Motori più efficienti grazie all’elettronica

AUTOMOTIVE –

Le tecnologie elettroniche sono indispensabili per realizzare le innovazioni che consentono di ridurre i consumi e le emissioni dei motori, come l’iniezione diretta e i sistemi start-stop. Gli algoritmi di controllo richiedono maggiore potenza di elaborazione.

Inventato oltre centotrenta anni fa, il motore a combustione interna a pistoni è un ottimo esempio di come alcune tecnologie riescano a conciliare maturità e innovazione continua. Oggi le innovazioni riguardano in primo luogo la riduzione dei consumi e delle emissioni, un miglioramento necessario per rispettare i limiti sempre più stringenti imposti dai governi di tutto il mondo: norme di questo genere esistono non solo negli Stati Uniti e in Europa (dove nel 2013 entrerà in vigore lo standard Euro 6), ma anche in grandi paesi emergenti come la Cina. L'aumento dell'efficienza dei motori a combustione interna a pistoni - siano essi alimentati a benzina o a gasolio - viene ottenuto principalmente agendo sui meccanismi che regolano l'ingresso e la combustione del carburante nella camera di scoppio. Fondamentale, quindi, il ruolo dei dispositivi di iniezione realizzati dai grandi fornitori dell'industria automobilistica, società come Magneti Marelli, Bosch, Continental, Delphi ecc. Questi dispositivi ovviamente fanno largo uso di tecnologie elettroniche, pertanto uno sguardo ad alcune delle moderne soluzioni di iniezione può essere utile per comprendere quale sia il contributo dell'elettronica alla riduzione dei consumi e delle emissioni.

Iniezione diretta e turbocompressione
Continental e Bosch ritengono che il motore a benzina del prossimo futuro sarà caratterizzato dalla combinazione tra iniezione diretta e turbocompressione, due soluzioni che insieme contribuiscono a ridurre sensibilmente i consumi. Naturalmente, ai fini del risparmio di carburante, il turbocompressore non viene sfruttato per ottenere prestazioni di tipo sportivo, bensì per consentire una riduzione di cilindrata a parità di potenza (il cosiddetto “downsizing” dei motori). La tecnologia dell'iniezione diretta ha origini lontane, ma si è recentemente sviluppata anche grazie ai controlli elettronici. Senza entrare nei dettagli ricordiamo brevemente che in questo tipo di motori, indicati dalla sigla Gdi (Gasoline Direct Injection) la benzina viene prima compressa e quindi iniettata nei cilindri attraverso un unico condotto, il “common rail”. Questa soluzione consente di scegliere continuamente tra diverse modalità di combustione: in particolare, quando la richiesta di potenza è molto bassa il motore può operare in modalità ultra lean burn, cioè può bruciare una miscela composta da molta aria e da una piccola quantità di benzina; il rapporto può essere, ad esempio, 65:1. In questa modalità, per massimizzare l'effetto dell'esplosione la benzina non viene iniettata nella fase di aspirazione del cilindro, bensì al termine della fase di compressione e proprio nelle immediate vicinanze della candela. La benzina iniettata è circondata dall'aria e quindi la fiamma non va a toccare le pareti del cilindro, il che riduce le emissioni e le perdite di calore. La scelta tra le diverse modalità di combustione e il calcolo dei tempi di iniezione sono effettuati dal sistema elettronico di controllo del motore, sulla base delle condizioni di carico. L'aggiunta di queste funzioni richiede una centralina dotata di notevole potenza di elaborazione e notevole memoria.

Miglioramenti continui
Attualmente molte delle innovazioni introdotte dalle società specializzate sono rivolte a migliorare i sistemi di iniezione diretta per i motori a benzina, risolvendo i problemi residui e diminuendo i costi. Continental, ad esempio, ha recentemente affrontato il problema delle disomogeneità nella miscela aria-benzina, che richiede un'energia di accensione maggiore rispetto a quella fornita dalla classica candela a singola scintilla. Per ovviare a questo inconveniente, la società ha messo a punto il sistema  Cci (Continuous Current Ignition), che consente di controllare con precisione la durata della scintilla e il suo contenuto energetico. La durata è determinata dal sistema di controllo del motore, che può anche decidere di fornire nuova energia alla scintilla dopo l'inizio dell'accensione. Il sistema si presta anche ai motori alimentati a etanolo, un carburante che richiede più energia della benzina per prendere fuoco. Un'altra innovazione introdotta da Continental consente di utilizzare i tradizionali iniettori a solenoide, invece dei più sofisticati iniettori piezo, anche nei casi in cui è necessario un dosaggio del carburante estremamente preciso per ridurre la formazione di particolato a motore freddo. Il problema nasce dalla necessità di riscaldare rapidamente il convertitore catalitico, poiché generalmente le modalità di iniezione che ottengono questo risultato comportano anche un aumento del particolato. Per evitare questo inconveniente occorre conciliare un'estrema precisione nel dosaggio del carburante (tre milligrammi per ogni impulso di iniezione) e una perfetta formazione del getto, che non deve andare a toccare le pareti fredde del cilindro. Fino a ieri - sostiene Continental - solo gli iniettori piezo erano in grado di soddisfare entrambi i requisiti; ora la soluzione Cosi (Controlled Solenoid Injection) di Continental consente di ottenere questo risultato con gli iniettori a solenoide standard. Il controllo della quantità di carburante immessa a ogni impulso è affidato a un apposito software, che monitora ogni singolo iniettore. Per gestire tutti questi dispositivi, Continental ha recentemente sviluppato una nuova centralina elettronica denominata Ems 3 (Engine Management System 3). Anche Bosch è molto impegnata sul fronte dell'iniezione diretta per i motori a benzina. La soluzione più recente sviluppata dall'azienda tedesca in questo campo è il sistema DI-Motronic, dove DI sta ovviamente per Direct Injection. Secondo Bosch, DI-Motronic contribuisce a migliorare la preparazione della miscela e a ridurre notevolmente le emissioni di anidride carbonica, idrocarburi e ossidi di azoto. I procedimenti di combustione con avviamento a freddo ottimizzati, che assicurano un più rapido riscaldamento del catalizzatore, consentono di rispettare i severi limiti Sulev (Super Ultra Low Emission Vehicle) fissati dalle leggi statunitensi.

Ultracondensatori per i sistemi start-stop
La riduzione dei consumi viene ottenuta oggi anche tramite i sistemi start-stop, gli automatismi che arrestano il motore quando il veicolo si ferma (per esempio ai semafori) e lo riavviano istantaneamente quando il guidatore rilascia il pedale del freno, preme l'acceleratore o ingrana la marcia. In questo campo un'innovazione introdotta da Continental consiste nell'impiego di ultracondensatori come riserva di energia per il riavvio del motore. L'avviamento deve infatti essere molto rapido - in soli 400 millisecondi il motore deve ripartire e assestarsi sul “minimo”, per ridurre le vibrazioni - e ciò richiede molta energia, soprattutto nel caso dei motori diesel. Utilizzando gli ultracondensatori per alimentare lo speciale motorino d'avviamento da 2,2 kilowatt, il sistema start-stop non pesa sulla batteria e non toglie energia alle utenze elettriche di bordo. Gli ultracondensatori - prodotti dalla statunitense Maxwell Technologies - vengono caricati recuperando l'energia in frenata o decelerazione. Il sistema, che è stato adottato dal gruppo Peugeot-Citroën per alcuni veicoli diesel, promette una riduzione dei consumi del 15% nella guida urbana.

Metano per i camion diesel
Un cenno, infine, all'impiego del metano o del Gpl per l'alimentazione dei camion diesel, una tecnologia ormai matura che trova già applicazione all'estero sebbene sia tuttora inutilizzata in Italia. Tra le società che hanno messo a punto soluzioni di questo tipo è compresa l'olandese Prins, che ha sede a Eindhoven. Il sistema sviluppato da Prins si chiama Dieselblend e, come suggerisce il nome, consente di miscelare gasolio e metano (oppure gasolio e Gpl) in proporzioni variabili. A velocità di crociera la percentuale di metano può raggiungere valori molto elevati, con evidenti vantaggi. Il sistema è governato da una centralina elettronica basata su un microcontrollore a 32 bit che calcola la quantità ottimale di metano da iniettare, sulla base di parametri quali la velocità del motore, la pressione del turbocompressore, la posizione dell'acceleratore, la temperatura del liquido di raffreddamento ecc. La centralina comunica via CANbus con la Ecu che controlla il motore. In conclusione, la realizzazione di motori sempre più efficienti presuppone un massiccio impiego di tecnologie elettroniche sofisticate. L'esecuzione degli algoritmi di controllo e la gestione di un numero crescente di sensori richiedono maggiore potenza di elaborazione, mentre per applicazioni come i sistemi start-stop occorrono componenti di potenza ad alte prestazioni. L'industria dei semiconduttori, pertanto, è attivamente impegnata nello sviluppo di prodotti capaci di rispondere ai requisiti delle applicazioni automobilistiche.

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