Generatori ad alta efficienza per veicoli ibridi

Un design del motore non convenzionale sta attirando l'attenzione come potenziale alternativa alle celle a combustibile a idrogeno o ai motori convenzionali in alcuni veicoli ibridi. Chiamato motore a pistoni liberi, potrebbe essere utilizzato per generare elettricità con la stessa efficienza delle celle a combustibile, ma costa meno.

Potenza pistone: In un design del motore non convenzionale, uno stelo con un pistone alle due estremità fa la spola tra due camere di combustione. I magneti al centro dell'asta si muovono oltre le bobine metalliche (arancioni) per creare una corrente elettrica.

I motori a pistoni liberi non sono nuovi: sono stati inventati negli anni '20. Ma la maggiore attenzione recente alle auto ibride ha portato un numero crescente di gruppi di ricerca e case automobilistiche ad avviare programmi di ricerca per sviluppare la tecnologia. A differenza dei motori convenzionali, non esiste un collegamento meccanico tra il pistone e un albero a gomiti (da cui il nome pistone libero). Poiché il design consente una migliore combustione e un minore attrito, i motori potrebbero essere molto più efficienti nella generazione di elettricità rispetto ai generatori convenzionali o alla più recente tecnologia delle celle a combustibile.

Avere un modo economico ed efficiente per generare elettricità sta diventando sempre più importante poiché le case automobilistiche sviluppano veicoli elettrici con generatori a bordo per ricaricare il pacco batteria e estendere l'autonomia. Tali veicoli, chiamati ibridi plug-in di serie o veicoli elettrici ad autonomia estesa, saranno venduti a partire dalla fine del 2010. (Fare clic qui per un confronto tra i diversi tipi di veicoli ibridi ed elettrici). Il primo utilizzerà generatori basati su motori convenzionali. Ma i modelli successivi potrebbero incorporare celle a combustibile o altri generatori non convenzionali, come i motori a pistoni liberi.

La potenziale elevata efficienza dei motori a pistoni liberi offre loro un vantaggio rispetto ai generatori convenzionali e la loro capacità di utilizzare una varietà di combustibili è un vantaggio rispetto alle celle a combustibile a idrogeno. Inoltre, i motori a pistoni liberi non richiedono materiali costosi come i catalizzatori al platino necessari nelle celle a combustibile, quindi potrebbero essere anche più economici.

Case automobilistiche come GM, Lotus e Volvo hanno iniziato a studiare la possibilità di utilizzare tali motori nei veicoli futuri. Nel frattempo, negli ultimi due anni, un numero crescente di team di ricerca accademica ha iniziato a sviluppare i motori. Finora, la maggior parte si è concentrata sulle simulazioni al computer. Un'eccezione è un gruppo di ricerca presso il Sandia National Laboratory guidato dal ricercatore Sandia Peter Van Blarigan che ha testato i componenti fisici dei motori a pistoni liberi. Sta assemblando un prototipo completo di motore a pistoni liberi, un progetto che prevede di completare entro un anno.

Nei motori a combustione interna convenzionali, più pistoni sono collegati tramite bielle a un albero a gomiti che, tramite la trasmissione, aziona le ruote. I motori a pistoni liberi eliminano l'albero motore: i pistoni non sono collegati a nulla. Invece, due pistoni opposti si spostano avanti e indietro all'interno di una camera. Per generare elettricità, i pistoni potrebbero essere dotati di file di magneti che passano accanto a bobine metalliche per creare una corrente elettrica.

Gli esperimenti di Van Blarigan suggeriscono che questi motori potrebbero essere efficienti del 50% nella generazione di elettricità, vicini all'efficienza delle celle a combustibile a idrogeno e molto più efficienti dei generatori convenzionali. I motori a pistoni liberi sono efficienti in parte perché hanno meno parti mobili rispetto ai motori convenzionali. La configurazione del motore rende anche pratico mettere a punto il motore in modo che il carburante in una camera di combustione bruci molto rapidamente. Una combustione più rapida consente al motore di ottenere più lavoro da una data quantità di carburante, migliorando l'efficienza. Può anche migliorare le emissioni.

Il design a pistone libero consente inoltre di ottimizzare istantaneamente il motore per diversi combustibili, come idrogeno, gas naturale, etanolo, benzina e diesel. Idealmente, i conducenti potrebbero utilizzare qualunque carburante sia economico e facilmente disponibile.

Lo sviluppo dei motori a pistoni liberi, tuttavia, è ancora in una fase iniziale. Il pistone libero ha alcune caratteristiche uniche, semplicità e compressione variabile, che lo rendono intrigante, afferma Gary Smith , il direttore scientifico del Powertrain Systems Research Lab di GM. Ma [loro] pongono anche una serie di sfide.

Van Blarigan afferma che una delle principali preoccupazioni è il suono dei motori: le esplosioni veloci sono molto forti e saranno difficili da attutire. Ma forse il problema più grande è il controllo. In un motore convenzionale, il movimento dei pistoni è vincolato dalle bielle e dall'albero motore, che aiutano ad uniformare eventuali variazioni da ciclo a ciclo. Il motore a pistoni liberi è più flessibile. Ciò consente di utilizzare combustibili diversi, ma rende necessario una sorta di meccanismo di controllo attivo per garantire che ogni ciclo sia lo stesso: le variazioni potrebbero causare prestazioni scadenti e aumento delle emissioni. I computer ad alta velocità e la capacità di controllare elettronicamente il movimento del pistone in un generatore a pistone libero (tramite bobine e magneti) potrebbero aiutare gli ingegneri a risolvere questo problema.

Non è chiaro se i motori saranno significativamente più economici e più efficienti rispetto ai motori convenzionali, afferma John Heywood , professore di ingegneria meccanica al MIT. C'è stato abbastanza sviluppo per dire che funziona. Ma con geometrie del motore molto diverse, è difficile capire quanto sia buono. È davvero meglio? Man mano che la ricerca progredisce, dovrà rispondere a domande su efficienza, emissioni, prestazioni e soprattutto costi, afferma Heywood.

Nel frattempo, i motori a combustione interna convenzionali continuano a migliorare, il che potrebbe rendere difficile l'affermazione del design a pistone libero.

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