La Scienza Vincera'

LA SCIENZA VINCERA’

Il trasporto individuale sta vivendo un momento al limite fra il comico e il drammatico e, la cosa più preoccupante, è che a scriverne il copione sono persone che non sanno un accidente di ingegneria, termodinamica, combustione, conversione energetica, preservazione delle riserve energetiche. Parlo dei nostri governanti, politici e amministratori, nazionali ed europei, tutta gente che è entrata in politica perchè non sa fare altro, perchè in quel ruolo basta avere chiacchiera e sparare balle a raffica, tanto poi una bella sedia comoda e calda la si rimedia sempre. Fare il politico è sempre meglio che lavorare. É una cosa insopportabile vedere questi ignoranti e grossolani demagoghi legiferare sulla nostra mobilità individuale, un aspetto fondamentale della nostra libertà, perchè, se non ce ne rendiamo conto, si tratta di libertà, la nostra libertà di muoverci, lavorare, produrre, vivere. Un bene irrinunciabile che costoro ci stanno comprimendo in nome della loro ambizione di apparire “ecologicamente e politicamente corretti”. Chi sta cercando di farci adottare auto a propulsione elettrica alimentata da batterie ha dimenticato la celebre frase che l’allora CEO di General Motors, Mr. Roger Smith, pronunciò in occasione della presentazione della prima vettura elettrica dell’era moderna, la GM EV1. “Se per ricaricare le batterie di questa vettura elettrica utilizzeremo energia prodotta bruciando un combustibile fossile, torneremmo sempre al quadratino numero 1 del nostro giro dell’oca”. Saggia considerazione che l’attuale CEO della stessa General Motors, Mrs. Mary Barra, sembra aver dimenticato. Non solo. A rendere risibile l’efficienza dei sistemi di propulsione elettrica alimentati a batteria viene una osservazione che pochi, anche tecnici, mettono, letteralmente, sul piatto della bilancia: il contenuto energetico specifico in termini di kWh/kg di peso. E qui le batterie, anche quelle agli ioni di litio che molti pensano siano magiche, mostrano il loro primo, insormontabile limite. Un pacchetto di batterie agli ioni di litio capaci di accumulare una riserva energetica di 95 kWh consentono una autonomia nominale di 400 km. Non chiedetemi a che velocità perchè nessuno la dichiara, ma questo non è il punto: 95 kWh “pesano” 700kg, per cui qualsiasi vettura a propulsione elettrica alimentata da batterie che cerchi di fare degnamente il suo mestiere di auto capace di prestazioni adeguata anche in autonomia sarà necessariamente un “barcone” da oltre due tonnellate e mezzo. Ma soprattutto non ci vuole molto per capire (politici a parte) che 700kg di carburante, benzina (peso specifico 680g/litro quindi 700kg sono 1.029 litri) o gasolio (peso specifico 835g/litro, quindi 838 litri), garantiscono una autonomia di almeno 10.000km, e viaggiando ad almeno 140 km/h di media con una vettura media dotata di un motore di 2.0 litri di ultima generazione. Ce n’è abbastanza per andare da Milano a Tucson, AZ. Non ritorno sull’argomento “tempi di ricarica” perchè ci sarebbe da buttarsi per terra e piangere, se questi politici da quattro soldi ci imponessero davvero di passare alle vetture a propulsione elettrica alimentata a batterie.

Ma fortunatamente la scienza ha risposte molto più intelligenti e razionali in grado di rimettere pienamente in gioco l’auto dotata di motori alternativi a combustione interna.

CICLO DIESEL

Ancora una volta sarà il signor Robert Bosch, studioso rigoroso e dalla vita impeccabile, il mentore del signor Rudolf Diesel, classico caso di “genio e sregolatezza”. Un paio di mesi fa, quando sembrava che per i motori a Ciclo Diesel fosse finita, la Robert Bosch ha annunciato di essere in grado, con modifiche relativamente semplici applicate agli attuali impianti di iniezione, di abbattere di 10 volte le emissioni di NOx. Questo metterà i motori a ciclo diesel completamente fuori dalla lista degli incriminati per parecchi anni, come è giusto. Fra i tanti meriti termodinamici, il Ciclo Diesel ne ha anche di pratici, in primo luogo quello di digerire i più svariati carburanti. Ci sono già stati tentativi più o meno empirici, come quello di riciclare l’olio delle friggitrici di patatine. Per funzionare, funzionava benissimo, ma semplicemente non ce n’è in quantitativi significativi.


Il V8 4.0 litri di AUDI SQ7 è uno splendido esempio della formidabile evoluzione che ha interessato i propulsori a Ciclo Diesel. É sovralimentato da due turbocompressori, più un compressore centrifugo ad azionamento elettrico, per annullare completamente il ritardo di risposta dei turbo mossi dai gas di scarico. La potenza è di 435Ho a 5000 giri, con coppia massima di 900Nm. É omologato euro 6.

Migliori prospettive, come fonte riciclabile di buon combustibile per motori a Ciclo Diesel, le ha la jatropha, pianta africana che, oltre a fornire un buon olio combustibile ben compatibile con le esigenze dei motori a Ciclo Diesel e dei relativi sistemi di iniezione, ha anche il merito di combattere efficacemente la desertificazione in quanto è in grado di riconquistare terreno coltivabile anche nelle aree più desolate. Il problema è dare inizio ad una coltivazione su larghissima scala, il continente africano offre aree immense, ma è indispensabile che, una volta per tutte, le popolazioni locali si tirino su le maniche e si mettano a lavorare. Sul serio, invece di venire da noi a spacciare e a farsi mantenere.

Lo sviluppo, a livello di produzione su vastissima scala, di un olio combustibile di origine vegetale è una strada da percorrere perchè, oltre a contribuire a ridurre le emissioni inquinanti, conserva le riserve di idrocarburi che non possono essere visti solo come combustibili, ma anche come riserve di molecole complesse da cui ottenere materiali sintetici, medicinali, fertilizzanti e un sacco di altri prodotti chimici di grande utilità. Bruciarli è uno spreco (per il momento) inevitabile, ma è uno spreco di riserve preziose che il Buon Dio ci ha consegnato per il bene del Pianeta. U.S. Navy e U.S. Marine Aviation hanno da tempo avviato l’utilizzo, a bordo delle portaerei, di carburanti avio ottenuti da un mix di kerosene e di carburanti di derivazione vegetale, in particolare uno derivato da una pianta che ci può coltivare in acqua marina. I poderosi General Electric F414 GE (da 10 a 11.6 ton/spinta) degli F18E/F SuperHornet sembrano gradire perfettamente il cocktail per cui vaste colture sperimentali sono già attive in Qatar e in altre aree oceaniche. Se questo fluido combustibile si miscela bene con il kerosene, è molto probabile che si mischi bene anche con il gasolio, suo parente stretto, per cui anche da qui potrebbe derivare una interessante fonte di carburante alternativo per i nostri preziosi Turbo-Diesel. Mettendo assieme i rinnovati ed evoluti sistemi di iniezione Bosch e le prospettive insite nelle future miscele di combustibili minerali e vegetali e aggiungiamo il costante progresso delle termodinamiche a Ciclo Diesel e credo che per queste ultime ci sia ancora un avvenire estremamente positivo, perchè il Ciclo termodinamico pensato dal Prof. Rudolf Diesel resta in assoluto il più efficiente. Il che significa che è quello che consuma meno per Hp utilizzato e, quindi, che butta fuori meno prodotti di combustione dallo scarico. Con buona pace dei noti esperti di termodinamica: Junckers, Di Maio, Sala, Appendino, Grillo, Raggi, ecc.

 

CICLO OTTO

 

 Il motore a Ciclo Otto, per qualche misteriosa ragione, è guardato con maggiore benevolenza dai suddetti esperti di termodinamica, ma costoro, come sempre, vanno “a naso”, perchè, in effetti, il motore a Ciclo Otto realizza un livello inferiore di efficienza termodinamica e, quindi, consuma di più e butta fuori di più dallo scarico. Le prospettive di crescita del motore a Ciclo Otto in termini di efficienza termodinamica sono legate, innanzi tutto, ad una ulteriore evoluzione della configurazione della sua termodinamica. I fattori che partecipano a tale evoluzione sono molteplici per cui di spazio per i miglioramenti ce n’è ancora più di quanto potessimo credere dopo che l’Ingegner Keith Duckwort diede al mondo una mirabile lezione di ingegneria termodinamica quando definì la configurazione della camera di combustione, e relativi condotti di aspirazione, del suo leggendario V8 Ford-Cosworth DFV 3.0 litri di F1. Una volta che i segreti della configurazione delle termodinamiche Ford-Cosworth furono traslati al prodotto di serie, l’industria si è relativamente rilassata fino ad oggi, nella convinzione che si fosse arrivati già ad un livello di eccellenza termodinamica difficilmente superabile.


I progettisti del Reparto R&D di FCA hanno realizzato uno dei migliori turbodiesel della attuale generazione, il 2.2 litri che equipaggia Jeep Cherokee e Alfa Romeo Giulia Veloce e Stelvio. Nelle sue varie declinazione eroga potenze da 180 a 215Hp, con coppia massima di 470Nm. É un propulsore eccezionale per efficienza e densità della risposta in potenza ad ogni regime.

Poi, a risvegliare la ricerca, è arrivato il terribile Ford 1.0 Ecoboost, un tre cilindri progettato con una razionalità assoluta in ogni dettaglio, in ogni specifica di progetto. Il Ford 1.0 Ecoboost sfrutta tutti i vantaggi offerti dalla combinazione tubo-sovralimentazione-iniezione diretta di benzina. Grazie all’effetto “refrigerante” del getto di benzina, che il sistema Bosch inietta direttamente in camera di combustione alla pressione di 150 bar, esso opera con un rapporto di compressione, 10:1, piuttosto elevato per un motore sovralimentato che viene prodotto in milioni di esemplari all’anno. Inoltre il turbocompressore è un Borg-Warner di ultima generazione, di piccolo diametro e, quindi, bassa inerzia, per una risposta in potenza praticamente istantanea, ma capace di un elevatissimo numero di giri, e quindi di elevata portata a regime di potenza massima. Il propulsore ha misure di alesaggio e corsa “sottoquadre”: 71,9mm x 82mm. Corsa lunga, quindi, ma il propulsore è turbo-sovralimentato per cui, per erogare la potenza e la coppia desiderate, non ha bisogno di girare alto. La corsa lunga, in combinazione con il profilo molto compatto della testa (le valvole sono poste ad un angolo incluso di soli 22°), ha consentito di ottenere il rapporto di compressione di 10:1 con una configurazione estremamente pulita che include un’ampia area di squish su tutta la periferia del cielo del pistone e, al suo centro, un marcata depressione. In pratica una configurazione Heron, ma con valvole leggermente inclinate. Personalmente ho sempre ritenuto che questa fosse la strada per ottenere una termodinamica estremamente efficiente e il micidiale Ford 1.0 Ecoboost lo conferma, realizzando agevolmente una potenza di 140Hp con oltre 200Nm di coppia massima e con rese chilometriche che, nella vita vera, sfiorano i 20 km/litro in crociera costante a 130-135 kmh, anche con Ford Ecosport, il SUV compatto. Il Ford 1.0 Ecoboost  è il miglior esempio di “downsizing”, con eccellente uso della turbosovralimentazione come compenso alla minore cilindrata. Altri propulsori a Ciclo Otto di ultima generazione hanno seguito filosofia analoga, in particolare molto  validi sono il tre cilindri PSA 1.2 Puretech e il quattro cilindri Renault-Nissan 1.3 litri. Ambedue sono dotati di sistema di scarico completo di filtro di particolato, una soluzione molto avanzata per i motori a Ciclo Otto. Ma il downsizing non è “la soluzione” obbligata. C’è un V8 6.2 litri formidabile  per potenza, 470Hp, coppia massima, 633Nm, e capace di rese chilometriche incredibili per una belva con questi numeri: 12 km/litro a 135-140kmh. É lo Chevrolet Corvette LT1, semplicemente imbattibile. Anche il motore a Ciclo Otto può ricevere un importante impulso evolutivo dall’utilizzo di carburanti alternativi debitamente selezionati. Il primo pensiero va al GPL, miscela di butano e propano portati allo stato liquido con un processo relativamente agevole perchè la liquefazione avviene poco sotto lo 0° centigrado (273,15° Kelvin) e quindi è facile anche mantenerli in questa condizione. Ma, a mio avviso, il GPL non rappresenta una soluzione che assicuri una significativa evoluzione della termodinamica a Ciclo Otto. In primo luogo bisognerebbe utilizzare propano puro, perchè vanta un tenore ottanico, 115RON, superiore a quello delle migliori benzine commerciali. Il suo utilizzo consentirebbe di realizzare propulsori (aspirati) con rapporto di compressione di almeno 12:1, anche nella grande produzione di serie, con conseguente incremento del rendimento termodinamico. Il problema è che, in luogo di motori bi-fuel come gli attuale, l’adozione di rapporti di compressione oltre 12:1 imporrebbe all’industria di realizzare motori dedicati, quindi da alimentare esclusivamente con propano liquido. In teoria non sarebbe un grosso problema perchè è stato così per anni con i V8 di oltre 10 litri che venivano impiegati sui grandi camion americani, ma poi la superiore efficienza del Ciclo Diesel ha conquistato anche l’industria USA. Il vero carburante alternativo, quello che consentirebbe al motore a Ciclo Otto un risolutorio salto di efficienza e di compatibilità ambientale è il metano, detto anche CH4. Un atomo di carbonio e quattro di idrogeno costituiscono la sua molecola e già da qui si deduce che si tratta dell’idrocarburo la cui combustione genera meno CO2 di qualunque altro. In più è abbondante in natura e non solo nei paesi produttori di petrolio (questo ci affrancherebbe dal loro ricatto), esce praticamente puro da sottoterra, esente da qualsiasi contaminazione da zolfo. Ma, dal punto di vista dell’ingegneria motoristica, ha soprattutto l’enorme pregio di vantare un tenore ottanico ineguagliato: 130RON. Per questa somma di qualità il metano consentirebbe la realizzazione di propulsori dedicati, con rapporto di compressione che, in regime aspirato, può superare 15:1, per un rendimento termodinamico prossimo a quello dei propulsori a Ciclo Diesel. Prossimo, non uguale, perchè il Ciclo Diesel ha sempre il vantaggio di una combustione in eccesso di ossigeno e di poter riciclare una discreta aliquota dei suoi gas di scarico, due qualità che il Ciclo Otto, per sua natura, non riesce a compensare. Ma con il metano potremmo essere sulla buona strada, con emissioni radicalmente contenute all’origine e agevolmente azzerabili con i debiti post trattamenti allo scarico.


Per il momento non esistono nella produzione di serie motori dedicati alla sola alimentazione a metano, ma il Gruppo VW-Audi ha sviluppato un nuovo, eccellente 1.5TSI bi-fuel benzina-metano da 130Hp. Con l’alimentazione a metano le emissioni di CO2 sono inferiori del 25% e le prestazioni rimangono inalterate grazie all’eccellente termodinamica del propulsore turbosovralimentato. Questa unità equipaggia la nuova edizione della Skoda Octavia G-Tron.

Applicato ad un propulsore sovralimentato, il metano potrebbe agevolmente consentire rapporti di compressione di almeno 13:1 con eccellente rendimento termodinamico. Se mi è consentita una divagazione verso un futuro meno deprimente di quello elettrico, ma ugualmente rispettoso dell’ambiente, credo che la cuspide della evoluzione globale del motore a Ciclo Otto potrebbe sarebbe rappresentata da propulsori, sia aspirati che turbo, alimentati con iniezione diretta di metano liquido. Ci sono problemi criogenici da risolvere, perchè il metano è liquido a 103° Kelvin/-170° Celsius, ma l’ingegneria aerospaziale ha sviluppato soluzioni efficaci per fare fronte ai 19° Kelvin/-254° Celsius dell’idrogeno liquido e quindi possiamo guardare con buon ottimismo alle prospettive offerte dal “pieno” di metano liquido. Non ci dovrebbero essere problemi con il sistema di iniezione in quanto la BMW, nel suoi esperimenti con motori a Ciclo Otto alimentati ad idrogeno, realizzarono un sei cilindri 3.6 litri  ad iniezione diretta di idrogeno liquido e l’impianto era stato sviluppato dalla americana Stanadyne. Non so quanto costassero pompa ed iniettori, probabilmente più di tutta l’auto, ma ho avuto il privilegio di guidare quel prototipo, e poi anche gli altri del programma BMW, e debbo dire che era sicuramente il migliore e più performante, esente dai ritorni di fiamma in aspirazione che hanno afflitto tutti gli altri.  La scienza non teme di affrontare nuove sfide e, quando ha potuto lavorare senza costrizioni, le ha sempre vinte. L’importante è che i politici si tolgano dai piedi e non inquinino l’ambiente con le loro tirate demagogiche basate sulla loro ignoranza e sulle derive demagogiche delle loro ideologie.

 

 

 

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