Efficienza dei motori termici ed elettrici: che cos’è e perché è importante

Il valore che indica la quantità di energia effettivamente utilizzabile di un propulsore è un indice importante della sua validità e le case automobilistiche lavorano costantemente per migliorarlo

Emilio Deleidi 12 aprile - 07:40 - MILANO In un motore a scoppio l'energia viene trasformata in lavoro meccanico

Sempre più spesso, in tema di motori, si sente parlare di efficienza, un concetto fondamentale della termodinamica, sulla base del quale è possibile giudicare la validità di un propulsore. L’efficienza (o rendimento) esprime infatti la quantità di energia che un motore riesce a trasformare in un lavoro utile; nei motori, viene immessa energia chimica (quella del carburante) o elettrica per ottenere un lavoro meccanico, ossia il movimento dell’albero motore che viene poi trasmesso alle ruote. In fisica, si usa la lettera greca η (eta) per indicare l’efficienza e la sua misura viene espressa dividendo il lavoro utile che si ottiene in uscita per l’energia in ingresso. Per fare un esempio, utilizziamo l’unità di misura dell’energia chiamata joule, che è pari alla quantità di lavoro necessaria a una forza di un newton per spostare di un metro un oggetto. Immaginiamo di ottenere da un motore una quantità di lavoro utile pari a 300 joule e di avervi invece immesso 1.000 joule di energia (contenuta nel carburante utilizzato per alimentarlo): dividendo 300 per 1.000 si ottiene 0,3, ossia un’efficienza del 30%. Che è quella tipica dei motori a benzina e gasolio del periodo tra gli anni Settanta e la fine dei Novanta (prima ci si attestava intorno al 20%). Dove sono finiti i 700 joule mancanti? Sono la quantità di energia persa nel processo di trasformazione in lavoro. Un motore a scoppio prende energia dal combustibile e la trasforma in calore, che però diventa solo in parte lavoro meccanico (il movimento dell’albero motore): la quota restante finisce dispersa per una serie di cause che fanno sì che l’efficienza non potrà mai essere del 100%. I motivi di questa perdita sono dovuti alle temperature elevate dei gas di scarico, agli scambi termici nel radiatore, al riscaldamento delle superfici del motore (tutto il calore che si crea è energia persa), agli attriti meccanici dei pistoni e degli ingranaggi (che trasformano energia in calore), alle perdite fluidodinamiche di aria e gas che incontrano resistenza e perdono pressione nei condotti, alle vibrazioni, al rumore (produzione di onde sonore) e alle imperfezioni della combustione, che rendono inutilizzabile parte dell’energia chimica del combustibile.

LEGGI ANCHE

Ibride plug-in, la sfida verso i 200 km di autonomia in elettrico è già partita

I motori termici Toyota sono tra i più efficienti di oggi

i miglioramenti

—  

Nella pratica, il motore diesel risulta leggermente più efficiente di quello a benzina per vari motivi. Innanzitutto, perché è caratterizzato da un rapporto di compressione più alto: comprimendo maggiormente l’aria, si migliora la combustione. Poi, perché nel diesel la miscela si accende spontaneamente per compressione, senza bisogno della candela, e questo rende la combustione più controllata e meno soggetta a perdite energetiche; il gasolio, inoltre, contiene di per sé maggiore energia rispetto alla benzina. Le generazioni più recenti dei motori a benzina hanno comunque raggiunto valori di efficienza del 35-38%, con punte intorno al 40% per quelli che utilizzano i cicli Atkinson o Miller, al posto del tradizionale ciclo Otto, nei quali la fase di espansione è più lunga di quella di compressione: per questo, sono spesso impiegati nei sistemi ibridi. Già nel 2015, la Toyota dichiarava che i suoi propulsori termici raggiungevano un’efficienza del 38% e spiegava con quali tecnologie intendesse superare la soglia del 40%, utilizzando i cicli Atkinson e Miller, puntando sulla lean burn - la combustione magra, nella quale la miscela è più ricca di aria che di carburante -, riducendo attriti e perdite termiche e raffreddando i gas di scarico che passano nella Egr, la valvola di ricircolo dei gas utilizzata per ridurre la temperatura della combustione. Oltre a questi accorgimenti anticipati dalla Toyota, le case costruttrici hanno adottato nel tempo anche altre soluzioni per accrescere il rendimento dei propulsori termici, lavorando sulla ottimizzazione termodinamica, ottenuta mediante un rapporto di compressione più elevato, e sull’introduzione dell’iniezione diretta del carburante nella camera di combustione (e non più nei condotti di alimentazione), che ha ridotto le perdite e migliorato il controllo della combustione stessa. Buoni risultati sono stati conseguiti con la riduzione degli attriti attraverso l’utilizzo di materiali avanzati (leghe leggere, alluminio, magnesio) e di lubrificanti migliori, con l’introduzione della fasatura variabile delle valvole, che ha migliorato il riempimento dei cilindri, e con una maggiore sofisticazione del software delle centraline elettroniche di gestione dei motori. I progressi termodinamici, meccanici ed elettronici hanno dunque permesso di migliorare in maniera significativa negli ultimi anni il rendimento dei motori a combustione, ottenendo consumi inferiori e minori emissioni allo scarico; il traguardo del 50% non è però ancora stato raggiunto e questo significa che, in pratica, oltre la metà dell’energia immessa in un propulsore non viene trasformata in lavoro utile e finisce sprecata.

LEGGI ANCHE

Ibrido plug-in: come funziona, quali vantaggi offre, a chi conviene

Il sistema Nissan e-Power ha permesso di ottenere buoni risultati

gli esempi virtuosi

—  

Negli ultimi tempi sono stati diversi gli annunci in merito a nuovi traguardi raggiunti in termini di efficienza, utilizzati anche come argomenti di comunicazione da parte delle case automobilistiche, in particolare da quelle asiatiche. La cinese Byd, per esempio, ha dichiarato di utilizzare per la sua Atto 2 DM-i ibrida un motore termico a 4 cilindri 1.500 della serie Xiaoyun (con potenza di 72 kW-98 Cv) con efficienza del 43,04%, associato a un propulsore elettrico da 145 kW-197 Cv, impiegando il primo a supporto della batteria; l’1.5 Ti utilizzato invece per il sistema Super Hybrid della Denza (brand premium del gruppo Byd) Z9GT, in abbinamento con tre motori elettrici, offre un rendimento del 40,12%. Un’altra Casa cinese, la Dongfeng, è andata oltre, affermando di aver raggiunto con il suo motore termico Mach 1.5T, utilizzato in uno schema ibrido, un rendimento del 48,09%, certificato dal China Automotive Technology Research Center. Anche Omoda & Jaecoo, brand utilizzati dalla cinese Chery sui mercati europei, hanno rivelato nello scorso autunno di aver ottenuto con il motore 1.5 Tdgi a ciclo Miller, abbinato nel sistema Shs super-ibrido a due propulsori elettrici, un’efficienza del 44,5%, aggiungendo di stare puntando al 48% con soluzioni come un elevatissimo rapporto di compressione (26:1), manovellismi e rivestimenti termoisolanti di tipo inedito e un più efficace utilizzo della valvola Egr. Nissan, infine, punta all’ambizioso traguardo del 50%, partendo dalla buona base (42%) della componente termica del suo ibrido e-Power costituita da un 3 cilindri 1.500 impiegato come generatore per ricaricare la batteria e, quindi, utilizzato sempre a regime costante: per raggiungere lo scopo, la casa giapponese sta lavorando per ottimizzare ulteriormente la combustione magra e ottenere nuove riduzioni degli attriti.

LEGGI ANCHE

Range extender: come funziona il sistema per aumentare l’autonomia delle auto elettriche

Per sua natura il motore elettrico è più efficiente di quello termico

il più efficiente di tutti

—  

C’è, però, un motore che supera di gran lunga la fatidica soglia di un’efficienza del 50%: è quello elettrico, il cui rendimento può arrivare al 97% e oltre. I motivi di questo risultato sono diversi. In primo luogo, l’assenza di combustione, quindi dei limiti termici propri di questo processo; poi, la mancanza o quasi di attriti, dovuta al minor numero di parti in movimento, al controllo del funzionamento preciso da parte dell’elettronica di potenza e alla conversione diretta dell’energia tramite campi magnetici. In un motore elettrico, infatti, l’elettricità è convertita in energia meccanica attraverso l’azione di forze elettromagnetiche che determinano il movimento rotatorio delle spire avvolte intorno a un albero; quest’ultimo, ruotando a sua volta, produce immediatamente potenza e coppia, senza che ci sia bisogno di passaggi termici intermedi (come accade invece nei motori a scoppio). Il motore elettrico non è, dunque, una macchina termica e questo fa sì che quasi tutta l’energia che gli viene fornita sia convertita in lavoro. Le modeste perdite che comunque si registrano sono dovute alla dispersione di calore che, comunque, si determina nei fili (un conduttore percorso da corrente elettrica si riscalda, dissipando energia), a perdite magnetiche nel nucleo del motore e a dispersioni meccaniche, dovute ad attriti tra i componenti, ed elettroniche (nel funzionamento dell’inverter, che trasforma la corrente continua proveniente dalla batteria in quella alternata, necessaria per alimentare il motore).

LEGGI ANCHE

Ferrari, Lamborghini, Porsche: le ibride plug-in ad altissime prestazioni

L'associazione di motore termico ed elettrico crea l'auto ibrida Getty

con l'ibrido si migliora

—  

Data la maggiore efficienza del motore elettrico, associarlo a uno elettrico (o più di uno) è stata una buona idea per migliorare il rendimento complessivo dei sistemi di propulsione: da questo abbinamento è nato l’ibrido, introdotto dalla Toyota nel 1997 con la prima generazione della Prius e poi sviluppato in forme sempre più evolute (ibrido full in parallelo e in serie, ibrido plug-in, super ibrido) fino ai nostri giorni. Quando un’ibrida si muove in modalità solamente elettrica, infatti, beneficia della maggior efficienza che, come abbiamo visto, è propria del motore elettrico; su molte vetture, poi, il funzionamento del motore a combustione è stato ottimizzato con l’adozione dei cicli Atkinson o Miller, che riescono a ricavare più lavoro dalla combustione prolungando la corsa di espansione del pistone nel cilindro. Il mix di propulsione termica ottimizzata ed elettrica può portare un’auto ibrida plug-in a un’efficienza complessiva del 70%, a patto che si ricarichi costantemente da fonte esterna la batteria, mettendo il motore elettrico nella condizione di provvedere il più possibile alla trazione della vettura (che, altrimenti, è penalizzata dal maggior peso del sistema elettrico). Anche un sistema full hybrid offre qualche vantaggio in termini di rendimento, che può raggiungere valori complessivi intorno al 45%, grazie al recupero dell’energia che viene effettuato dal motogeneratore elettrico nelle fasi di rallentamento del veicolo.

LEGGI ANCHE

Formula 1, con le nuove regole cambia tutto: perché il pilota torna decisivo

Le power unit di Formula 1 sono estremamente efficienti

formula 1 al top

—  

Allargando il campo al motorsport, è facile scoprire come il sistema di propulsione automobilistica più efficiente di tutti i tempi sia stato quello delle power unit di Formula 1 utilizzate dal 2014 al 2025, fino a quando cioè non è stato introdotto il regolamento attuale. Lo schema prevedeva la presenza di un motore termico e di due motogeneratori elettrici, in grado di recuperare energia e restituirla al momento opportuno. Il motore a combustione era un V6 1.600 turbo con potenza di circa 750 Cv; le due macchine elettriche, che consentivano di portare la potenza totale a circa 1.000 Cv, erano battezzate Mgu-K e Mgu-H. La prima recuperava energia in frenata caricando la batteria del sistema ibrido, la seconda era collegata al turbocompressore del motore a combustione, azionato a sua volta dai gas di scarico. In questo modo, il recupero di energia altrimenti sprecata (nelle frenate e con il doppio utilizzo dei gas di scarico, per far funzionare il turbo e, indirettamente, muovere la macchina elettrica a esso collegata) arrivava a un valore molto alto. L’ottimizzazione del motore termico, ottenuta con materiali sofisticati a basso attrito e altri accorgimenti specifici, permetteva già di ottenere un’efficienza superiore al 50% che la componente ibrida aumentava di quasi altri 10 punti, portando il valore complessivo del rendimento intorno al 60%. Il nuovo regolamento 2026 ha incrementato la potenza ottenibile dalla Mgu-K in maniera consistente (fino a 350 kW), ma ha eliminato la Mgu-H, considerata troppo complessa e costosa; la potenza complessiva resta nell’ordine dei 1.000 Cv, ma con una pari ripartizione tra componente termica ed elettrica, con quest’ultima che, come si è visto nelle prime gare della stagione, non è sempre disponibile per tutto l’arco di un giro di pista. Il rendimento delle power unit di quest’anno è, quindi, inferiore rispetto a quello del ciclo regolamentare precedente. Tutte queste esperienze maturate dai motoristi nel motorsport sono preziose, perché possono avere ricadute in futuro anche nelle tecnologie adottate sulle vetture stradali con sistemi di propulsione ibridi.

Leggi anche Denza, le novità per l'Europa: pronte Z9GT e il monovolume D9Queste sono le auto che consumano meno carburante (o energia elettrica)

© RIPRODUZIONE RISERVATA