Il mercato verrà sostituito da prodotti asiatici a basso costo, di vetturette usa e getta, di prodotti di massa che non risponderanno comunque ad esigenze di cambiamento ed innovazione necessarie per proseguire su questo piano industriale e questo finirà per danneggiare perfino quelli che ora consideriamo giganti di questo settore, che appartiene come primato al momento ai tedeschi con i loro prodotti pieni di bellezza e tecnologia, purtuttavia anche loro latitanti da grandi innovazioni tecnologiche; almeno fino ad ora come verrà descritto in avanti e forse non più competitivi a meno che non comincino anche loro a pensare alle auto ibrido e perfino elettriche.
I tedeschi o i francesi probabilmente adotteranno in tempo innovazioni interessanti come quelle sviluppate da Elon Mask con la Tesla Automotive.

E' necessario rimettere in discussione il proprio patrimonio industriale sopratutto in questo settore, forse le varie fasi di crisi industriale li stimoleranno a guardare verso altri orizzonti, cosa che gli italiani forse non faranno facilmente per il nostro tendeziale conservatorismo. Gli analisti pongono sul tavolo numeorse questioni traslasciando quelle davvero importanti. Sembra un gioco indirizzato alla fantasia più demenziale pur di trovare una giustificazione alle proprie "ragioni", al loro fallimento, al cover-up dettato dalle industrie petrolifere; perché sono queste che influenzano ancora con forza e potere il mercato dell’auto fino a condizionarne l’architettura e la tecnologia, influenzandone molti aspetti specie per quanto riguarda l’architettura dei motori.
L’innovazione è una delle bandiere che molti portano in marcia, ma sarebbe interessante se questo rispecchiasse davvero il vero significato del concetto, tuttavia se si segue attentamente il flusso di informazioni del settore ci si accorge che ci si riferisce a modelli “nuovi” ad elettronica più spinta ma mai ad una rivoluzione motoristica importante.
L’architettura dei motori è sempre uguale, le auto sono dotate di un cambio, una trasmissione ed i sistemi ibridi sono ancora una eccezione, inoltre l’ibrido sostenuto finora non è ancora oggi la soluzione definitiva. La formula più diffusa ad oggi è conosciuta come IBRIDO-PARALLELO come quello adottato dalla Toyota, una soluzione meccanica che tuttavia non si può considerare ancora del tutto conveniente dal punto di vista energetico.

Architettura e rendimento del motore endotermico

Da diversi anni mi dedico a progetti ibridi sia di mezzi aerei, come i velivoli CellCraft, sia di qualche veicolo stradale come una serie di automobili, ultima delle quali è più evoluta: la MAGNETO, combinazione tra tecnologia e stile classico.
Il primo progetto fu terminato nel 2008 e pubblicato già l’anno successivo con alcune immagini disponibili su questo sito, nei due anni successivi, tuttavia la vettura è stata rivisitata in alcuni punti sostanziali, in maniera importante con un particolare sguardo proprio al motore-generatore, con questo ultimo modello denominato DPH 811.

Nonostante siano passati più di cento anni dall’invenzione della prima automobile, la sua struttura di base non è di molto mutata, poche le modifiche sostanziali ma solo attraverso un forte impiego sempre più importante di elettronica.
Le automobili odierne sono ricche di elettronica è vero, ma funzionano sempre secondo il principio base derivante in origine dal motore a vapore, e cioè attraverso una serie di meccanism che vengono alimentati in buona sostanza da un processo di combustione e che fanno saltellare dei pisoni su e giù.
Dunque le nostre automobili per quanto moderne possano sembrare sono spinte da pistoni che corrono verticalmente all’interno di un cilindro, dove si inietta del carburante che viene bruciato. L’energia termica prodotta attiva questo complesso meccanismo composto di leve; ingranaggi; valvole etc che producono un movimento meccanico che ha lo scopo finale di spostare il veicolo lungo un percorso.
Buona parte dell’energia spesa viene persa o dissipata attraverso il basso rendimento già di per se caratteristico dei motori endotermici. Le automobili sprecano carburante spesso da ferme, il motore continua a funzionare anche quando il veicolo è fermo, si determina insomma già in partenza un notevole spreco di energia infruttuosa purtroppo non completamente utilizzata ma magari conservata in qualche forma per esempio di tipo elettrico.

Dunque il potenziale termico speso per muovere il pistone e gli altri meccanismi viene perduto in una considerevole percentuale. Il motore stesso infatti si comporta come una sorta di stufa e deve essere perfino raffreddato a sua volta, per non essere danneggiato dalle alte temperature che si sviluppano al suo interno attraverso il processo di combustione, che sviluppa temperature elevate in cambio di una manciata di energia meccanica.
In termodinamica si stabilisce che un motore è tanto più INEFFICIENTE quanto più alta è la temperatura che si genera alla fine del processo energetico (di combustione). Se si considera che i motori endotermici (motori a combustione interna) debbano subire addirittura un processo di raffreddamento forzato, si può facilmente immaginare la percentuale di energia in forma termica praticamente dissipata senza possibilità di recupero in altre forme praticamente inutilizzata, che viene irrimediabilmente ceduta all’esterno senza ricambio siano di natura meccanica, elettrica etc.

I motori a combustione interna sono complessi e pesanti, richiedono una accurata manutenzione ed hanno bisogno di liquidi aggiuntivi, come acqua di raffreddamento, olii lubrificanti e di meccanismi appositi a metterli in circolazione. Questi sistemi assorbono a loro volta una parte di energia che lo stesso motore produce per alimentare questi dispositivi meccanici, oltre ad aumentarne la propria complessità ed il peso. Se a questo si aggiungono gli organi di trasmissione - pesanti meccanismi che distribuiscono la potenza alle ruote – che assorbono da soli il trenta per cento di energia prodotta, con conseguente perdita di potenza e sempre più basso rendimento totale, si può facilmente immaginare alla quantità di energia potenziale sprecata.

Una analisi pratica ci farà capire quanto è inefficiente il sistema motore-trasmission che ancora oggi adottiamo, oltre allo scarso rendimento del motore endotermico. Per un singolo litro di carburante poco più del settanta per cento in forma di energia termica viene sfortunatamente dissipato in calore da dover essere dissipato attraverso meccanismi di raffreddamento del motore. Il motore endotermico infatti può seriamente essere danneggiato se si sviluppano temperature al di sopra dei 110 gradi centigradi, poiché il circuito di raffreddamento ad acqua non risulta più efficiente.
Dunque è solo il restante 30 per cento circa il valore di energia termodinamica effettivo, che consente al motore la produzione di energia ai fini della trazione. Durante il processo di funzionamento il motore produce energia meccanica che a sua volta viene sottratta nella percentuale di un ulteriore trenta per cento da pompe e meccanismi di trasmissione, cambio etc, poiché questi sistemi producono un forte attrito meccanico assorbendo una notevole quantità di energia meccanica dovuta in buona sostanza ad attrito. C’e in fine una notevole differenza a seconda del tipo di trasmissione adottata sul veicolo. Le vetture che sono equipaggiate con cambio automatico sono senza dubbio quelle a più alto consumo, poiché questo sistema seppur comodo nella guida ha tuttavia bisogno di regimi di rotazione iniziali molto elevati; specie in fase di accellerazione. Differenza notevole dal cambio manuale che invece permette di mantenere il regime del motore in trazione diretta, in tutte le condizioni di marcia, con una sensibile riduzione dei consumi. Quello che fa muovere la nostra macchina dunque nella migliore delle ipotesi - in particolare con i motori turbodiesel - è pari solo a poco meno del 30% circa, in termini di efficienza termodinamica.

Il motore elettrico è invece il migliore dei meccanismi di propulsione, a parità di energia assorbita ne restituisce un considerevole ammontare alla macchina, pari all’90%, nel peggiore dei casi, il restante 10% o poco meno è calore disperso, quindi energia non utilizzata e questo nei motori elettrici convenzionali. Se si parla di motori di nuova generazione o perfino dotati di super conduttori, cuscinetti a bassissimo attrito etc, allora la percentuale cresce fino al 98,7% e oltre, con una perdita minima accettabile di energia che può essere comunque recuperata attraverso dispositivi come ad esempio le celle di Peltier.

Anche nei motori a combustione interna ci sono dei corrispettivi, e cioè dei motori ad “alta efficienza” e furono sperimentati senza seguito negli anni 80, con lo sviluppo di componenti in Teflon ed alcuni elementi Ceramici, che non necessitavano di lubrificanti o sistemi di raffreddamento, e potevano essere avviati o spenti con molta facilità da sistemi elettronici appositamente progettati. Questi propulsori erano capaci di consumi bassissimi fino a raggiungere un rendimento vicino al 45% e purtroppo per ovvi motivi commerciali relativi al consumo petrolifero furono presto banditi dal mercato automobilistico.

Nella seconda metà degli anni novanta inizialmente in piccoli numeri la produzione di automobili ibride, oggi invece tanto popolari che da alcuni anni trovano sempre più spazio nel mercato automobilistico; si tratta purtuttavia di un sistema non ancora del tutto efficiente. Il sistema che viene adottato infatti non fornisce un sostanziale risparmio energetico, ma piuttosto una sensibile diminuzione del consumo di carburante. L’ibrido è tuttavia un idea eccellente se però elaborata in maniera diversa da quello che al momento offre il mercato dell'automobile, fatta eccezione per una sola vettura americana, la Chevrolet Volt, ed un prototipo svedese fabbricato dalla Volvo solo in veste sperimentale, che invece cavalcano la vera onda dell’innovazione in questo senso, ma che purtroppo non riescono ancora a trovare il loro mercato per i motivi di cui sopra.

Il sistema ibrido più conosciuto, e cioè di tipo parallelo ed è in buona sostanza composto da un motore a combustione interna convenzionale, collegato ad una trasmissione che a sua volta è dotata di un piccolo motore elettrico. L’automobile si muove in buona parte attraverso l’azione del motore a combustione che in alcuni casi viene disinserito o accoppiato in sincrono al motore elettrico durante il moto, per ridurre sensibilmente i consumi o migliorarne alcune prestazioni.
Nella formula classica la vettura parte da fermo sempre attraverso il motore elettrico, che raggiunta una velocità approssimativa di 30 chilometri orari innesca automaticamente quello a combustione che rimane in funzione fino alla prossima fermata per essere di nuovo disattivato. In altre parole questo tipo di vetture utilizzano la trazione elettrica solo per l’avviamento su strada e per un tempo limitato. Questo il sistema migliore sul mercato ad oggi solo per risparmiare carburante in fase di riposo del moto della vettura, ma ancora inefficiente dal punto di vista del consumo, poiché il motore tradizionale non ha modificato il rendimento termodinamico, e cioè il carburante bruciato non consente un valore di guadagno rispetto alla “spesa” energetica maggiore del 25% - 30% nelle migliori condizioni.
In altri casi invece il motore elettrico è direttamente accoppiato al motore a combustione “aiutandolo” in fase di accelerazione, o qual’ora sia necessaria un apporto di potenza consistente e per breve tempo, proprio come accade con alcune biciclette dotate di pedalata assistita. Questa formula viene impiegata in modo particolare su autovetture sportive.

Entrambi questi sistemi sono conosciuti come ibridi in parallelo; cioè sia il motore a combustione che quello elettrico sono entrambi collegati ad una pesante trasmissione e sono limitati esclusivamente nel funzionamento; il consumo di questi sistemi è più basso di quelli convenzionali ma non particolarmente eccezionale.

Le prime automobili costruite furono elettriche! Thomas Parker fu l’inventore di questo tipo di vettura, Ferdinand Porche invece uno dei primi a produrre una vettura elettrica. Più tardi però i motori elettrici furono sostituiti da quelli a combustione, poiché il petrolio venne scoperto ed estratto in grandi quantità, permettendo alle automobili di percorrere lunghe distanze largamente maggiori rispetto a quelle dei motori elettrici, grazie all’introduzione del motore a combustione, endotermico. Non era necessario attendere tempi di ricarica elevati degli accumulatori e si poteva disporre del veicolo in qualsiasi momento e per una durata di marcia imprevedibile. Oggi come ieri in un certo senso il passaggio al full-electric sembra ancora piuttosto lontano, sia per alcune ragioni tecnologiche, sia per evidenti motivi politico-economici. Prima di allora il processo di transizione avverrà forse progressivamente attraverso il metodo ibrido, che accompagnerà il processo tecnologico in maniera più progressiva fino a un cambio definitivo dell’architettura delle automobili del prossimo futuro.

L’idea di fondo del sistema ibrido è quella di mettere d’accordo le due dimensioni tecnologiche, unicamente per “ridurre i consumi” ed evidentemente stimolare lo sviluppo di nuove tecnologie, anche se è ancora il mercato petrolifero ad imporre le regole di base, piuttosto che sviluppare le reali possibilità tecnologiche disponibili.

Esiste un secondo sistema ibrido, conosciuto come SERIALE, la Volvo, e la Chevrolet – lavorano da tempo a questa soluzione, quest’ultima ha già immesso sul mercato una vettura di questo tipo già da qualche anno conosciuta con il nome di VOLT, che viene commercializzata in Europa attraverso la OPEL con il nome di AMPERE. Purtroppo alcuni incendi misteriosi avvenuti su queste vetture ne hanno rallentato la commercializzazione per qualche tempo, si tratta molto probabilmente di sabotaggi intenzionali, poiché i prototipi hanno superato tutti i test richiesti; incluso quelli relativi ai consumi, che si sono rivelati interessantissimi. Il sistema seriale, quello che adottano queste vetture cosi come la MAGNETO è sicuramente il più efficiente dal punto di vista termodinamico ed ora vedremo perché.

Una vettura di questo tipo come la Magneto utilizza un motore a combustione a controllo elettronico, ma collegato solo ad un generatore elettrico, poiché non esiste trasmissione in questo tipo di veicolo. La trazione è affidata a quattro motori elettrici, ognuno dei quali sistemati in ognuna delle ruote generando il moto rotatorio degli pneumatici.
Una vettura di questo tipo è per sua costituzione meno complessa dal punto di vista meccanico di una convenzionale, poichè priva di trasmissione, cambio etc. Il peso occupato un tempo da questi organi complessi viene ceduto alle batterie di bordo, che possono essere caricate sia dallo stesso motore-generatore, che cede parte della sua energia - che viene accumulata sotto forma di energia elettrica - sia per mezzo di sistemi ci carica addizionali, ad esempio attraverso un cavo domestico collegato alla rete o da altre fonti di alimentazione elettrica.

Una vettura del genere dunque utilizza il motore a combustione unicamente per produrre l’energia elettrica necessaria a caricare le batterie (MAGNETO) o per alimentare i motori elettrici per lunghi percorsi che verrà disinserito da un computer che ne gestisce il funzionamento a seconda delle esigenze richieste.
In questa situazione il motore a combustione-generatore può essere di una cilindrata inferiore rispetto ad uno convenzionale con trasmissione, poiché quel trenta percento di energia assorbito solitamente dagli organi meccanici per l’appunto non risulta più essere necessario.

La MAGNETO si basa su questo principio: E’ dotata di quattro motori ad induzione brush-less (senza spazzole) a tre fasi controllati elettronicamente da un sistema digitale, ognuno innestato in una ruota. Le ruote sono tutte sterzanti; anche quelle posteriori ma con un raggio non superore agli 8 gradi, che ne aumentano l’efficienza e la manovrabilità in qualsiasi condizione.
Il motore generatore invece è di tipo Turbocharged engine, costruito con componenti ceramici e teflon, esso è soprattutto semplice e compatto. E’ alimentato ad alcool o bio gas liquefatto e non possiede sistemi di raffreddamento o lubrificazione particolarmente complessi.

Il calore in eccesso prodotto viene riutilizzato ed assorbito dai sistemi elettronici di bordo come le celle di Peltier, che trasformano la differenza termica tra l’area calda e quella fredda in energia elettrica. La macchina è dotata di un dispositivo di recupero dell’energia cinetica durante la frenata o la corsa a folle, quando cioè il pilota non immette energia sui motori, inoltre un pannello solare posto sul tetto contribuisce ad una percentuale di carica delle batterie o in alternativa ad alimentare i sistemi di condizionamento della vettura da fermo.
Le batterie sono di ultima generazione, non soggette al fenomeno di memorizzazione della carica; una sorta di particolari accumulatori che possono essere ricaricati in qualsiasi fase di utilizzo e da più fonti contemporaneamente.

La novità di questa vettura però è anche in un altro dispositivo di ricarica. Nella parte anteriore vi è un motore di Pendelev o generatore magnetico che da il nome alla vettura. Si tratta di un meccanismo che funziona sul principio della repulsione dei magneti che si allontanano se avvicinati nel senso di uguale polarità. E’ noto infatti che due cariche aventi opposta polarità si attraggono, mentre le stesse aventi polarità uguale si respingono. Questo principio viene utilizzato in una delle invenzioni tra le più interessanti dello scorso secolo: Il motore magnetico o motore di Pendelev.

Il generatore magnetico – nel nostro caso - è costituito da uno statore (un cilindro fisso) all’interno del quale a raggiera e con un angolo preciso, sono sistemati dei magneti potentissimi tutti orientati con la stessa polarità verso la cavità di questo.
All’interno del cilindro viene inserito un rotore, anch’esso provvisto di uguali magneti orientati nella stessa polarità di quelli dello statore. I magneti dei due sistemi si respingono a vicenda e mantengono l’intera struttura in una sorta di conflitto magnetico costante. Una spinta di avvio necessaria a far ruotare il rotore dotato di volano inerziale fino ad una determinata velocità produce la rotazione spontanea del rotore, che raggiunge un regime stabile senza più fermare la sua corsa. Se si accoppia a questi un generatore elettricoè facile intuirne il vantaggio in termini energetici poiché il sistema si auto-alimenta, producendo energia che a sua volta contribuisce a caricare la batteria della vettura permanentemente, giacchè il generatore magnetico non verrà mai arrestato sin dal primo giorno di fabbricazione della vettura.

La struttura costruttiva della macchina impiega lamiere di alluminio in buona parte riciclato, con plastiche e metalli particolarmente leggeri e resistenti che rinforzano la scocca e sostengono la meccanica. Il baricentro è piuttosto ribassato per migliorare la stabilità su strada e questo grazie anche a degli ammortizzatori dinamici montati sul telaio, con bracci che ricordano il corrispettivo sistema impiegato nelle vetture di formula uno. L’abitacolo è ampio, non contiene leve o pulsanti ma solo touch-pad e touch screen, che assolvono alle stesse funzioni di una normale plancia.

Il display principale ad esempio è sistemato al centro del volante e fornisce la visualizzazione di tutte le informazioni relative al funzionamento della vettura, inoltre parte delle informazioni di bordo vengono proiettate sul lunotto termico dotato a sua volta di sottili celle solari quasi invisibili. Queste ultime alimentano i vetri capaci di raccogliere il calore esterno o di raffreddare l’abitacolo della vettura a seconda delle condizioni ambientali.

Lo sterzo è dotato di un dispositivo: finger ID, che permette al guidatore di essere riconosciuto dalla vettura, oltre ad impostare le condizioni abitudinarie di questi come posizione e pressione pneumatica della poltrona, etc. La poltroncina è pneumatica e deriva da quelle progettate per i CellCraft 400, cosi come altri componenti che provengono dallo sviluppo aeronautico a cui lavoro da alcuni anni.

il mio vuole essere solo un capriccio stilistico infatti la forma della vettura che le automobili degli anni cinquanta, bombate e sinuose ma al contempo con una logica che si sposa con il moderno. Trovo infatti come designer industriale che una buona combinazione tra una forma classica ed una idea moderna produca in genere o quasi sempre un capolavoro, non a caso molte case automobilistiche fanno operazioni di re-styling su alcune vetture del passato.

I miei progetti sono puri esercizi creativi indirizzati ad idee assolutamente realizzabili, mi ritengo un ingegnere hobbista e preferisco sviluppare concetti sostenibili piuttosto che utopiche o assurde rappresentazioni del futuro. Amo pensare a cose che si possano realmente fare piuttosto che fantasticare su progetti irrealizzabili, sebbene in alcuni casi concedo alla fantasia più estrema una certa percentuale di volume creativo, tuttavia il mio interesse principale è la realizzabilità di un progetto, sia esso possibile oggi o piuttosto domani tenendo conto delle tecnologie disponibili al momento o quelle in via di sviluppo nel prossimo futuro. Quello a cui sono interessato è certo il futuro ma anche la bellezza l’arte in armonia con la funzionalità, l’utilità pratica soprattutto ecologica o a basso impatto ambientale e soprattutto un progetto che abbia senso logico.