fbpx
  • Il turbocompressore elettrico, aria nuova per i motori e gli ibridi

    L’elettrificazione totale o a pezzi. I tecnici stanno seguendo entrambe le strade. Nel primo caso parliamo di auto a batteria o ad idrogeno, nel secondo di ibridizzazione elettrificando un numero crescente di componenti. Alcuni di questi si limitano a consumare energia, altri invece a recuperarla. Altri ancora possono fare entrambe le cose, come i motogeneratori. Il prossimo passo saranno i turbocompressori. Ne sono sicuri i maggiori produttori mondiali come Honeywell, Mitsubishi e anche Mahle e Borg Warner che preparano il turbocompressore elettrico che vedremo su un un’auto di serie già nel 2021.

    Turbocompressore elettrico

    Tra turbina e compressore metti l’elettrico

    Sgombriamo subito il campo dagli equivoci: non stiamo parlando di un compressore mosso da un motore elettrico utilizzato in un sistema di sovralimentazione a doppio stadio, ma di un turbocompressore assistito da una macchina elettrica coassiale alla girante, proprio come avviene per le MGU-H utilizzati sulle power unit di Formula 1 dal 2014.

    Come funziona

    Nelle prime fasi di accelerazione, quando i gas di scarico non hanno un contenuto energetico sufficiente ad alimentare la turbina (che a sua volta muove il compressore di sovralimentazione), la macchina elettrica entra in azione portando il compressore a regime più rapidamente e riducendo il tempo di risposta; a regime costante sfrutta l’energia meccanica prodotta grazie allo sfruttamento dei gas di scarico da parte della turbina, immagazzinandola nell’accumulatore del sistema ibrido.

    Lo stesso principio è usato sulle Formula 1 e sulla Porsche 919 Hybrid che ha dominato il WEC e la 24 Ore di Le Mans nel triennio 2015-2017.

    L’altra energia dei gas di scarico

    In entrambi i casi, si tratta di auto che viaggiano spesso in piena accelerazione e possono recuperare energia non solo durante le frenate. Ed è proprio quello che potrebbe fare una normale auto dotata di motore sovralimentato con turbocompressore elettrico. Oggi il turbocompressore recupera solo l’energia residua dei gas di scarico, quello elettrico fornirebbe un ulteriore contributo: recupererebbe energia che oggi viene sprecata e fornirebbe in pochi istanti una grande quantità d’aria nei transitori, ovvero quando il guidatore preme l’acceleratore per avere più potenza e coppia.

    Sono le fasi più critiche per i motori a combustione interna, durate le quali si modificano i rapporti tra combustibile e comburente e si moltiplicano le quantità di sostanze inquinanti a valle della combustione. La turbina di diametro ridotto ha una risposta rapida, ma fornisce meno aria; quella di diametro grande risponde lentamente, ma fornisce più aria a tutti i regimi.

    Turbocompressore elettrico

    Oltre il doppio turbo e la geometria variabile  

    Per avere i pregi dell’una e dell’altra, ci sono la turbina a geometria variabile e, ancora meglio, la sovralimentazione sequenziale con due turbocompressori di grandezza diversa. La prima soluzione è generalizzata su tutti i diesel, che hanno gas di scarico a temperatura intorno a 850 °C, ma è rarissima sui motori a benzina che arrivano a 1.050 °C e hanno bisogno di leghe metalliche più resistenti e costose.

    Turbo a benzina a geometria variabile

    La prima – e per molti anni unica – auto a benzina ad avere il turbocompressore a geometria variabile è stata la Porsche 911 Turbo. Più recentemente il gruppo Volkswagen l’ha applicata al suo nuovo 4 cilindri 1.5 EA211 Evo, che funziona a ciclo Miller così che i gas di scarico non superano i 950 °C. In questo caso, lo scopo non sono le prestazioni di picco, ma fornire al motore più aria e nel modo più velocemente possibile.

    Porsche 911 996 Turbo

    Problemi opposti, un’unica soluzione

    I motori a benzina di piccola cilindrata ad iniezione diretta con turbocompressore offrono potenze elevate con consumi specifici inferiori, ma emettono particolato come i diesel. Ecco perché è indispensabile avere il filtro GPF (Gasoline Particulate Filter) per raggiungere l’omologazione Euro6d.

    La sfida della normativa Euro7

    Ma c’è un’altra sfida per i motori a benzina: la Euro7. La nuova normativa, ancora allo studio, prevede che il motore debba funzionare in modo pulito anche nelle condizioni più gravose. In queste fasi infatti i motori utilizzano un rapporto aria/benzina inferiore a quello stechiometrico λ=1 ovvero 14,7.

    L’Euro 7 imporrà invece il λ=1 per evitare che il motore abbia emissioni anomale anche in condizioni ora non contemplate dai cicli di omologazione.

    Turbocompressore elettrico

    Uno deve essere sempre uno

    Il turbocompressore elettrico dunque potrebbe avere un potere salvifico sia per il motore a gasolio sia per quello a benzina. Il primo ha le sue difficoltà ai bassi regimi, il secondo agli alti, entrambi quando il guidatore preme a fondo l’acceleratore.

    Il turbocompressore elettrico, integrato in un sistema ibrido, può intervenire in ogni momento fornendo il surplus d’aria del quale il motore ha bisogno in quel momento. La sperimentazione sta dimostrando che questa soluzione può aumentare la potenza del 15-20%, diminuire i consumi del 5% e incrementare la coppia almeno del 10%, ma soprattutto renderla immediatamente disponibile diminuendo il tempo di risposta del 75%.

    Turbocompressore a geometria variabile

    Vantaggi attuali e futuri

    Ma ci sono altri vantaggi. Un turbocompressore elettrico permette di eliminare la sovralimentazione doppia e la valvola wastegate, di creare effetti di lavaggio e ricircolo dei gas di scarico che oggi vengono indotti con EGR, sistemi di regolazione della fasatura e dell’alzata delle valvole. Oppure da cicli come Atkinson e Miller, che aumentano il rendimento, ma diminuiscono le prestazioni. Il turbocompressore elettrico permette di abbassare la cilindrata oppure essere sfruttato per far funzionare il motore in alcune fasi a carica magra favorendo la convergenza già in atto tra motore Diesel e Otto.

    Turbocompressore elettrico

    Una migliore elettrificazione

    I turbocompressori elettrici al lancio saranno integrati su sistemi ibridi a 48 Volt e gireranno fino a 100.000 giri/min e avranno potenze comprese tra 3 e 17 kW, ma gli specialisti stanno già lavorando a quelli a 400 Volt o 800 Volt, più potenti (fino a 34 kW), dunque più rapidi e veloci e, allo stesso tempo, in grado di recuperare maggiori quantità di energia.

    Questo vuol dire che c’è un potenziale anche per i full-hybrid e gli ibridi plug-in. Teoricamente, un sistema capace di recuperare energia in modo più costante permette anche un miglior utilizzo della batteria. Questo vuol dire automaticamente una batteria più piccola e meno energia per la sua gestione termica.

    Turbocompressore elettrico

    I CAMION più veloci della Formula 1

    La curiosità legata a queste macchine è che il loro sviluppo non è partito dalla Formula 1, ma ancora prima nei primi anni Duemila dai grandi motori dei mezzi industriali, anche quelli per mezzi stanziali.

    Trattasi di mezzi che hanno poca o nulla energia cinetica da recuperare, ma funzionano spesso a velocità costanti e in condizioni gravose. Spesso le tecnologie applicate alle automobili sono passate prima dai mezzi industriali. Potrebbe accadere lo stesso anche stavolta.

  • Le mie tre scelte di tecnologia al Salone dell’auto di Tokyo 2019

    Un salone molto giapponese

    Quest’anno al Tokyo Big Sight, fantastico centro congressi con ampi spazi fieristici che si raggiunge attraversando il Raimbow Bridge, con una meravigliosa vista della baia, sono soprattutto le case giapponesi a mettere in mostra idee e tecnologie.

    Tokyo Big Sight vista angolata da sotto
    Più futuro che presente

    In mostra quest’anno c’è più futuro che presente. Ottima notizia per i miei gusti, un po’ di delusione negli occhi e nelle riflessioni di addetti ai lavori che vengono fin quaggiù per vedere automobili.

    Non è il mio caso, a me ovviamente le automobili interessano, ma quello che mi interessa di più sono i progetti e le innovazioni.

    Le mie scelte tecnologiche

    Alla fine della visita, la domanda che mi fanno sempre in molti riguarda le mie preferenze.

    Cos’hai visto di interessante e cosa ti è piaciuto di più?

    Quest’anno la risposta a quella domanda doppia la condivido con tutti qui sul mio sito, selezionando quattro tecnologie.

    la mia preferita #1 – Mitsubishi Mi-Tech con ibrido turbogas

    Alla Mitsubishi Mi-Tech ho dedicato il mio primo articolo dal Salone di Tokyo 2019, per approfondire clicca qui e LEGGI Mitsubishi Mi-Tech ibrida Plug-in col Turbogas al posto dei pistoni.

    La micro turbina a gas multi combustibile, i quattro motori elettrici accostati alle singole ruote, l’idea di fare di questo prototipo l’emblema dell’ambizioso progetto della Mitsubishi Motors di continuare ad essere leader nella tecnologia ibrida Plug-in, fanno della Mi-tech un piccolo pezzo di storia del’automobile. E hanno certamente un ruolo fondamentale nell’innovazione e nella tecnologia vista a Tokyo

    Mitsubishi Mi-Tech Turbogas

    Tecnologia Turbogas

    Ecco qui sotto una turbina a gas di medie dimensioni (prodotta proprio dalla MitsubishiHitachi Power systems), dalla quale si può avere un’idea dell’estrema compattezza e sofisticazione della tecnologia turbogas. Sarà perchè sono un professore di Sistemi Energetici, ma trovo questa immagine molto ispirante per chi vuole guardare al futuro con slancio e concretezza.

    Turbogas Mitsubishi Hitachi

    La mia preferita #2 – Batterie al litio allo stato solido del prototipo Lexus LF-30

    Beh, chiunque voglia arrivare alla diffusione di massa della mobilità a zero emissioni secondo me deve avere due idee fisse in testa:

    • Sviluppare le fonti rinnovabili di energia;
    • Rendere utilizzabili nuovi vettori energetici producibili da fonti rinnovabili e utilizzabili a zero emissioni.

    I due vettori energetici che oggi conosciamo ed hanno queste caratteristiche sono l’idrogeno e l’elettricità.

    Evoluzione delle batterie al litio

    Per rimuovere ulteriori confini all’utilizzo dell’elettricità quello che conta è avere batterie sempre più capienti, sicure, economiche. La tecnologia del prossimo decennio è certamente quella del litio.

    Il suo prossimo gradino di sviluppo è nell’elettrolita allo stato solido. Che la Lexus LF-30 indica chiaramente come obiettivo raggiungibile nella parte bassa della carrozzeria laterale.

    Lexus LF-30 prototipo batterie litio stato solido

    Eccola qui la scritta luminosa più interessante dal punti di vista della tecnologia a Tokyo, che non a caso è posta su un pianale estremamente sottile.

    Se vuoi capire meglio perchè sia così importante quella piccola scritta, clicca qui e LEGGI articolo con VIDEO Ecco la verità sule batterie del futuro.

    Scritta Lexus Stato Solido

    La mia preferita #3 – Sistema ibrido della Honda Jazz

    La Honda Jazz porta su una compatta la soluzione già sul mercato a bordo della Honda CR-V. Si tratta di un’innovazione e di una perla dal punto di vista della tecnologia a Tokyo 2019 poco eclatante, perchè arriva direttamente su un prodotto che sarà in concessionaria tra pochi mesi anche in Italia.

    Il sistema della Honda (clicca qui e scopri come funziona il sistema full hybrid della Honda nel mio approfondimento) è già pronto per rendere questi ed altri modelli ibridi plug-in in un futuro molto vicino, ed anche esclusivamente elettrici con il solo aumento della capacità delle batterie e la conseguente evoluzione della logica di controllo.

    Honda Jazz Hybrid e Jazz Crosstar a metà

     

  • SALONE DI GINEVRA 2019 AUTO IBRIDA REGINA PIU’ DELL’ELETTRICA

    Ogni Salone dell’auto ha la sua Regina.

    Il Salone di Ginevra 2019 secondo me incorona una tecnologia, il sistema ibrido-elettrico che permette di non cambiare troppo le abitudini di guida e di rifornimento, aggiungendo la parte elettrica di ricarica se si parla di ibrido plug-in, ma lasciando sempre e comunque la sicurezza di un pieno alla stazione di servizio tradizionale come possibilità e certezza.

    Tutti aspettavano quindi l’exploit dell’auto elettrica a Ginevra, e molti stanno anche scrivendo proprio in queste ore che questo è il senso del Salone svizzero di quest’anno.

    Io non sono d’accordo. L’auto elettrica c’è, ovviamente. Anche con una rappresentanza estremamente numerosa e interessante. Ma non è lei la Regina. Perché servono soluzioni subito, per l’automobilista, per l’inizio di un percorso ambientale virtuoso e per l’industria dell’auto. L’infrastruttura di ricarica sta crescendo in tutto il mondo a non si costruisce in pochi mesi e nemmeno in una manciata di anni. Specialmente se deve essere ad alta potenza e adeguata quindi alle ricariche veloci e ultra-veloci che tutti vogliamo.

    Quindi le proposte più stuzzicanti, per avere la certezza che la strada verso le Zero Emissioni inizi davvero, sono quelle ibride, numerosissime e “spinte” dai costruttori in maniera molto decisa quest’anno a Ginevra. Questo mi fa dire che la Regina sia l’ibrido: la convinzione e l’evoluzione dell’offerta che ho visto tra gli stand.

    Il Full-Hybrid, ritenuto fino a poco tempo fa una sorta di iniziativa solitaria della Toyota in Europa, vede arrivare ulteriori marchi e diverse tecnologie. Il sistema Honda spiegato nel “Come Funziona” che lo riguarda in questo sito, ha un grosso motore elettrico e un dimensionamento molto spostato sulla trazione elettrica – come un plug-in – il sistema Kia e Hyundai mantiene un comportamento alla guida molto simile all’auto non-ibrida, la tecnologia Toyota si evolve nella nuova generazione e trova la trazione integrale Hybrid i-Awd proprio a Ginevra per il suo modello simbolo Toyota Prius. Inoltre, arriva la prima proposta di nuova generazione da parte di un marchio francese con la tecnologia Renault E-Tech che arriverà alla fine del 2019 (su strada dal 2020) sulla nuova Renault Clio e poi anche sulla Renault Megane e sulla Renault Captur – in questi ultimi due casi anche in versione ricaricabile plug-in e con autonomia di alcune decine di chilometri esclusivamente in modalità elettrica.

    Si moltiplica e si evolve inoltre la proposta di auto ibride plug-in, con l’offensiva dell’Audi, il ritorno dal prossimo settembre della Volkswagen Passat GTE, l’esordio sui marchi del gruppo FCA.

    La Jeep Compass plug-in hybrid e la Jeep Renegade plug-in hybrid vengono esposte molto esplicitamente con il cavo di ricarica attaccato alla colonnina. L’ammiratissima e già super-desiderata Alfa Romeo Tonale è annunciata fin dalla presentazione del prototipo di Ginevra anche in modalità ibrida plug-in.