Quando pensiamo alla tecnologia automobilistica del futuro, di solito pensiamo ai carburanti alternativi, che si tratti di idrogeno o energia elettrica proveniente da batterie futuristiche. Si scopre che il futuro potrebbe effettivamente essere una nuova forma di combustione interna: il motore a “pistone libero”.
Questa tecnologia rimodella radicalmente i motori, sostituendo l'albero motore che normalmente trasferisce la potenza dai pistoni con una camera di compressione e una girante turbo. I motori a pistoni liberi offrono il potenziale di un’efficienza radicalmente migliorata. I motori prototipo a pistoni liberi sono già dal 50 al 60% più efficienti di qualsiasi motore attualmente in produzione – e c’è il potenziale per molto di più.
Come funziona?
Un pistone libero ha la maggior parte degli stessi componenti di qualsiasi motore a combustione interna. La differenza fondamentale è il modo in cui cattura la potenza della combustione.
In un motore standard, carburante e aria vengono iniettati nella camera di compressione e accesi. Questa combustione spinge verso il basso il pistone, che è collegato all'albero motore. Nelle automobili, l'energia dell'albero motore rotante viene trasmessa attraverso una trasmissione e trasmessa alle ruote motrici.
In un motore a pistoni liberi, la combustione avviene allo stesso modo, ma non è presente l'albero motore. A prima vista, sembra una follia, dato che i pistoni vengono lasciati sbattere nei loro cilindri. Ma questo è in realtà un colpo di genio (sì, intendevo quel gioco di parole). Opponendo orizzontalmente due cilindri e facendoli esplodere simultaneamente, i pistoni comprimono l'aria tra di loro. Quest'aria viene convogliata attraverso un compressore che assomiglia molto a un turbocompressore.
Sebbene sia tecnicamente possibile azionare un asse direttamente da questa turbina, in pratica questa turbina viene utilizzata al meglio azionando un generatore elettrico.
L'idea di un motore del genere esiste dal 1807, ma le sfide per far funzionare i pistoni e muoversi simultaneamente hanno impedito ai progettisti di sfruttare appieno il motore a pistoni liberi... fino ad ora.
I vantaggi
Quindi, con queste sfide, perché preoccuparsi? Bene, tutto ha a che fare con l'efficienza. In un motore a combustione interna standard, gran parte della potenza viene persa sotto forma di calore e vibrazioni. I moderni motori a benzina possono convertire solo dal 18 al 25% dell’energia potenziale del carburante che bruciano in energia utilizzabile. I motori a benzina più efficienti possono momentaneamente raggiungere il 35%, ma solo in condizioni ideali.
In un motore a combustione interna standard, gran parte della potenza viene persa sotto forma di calore e vibrazioni.
La mancanza di un albero motore nel sistema a pistone libero significa che non vi sono cambiamenti costanti di quantità di moto che creano vibrazioni e attriti che compromettono l'efficienza. Questi vantaggi sono evidenti da due secoli, ma con la precisione della tecnologia moderna se ne aggiunge un altro: i rapporti di compressione variabili.
Con un albero motore delle dimensioni della camera di combustione, la lunghezza del movimento del pistone è fissa. Nei moderni motori sperimentali a pistoni liberi, la dimensione della camera e la lunghezza della corsa di potenza possono essere variate al volo, cambiando di rivoluzione in rivoluzione, con l'unità di gestione del motore che adatta le dimensioni della camera di combustione all'aria combustibile ideale miscela.
Inoltre, questa variabilità dovrebbe consentire ai motori a pistoni liberi di funzionare con qualsiasi cosa, dall’idrogeno al gas naturale. In effetti, non sarei sorpreso se uno di questi motori funzionasse con scotch single malt.
- 1. La sala di controllo del laboratorio FKLG del DLR Institute of Vehicle Concepts (Fonte: DLR)
- 2. Batteria scarica? – Il generatore lineare a pistone libero funge da range extender, fornendo l’energia elettrica necessaria ai veicoli elettrici (Fonte: DLR)
Tutte queste qualità rendono il motore a pistoni liberi ideale come generatore di bordo, ruolo nel quale potrebbe rivoluzionare la progettazione del gruppo propulsore.
Sul serio, quando posso averne uno?
Finora sono in lavorazione due prototipi di motori a pistoni liberi. Il primo, non sorprende, proviene da scienziati/maghi oscuri tedeschi del Centro aerospaziale tedesco (DLR).
Il loro prototipo, soprannominato “Freikolbenlineargenerator”, che non sono sicuro sia la prova che i tedeschi abbiano o meno il senso dell’umorismo, è ancora nelle prime fasi di sviluppo. Eppure, nonostante ciò, promette di offrire il tipo di prestazioni che altri ingegneri di motori possono solo sognare.
Il motore della Toyota sarebbe in grado di generare 15 cavalli da un pacchetto di otto pollici di diametro e due piedi di lunghezza.
Il generatore lineare Freikolben utilizza cilindri uno di fronte all'altro. Questo orientamento del pistone gli consente di essere ancora più compatto rispetto ai tipici motori a pistoni liberi. Ciò lo rende perfetto per l'uso come range extender.
Prendiamo ad esempio la Chevy Volt. Ha batterie ed è in grado di funzionare esclusivamente con l'elettricità. Ma quando le batterie si scaricano, ha un motore a gas da 1,4 litri che può ricaricarle e spingere l’auto stessa oltre i 105 km/h. Funziona bene, ma sfortunatamente anche i motori a gas di piccola cilindrata sono ingombranti, pesanti e costosi.
Il generatore lineare Freikolben può svolgere lo stesso lavoro, pur essendo abbastanza piccolo da poter essere montato sotto il pavimento di un’auto, risparmiando spazio per altre cose come il cavolo, diciamo.
Ma un motore miracoloso sul banco di lavoro di uno scienziato pazzo teutonico è ben lontano dalla produzione vera e propria, giusto?
Ebbene, anche Toyota è a bordo. Quest’estate, la grande casa automobilistica giapponese ha annunciato il proprio motore a pistoni liberi o “generatore lineare”. Utilizzato dalla versione Toyota un singolo cilindro anziché una coppia contrapposta ed è in grado di raggiungere un'efficienza termica del 42% in condizioni di funzionamento costante condizioni. Si tratta di risultati migliori di quelli che qualsiasi motore di serie è in grado di raggiungere, anche momentaneamente, in condizioni ottimali.
Il motore della Toyota sarebbe in grado di generare 15 cavalli da un pacchetto di otto pollici di diametro e due piedi di lunghezza. Due di questi sarebbero probabilmente più che sufficienti per ricaricare le batterie di un moderno veicolo ad autonomia estesa con un enorme risparmio di spazio ed energia. La tecnologia tedesca è sorprendente, ma il motore della Toyota potrebbe essere installato sulla Prius in breve tempo.
Conclusione
L’elettricità pura – o forse l’idrogeno – è ancora quasi certamente la futura fonte di energia a lungo termine per le automobili. Tuttavia, nessuna di queste tecnologie è ancora pronta. L’elettricità si avvicina, ma è ancora troppo costosa per la maggior parte dei consumatori americani, per non parlare dei miliardi di consumatori cinesi e indiani che aspirano a possedere un’auto.
I motori a pistoni liberi possono rappresentare una tecnologia ponte fondamentale in grado di migliorare notevolmente l’efficienza della combustione interna. Potrebbero anche avere una durata di vita più lunga rispetto alle tradizionali forme di combustione interna, grazie alla loro capacità di bruciare quasi tutto ciò che è infiammabile... ti sto guardando, stracci unti.
Se i giganti del settore come Toyota decidessero di investire il loro peso a sostegno della tecnologia, questa potrebbe arrivare molto presto nella produzione di automobili. Speriamo.
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