L'incredibile motore termoretraibile

Il seguente articolo appare nel numero di marzo/aprile 2007 di Revisione della tecnologia.

Allo Sloan Automotive Laboratory del MIT, Daniel Cohn (nella foto sopra) sta dietro un motore dotato di strumenti di prova (in giallo) e un sistema di iniezione che spruzza il carburante direttamente nelle camere di combustione del motore.

Per Daniel Cohn, ricercatore senior presso il Plasma Science and Fusion Center del MIT, il motore a combustione interna centenario è ancora una fonte di ispirazione. Mentre supera a grandi passi i macchinari e le apparecchiature di prova nel MIT Sloan Automotive Laboratory, il suo comportamento solitamente riservato svanisce. Un motore di queste dimensioni, dice, sottolineando un normale motore a benzina di media cilindrata da 2,4 litri, sarebbe un razzo con la nostra tecnologia.

Questa storia faceva parte del nostro numero di marzo 2007

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Per spiegare quella tecnologia, mostra un turbocompressore che potrebbe essere imbullonato al motore da 2,4 litri; il motore, aggiunge, utilizza l'iniezione diretta del carburante anziché l'iniezione portuale che si trova attualmente nella maggior parte delle auto. Sia il turbocompressore che l'iniezione diretta sono tecnologie preesistenti e nessuna delle due sembra particolarmente impressionante. Infatti, usati separatamente, porterebbero a miglioramenti solo marginali nelle prestazioni di un motore a combustione interna. Ma combinandoli e aumentandoli con un nuovo modo di utilizzare una piccola quantità di etanolo, Cohn e i suoi colleghi hanno creato un design che ritengono possa triplicare la potenza di un motore di prova, un progresso che potrebbe consentire alle case automobilistiche di convertire piccoli motori progettato per auto economiche in motori muscolosi con potenza più che sufficiente per SUV o auto sportive. Estraendo prestazioni migliori da motori più piccoli ed efficienti, la tecnologia potrebbe portare a veicoli il cui risparmio di carburante è pari a quello degli ibridi, che utilizzano sia un motore elettrico che un motore a benzina. E quell'efficienza del carburante potrebbe arrivare a una frazione del costo.

Cohn afferma che i suoi colleghi, Leslie Bromberg, principale ricercatore presso il Plasma Science and Fusion Center, e John Heywood, professore di ingegneria meccanica e direttore dello Sloan Auto Lab, hanno preso in considerazione molti modi per rendere più efficienti i motori a combustione interna. E poi, dopo molte discussioni, un giorno ci colpì, ricorda Cohn. La chiave del sistema dei ricercatori del MIT, spiega, è stata superare un problema chiamato detonazione, che ha fortemente limitato gli sforzi per aumentare la coppia e la potenza del motore.

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Nei motori a gas, un pistone si muove in un cilindro, comprimendo una miscela di aria e carburante che viene poi accesa da una scintilla. L'esplosione spinge nuovamente fuori il pistone. Un modo per ottenere più potenza da un motore è progettare il pistone in modo che viaggi più lontano ad ogni corsa. Più viaggia, più comprime la miscela aria-carburante e più energia meccanica raccoglie dall'esplosione mentre si ritira. Nel complesso, una compressione più elevata porterà a un motore più efficiente ea più potenza per corsa. Ma l'aumento eccessivo della pressione fa sì che il carburante si scaldi ed esploda indipendentemente dalla scintilla, portando a un'accensione imprecisa. Questo è bussare e può danneggiare il motore.

Per evitare colpi, i progettisti di motori devono limitare la misura in cui il pistone comprime il carburante e l'aria nel cilindro. Devono anche limitare l'uso del turbocompressore, in cui una turbina azionata dallo scarico comprime l'aria prima che entri nella camera di combustione, aumentando la quantità di ossigeno nella camera in modo da poter bruciare più carburante per corsa. L'attivazione del turbocompressore di un'auto fornirà una spinta aggiuntiva quando l'auto sta accelerando o salendo in salita. Ma troppa turbocompressione, come troppa compressione, porta a bussare.

Un modo alternativo per prevenire la detonazione consiste nell'utilizzare un carburante diverso dalla benzina; sebbene la benzina racchiuda una grande quantità di energia in un piccolo volume, altri combustibili, come l'etanolo, resistono molto meglio agli urti. Ma un veicolo che utilizza etanolo ottiene meno miglia per gallone di uno che utilizza benzina, perché il suo carburante ha una densità di energia inferiore. Cohn e i suoi colleghi affermano di aver trovato un modo per utilizzare entrambi i combustibili che sfrutta i punti di forza di ciascuno evitando i suoi punti deboli.

I ricercatori del MIT si sono concentrati su una proprietà chiave dell'etanolo: quando vaporizza, ha un pronunciato effetto di raffreddamento, proprio come l'alcol denaturato che evapora dalla pelle. L'aumento della sovralimentazione e della compressione del cilindro aumentano la temperatura nel cilindro, motivo per cui portano a colpi. Ma Cohn ei suoi colleghi hanno scoperto che se l'etanolo viene introdotto nella camera di combustione al momento giusto attraverso la tecnologia relativamente nuova dell'iniezione diretta, mantiene la temperatura bassa, prevenendo la combustione spontanea. Approcci simili, alcuni dei quali utilizzavano l'acqua per raffreddare il cilindro, erano stati provati in precedenza. Ma la combinazione di iniezione diretta ed etanolo, dice Cohn, ha avuto risultati molto più drammatici.

I ricercatori hanno ideato un sistema in cui la benzina sarebbe iniettata nella camera di combustione con mezzi convenzionali. L'etanolo verrebbe immagazzinato nel proprio serbatoio o compartimento e verrebbe introdotto da un sistema di iniezione diretta separato. L'etanolo dovrebbe essere rabboccato solo una volta ogni pochi mesi, all'incirca con la frequenza con cui viene cambiato l'olio. Un veicolo che utilizzasse questo approccio funzionerebbe di circa il 25 percento in modo più efficiente rispetto a un veicolo con un motore convenzionale.

Un turbocompressore e un sistema di iniezione diretta aumenterebbero il costo di un motore, così come il rafforzamento delle sue pareti per consentire un livello più elevato di turbocompressione. I costi aggiuntivi dell'attrezzatura, tuttavia, sarebbero parzialmente compensati dalla riduzione delle spese di produzione di un motore più piccolo. In totale, un motore dotato della nuova tecnologia costerebbe dai 1.000 ai 1.500 dollari in più rispetto a un motore convenzionale. I sistemi ibridi, che sono costosi perché richiedono sia un motore a combustione interna che un motore elettrico alimentato da batterie, aggiungono $ 3.000 a $ 5.000 al costo di un veicolo di piccole e medie dimensioni e ancora di più al costo di un veicolo più grande.

Quando il gruppo del MIT ha escogitato la sua idea, Bromberg ha creato un modello computerizzato dettagliato per stimare l'effetto dell'utilizzo dell'etanolo per consentire una maggiore sovralimentazione e compressione del cilindro. Il modello ha mostrato che la tecnica potrebbe aumentare notevolmente la coppia e la potenza del motore senza colpi. I successivi test di Ford hanno mostrato risultati coerenti con le previsioni del modello computerizzato del MIT. E poiché il nuovo sistema richiederebbe modifiche relativamente minori alle tecnologie esistenti, potrebbe essere pronto a breve. Ethanol Boosting Systems, una società che i ricercatori hanno avviato a Cambridge, MA, sta lavorando per commercializzare la tecnologia. Cohn afferma che con un programma di sviluppo aggressivo, il design potrebbe essere nei veicoli di produzione già nel 2011.

Mentre Cohn plaude ai vantaggi degli ibridi e afferma che la sua tecnologia potrebbe essere utilizzata anche per migliorarli, osserva che la popolarità della tecnologia ibrida è ancora limitata dal suo costo. La tecnologia più economica sarà adottata più velocemente, suggerisce, e ridurrà così il consumo di benzina più rapidamente. È molto più utile, dice, avere un motore che acquisteranno molte persone.

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