Obiettivo: propulsione ad alta efficienza

Le stime dell’International Energy Agency segnalano in costante aumento i consumi energetici mondiali, con un tasso medio annuo di crescita dell’1,8%. Tale incremento dei consumi è dovuto prioritariamente al settore elettrico e successivamente a quello dei trasporti.
Pertanto lo sviluppo di powertrains per la trazione stradale ad alta efficienza energetica e naturalmente a bassissimo impatto ambientale riveste un’importanza strategica, aprendo la strada a tecnologie innovative che garantiscano al contempo efficienza e sostenibilità dei motori.

A partire dagli anni ‘70, la progettazione motoristica si è costantemente orientata verso il contenimento delle emissioni inquinanti del singolo veicolo. Il passaggio dai limiti Euro 3 agli EURO4 (2005-2006) ha comportato una riduzione di circa il 50% di tutti gli inquinanti, con ulteriori riduzioni per il successivo stadio EURO5 (2009-2012). L’entrata in vigore dei limiti EURO6 (2014) prevederà anche una sostanziale riduzione dei limiti di emissione di NOx (80 mg/km) dei motori diesel avvicinandoli a quelli dei motori ad accensione comandata.

La riduzione di tali emissioni, pur importantissima per la vivibilità delle aree urbane, non è più sufficiente a garantire l’eco-compatibilità dell’autoveicolo, dovendo infatti ‘fare i conti’ con l’inquinamento globale del pianeta, legato principalmente all’emissione in atmosfera di CO2.
Attualmente il trasporto auto veicolare contribuisce per il 12% alla CO2 totale emessa dai paesi UE.
Pertanto, parallelamente all’emanazione dei futuri limiti EURO6, la UE ha aggiunto due nuovi obiettivi: far sì per il 2015 che il valore medio di emissione di CO2 di tutte le autovetture di nuova immatricolazione sia contenuta entro i 120 g/km, con l’ulteriore obiettivo di arrivare entro il 2020 ad una riduzione del 10% di emissioni di CO2 da fonti energetiche fossili (petrolio).
Per affrontare tale sfida, tutti gli specialisti in materia sono concordi nel dire che è necessaria una diversificazione della ricerca su più fronti. E cioè: miglioramento della tecnologia attuale dei motori a combustione interna “tradizionali”; innovazione e competitività economica di sistemi di propulsione elettrica e/o ibrida; sviluppo e potenziamento dell’insieme dei combustibili alternativi.
L’impatto di quanto sopra sulle tecnologie motoristiche è molto complesso: infatti, oltre a vincoli normativi e di mercato, giocano un ruolo importante l’evoluzione dell’acquisizione di conoscenze in diversi settori scientifici, nonché gli scenari derivanti da crisi geopolitiche o economiche, ben difficili da prevedere.

Parola chiave in qualsiasi previsione di scenario è il concetto di diversificazione dei power-train. Nel campo delle autovetture si prevede per gli anni fino al 2020 che i motori a combustione interna alimentati a combustibili convenzionali resteranno dominanti: il mercato sarà equiripartito tra propulsione diesel e benzina, in entrambi i casi con motori ad iniezione diretta.
Per quanto riguarda i combustibili, il gas naturale, anche se non rinnovabile, appare il maggior candidato a gestire una transizione nel medio periodo verso le applicazioni dell’idrogeno: le riserve di gas naturale sono ben più estese del petrolio e tale combustibile si presta ad essere utilizzato direttamente in motori dedicati o anche _bi-fuel._ Inoltre il gas naturale può anche essere trattato per ottenere una serie di combustibili derivati, molto puliti ed adatti anche a motori diesel: il *_GTL _* (Gas-To-Liquid Fuel), il *_DME_* (DiMetilEtere – gassoso), il Metanolo ed infine l’idrogeno stesso.
Pertanto si prevede una relativamente notevole quota di combustibili ex-Gas quali i GTL, un’aliquota non trascurabile di bio-fuels, ma un ruolo ancora marginale per l’idrogeno.
In parallelo con la diffusione del gas naturale, anche la filiera dei combustibili rinnovabili promette grandi traguardi con l’utilizzo di bio-masse per produrre combustibili quali biodiesel e bioetanolo, tuttavia ricordando che i vantaggi ottenibili da un combustibile alternativo vanno pesati con un bilancio complessivo lungo tutta la filiera che porta dalla sua produzione al suo utilizzo, in altre parole ‘dal pozzo alla ruota’.

In ogni caso gli studi condotti sugli attuali motori a combustione interna, volti a ridurre le emissioni ed a migliorare l’efficienza globale, intesa come quantità di combustibile necessaria per ottenere una certa potenza, hanno dato e continueranno a dare indispensabile contributo alla riduzione del loro impatto ambientale.
Per migliorare efficienza ed emissioni degli attuali motori, sia essi benzina che diesel, lo sviluppo tecnologico impone tutta una serie di miglioramenti della componentistica del motore (sistemi di iniezione avanzati, turbocompressori innovativi ecc.), insieme ad un ulteriore affinamento del controllo della combustione nel cilindro.

Le due possibili strade di evoluzione, sia del motore diesel (CI) che di quello ad accensione comandata (SI) sembrano indirizzare le due principali tipologie di motore (benzina e diesel) verso un quasi unico tipo di propulsore (denominato secondo la terminologia anglosassone *_flexi-fuel HCCI engine_* per i benzina e *_Advanced Diesel Combustion System-ADCS engine_* per il diesel) la cui principale caratteristica è quella di funzionare con più basse temperature di combustione nel cilindro, al fine di minimizzare la formazione degli ossidi di azoto, bruciando nella maniera più completa possibile la quantità di combustibile introdotta.
Le potenzialità di tali sistemi sono rappresentate dall’evoluzione “temporale” delle distribuzioni della luminosità all’interno della camera di combustione in un motore diesel dotato di accesso ottico, ottenute in condizione di combustione convenzionale (sopra) ed in condizione di ‘combustione in bassa temperatura’. L’evidente riduzione di luminosità, e quindi di temperatura, implica riduzione di emissioni, dal momento che al di sotto di 2000K la formazione delle particelle di particolato (“nerofumo”) e degli ossidi di azoto è drasticamente ridotta.
A riprova di quanto sopra la figura riporta per un determinato punto del piano coppia-giri le emissioni di Particolato e NOx di un prototipo Diesel avanzato funzionante in condizioni normali (blue) e in condizioni controllate di combustione a bassa temperatura (rosa), nonché i rispettivi rilievi di fuliggine sul filtro.

Quanto sopra, sia per i motori ad accensione per compressione che per quelli ad accensione comandata, è strettamente connesso alla possibilità di elaborare adeguate strategie di controllo della combustione nonché allo sviluppo di sensoristica adeguata, con l’obiettivo di rendere il motore differentemente operativo in differenti regimi di funzionamento.
In realtà gli addetti al settore stanno assistendo alla progressiva trasformazione della curva di pressione indicata dei motori diesel, che sempre più tende ad avvicinarsi a quella caratteristica dei motori ad accensione comandata. Tale trasformazione, con tutti i vantaggi che ne sono derivati, è stata resa possibile dal massiccio ingresso dell’elettronica nella regolazione dei motori: per quanto riguarda i motori ad accensione per compressione ciò è certamente legato all’introduzione del sistema Common Rail ed in generale alla gestione elettronica del motore.
Potrebbe realizzarsi in tal modo la convergenza tra motori ad accensione comandata e motori diesel, ai fini di limitare le emissioni e ridurre i consumi, ottenendo un propulsore che abbia i consumi specifici dei motori ad accensione per compressione (CI) e le emissioni dei motori ad accensione comandata (SI) con catalizzatore 3 vie, utilizzando un processo di combustione che unisca caratteristiche di entrambi i tipi citati di propulsori.
Nell’attesa dello sviluppo tecnologico di tale concetto, si tende a mettere a punto dei propulsori ad accensione comandata con alta densità di potenza ed elevata flessibilità, riducendo la cilindrata fino al 40% _(downsizing)_ e mantenendo invariate coppia e potenza con la sovralimentazione _(turbocharging)._ Essenziali sono l’iniezione diretta ed il comando flessibile delle valvole, per variarne nel modo più ampio possibile sia alzata che fasatura (sistemi VVA Variable Valve Attuation). I sistemi VVA consentono di controllare, ciclo per ciclo: distribuzione della miscela in camera di combustione; EGR interno; rapporto di compressione reale; livelli di swirl e di microturbolenza. In tal modo è possibile evitare la detonazione nei motori sovralimentati ad alto rapporto di compressione, realizzando processi di combustione innovativi.

Infine occorre far riferimento alle motorizzazioni ibride: un veicolo ibrido in sostanza, è un veicolo in cui s’integrano, per la trazione, sia un motore elettrico e il relativo sistema d’accumulo (batterie), sia il motore a combustione interna oppure una fuel cell, nella prospettiva dell’ulteriore contenimento dei consumi di combustibile.
Senza addentrarsi in complesse analisi, importa tuttavia sottolineare che i sistemi di propulsione ibridi sono caratterizzati da differenti gradi di complessità, cui corrispondono differenti gradi di efficienza e naturalmente di costo: in ogni caso non esiste un’alternativa valida all’ibrido complesso se si vogliono ottenere riduzioni consistenti dei consumi e quindi delle immissioni di CO2 in atmosfera.

Pertanto il motore a combustione interna, dominante da più di un secolo nel settore dei trasporti, continua ad essere una tecnologia indispensabile in questa fase di transizione energetica: le attività di ricerca sviluppate sia sul propulsore che sul propellente stanno contribuendo, anche con l’impiego dell’elettronica, della sensoristica, del controllo, della modellistica, a sviluppare soluzioni tecnologiche che ottimizzino l’efficienza, riducendo consumi ed emissioni.