Generatori lineari a pistoni liberi

Si chiamano generatori lineari con motore a pistoni liberi e sono la sintesi tra un motore a combustione interna
e un convertitore elettromeccanico a moto lineare. Generatori volti a migliorare l’efficienza dei veicoli range extended.

Sia che si prendano in considerazione i veicoli full electric sia gli ibridi, l’applicazione di sistemi propulsivi elettrificati nel segmento automotive e sulle macchine operatrici industriali si scontra con criticità che penalizzano i benefici offerti dall’elettrificazione. Nello specifico efficienza, bassi consumi ed emissioni ridotte. Plus che, per ora, sono pagati con operatività ridotte e esborsi economici rilevanti. Prendendo in esame le vetture full electric alimentate mediante batterie, accade che nonostante lo sviluppo tecnologico abbia portato gli accumulatori a realizzare sempre più elevate autonomie con tempi di ricarica sempre più contenuti, le energie specifiche, ovvero i rapporti tra energia e masse, e le densità energetiche, il rapporto tra energia e volume, non competono con quelle proposte dai sistemi di trazione convenzionali.

Gli accumulatori definiscono masse e volumi totali che per offrire autonomie comparabili con quelle avanzate dalle vetture di classica impostazione impongono carichi e ingombri decisamente importanti. Berline e suv elettrici sono oggi equipaggiati con batterie aventi capacità che si aggirano intorno ai 90 chilowattora superando spesso quota 100 per arrivare a offrire autonomie superiori ai 500 chilometri calcolati in ciclo wltp. Ma pagano tale dotazione con carichi costanti che vanno dai cinque quintali in su. Gene



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Applicazioni mirate

Motivo che porta il full electric a integrarsi efficacemente sulle vetture concepite per far fronte a situazioni di mobilità urbana. Mezzi che non sono penalizzati da autonomie ridotte e possono far fronte al proprio profilo di missione con batterie di capacità compresa tra i 30 e i 50 chilowattora.

Le stesse criticità limitano ovviamente l’applicazione del full electric a batteria su macchine per movimento terra o attività agricole. In particolare sui mezzi di potenza superiore ai 35 chilowatt, circa 45 cavalli. Rendendo poi estremamente improbabili le possibilità di applicazione della tecnologia sui veicoli per il trasporto off-highway. Per tali motivi la maggior parte dei progetti alternativi nel trasporto merci vedono l’utilizzo di fuel cell con idrogeno quale vettore energetico. Questo lasciando le applicazioni in full electric limitate a operazioni di trasporto sull’ultimo miglio o all’interno dei centri urbani.

Diversa la situazione se si guarda ai veicoli ibridi plug-in. Mezzi nei quali la componente elettrica collabora alla propulsione e non solo a un miglioramento dell’efficienza tramite recupero energetico. Ci si trova di fronte a powertrain che assicurano elevate autonomie e prestazioni. Sebbene vedano accomunati tutti i componenti di un sistema con motore termico tradizionale con quelli di un powertrain elettrico. Ne derivano ingombri, pesi e costi superiori. Caratteristiche che possono essere aggirate senza compromettere le autonomie e le prestazioni dei veicoli ricorrendo alle configurazioni tipo serie o range extended.

Sistemi in cui il motore a combustione è dimensionato per lavorare a regime costante in accoppiamento a un generatore elettrico. Motore che quindi non collabora alla trazione del veicolo, realizzata dai soli motori elettrici. Il sistema permette di ridurre dimensioni e masse di tutti i gruppi operativi e anche quelle dei pacchi batterie. Questo senza compromettere le autonomie, vista la possibilità di generare energia durante il funzionamento della macchina.

Tutto in uno

Per ottimizzare i sistemi una delle soluzioni è costituita dall’integrazione dei gruppi in un unico assemblato. Così da dar luogo a delle power unit più efficienti e compatte. Sebbene ciò non costituisca una novità assoluta una delle soluzioni più “esotiche” è costituita dai generatori lineari con motore a pistoni liberi. Unità poco conosciute e utilizzate prevalentemente nel segmento della power generation in accoppiamento a motori di tipo Stirling.

Caratteristica principale di tali sistemi l’assenza di componenti in rotazione. Essendo sia il generatore elettrico sia il motore termico strutturati per sfruttare i moti traslatori dei componenti costituenti le unità. Il motore termico nello specifico vede l’utilizzo di un unico pistone. Integrato su un’asta cava con sviluppo simmetrico su entrambi i lati dello stesso e libero di traslare all’interno di un cilindro. Componente avente testate e camere di combustione su entrambi i lati così da dar luogo a fasi attive in entrambi i sensi. Generatori lineari a pistoni liberi

Il ciclo di funzionamento

Il ciclo di funzionamento dell’unità è concettualmente simile a quello di un tradizionale due tempi. Propulsori con i quali i motori a pistoni liberi condividono anche le luci di alimentazione di scarico. Le prime sono realizzate sull’asta di supporto del pistone che, essendo cava, permette il passaggio del fluido al suo interno.

Quando il pistone è a uno dei due punti morti le luci presenti sull’asta si aprono sul cilindro permettendo l’accesso dell’aria al suo interno. Dopo la combustione e la fase di espansione il sistema apre poi le luci di scarico. Mentre sull’altro lato del pistone entra in fase di compressione un’altra carica. A realizzare la carburazione provvede ovviamente un sistema di iniezione controllato per via elettronica. Così concepiti i motori a pistoni liberi sono stati utilizzati fino a oggi per la generazione di energia elettrica. Utilizzando i gas combusti per azionare delle turbine connesse a un generatore. Sistema caratterizzato però da una scarsissima efficienza e da ingombri importanti.

Per le applicazioni nel segmento automotive al motore a combustione viene invece abbinato un generatore elettrico lineare. Unità costituita da una parte fissa, lo statore, e una parte mobile denominata “traslatore”. A seconda di come sono disposti i componenti di tali elementi si possono avere differenti configurazioni. Monolaterali, in cui il traslatore si muove parallelamente a un lato dello statore. Bilaterali, in cui il traslatore è costituito da due componenti disposte su entrambi i lati dello statore. Oppure, soluzione più compatta ed efficiente, tubolare, in cui il traslatore si presenta come una barra passante all’interno dello statore avente sezione ad anello.



Il generatore Aquarius Engines

Rientrano in quest’ultima tipologia i generatori sviluppati da Aquarius Engines, società israeliana che dal 2014 produce generatori elettrici per applicazioni fisse caratterizzati da pesi e dimensioni estremamente contenuti. Un generatore Aquarius Engines da 16 chilowatt, per esempio, si caratterizza per una massa di circa cento chili. A fronte della mezza tonnellata di un generatore tradizionale. Le dimensioni stallano poi attorno al mezzo metro cubo a fronte dei quasi due metri cubi di un generatore tradizionale di pari potenza. Prodotti in Israele, Germania e Polonia sono coperti da più di una decina di brevetti. Le unità richiedono inoltre bassa manutenzione, ogni mille ore di funzionamento, e avanzano emissioni ridotte e consumi limitati.

Questo grazie anche alla struttura estremamente semplice. Vede le unità essenzialmente costituite da una ventina di componenti tra i quali solo uno è mobile, il sistema pistone/aste. Tali caratteristiche hanno spinto Aquarius Engines a proporre applicazioni del proprio prodotto anche nell’ambito veicolistico. Sia per quanto riguarda il segmento automotive sia per il segmento aeronautico per la propulsione di droni civili e militari. Così come nei segmenti nautici e off-highway quali sistemi ausiliari di generazione di potenza.

Le unità avanzano potenze che spaziano fra gli 8 e i 32 chilowatt associate a pesi compresi tra gli 80 e i 120 chili complessivi. Considerando che il peso del motore termico è di soli 10 chili. Per le applicazioni automotive l’Azienda israeliana ha dichiarato la possibilità di raggiungere autonomie complessive di oltre mille chilometri con serbatoi da 50 litri di capacità. Possibilità che però al momento non è ancora stata dimostrata così come non sono state dimostrate le effettive prestazioni di vetture equipaggiate con questo sistema.

Toyota: efficienza del 42 per cento

A livello di grandi marchi solo Psa nel 2016 dichiarò di aver preso in esame la soluzione di Aquarius Engines, ma a fronte di tali dichiarazioni non ci furono poi ulteriori notizie. Nei mesi scorsi però l’Azienda israeliana ha dichiarato di aver sviluppato e fatto testare dalla società austriaca Avl una nuova versione del proprio propulsore. Unità in grado di utilizzare idrogeno come combustibile così da ridurre ulteriormente la propria impronta ecologica. Anche in questo caso comunque si è alle prese con promesse da dimostrare vista l’assenza di prototipazioni. Ciò anche alla luce del fatto che, oltre ad Aquarius Engines, nel 2014 pure Toyota avviò ricerche per la messa a punto di un proprio generatore lineare con motore a pistoni libero.

L’unità in questo caso vedeva il generatore lineare posizionato in serie a blocco motore e testata unendo in un unico componente pistone e traslatore. Rispetto al motore di Aquarius Engines, Toyota mantenne una struttura più tradizionale per quanto riguarda la testata che integrava i condotti di scarico asserviti da valvole a fungo, iniettori e candele, mentre le l’aria veniva caricata attraverso luci di aspirazione alla base del cilindro quando il pistone raggiungeva il punto morto inferiore. Toyota dimostrò di poter raggiungere nel 2014 un’efficienza termica del 42 per cento. Questo a fronte di una potenza di 10 chilowatt. Il progetto però non visse evoluzione successive rimanendo confinato alla fase progettuale. Generatori lineari a pistoni liberi

Il progetto Libertine

Quest’ultima potrebbe invece essere in appannaggio al progetto proposto da Libertine, startup inglese che ha ricevuto tre milioni di finanziamenti per la messa a punto di un generatore a magneti permanenti mosso da un motore a pistoni liberi. Il sistema permetterebbe di ridurre ancora di più le dimensioni delle unità. Questo grazie alla possibilità dei pistoni di generare energia elettrica in maniera diretta.

Cioè durante il loro moto, e per induzione, giovandosi di uno statore costituito da bobine posizionato intorno al cilindro. Il motore di Libertine inoltre è previsto funzionare con bioetanolo idrato iniettato per via diretta all’interno della camera di combustione. Soluzione che permette di utilizzare l’etanolo di derivazione biologica. L’obiettivo di mettere a punto un sistema ibrido super compatto in teoria è raggiungibile.

Restano però da indagare le problematiche connesse alla funzionalità e all’affidabilità nel tempo dei magneti integrati sul pistone delle bobine operanti a ridosso del cilindro. Non a caso l’azienda sta collaborante con Mahle per realizzare un motore simile. Ma con più di due pistone e funzionante tramite una precamera di combustione in grado di utilizzare differenti tipi di combustibile. Limitando così gli stress termici sui componenti del generatore.

Più concretezza dall’industria

Il segmento automotive, grazie agli elevati volumi di vendita, è tra le aree industriali più avanzate in termini di innovazione. Parlando di sistemi propulsivi ibridi ad architettura seriale però il segmento industriale è quello che ha negli ultimi anni fatto registrare le più interessanti implementazione.

Nella meccanizzazione agricola Cnh Industrial ha anticipato i tempi. Ha infatti presentato sotto il marchio Steyr un prototipo di trattore agricolo elettrico sostenuto da un generatore azionato da un’unità diesel. Il sistema è stato progettato e fornito da Fpt Industrial. Realtà il cui interesse per le propulsioni alternative ha abbracciato negli ultimi anni l’intera gamma delle soluzioni oggi disponibili. Spaziando dai motori termici alimentati con combustibili non tradizionali, alle fuel cell.

Un interesse riassunto nel concept Steyr da “Cursor X”. Un concept per il momento non ancora funzionante ma realistico e teso a indagare estetica e funzionalità di una power unit modulare. In grado di adattarsi alle singole applicazioni. Nel caso specifico il motore termico è costituito da un compatto quattro cilindri “Nef 45”. Unità da 150 chilowatt di potenza, 204 cavalli, operante a regime fisso. Unità accoppiata direttamente a un generatore in grado di ricaricare un pacco batteria da 60 chilowattora di capacità.

Sistema in grado di fornire energia ai quattro motori elettrici. Uno per ruota da 75 chilowatt di potenza per le posteriori e 50 per quelle anteriori. Il tutto senza richiedere organi intermedi di trasmissione. Lasciando al sistema elettronico la gestione dei singoli motori al fine di ottimizzarne la coppia generata in funzione delle necessità.

Generatori lineari a pistoni liberi

Fonte: Macchine Motori

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