Limiti delle attuali automobili

Sommario

Lo studio di possibili alternative alle auto convenzionali non è iniziato di recente. Varie possibilità sono state vagliate ma non sempre gli studi hanno dato i risultati sperati. Finora i motori a combustione interna hanno prevalso sulle possibili alternative, principalmente grazie alla loro maggiore affidabilità ed al consolidamento tecnologico raggiunto. Tuttavia, il progressivo esaurimento dei combustibili fossili ed i problemi ambientali, legati al processo di combustione, contribuiscono ad un crescente interesse verso lo studio e l’effettiva implementazione di sistemi di propulsione innovativi.

Aspetti storici

I motori atmosferici

L’auto è stata inventata due secoli fa. Da allora, lo sforzo di inventori e di ricercatori è stato da sempre volto a trovare nuove alternative, e già nel 1909 uno scienziato osservava che “..l'automobile ha praticamente raggiunto i propri limiti di sviluppo...”. La sua storia è strettamente legata a quella del motore a combustione interna, il cui antenato può essere individuato nel motore a polvere da sparo di Leonardo.

Il Motore di Leonardo, considerato l'antenato dei moderni motori a combustione interna

A questo primo prototipo di "motore atmosferico" ne sono seguiti diversi altri, che nel corso dell '800 raggiunsero un buon livello di sviluppo e diffusione, contribuendo attivamente alla rivoluzione industriale. Questi motori erano però ingombranti e caratterizzati da rendimenti molto bassi.

Il funzionamento del motore atmosferico di Otto	Il funzionamento del motore a gas di Lenoir (rendimento circa 3%)

I motori a quattro tempi

La svolta ci fu con il motore a quattro tempi studiato da Beau de Rochas e realizzato da Otto nel 1876, che permise di ridurre gli ingombri e migliorare potenza e rendimento. I motori a combustione interna si sono definitivamente affermati nel campo automobilistico nei primi decenni del '900, vincendo una concorrenza agguerrita: basti pensare che il record di velocità per automobili fu battuto nel 1902 da una vettura mossa da motore a vapore (a combustione esterna), e non da un motore alternativo a combustione interna.

Il primo motore a quattro tempi di Nikolaus August Otto (1876)	Il veicolo a vapore di Serpollet, che nel 1902 batté il record mondiale di velocità a Nizza con circa 121 Km/h

Gli attuali propulsori hanno prevalso rispetto ai loro potenziali concorrenti grazie a:

• buon compromesso tra rapporto potenza-peso ed efficienza;
• alta densità di energia dei combustibili fossili, che assicura una buona autonomia al veicolo;
• basso costo del combustibile (prima della crisi energetica);
• un’ampia e diffusa rete di distribuzione del combustibile.

Un modello di Ford T (1914), la prima auto prodotta con una catena di montaggio

Gli sviluppi

In realtà, anche se i principi di funzionamento dei motori sono rimasti gli stessi, soprattutto a partire dagli anni '70 e sulla spinta delle normative anti-inquinamento e della rivoluzione micro-elettronica, si sono realizzati miglioramenti decisivi in termini di emissioni inquinanti, consumi, sicurezza e comfort.

Nel campo dei motori ad accensione comandata, si è assistito alla graduale scomparsa dei carburatori che, nonostante il notevole livello di complessità raggiunto, non hanno potuto assicurare livelli di emissioni compatibili con gli standard imposti ed sono stati sostituiti da sistemi di iniezione elettronica. Anche nel campo dei motori Diesel, i tradizionali sistemi di inizezione meccanica vengono gradualmente sostituiti dai sistemi Common Rail, a controllo elettronico. L'entità di questa rivoluzione, che non può essere sintetizzata in poche pagine, è tale da spingere autorevoli commentatori a definire il motore come "...un computer con un attuatore meccanico pluricilindrico...".

I limiti di emissione allo scarico delle autovetture si sono ridotti di oltre due ordini di grandezza, a partire dagli anni '70	Schema costruttivo di un carburatore (cliccare per ingrandire)

Possibili alternative

Le esigenze di drastica riduzione delle emissioni di CO2 hanno però riproposto la ricerca di un'alternativa agli attuali propulsori. In funzione della fonte di energia utilizzata, i propulsori possono essere suddivisi in termici, elettrici ed ibridi. Mentre a queste due ultime categorie sono dedicati capitoli a parte, si accenna ad alcune tipologie alternative di motori termici:

• Motore Brayton (turbine a gas): vantaggiosi in termini di rapporto peso/potenza (sono infatti utilizzati come propulsori areonautici per tale caratteristica), hanno rendimenti più bassi del motore tradizionale, soprattutto in condizioni di carico variabile; richiedono, inoltre, l'uso di materiali costosi.
• Motore Rankine (motore a vapore): utilizzati per applicazioni fisse (nelle centrali termoelettriche e nei gruppi cogenerativi), ma poco adatti ad applicazioni mobili per limiti di ingombro, peso e scarsa elasticità di funzionamento.
• Motore Stirling: numerosi i potenziali vantaggi di questi motori, che ricorrono ad un ciclo termodinamico rigenerativo ad alto rendimento, ma i cui ingombri non sono compatibili con applicazioni automobilistiche. I laboratori della Philips Research Labs – leader nello sviluppo del motore Stirling – hanno investito a lungo su questo propulsore, montato sul modello Ford Torino.
• Motore Wankel: un motore a combustione interna di tipo rotativo, vantaggioso in termini di ingombri e vibrazioni ma penalizzato da consumi ed emissioni maggiori rispetto al propulsore tradizionale.

Il Motore rotativo Wankel	Il modello "Turboflite" della Chrysler, equipaggiato con turbina a gas (1961)	Prototipo di Ford Torino, equipaggiata con un motore Stirling

Limiti dei motori termici

Quali sono i limiti di utilizzo delle attuali motorizzazioni, in riferimento all’impatto ambientale? Sono legati alle modalità con cui si ottiene l’energia per il movimento del veicolo. Il fabbisogno energetico del veicolo dipende del peso, dalla velocità e da fattori costruttivi ed ambientali, e può essere contenuto riducendo gli attriti nelle trasmissioni, nella resistenza dei pneumatici e adottando carrozzerie con bassa resistenza aerodinamica.

Limiti termodinamici

Un motore termico converte l’ energia termica (prodotta da un processo di combustione) in energia meccanica e in altre forme di energia (la somma delle energie in uscita uguaglia le energie in ingresso, come stabilito nel Primo Principio della Termodinamica), attraverso un ciclo termodinamico. L’efficienza è il rapporto tra quanta energia meccanica “ricaviamo” e quanta energia chimica “spendiamo” durante la trasformazione dell’ energia. Attraverso opportune semplificazioni (ciclo ideale) il suo valore può essere calcolato in funzione di parametri costruttivi, quali il rapporto di compressione: questa analisi è presentata in capitoli successivi.

Che cosa accade all’ energia chimica non convertita in energia meccanica?

• Circa il 25-30% è dissipata dal sistema di raffreddamento, che ha il compito di mantenere il motore in un certo campo di temperatura.
• La quota maggiore, dal 30% al 40%, va perduta con i gas di scarico.
• Lo stesso motore durante il funzionamento, essendo molto caldo, dissipa una certa quantità di calore (fino al 8-10% dell’ ammontare dell’ energia chimica) in un processo chiamato “irraggiamento”.
• Un’ altra frazione (circa il 10 – 15%) è rappresentata dall’ energia meccanica persa dal motore a causa dell’ attrito (e comunque persa sotto forma di calore) e dall’ energia necessaria al funzionamento delle apparecchiature ausiliarie.

La frazione di energia assorbita dai diversi meccanismi è largamente indicativa, dipendendo dal tipo di motore (con accensione comandata o Diesel), dalla potenza, e per un dato motore, dalle condizioni di impiego (coppia, numero di giri, temperatura).

Per aumentare l’ efficienza del motore, gli attriti interni sono stati ridotti così come le perdite per pompaggio, ed è stato ottimizzato il ciclo termodinamico. Ma il rapporto di conversione fra energia termica e meccanica (l’ efficienza che è sempre minore dell’ unità) è, nel caso reale, non superiore a 0.40, per le limitazioni legate al Secondo Principio della Termodinamica. Una quota significativa di energia si perde comunque ed è diffusa nell’ ambiente, a bassa temperatura.

Processo di combustione

L'altro limite fondamentale è legato alle modalità di conversione dell'energia chimica del combustibile. In un'auto, questa conversione si ottiene dalla combustione di un combustibile fossile, una miscela di idrocarburi, contenente carbonio e idrogeno. Questo processo sviluppa biossido di carbonio (CO2), che è responsabile dell’ effetto serra e del riscaldamento del globo.

Inoltre, il processo di combustione provoca emissioni inquinanti: idrocarburi incombusti, ossidi di azoto, monossido di carbonio (nei motori ad accensione comandata) e particolato (nei motori Diesel). I loro effetti sono particolarmente dannosi nelle aree urbane. Le emissioni, in molti paesi, sono regolate da leggi severe e vengono ridotte (sulle auto) da sistemi di abbattimento di notevole complessità.

Link

http://library.thinkquest.org/C006011/english/sites/index.php3?v=2
http://www.aardvark.co.nz/pjet/chrysler.shtml
http://www.stanleysteamers.com/serpollet.htm

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