatoio di bassa pressione verso il serbatoio di alta pressione.

I mezzi pesanti passano il 40% della loro vita operativa con il motore acceso al minimo in sosta presso cantieri, porti, dogane, semafori, ecc.. Con il sistema di accumulo pneumatico idraulico il controller può procedere allo spegnimento del motore, sia durante le soste che durante le frenate, pur mantenendo attivi il riscaldamento, il sistema di sterzo e, ovviamente, il sistema frenante. Tale accorgimento riduce incisivamente i costi d’esercizio e le emissioni inquinanti.

L’ottimizzazione dei consumi è garantita dalla possibilità di adoperare il motore a combustione interna solo in quel range di utilizzo in cui offre la massima efficienza. Le accelerazioni da fermo e la marcia alle basse velocità sono completamente a carico del sistema di accumulo pneumatico idraulico Hydraulic Hybrid Technology.

Link correlati

Sistemi di accumulo dell’energia: Panoramica

Fonti:
EPA (Environmental Protection Agency)
ENEA (Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile)
UPS (corriere espresso)

Accumulo meccanico di tipo pneumatico/idraulico

Accumulo pneumatico/idraulico noto anche come Hydraulic Hybrid Technology
Image’s copyright: EPA (Environmental Protection Agency)
Pubblicato il

Sistemi di accumulo dell’energia: Panoramica

Rubrica: Sistemi di accumulo dell’energia

Titolo o argomento: Introduzione ai sistemi di accumulo dell’energia

L’energia è una grandezza fisica fondamentale, sia sotto il punto di vista scientifico che della vita quotidiana, in quanto gode di importanti proprietà percettibili da chiunque. Essa può assumere forme diverse, può passare da un corpo all’altro, può trasformarsi da una forma all’altra, può essere immagazzinata, passando o trasformandosi può compiere azioni utili, passando o trasformandosi si conserva, non si può creare né distruggere, si può presentare sotto varie forme più o meno utili, infine renderla disponibile in forma utilizzabile o accumularla presenta costi diversi a seconda dei metodi adottati e delle tecnologie disponibili. Volendo classificare i sistemi di accumulo dell’energia, ad esempio da abbinare alla produzione domestica di energia da fonti rinnovabili (ma non solo…), possiamo suddividerli in funzione della forma che l’energia assume all’interno del dispositivo di accumulo stesso. Abbiamo così diversi metodi di accumulo tra cui quello elettrochimico, elettrostatico, elettromagnetico, idrostatico, aerostatico e cinetico.

Elettrochimico

L’accumulo elettrochimico consiste nella trasformazione di energia elettrica in forma potenziale chimica da contenere poi in accumulatori elettrochimici monolitici all’interno dei quali avvengono le trasformazioni di specie chimiche. Ovviamente l’energia che potrà essere restituita mediante i processi inversi sarà data dalla differenza tra l’energia inizialmente introdotta e le ovvie perdite che si verificano a seguito delle inefficienze del sistema. Un’interessante variante di questa tipologia di sistema d’accumulo è rappresentata dalla pila a combustibile la quale converte l’energia elettrica in energia potenziale chimica tramite elettrolizzatori dell’acqua. Questi ricavano idrogeno scindendolo dalla molecola dell’acqua e storandolo in apposite bombole (a pressione atmosferica o in forma compressa). L’energia accumulata, quando necessario, può  essere riconvertita in energia elettrica fruibile all’utente in seguito alla ricombinazione dell’idrogeno con l’ossigeno.

Vedi ad esempio:

Sistemi di accumulo elettrochimico dell’energia: Le batterie
Caratteristiche tecniche di una batteria
Rapidi cenni sulle batterie GEL – DRY – WET – AGM
Confronto caratteristiche batterie per kit bici elettriche, ma non solo…

Elettrostatico

L’accumulo elettrostatico si ottiene nei supercondensatori (o ultracapacitori, o ultracondensatori) all’interno dei quali l’energia si accumula in forma elettrostatica raggiungengo valori di centinaia di Farad.

Vedi ad esempio:

Sistemi di accumulo elettrostatico dell’energia: Gli Ultracapacitori o Supercondensatori

Elettromagnetico

L’accumulo elettromagnetico ha luogo nei Super Conducting Magnetic Energy Storage system (SMES) all’interno dei quali l’energia questa volta è accumulata in forma elettromagnetica. Si tratta di sistemi di accumulo attualmente vantaggiosi su grandi impianti per via dei loro costi elevati dovuti anche alla necessità di realizzare grandi impianti frigoriferi atti a mantenere la parte attiva a temperatura supercondittiva.

Vedi ad esempio:

Sistemi di accumulo elettromagnetico dell’energia: SMES

Idrostatico

L’accumulo idrostatico consiste nel semplice ed intuitivo sollevamento di un liquido, generalmente acqua, ad una quota più elevata la quale conferisce al fluido energia potenziale gravitazionale da spendere al momento desiderato. Tale sistema di accumulo pecca però per la scarsa quantità di energia per unità di volume.

Vedi ad esempio:

Sistemi di accumulo idrostatico dell’energia: I bacini delle centrali idroelettriche (Articolo in preparazione)

Aerostatico

L’accumulo aerostatico consta di un serbatoio nel quale un gas, solitamente aria, viene compresso al fine di acquisire energia potenziale di compressione. Anche il sistema di accumulo aerostatico, come quello idrostatico, non offre grandi vantaggi a causa della scarsa quantità di energia per unità di volume.

Vedi ad esempio:

Sistemi di accumulo aerostatico dell’energia: L’accumulo pneumatico e pneumatico/idraulico

Cinetico

L’accumulo cinetico sfrutta appositi volani per trasformare l’energia elettrica in energia cinetica di rotazione del rotore del volano.

Vedi ad esempio:

Sistemi di accumulo cinetico dell’energia: Gli accumulatori di energia cinetica a volano

Altre modalità

Esistono ovviamente altre modalità per accumulare energia, lo potete verificare ad esempio quando con un’apposita chiavetta caricate un’automobilina a molla e, in tal caso, trasformate la vostra energia muscolare in energia meccanica di tipo elastico pronta ad essere trasformata, a sua volta, in energia di movimento non appena sbloccate il dispositivo. Lo stesso dicasi quando si carica una balestra e, tirando la corda, si accumula energia elastica nei flettenti pronta ad essere restituita per espellere il dardo nel momento in cui desiderate effettuare il lancio. Tuttavia non si tratta di applicazioni considerabili per grandi accumuli energetici come quelli di cui si necessita ad esempio su un veicolo, un tram, un treno, un veicolo industriale, un impianto domestico di energia rinnovabile, un impianto industriale, una centrale elettrica, ecc.. Almeno per ora, non troverete gigantesche molle la cui compressione possa restituire, quando richiesto, energia sufficiente per illuminare un quartiere…

Fonti:
Articoli precedentemente redatti su questo blog
Aziende del settore
ENEA
Ricerche a cura dell’autore

Automobilina a molla - Design a cura di Wouter Scheublin

Automobilina a molla - Wouter Scheublin Design

Image’s copyright: wouterscheublin.com
Pubblicato il

Caratteristiche tecniche di una batteria

Rubrica: Energia

Titolo o argomento: Specifiche tecniche che descrivono le prestazioni di una batteria
Capacità

La capacità viene misurata in Amperora (Ah) e corrisponde alla carica elettrica accumulata e disponibile durante la scarica. Trattandosi di una caratteristica dinamica, essa deve essere definita insieme alle condizioni operative in cui viene misurata o a cui si riferisce dato che dipende dalle modalità in cui la batteria viene scaricata, nonché dalla temperatura e dalle varie condizioni operative. La capacità di una batteria che viene scaricata in 1 ora è di gran lunga inferiore a quella della stessa batteria scaricata in 20 ore.

Energia specifica o densità di energia

E’ la quantità di energia  che viene accumulata in una data batteria per unità di massa (o di volume), essa è legata alla reale autonomia del dispositivo sul quale viene installata (una calcolatrice così come un’auto elettrica). Per far riferimento ad un tema assai attuale, quale quello dei veicoli elettrici, è interessante notare che il primo motivo che ancora frena la larga diffusione di veicoli elettrici siaè la bassa energia specifica delle batterie, infatti 1 kg di benzina contiene oltre 12 kWh di energia contro 0,1 kWh di energia accumulata in 1 kg della migliore batteria attuale. Sebbene i concetti siano fondamentalmente i medesimi, l’energia specifica si esprime in termini di massa mentre la densità di energia si esprime in termini di volume. L’energia specifica è il rapporto tra l’energia accumulata e l’unità di massa in cui viene accumulata (Energia specifica ρ = Energia/Massa = kWh/kg), mentre la densità di energia è il rapporto tra l’energia accumulata e l’unità di volume che la contiene (Densità di energia ρ = Energia/Volume = kWh/dm^3).

Potenza specifica o densità di potenza

La potenza di un dispositivo elettrico, ad esempio un motore, dipende dalla potenza erogabile dalla batteria. E’ importante notare un aspetto critico che vede inevitabilmente legate la potenza specifica e l’energia specifica, infatti la potenza di scarica incide notevolmente sull’effettiva energia utile erogabile dalla batteria. Anche in questo caso, come per la precedente voce, i concetti di potenza specifica e densità di potenza sono fondamentalmente i medesimi, tuttavia la potenza specifica si esprime in termini di massa mentre la densità di potenza si esprime in termini di volume. La potenza specifica è il rapporto tra l’energia accumulata e l’unità di massa dalla quale viene erogata (Potenza specifica σ = Potenza/Massa = kW/kg), mentre la densità di potenza è il rapporto tra la potenza e l’unità di volume che la eroga (Densità di potenza σ = Potenza/Volume = kW/dm^3).

Vita ciclica

La durata di una batteria, la sua vita, è un parametro che solitamente si misura in numero di cicli profondi ovvero quante volte  essaè in grado di scaricarsi all’80% della sua capacità e riesce a ricaricarsi fino ad un valore non inferiore all’80% della sua stessa capacità. La vita ciclica è un parametro estremamente variabile il quale è largamente influenzato dalle condizioni d’uso. Per questa ragione risulta oltremodo importante non solo una progettazione ottimale del sistema di accumulo, bensì lo studio di precise modalità di ricarica e di manutenzione.

Rendimento energetico

Il rendimento energetico di un accumulatore elettrochimico dipende dal rendimento di scarica, dal rendimento di carica, la gassificazione (in riferimento ai sistemi ad elettrolita acquoso), dall’autoscarica, dal condizionamento termico (in riferimento ai sistemi operanti ad elevata temperatura). Il rendimento energetico influenza i consumi e, di conseguenza, i costi di esercizio. Esso, in un ciclo completo di carica/scarica varia tra il 50 e l’85% a seconda del tipo di batterie.

Costi

I costi di acquisto delle batterie dipendono dalla disponibilità ed il costo delle materie prime, il processo produttivo e la scala di produzione. I costi di esercizio dipendono dalle tariffe elettriche, dall’ammortamento di un eventuale impianto fotovoltaico atto alla ricarica e dal costo di sostituzione del pacco batterie durante la vita utile del veicolo che è solitamente maggiore della vita utile delle batterie stesse. I costi di manutenzione dipendono dalla tipologia di batteria. Ad esempio le batterie ad elettrolita acquosa necessitano di rabbocco di acqua distillata, quelle ad alta temperatura richiedono il controllo della corrosione e del mantenimento in temperatura, e così via. Infine è fondamentale tener conto non solo del costo unitario delle diverse tipologie di batterie (costo/kWh accumulato), bensì anche della loro durata e del loro rendimento.

Ricarica delle batterie

Se l’energia specifica delle batterie è il primo motivo che frena la larga diffusione dei veicoli elettrici, i tempi di ricarica costituiscono una seconda rilevante problematica. Mediamente ci aggiriamo intorno a tempi di ricarica completa pari a 6-8 ore con picchi, nel caso Tesla Roadster (nonchè Tesla Model S, ecc.) di sole (si fa per dire) 3 ore utilizzando un dispositivo BOOSTER (in dotazione con il veicolo) in grado di offrire una ricarica pari all’80% della capacità totale.
Si sta ovviamente pensando anche a soluzioni alternative quali ad esempio l’utilizzo di un piccolo motore a combustione interna (Vedi link in basso) fatto funzionare sempre e solo in condizioni ottimali e con consumi minimi per caricare le batterie o alimentare il motore elettrico; si sta pensando di inserire in Germania, lungo le autostrade, dispositivi di ricarica wireless (vedi link in basso); qualcuno pensa persino di elettrificare le autostrade, altri, più propriamente, pensano a stazioni di servizio nelle quali viene sostituito l’intero pacco batterie o, come nel caso delle batterie alluminio-aria, solo gli elettrodi consumati.

Precisazioni importanti

Quella che noi chiamiamo “batteria” si chiama più propriamente “accumulatore” o, meglio ancora, accumulatore elettrochimico. Quello che solitamente viene chiamato “motore elettrico” si chiama in realtà “macchina elettrica” anche se nel parlato comune con tali termini si fa riferimento a quello che in realtà si chiama “autoveicolo elettrico”.

Continua…
Link correlati
Sistemi di accumulo elettrochimico dell’energia: Le batterie
Auto elettriche: Ricarica Wireless in autostrada
Auto elettriche: Autostrade elettrificate
Lotus Range Extender

Accumulatore elettrochimico

Potete ricaricare una batteria collegandola, mediante opportuni dispositivi, alla rete elettrica,
oppure ad una colonnina di ricarica fotovoltaica o, persino, sostituendo meccanicamente gli
elettrodi. Ogni scarica fino all’80% della capacità (più la relativa ricarica) costituisce un ciclo.
Per aumentare la longevità di una batteria è preferibile evitare scariche profonde.
Pubblicato il

Sistemi di accumulo elettrochimico dell’energia: Le batterie

Rubrica: Energia

Titolo o argomento: Sistemi di accumulo dell’energia

Tempo addietro avevo scritto un articolo che accompagnava il lettore in una rapida introduzione alle batterie impiegabili nella realizzazione di una eBike artigianale (Confronto caratteristiche batterie per kit di trasformazione bici in eBike, ma non solo…), ebbene con “ma non solo…” si sottintendeva che la batteria è un valido sistema di accumulo dell’energia elettrica per diversi impieghi quali ad esempio trasporti, edilizia, industria, sistemi di sicurezza, automazione, robotica, comunicazioni, settore delle rinnovabili, illuminazione, elaboratori, utility, ecc.. Principalmente possiamo distinguere le batterie in cinque categorie affermate, ovvero, quelle al piombo-acido, quelle alcaline, quelle ad alta temperatura, quelle metallo-aria e quelle al litio. Ognua di queste categorie presenta dei vantaggi e degli svantaggi talvolta noti, talvolta meno, ma di sicuro raramente espressi con numeri espliciti.

Attenzione, la “densità di energia” può essere espressa sia in “Wh/litro” o in “Wh/dm^3” che in “Wh/Kg” (ed in tal caso prende solitamente il nome di “energia specifica”). Questo perchè la densità di energia esprime il rapporto energia accumulata su volume o, se necessario, il rapporto energia accumulata su massa. La differenza tra il rapportare l’energia accumulata sul volume o sulla massa, risiede nella possibilità di poter valutare lo spazio occupato per accumulare una determinata quantità di energia, oppure la massa caricata (ad esempio a bordo di un veicolo) per accumulare la medesima quantità di energia. I dati delle batterie riportate di seguito potrebbero essere espressi nell’una o nell’altra unità di misura, ovviamente le due unità di misura non sono direttamente confrontabili e, il passaggio da un’unità di misura all’altra richiede di conoscere la densità (kg/dm^3) di ognuno dei vari elementi costituenti. Lo stesso discorso vale per la “densità di potenza” la cui unità di misura, nella quale non compare l’h, può essere espressa in relazione al volume “W/litro” o “W/dm^3” o in relazione alla massa (ed in tal caso prende il nome di “potenza specifica”).

Batterie piombo-acido

Trattasi del sistema di accumulo il quale, sebbene  presenti forti limiti quali bassa densità di energia, lunghi tempi di ricarica, necessità di manutenzione continua e sensibilità alla temperatura operativa, è stato il più utilizzato per molti anni anche per impieghi come la trazione elettrica. Oggi la batteria al piombo-acido resiste ancora e viene adottata per alimentare due estremi opposti, mezzi elettrici molto piccoli (scooter e biciclette a pedalata assistita) e mezzi elettrici molto grandi (autobus e minibus). Di fondamentale importanza risulta il ruolo della ricerca e sviluppo che, attualmente, prosegue gli studi per migliorare il più possibile le prestazioni di simili batterie. Attualmente esistono batterie al piombo-acido con elettrodo positivo a piastra piana, a piastra tubolare, a ricombinazione di gas, ecc., quelle prevalentemente utilizzate in passato per la trazione elettrica avevano elettrodi positivi tubolari capaci di fornire una densità di energia pari a 35 Wh/kg e una potenza specifica di 50-60 W/kg. Il limite di tale batterie è quello di resistere a scariche profonde per un numero assai limitato di cicli (solo 800) inoltre per una ricarica completa richiedono circa 8 ore.

Energia specifica: 35 Wh/Kg
Densità di energia: __ Wh/l
Potenza specifica: 50-60 W/kg
Densità di potenza: __ (W/l)
Vita, cicli di carica/scarica: 800 cicli
Tempi di ricarica: 8 ore

Batterie alcaline
Nichel-Cadmio (NiCd)

Senza dubbio un accumulatore affidabile, resistente anche ad intensi maltrattamenti in carica e scarica, con un’elevata ciclabilità, alta potenza specifica e buona energia specifica (raggiunta solo di recente grazie allo sviluppo di tecniche costruttive innovative), tuttavia i costi sono da 5 ad 8 volte superiori a quelli di una batteria al piombo-acido. Le prestazioni sono migliorate grazie all’adozione di feltri metallizzati con impregnazione elettrochimica del nichel che hanno consentito risparmi dello stesso nichel pari al 30% a parità di prestazioni. Sono inoltre stati adoperati leganti organici i quali hanno reso possibile il raggiungimento di una densità di energia doppia rispetto alle precedenti batterie con valori di circa 50 Wh/kg ed un numero di cicli previsti pari a 2000. I tempi di ricarica inferiori alle 5 ore hanno reso per diverso tempo questo sistema di accumulo molto interessante, nonostante ciò la tossicità del nichel per l’ambiente ne sta decretando l’uscita di scena.

Energia specifica: 50 Wh/Kg | 20* Wh/kg | 35** Wh/kg
Densità di energia: 40* Wh/l | 100** Wh/l
Potenza specifica: __ W/kg
Densità di potenza: __ (W/l)
Vita, cicli di carica/scarica: 2000 cicli
Tempi di ricarica: inf. 5 ore

*riferito alle batterie tascabili
**riferito alle batterie sigillate

Nichel-Ferro (NiFe)

Date le caratteristiche tutto sommato analoghe alle batterie alcaline al Nichel-Cadmio (elevata densità di energia e ciclabilità), ma con l’adozione del ferro in sostituzione del nichel al fine di evitare danni all’ambiente, si pensava che questa batteria avrebbe rappresentato la risposta migliore per l’accumulo dell’energia specie sui veicoli a trazione elettrica. Così non è stato, si sono verificati infatti importanti problemi di autoscarica e di riscaldamento con conseguente riduzione del rendimento energetico.

Energia specifica: 30* Wh/Kg fino a 55*Wh/Kg
Densità di energia: __ Wh/l
Potenza specifica: __ W/kg
Densità di potenza: __ (W/l)
Vita, cicli di carica/scarica: simili a NiCd
Tempi di ricarica: simili a NiCd

*riferito alle batterie tascabili

Nichel-Zinco (NiZn)

Considerato per molti anni uno degli accumulatori più promettenti, anche la batteria Nichel-Zinco presenta interessanti vantaggi contrappesati allo stesso tempo da note dolenti. Innanzitutto la densità di energia risulta essere buona se rapportata alle precedenti batterie descritte, siamo infatti intorno ai 60-80 Wh/kg. In secondo luogo i reagenti sono ampiamente disponibili. D’altra parte le batterie Nichel-Zinco peccano per bassa ciclabilità ed estrema sensibilità alle sovraccariche; si tratta di problemi, mai risolti completamente, causati dalla solubilità dello zinco nell’elettrolita e dalla crescita dendritica. Lo sviluppo di nuovi separatori e l’aggiunta di appositi additivi agli elettrodi ed all’elettrolita hanno posto rimedio a tali problemi solo in parte.

Energia specifica: 60-80 Wh/Kg fino a 120 Wh/kg
Densità di energia: __ Wh/l
Potenza specifica: __ W/kg
Densità di potenza: __ (W/l)
Vita, cicli di carica/scarica: ridotta
Tempi di ricarica: /

Nichel-Idrogeno (NiH2)

La ricerca in campo spaziale ha portato allo sviluppo di batterie Nichel-Idrogeno ad elevate prestazioni, ciò nonostante, come per molte applicazioni progettate per uso nello spazio, i costi sono esorbitanti. La principale causa risiede nei materiali utilizzati che, in questo caso, solo il platino per la cella ed il titanio per il contenitore in pressione. Si tratta comunque di batterie caratterizzate da un’elevata vita ciclica, una buona potenza specifica e una buona robustezza generale del sistema.

Energia specifica: 64 Wh/Kg fino a 105 Wh/kg
Densità di energia: __ Wh/l
Potenza specifica: __ W/kg
Densità di potenza: __ (W/l)
Vita, cicli di carica/scarica: elevata
Tempi di ricarica: /

Nichel-Idruri metallici (NiMH)

Per quanto riguarda le batterie alcaline, la più recente è quella nichel-idruri metallici (conosciuta anche come batteria al Nichel metallo idruro o, più impropriamente Nichel metal idrato). Questo sistema di accumulo sostituisce il cadmio con una lega metallica (vanadio, titanio, zirconio, nichel, cromo) al fine di risolvere il problema dell’impatto ambientale. Trattasi di una batteria caratterizzata da una buona energia specifica, un’elevata ciclabilità (circa 2000 cicli per scariche all’80% di DoD, Depth of Discharge), manutenzione assente, costo inferiore rispetto alle Nichel-Cadmio, autoscarica molto lenta, tempi di ricarica compresi tra le 3 e le 4 ore, nonché un’altissima potenza specifica superiore a 1000W/kg.

Energia specifica: 240 Wh/Kg
Densità di energia: 75 Wh/l
Potenza specifica: 1000-1300 W/kg
Densità di potenza: __ (W/l)
Vita, cicli di carica/scarica: 2000 cicli c.a. per scariche all’80%
Tempi di ricarica: 3-4 ore

Batterie alta temperatura
Sodio-Nichel cloruri metallici

Derivata dall’accumulatore Sodio-Zolfo questa batteria viene chiamata anche “Zebra”. Al posto del catodo di zolfo adotta un cloruro metallico (di nichel o di ferro) con un ulteriore elettrolita liquido, questo evita i problemi di corrosione che si verificavano con la soluzione precedente. E’ stato inoltre evitato l’uso del nichel per la costruzione del contenitore, una scelta che non ha influito sulle prestazioni elettriche ed energetiche ma ha reso il prodotto più economico e quindi accessibile. Altra caratteristica piuttosto interessante è la capacità di lavorare in condizioni estreme, ad alte temperature (250°C) ed in modo continuo. Questo tipo di batterie sono state sottoposte a test che hanno dimostrato una vita utile di 10 anni e circa 1.500 cicli di carica/scarica.

Energia specifica: 145* Wh/Kg
Densità di energia: 340* Wh/l
Potenza specifica: 271* W/kg
Densità di potenza: 613* (W/l)
Vita, cicli di carica/scarica: 10 anni, 1500 cicli
Tempi di ricarica: /

*riferifo a celle da 30-40 Ah

Batterie metallo-aria

Trattasi di una tipologia di batteria assai particolare la quale utilizza un elettrodo negativo metallico che, a seconda del materiale (alluminio, zinco, ferro) offre prestazioni differenti, ed un elettrodo positivo che sfrutta l’ossigeno contenuto nell’aria in modo piuttosto simile a quello delle celle a combustibile. Il risultato è un sistema di accumulo con potenza specifica ed energia specifica elevate.

Alluminio-aria

La batteria alluminio-aria deve essere ricaricata meccanicamente, ciò significa che gli elettrodi di alluminio devono essere sostituiti una volta che questa si è scaricata. La ricarica in questo modo risulta assai veloce (quasi al pari di un pieno di carburante) ma richiede personale specializzato, apposite infrastrutture e implica costi elevati.

Zinco-aria

La batteria zinco-aria manifesta instabilità dello zinco con conseguente riduzione della vita utile e delle prestazioni. Il lato positivo è che può essere ricaricata sia meccanicamente che elettricamente, inoltre risulta più economica rispetto al tipo alluminio-aria.

Ferro-aria

La batteria ferro-aria si ricarica solo in modo tradizionale ma risulta interessante per i costi ridotti. Il problema di tali celle è che, per il momento, non vanno oltre i 300 cicli di carica/scarica.

Energia specifica: __ Wh/Kg
Densità di energia: __ Wh/l
Potenza specifica: __ W/kg
Densità di potenza: __ (W/l)
Vita, cicli di carica/scarica: /
Tempi di ricarica: /

Batterie al litio

L’ultima generazione di accumulatori (i più promettenti) sono quelli al litio. Essi sono caratterizzati dall’utilizzo di una varietà di materiali elettrodici ed elettrolitici i quali danno vita ad un gran numero di coppie elettrochimiche. Il risultato è una vasta gamma di prodotti “al litio”. Pur essendo differenti tra loro, per via dei materiali impiegati, vi è un elemento fondamentale in comune, ovvero lo ione portatore della carica elettrica: ione Litio, Li+. Il litio è l’elemento della tavola periodica avente il potenziale elettrochimico più negativo (E0=-3.045 V) ragione per cui, accoppiandolo con un altro elemento, si ottiene una elevata differenza di potenziale la quale è direttamente proporzionale all’energia di una cella. Esso inoltre è un metallo alcalino, ha un modesto peso atomico e una forte reattività, tali caratteristiche lo rendono ideale per la produzione di accumulatori ma, allo stesso tempo, ne fanno un elemento pericoloso che deve essere impiegato in batterie ad elevato standard qualitativo costruite in ambienti severamente controllati privi di umidità, contaminanti e agenti fisici. Durante l’utilizzo un accumulatore agli ioni di litio può esplodere se si surriscalda ed i dispositivi di sicurezza (interruttore termico, valvola di sfiato) non funzionano a dovere; anche in fase di ricarica l’accumulatore può esplodere nel caso in cui la carica sia eccessiva e mal gestita dal caricatore (solitamente è opportuno utilizzare caricatori appositi gestiti da processore). Costo e sicurezza sono fattori limitanti nella diffusione di queste batterie per impieghi differenti da quelli consumer (gadget e utility elettroniche di dimensioni medio piccole), per tali ragioni la ricerca sta compiendo un enorme lavoro per impiegare nella maniera migliore simili dispositivi anche sui veicoli elettrici ed ibridi o per le reti di distribuzione di energia per il taglio dei picchi ed il livellamento di carico.

Litio metallico

Si tratta di una tipologia di accumulatori che hanno l’anodo costituito da litio metallico e l’elettrolita, che invece può essere sia liquido che solido, costituito da materiali ceramici, vetrosi oppure polimerici. I vantaggi si traducono in bassa resistenza interna, capacità elevata, potenza specifica elevata, energia specifica elevata. D’altra parte però l’estrema reattività del litio metallico provoca importanti problemi di sicurezza.

Litio ione

Gli accumulatori litio ione hanno prestazioni inferiori ai precedenti al litio metallico tuttavia, la minore reattività, offre maggiore stabilità nonché sicurezza nelle fasi di produzione e successivo utilizzo. In questo genere di accumulatori vengono utilizzati materiali elettrodici ad intercalazione (ossia che accettano ioni di litio all’interno della loro struttura) che possono accumulare e rilasciare grandi quantità di litio reversibilmente. Il tipo di materiali elettrodici ed elettrolitici stabilisce la tensione di lavoro delle singole celle ed ha effetto sull’energia specifica delle stesse. Quasi tutte le tipologie di celle al litio superano i 3 Volt di tensione a vuoto. Nella tabella che segue sono riportate alcune delle caratteristiche principali delle batterie litio-ione (in fase di studio e sviluppo) destinate a veicoli elettrici ed ibridi; tra queste troviamo le batterie litio ione NCA Grafite (Nichel-Cobalto Alluminio), le LFP Grafite (Litio Ferro Fosfato), le MNS TiO (Manganese Spinello), le MN Grafite (Manganese ossido).

Energia specifica: fino a 230 Wh/Kg
Densità di energia: fino a 530 Wh/l
Potenza specifica: fino ad alcuni kW/kg
Densità di potenza: __ (W/l)
Vita, cicli di carica/scarica:
-c.a 1000-2000 cicli con scariche del 100%,
-sup. 100.000 cicli con scariche minime
Tempi di ricarica: /

Fonti:
Aziende del settore
Dispense e appunti universitari – Università Politecnica delle Marche
ENEA

Link correlati
Rapidi cenni sulle batterie GEL – DRY – WET – AGM
Confronto caratteristiche batterie per kit bici elettriche, ma non solo…
Caratteristiche tecniche di una batteria

Caratteristiche batterie al litio ione, in fase di studio, per veicoli elettrici ed ibridi

Caratteristiche batterie al litio ione attualmente in fase di studio (e di sviluppo)
per veicoli elettrici ed ibridi. Fonte ENEA.
Pubblicato il

Auto usata con motore nuovo a prezzo d’occasione? Uhm, mumble mumble…

Rubrica: Incominciamo a parlare di automobili

Titolo o argomento: Motore nuovo appena rifatto, cosa si intende per nuovo?

Spesso si legge “vendo auto con motore nuovo” oppure “vendo auto con motore appena rifatto”, altrettanto spesso su tali annunci si indica che ora la vettura ha zero chilometri… Ma cosa si intende per motore nuovo negli annunci di vendita delle vetture usate?

Prima precisazione

Smontare un motore danneggiato in modo grave per montare un motore prelevato dal demolitore, e nemmeno controllato, non significa montare un motore “nuovo”, bensì montare un motore in condizioni “diverse” (non è da escludere che siano persino peggiori) rispetto a quelle del precedente motore. Quando poi si sente dire che l’automobile che montava quel motore è arrivata dal demolitore camminando sulle proprie ruote… è opportuno considerare che un motore, il cui manovellismo e la cui distribuzione non rispettano più le tolleranze prescritte dalla casa, può accendersi e girare tranquillamente. Certo è che riserverà dolorose sorprese per il portafogli nel breve periodo. Un motore che ha perso compressione può andare in moto ma soffrirà di una lunga serie di problematiche inquinanti nonché costose da risolvere. Un motore che ha subìto danni importanti come ad esempio una frattura nella testata o nel monoblocco per shock termico, difetti di fonderia o danni causati dall’utilizzatore, può girare “apparentemente” tranquillamente, ma quando la frattura, nel suo percorso, interesserà i condotti di acqua o olio, quello che avrete certamente di “nuovo” saranno i grattacapi. Eppure il veicolo dal quale è stato prelevato il motore era arrivato sulle sue ruote dal demolitore. Il motore, in simili casi, non è di certo nuovo.

Seconda precisazione

Un motore appena rifatto non è detto che abbia avuto tutte le cure di cui necessita o che queste siano state eseguite a regola d’arte da personale esperto. Il discorso si riallaccia al punto precedente nel quale si mensiona come spesso si acquistino motori che non sono stati controllati. In realtà il controllo del motore è un’operazione che richiede esperienza, tempo e pazienza. Di conseguenza si tratta di un’operazione che ha un suo costo. Solitamente il cliente cerca di avere solo il prezzo più basso possibile e raramente si preoccupa della qualità dell’intervento, ragione per cui i controlli sono frequentemente saltati. Il motore, in simili casi, non è di certo nuovo.

Terza precisazione

La vettura non ha realmente zero chilometri solo perchè qualcuno ha messo mani al motore sostituendo qualche parte che lo faccia andare in moto funzionando regolarmente. Infatti, se anche il motore fosse stato curato alla perfezione, bisognerebbe fare i conti con tutti i suoi accessori (alternatore, pompa dell’acqua, frizione, supporti motore, parti elettriche, radiatore, condotti, manicotti, eventuale turbocompressore, iniettori, ecc.), la carrozzeria, l’abitacolo, le sospensioni, l’impianto di sterzo, l’impianto di scarico, l’impianto elettrico ed elettronico, ecc.. Il veicolo, pur con un motore correttamente ripristinato, non è di certo nuovo.

Conclusioni

Se siete degli appassionati di motori (avete pertanto un grande vantaggio) e desiderate comprare un valido usato potete mettere all’ultimo posto il motore. Potreste infatti scegliere di assicurarvi che il veicolo sia in ottimo stato e che non sia incidentato né presenti importanti difetti ai vari impianti. Dopodiché, se ha il motore danneggiato, potreste acquistate il mezzo ad una bassissima quotazione e portare il veicolo dal vostro rettificatore di fiducia (dopo averlo informato preventivamente prima di procedere all’acquisto per sapere se gli interventi necessari sono fattibili, se c’è realmente convenienza e se ricambi e componenti di primaria importanza come monoblocco, testata, albero motore, ecc., sono disponibili) con il quale deciderete insieme tutti i lavori da eseguire eccezzion fatta per i lavori d’obbligo imprescindibili che il rettificatore deve per forza di cose eseguire indipendentemente dalla vostra volontà per ragioni logico-tecniche. In tal modo sarete sicuri che avrete a disposizione realmente un buon veicolo con un motore ripristinato allo stato dell’arte o per il quale le parti non rettificabili sono state sostituite con parti realmente nuove. Una volta riassemblato, messo in fase e rimontato, il motore non avrà comunque zero chilometri. Perchè? Se ad esempio la testata di cui dispone il veicolo risulta al momento in ottimo stato, ma ha un difetto invisibile nella fusione, il problema potrebbe non venir fuori mai perchè il difetto si presenta ad esempio in una zona poco sollecitata (termicamente o meccanicamente), oppure potrebbe venir fuori nel momento meno aspettato. Vi consoli però il fatto che ciò accade puntualmente anche con i motori realmente nuovi delle auto brillanti appena uscite di concessionaria con quel forte odore di formaldeide che tanto (ci fa male) ci piace. Stesso dicasi per monoblocchi, alberi motore, ecc.. Insomma la certezza che tutto vada alla perfezione non c’è mai… figuriamoci con un annuncio che promette che il veicolo vecchio di un tot di anni sia stato messo in vendita dopo aver montato un motore, ehm, nuovo.

Link correlati

Consigli per acquistare un’auto usata
Salubrità degli ambienti domestici e di lavoro… (riferimento alla formaldeide)

Componenti del motore a combustione interna

Il motore dell’auto di famiglia, essendo motorista, l’ho restaurato personalmente con grande cura (e,
oserei dire, amore paterno) tuttavia, pur avendo eseguito io le operazioni, non lo posso affatto
considerare nuovo in quanto molte parti che ancora rispettano le tolleranze indicate dalla casa sono
usurate ma non al punto da necessitare una sostituzione. Altre parti che ho sostituito invece sono nuove
e teoricamente avranno una vita utile maggiore delle parti che non sono state toccate, questo innescherà
un fenomeno per il quale ci sarà sempre una parte che sta raggiungendo il termine della vita utile. Anche
le rettifiche non sono state eseguite sull’intero motore ma solo nei punti dove necessario, ciò innesca lo
stesso fenomeno precedentemente descritto, ovvero una sorta di sfasamento. Il motore è nuovo solo
quando esce di fabbrica la prima volta (se esce dalla fabbrica una seconda volta significa che è stato
ricondizionato e, anche in tal caso, non è da considerarsi perfettamente nuovo), pertanto scrivere un
annuncio indicando che un veicolo dispone di motore nuovo non è una forma propriamente corretta.
Immagine tratta da una ricerca sul web. Se siete i proprietari del diritto d’autore dell’immagine,
potete chiederne la rimozione o indicarci il copyright da specificare. Image taken from research
on the web. If you own the copyright of the image, you can request its removal or indicate the
copyright to be specified.
Pubblicato il

Motori usa e getta

Rubrica: Incominciamo a parlare di automobili

Titolo o argomento: Arrivano i motori usa e getta ma gli acquirenti non lo sanno

Inizia a diffondersi una nuova generazione di motori: “i motori usa e getta”. Si tratta di motori costruiti da grandi case automobilistiche (non facciamo nomi per professionalità) i quali spesso vengono venduti anche ad altre case per equipaggiare modelli della concorrenza. Questi motori, di cilindrate medio-piccole, non sono riparapilibi, ripristinabili, rettificabili che dir si voglia. Per questi prodotti non sono previste parti di ricambio, non si possono sostituire parti come i pistoni, le bronzine, le bielle, gli spinotti, la testata, le valvole, ecc.. La casa suggerisce agli autoriparatori di non tentare la rettifica o la riparazione del motore ma di sostituirlo integralmente (operazione che non ha senso specie se i chilometri percorsi non sono poi tanti). Se imprudentemente si decidesse di sostituire le parti danneggiate con ricambi aftermarket, ad esempio una biella, si scoprirebbe presto che organi importanti come i pistoni, una volta smontati, sono impossibili da riutilizzare. Gli spinotti, infatti, sono montati all’interno del pistone per interferenza (non ci sono fermi che ne impediscono l’uscita) e, una volta estratti, la sede del pistone che li ospita si allarga ed il pistone è da buttare. Sostituire una biella, ad esempio, diventa quindi un’operazione complessa e costosa. Qualora vi sia la necessità di spianare la testata, anche quest’operazione risulta impossibile in quanto il rapporto geometrico di compressione è al limite massimo ammissibile (nel tentativo di adattare il motore alle norme anti-inquinamento in vigore senza realizzare un nuovo progetto) e, andare a sottrarre anche un solo decimo di materiale, porta ad inevitabili detonazioni (dannose per il motore) avvertibili immediatamente. Nel caso in cui il cliente fosse d’accordo nel sostituire l’intera testata (per evitare la spianatura o nel caso essa presenti delle cricche o delle rotture importanti), al fine di non modificare le geometrie in gioco, questa non sarebbe disponibile come parte di ricambio e risulterebbe necessaria la sostituzione dell’intero motore. Stesso dicasi per parti come bronzine, prigionieri, cappelli di biella o di banco. Insomma per ogni tipo di intervento necessario, anche in seguito a danni lievi che nella norma sono facilmente recuperabili, che non sia di sostituzione degli accessori motore (pompa dell’acqua, alternatore, frizione, ecc.), risulta impossibile operare in modo semplice ed economico e, qualora il motore dovesse avere anche solo 30.000 km, andrebbe completamente sostituito con uno nuovo implicando costi non indifferenti per il cliente specie se il prodotto risulta fuori garanzia.

In altri motori una problematica interessante è legata allo stratagemma che viene adottato al fine di impedire che le canne vengano sfilate dal monoblocco (ovviamente nei motori che lo prevedono). Si tratta di un’astuzia ottenuta montando le canne in posizione più bassa e colandovi sopra una copertura in alluminio. In tal modo risulta impossibile per chi effettua riparazioni e rettifiche, sostituire semplicemente le canne qualora il motore abbia subìto un danno. Il vantaggio che ne ricava la casa automobilistica è quello di non dover progettare un nuovo motore che non sia riparabile ma riuscire a sfruttare un progetto già esistente per garantirsi interventi di recupero più costosi o, meglio (per la casa), la sostituzione dell’intero veicolo.

E’ chiaro che una famiglia, sentendo l’ammontare del preventivo, possa iniziare a pensare alla sostituzione del veicolo piuttosto che alla sostituzione del suo motore. Fino a poco tempo fa era possibile sostituire un componente danneggiato e rettificare le sedi in cui esso opera con costi tutto sommato irrisori se confrontati con l’acquisto di un nuovo veicolo. Il problema di fondo è che l’ipotesi del recupero di un motore non è remunerativa per la casa automobilistica. Ma come mai alcune case automobilistiche (per fortuna si tratta di una forte minoranza al momento) iniziano a muoversi in questa direzione? Viene da sé che la forte crisi attraversata attualmente dal settore automobilistico impone ai costruttori che non riescono a vendere il nuovo, di realizzare prodotti per i quali le operazioni di manutenzione comportino costi elevati al fine di compensare le perdite in bilancio e di stimolare comunque il cambio frequente del veicolo con uno nuovo.

La cosa che preoccupa è che gli utilizzatori finali non sono a conoscenza di questa nuova direzione che hanno intrapreso taluni costruttori, così magari si acquista una vettura (magari in offerta o magari proposta da un marchio fino a poco tempo fa ritenuto molto affidabile) inconsapevoli che poi, al primo problema, l’acquisto si rivelerà un tracollo continuo nella speranza di ottenere assistenza sotto garanzia anche se i tempi sono decorsi. Al momento si sono accorti del problema solo i tecnici delle officine meccaniche di precisione che effettuano rettifiche, i meccanici che hanno portato loro questo genere di motori, i tecnici e gli esperti del settore che hanno dovuto fare i conti con innumerevoli problematiche e imprevisti difficili da far comprendere al cliente (il quale non è un esperto e non deve per forza esserlo) una volta avvisato dell’impossibilità della riparazione.

Motori usa e getta

I pistoni in foto sembrano comuni pistoni per propulsori 4 tempi, in realtà, una volta smontati,
le sedi che ospitano gli spinotti si allargano notevolmente obbligando alla sostituzione anche se
questa non era richiesta. Oltretutto parti come i pistoni, le valvole, le bronzine, le bielle, la testata,
ecc. non sono disponibili come parti di ricambio ed il costruttore impone la sostituzione
dell’intero motore. Stesso dicasi per molti altri organi del motore in questione.
Image’s copyright: ralph-dte.eu
Pubblicato il

Lotus Omnivore: dal downsizing al possibile upsizing

Rubrica: Automotive alternativo
Titolo o argomento: Downsizing e upsizing motoristico

Con il termine “downsizing motoristico” si esprime la tendenza dei progettisti a ridurre la cilindrata di un motore, in modo più o meno marcato, cercando di mantenerne invariate le prestazioni. Questa pratica ha riscosso successo per i motori con architettura a 4 tempi i quali, quando funzionano con carichi parziali (ossia durante la maggior parte del tempo d’utilizzo), soffrono di notevoli perdite legate anche alla presenza della farfalla, con conseguente calo del rendimento complessivo. La stessa cosa però non avviene nei motori 2 tempi. Gli ingegneri Lotus, infatti, fanno notare come il motore 2 tempi non soffra di significative perdite ai carichi parziali e come questa caratteristica sia molto favorevole all’uso automobilistico. Per questa fondamentale ragione il motore 2 tempi è libero di essere dimensionato in modo tale da ottimizzare i consumi per la marcia a carico parziale. Il downsizing in tal caso non è più una pratica essenziale ma, al contrario, vista la migliore efficienza ottenuta e le minori emissioni inquinanti prodotte ai carichi medio bassi da Lotus Omnivore, si pensa addirittura ad un approccio di “upsizing motoristico” con il fine di incrementare ulteriormente l’efficienza. Il lavoro futuro di Lotus si concentrerà su ulteriori analisi del funzionamento del motore Omnivore in particolar modo alimentandolo con benzina, etanolo e metanolo.

Se siete “smanettoni” e volete visionare e provare un’animazione interattiva del motore, cliccate sulla voce indicata più avanti e si aprirà una interessante applicazione in una nuova finestra (Attenzione! Il diritto d’autore dell’applicazione appartiene a Lotus Cars). Una volta premuto il tasto START e letta la nota introduttiva, potete premere OK e cliccare sul tasto d’accensione del motore. Il motore si avvia, ora potete impostare il carico (e quindi l’azione sull’acceleratore), la velocità del motore ed il tipo di alimentazione. Al lato sinistro delle voci “Trapping” e “VCR” è presente un semplice comando di zoom, cliccandovi sopra potete osservare agevolmente un primo piano del funzionamento della valvola di intrappolamento e della camera di combustione. Per vederle muovere entrambe agite sulla regolazione della velocità e del carico del motore. Operando delle variazioni di carico potrete osservare quando la candela entra in funzione e quando si disattiva. Infine, spegnendo il motore, avrete modo di operare variazioni manuali della valvola di intrappolamento e del rapporto geometrico di compressione, inoltre potrete muovere lentamente il motore.

Animazione interattiva Lotus Omnivore

Attenzione! Il diritto d’autore dell’applicazione appartiene a Lotus cars.

Link correlati

Lotus Omnivore: il ritorno prepotente del 2 tempi
Lotus Omnivore: inedite caratteristiche
Lotus Omnivore: dal downsizing al possibile upsizing
Animazione del motore Lotus Omnivore durante il suo funzionamento

Lotus Omnivore - Immagine del prototipo

Immagine del prototipo Lotus Omnivore. Si nota la costruzione semplificata per fini di ricerca.
Image’s copyright: Lotus cars
Pubblicato il

Lotus Omnivore: inedite caratteristiche

Rubrica: Automotive alternativo
Titolo o argomento: Peculiarità dell’architettura 2 tempi di Lotus Omnivore

Architettura

Il motore Lotus Omnivore si basa su un’architettura 2 tempi abbinata ad una camera di combustione a geometria variabile (sistema denominato VCR: Variable Compression Ratio) che può essere sollevata od abbassata, riducendo o aumentando il rapporto geometrico di compressione, a seconda delle condizioni di utilizzo del motore e del carburante che lo alimenta. Una moltitudine di test sono stati condotti su rapporti geometrici di compressione compresi tra 10:1 e 40:1 (in caso di necessità possono essere effettuate ulteriori variazioni). Modificare il rapporto geometrico di compressione permette di ottimizzare l’efficienza della combustione ed operare un controllo sul processo stesso di combustione massimizzando il range di autoaccensione. Il movimento della camera di combustione è controllato dall’EMS (Engine Managment System) e attuato da due alberi eccentrici. Una valvola di intrappolamento della carica, posta allo scarico, permette di variare in modo continuo l’apertura della luce di scarico e di dar luogo a fasature asimmetriche.

Valvola di intrappolamento

La valvola è azionata dal motore mediante un eccentrico ed un semplice sistema di leve, essa inoltre è controllata dall’EMS che apporta opportune correzioni al variare del regime di rotazione. La fasatura della valvola allo scarico è progettata in modo tale che l’apertura della luce di scarico sia pressoché massima quando l’eccentrico si trova al punto morto in posizione completamente sollevata (in questo istante il pistone ha quasi raggiunto il punto morto inferiore). Quando il cielo del pistone ha completamente scoperto la luce di scarico (il pistone ha quindi raggiunto il punto morto inferiore) e sta per iniziare la sua risalita, la fasatura permette alla valvola di scarico di rimanere aperta ancora alcuni istanti evitando restrizioni durante l’effetto blow down. Una volta che il pistone ha superato il punto morto inferiore ed inizia la sua risalita, la valvola si appresta a chiudersi ostruendo il passaggio alla carica fresca ed evitando quindi il noto e dispendioso travaso allo scarico classico del 2 tempi. A mano a mano che il pistone risale la valvola allo scarico continua la sua discesa sino a chiudersi completamente. Essendovi nel 2 tempi una fase utile ad ogni giro di manovella, il ciclo comincia nuovamente. La valvola di intrappolamento può essere utilizzata per migliorare l’intrappolamento della carica fresca, così come può essere adoperata per trattenere una parte dei gas combusti nel cilindro al fine di controllare l’auto-accensione o per ridurre l’emissione di NOx.

Accensione

La candela entra in funzione per l’avvio del motore a freddo o durante l’utilizzo con grandi carichi (e quindi ampie percentuali di apertura della farfalla, indicativamente maggiori o uguali all’80% c.a.), diversamente la combustione è ottenuta mediante accensione per compressione della carica omogenea (H.C.C.I.).

Fuel mix

A confronto con la benzina, i carburanti alcolici hanno un’elevata resistenza alla detonazione e permettono di massimizzare il rendimento termico solo in presenza di alti rapporti di compressione. E’ chiaro che un ordinario motore a combustione interna 4 tempi, con rapporto di compressione fisso, per poter bruciare più combustibili, deve giungere a compromessi sull’efficienza termica per evitare dannose detonazioni durante il funzionamento a benzina. Il sistema VCR (Variable Compression Ratio) di Lotus Omnivore permette di utilizzare diversi carburanti ottenendo sempre la massima efficienza termica senza bisogno di cambiare componenti all’interno del motore.

Iniezione

L’iniezione elettronica diretta completa e soddisfa egregiamente le necessità cui va incontro un simile motore. Lotus Omnivore utilizza il sistema di iniezione Orbital FlexDI il quale produce in modo ottimale la carica da bruciare indipendentemente dal tipo di combustibile adottato e favorisce l’efficienza della combustione anche all’avvio del motore a freddo. Il sistema di iniezione Orbital FlexDI è inoltre adatto per operare un controllo avanzato sull’accensione per compressione della carica omogenea (H.C.C.I.).

Struttura

Lotus Omnivore è costituito da una struttura monoblocco che rende cilindri e testata un unico corpo. Questa caratteristica evita l’utilizzo di una guarnizione della testa, aumenta la rigidezza dell’intero corpo motore, migliora l’affidabilità e la durata e ne riduce la massa (altro fattore che partecipa alla riduzione dei consumi).

Perchè 2 tempi?

Questo tipo di soluzione non è attualmente realizzabile su un motore 4 tempi (e quindi su un motore dotato di valvole a fungo) in modo affidabile ed economico; ciò significa che i tradizionali motori automobilistici non possono ancora essere ottimizzati per il funzionamento con differenti combustibili che necessitano di differenti condizioni all’interno della camera di combustione. La variabilità della posizione della camera di combustione è possibile grazie all’assenza delle valvole a fungo; questo motivo, assieme alla migliore resa durante i carichi parziali, ha privilegiato la scelta di una soluzione due tempi, piuttosto che quattro, per la realizzazione di Lotus Omnivore.

Continua…

Link correlati

Lotus Omnivore: il ritorno prepotente del 2 tempi
Lotus Omnivore: inedite caratteristiche
Lotus Omnivore: dal downsizing al possibile upsizing
Animazione del motore Lotus Omnivore durante il suo funzionamento

Lotus Omnivore - Dettaglio camera di combustione

Dettaglio camera di combustione di Lotus Omnivore. In sezione si notano gli elementi di tenuta.
Image’s copyright: Lotus cars

Lotus Omnivore - Dettaglio valvola di intrappolamento

Dettaglio valvola di intrappolamento, eccentrico e leveraggi di Lotus Omnivore.
Image’s copyright: Lotus cars
Pubblicato il

Lotus Omnivore: il ritorno prepotente del 2tempi

Rubrica: Automotive alternativo
Titolo o argomento: Lotus Omnivore

Avevano dato per finito il motore 2 tempi, avevano persino affermato che il passaggio al 4 tempi nelle competizioni motociclistiche era motivato dalla necessità di ridurre i costi (???), asserivano che si era raggiunto il massimo sviluppo e che si trattava di una soluzione altamente inquinante (errata la prima affermazione, vera la seconda solo per i motori 2 tempi privi di iniezione elettronica diretta), ma qualcuno, saggiamente, ci ha creduto ed ha portato avanti la propria ricerca. Nomi come Athena, KTM e, a sorpresa, la prestigiosa casa automobilistica Lotus, hanno continuato la ricerca consci degli indiscussi vantaggi che questa soluzione può offrire per diverse applicazioni. La Lotus, in particolar modo, ha puntato sulla possibilità di ottenere particolari disegni e conformazioni delle camere di combustione le quali, essendo prive di valvole, offrono grande libertà ai progettisti.

Lotus Omnivore è un innovativo motore “due tempi onnivoro” a iniezione diretta, carica omogenea e accensione per compressione (H.C.C.I. – Homogeneous Charge Compression Ignition). Esso può essere alimentato a benzina, gasolio o con carburanti alcolici quali l’etanolo. Questa particolare caratteristica è resa possibile dall’adozione di una sofisticata camera di combustione a geometria variabile. Tale camera può essere sollevata o abbassata da un apposito azionamento elettromeccanico. La chiusura stagna della camera di combustione è assicurata da appositi elementi di tenuta, posti sul corpo semovibile, molto simili a quelli dei pistoni. Lotus Omnivore offre una riduzione dei consumi del 10% rispetto ai più moderni motori a iniezione diretta a carica stratificata. Le ricerche effettuate su questo motore lasciano adito al pensiero di un possibile cambio di paradigma circa le cilindrate ottimali da impiegare per ottenere la migliore economia di marcia. Pare infatti che con Lotus Omnivore si ottenga un risparmio di carburante incrementando la cilindrata (upsizing motoristico); ovviamente vi sarà un limite, sorpassato il quale, i consumi torneranno ad aumentare.

La prima fase di sperimentazione della camera di combustione a geometria variabile di Lotus Omnivore è stata completata con successo utilizzando normale benzina. Oltre agli interessanti risultati circa il ridotto consumo di carburante, si è potuto osservare come la formazione di una carica omogenea permetta l’accensione della miscela comburente-combustibile per compressione, quindi senza l’ausilio della candela, per carichi estremamente leggeri ma lungo un campo operativo del motore piuttosto esteso (anche durante un avvio a freddo). La ricerca ha puntato principalmente sull’utilizzo del motore in basso e con carichi variabili, ovvero simulando la tipica situazione del ciclo urbano. A 2000 giri al minuto e fino a circa 2,7 bar di pressione media indicata effettiva, il consumo specifico di carburante è risultato essere inferiore del 10% rispetto ai più moderni motori a iniezione diretta a carica stratificata ed autoconfinamento dello spray. Le emissioni riscontrate hanno offerto un interessante valore di 20 ppm di ossidi di azoto (a meno di 2,3 bar di carico) e valori equivalenti ai migliori propulsori quattro tempi di emissioni di idrocarburi incombusti e monossido di carbonio.

Tali test sono il preludio dello sviluppo di nuovi motori onnivori, con rapporto di compressione variabile in modo continuo, multi-cilindro, più efficienti, destinati prevalentemente alle vetture di segmento C e D. I benefici si traducono nel basso costo di realizzazione, nel minore ingombro che potrà sicuramente lasciar spazio a soluzioni ibride, nel risparmio di carburante, nella conseguente riduzione delle emissioni inquinanti e nello stimolo ad utilizzare in modo efficiente combustibili alternativi.

Continua…

Link correlati

Lotus Omnivore: il ritorno prepotente del 2 tempi
Lotus Omnivore: inedite caratteristiche
Lotus Omnivore: dal downsizing al possibile upsizing
Animazione del motore Lotus Omnivore durante il suo funzionamento

Lotus Omnivore - Schema motore

Schema motore Lotus Omnivore
Image’s copyright: Lotus cars