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Idrogeno
(H)
Dal
punto di vista automobilistico può essere considerato un combustibile
alternativo agli idrocarburi, sebbene con energia specifica (tonalità
termica*) della miscela leggermente inferiore perché pur avendo un potere
calorifico inf.* che è quasi il triplo brucia con un quantitativo di aria
che è più di tre volte tanto; è l’elemento più diffuso in natura, ottenibile
anche facilmente mischiando ad alta temperatura carbone ed acqua (vapore)
o dal metanolo* (derivato del metano*) addirittura anche a bordo del veicolo
col processo noto come “reforming” a circa 1000°C (craking molecolare).
La produzione dall’acqua per elettrolisi è piuttosto dispendiosa a meno
che l’energia elettrica non venga da centrali idroelettriche o solari.
Quando brucia, l’idrogeno produce solo acqua (H2O) e ossidi di azoto (NOx),
che sono nocivi. Anche il vapore acqueo contribuisce comunque all’effetto
serra* e quindi va condensato. Gli inconvenienti sono: - per produrlo
occorre energia - molta nel caso di liquefazione (10 kWh/kg=circa 1 litro
di benzina/kg). - difficile da trasportare e immagazzinare - pericoloso
per la tendenza ad esplodere - tendenza alla detonazione (autoaccensione)
- poca energia specifica allo stato gassoso (limitata autonomia automobilistica)
e anche liquido (tra 1/3 e 1/4 della benzina) La conversione in energia
utile può essere nel motore a scoppio o nelle fuel cell (combustione fredda).
Nel motore a scoppio la miscela ha un eccesso d’aria per evitare l’autoaccensione
e inoltre per sottrarre calore alla combustione che altrimenti darebbe
luogo a temperature troppo elevate e quindi formazione di NOx (vedi sopra),
naturalmente a scapito di un po’ dell’energia sviluppabile. Altrimenti
si possono utilizzare i catalizzatori deNOx. L’idrogeno prodotto da petrolio
produce emissioni di CO2 superiori a quelle di un Diesel. Negli esperimenti
BMW è conservato liquido a -253°C (liquefa a -163°C) in serbatoi in acciaio
inox (dimensioni circa 1m di lunghezza e 0,4m di diametro) che conservano
tale temperatura anche per tre giorni con vettura non in movimento. Il
rifornimento richiede circa 2 minuti per 40 litri. Può essere conservato
anche in serbatoi ad alta pressione (350 bar) o in “spugne” di idruri
metallici in ragione de 5-7% del loro peso, che però devono essere tenute
a temperature elevate (250°C). Alcuni scienziati (ECD - Energy Conversion
Devices, Troy Mich.) si stanno interessando all’immagazzinamento in strutture
di carbonio (fogli di grafite arrotolati su se stessi in modo che gli
atomi assumano posizioni relative preordinate, a nido d’ape), nichel cromo
e vanadio dette nanotubi o nanofibre o buckytubi in ragione del 5% circa
del loro peso (ma si lavora per salire ben oltre) e a temperatura ambiente;
per estrarre l’idrogeno basterebbe riscaldarle. Può essere assorbito anche
dalla zeolite*e dal borace*. La BMW prevede per il 2020 un’auto nuova
su due ad idrogeno. Vedi anche “fuel cells”.
IGR (Internal Gas Recirculation)
Studiando
un’opportuna sequenza di apertura delle valvole, cioè anticipando l’incrocio
valvole rispetto a quanto usuale, cresce la quantità di gas che rifluisce
dalla camera di combustione nei condotti di immissione, il che limita
la quantità di miscela fresca in entrata. In questo modo si ottiene l’effetto
garantito dall’EGR* senza avere un sistema di condotti aggiuntivo. L’IGR
è utilizzato ad es. sui motori a due candele per cilindro, dove il sistema
non influisce negativamente sull’innesco della combustione (Alfa Romeo).
Imbardata - sensori
Rotazione
della vettura attorno a un asse verticale passante per il baricentro*. E’
determinata dalle forze centrifughe che nascono in curva e dalle diverse
condizioni di aderenza fra avantreno* e retrotreno*. I sensori sono costituiti
dal un sistema molla-massa che muove microscopiche strutture a pettine variandone
la capacità elettrica, variazione avvertita dalla centralina. Esistono anche
sensori al quarzo formati da diapason in vibrazione piezoelettrica. I sensori
di imbardata vengono anche correlati con quelli di accelerazione (trasversale
e altezza) per prevedere il possibile ribaltamento e quindi azionare la
centralina dei pretensionatori delle cinture, degli air bag e l’eventuale
roll bar.
Imbutitura e operazioni successive nella linea delle presse
E’
la messa in forma grossolana, tramite presse, delle lastre d’acciaio laminato
destinate a realizzare portiere, cofani, parafanghi ecc. Seguono la “sottrazione”,
che elimina, tagliandoli, le parti di contorno. Poi il “conio” che affina
la forma, la “battitura” che lo perfeziona e la “punzonatura” che realizza
le aperture nel pezzo (ad es. la parte vetrata della portiera).
Impianti GPL
Il
GPL* a bordo è allo stato liquido, in pressione, in un serbatoio riempito
all’80% per permettere la dilatazione termica. Su vetture a carburatore
la sua dosatura è determinata meccanicamente dalla depressione nel carburatore
e passa allo stato gassoso nel riduttore/vaporizzatore (riduzione di pressione
e conseguente vaporizzazione) che è a due o più stadi. La vaporizzazione
è un cambiamento di stato che richiede energia sotto forma di calore fornito
dall’impianto di raffreddamento del motore. Il gas, ora stabilizzato, entra
nel condotto di aspirazione attraverso il miscelatore (a valle del carburatore).
Nelle vetture a iniezione elettronica esiste una centralina elettronica
specifica interfacciata con quella originale (e collegata alla sonda lambda
per interpretarne il segnale in funzione GPL), e un dosatore che misura
e decide la quantità di gas da immettere (sempre tramite il miscelatore)
nel collettore di aspirazione. In pratica si torna ad avere un impianto
aspirato, mentre gli iniettori servono solo per il funzionamento a benzina.
L’elettrovalvola benzina (interruzione dell’alimentazione a benzina) non
è più presente in quanto si interrompe il funzionamento degli iniettori
che restano chiusi e la benzina torna in serbatoio e la pompa non viene
arrestata. Il passo successivo è stato l’eliminazione dei miscelatori sostituiti
da un distributore e da iniettori posizionati vicino alle valvole di aspirazione.
L’applicazione comporta la modifica del collettore di aspirazione. Gli impianti
più moderni non erogano contemporaneamente a tutti gli iniettori ma in modo
“sequenziale”, cioè la giusta quantità a ciascun iniettore. Il sistema più
recente (e più raro) prevede l’iniezione in fase liquida. Una pompa nel
serbatoio manda il GPL liquido nel regolatore di pressione e da questo agli
iniettori del GPL.
Impianto di scarico
E’
l’insieme dei tubi, collettori e silenziatori utilizzati per espellere i
gas dalla camera di combustione* del motore. Da qualche anno fa parte del
sistema anche il catalizzatore*, preposto alla trasformazione delle sostanze
inquinanti. L’impianto di scarico è indispensabile sia per ridurre la rumorosità,
sia per garantire la migliore evacuazione dei gas combusti che permette
un ottimale riempimento dei cilindri* con la miscela fresca.
Incidenza - inclinazione dell’asse di sterzata
L’asse
di sterzata, che è quello attorno a cui ruota il perno fuso delle ruote
anteriori, e che quindi passa per i centri degli snodi mobili, può essere
inclinato “in avanti”(oltre che lateralmente, vedi braccio a terra), cioè
con la parte bassa più avanti di quella alta: si tratta di incidenza positiva
(braccio a terra longitudinale positivo) e l’angolo rispetto alla verticale
è l’angolo d’incidenza. Viceversa se è inclinato con la parte alta più avanti
di quella bassa (cosa assai rara perché si perderebbe di tenuta in curva)
si parla di incidenza negativa. Con le trazioni posteriori il “caster” è
sempre positivo e serve a dare un autoallineamento del volante; anche una
normale bicicletta può essere condotta senza le mani sul manubrio grazie
all’effetto raddrizzante del suo caster positivo. Nelle trazioni anteriori
il caster è molto ridotto.
Indice di articolazione
Abbreviato
AI, dall’inglese Articulation Index, permette di correlare una grandezza
fisica oggettiva, il rumore, con una tipicamente soggettiva, il disturbo.
Mentre la misura classica del rumore, espressa in decibel (dB), si limita
a valutarne il livello globale, l’AI permette un’analisi più fine e quantifica
gli effetti del rumore sull’uomo. L’indice di articolazione è compreso fra
0 (disturbo massimo) e 100 (assenza di disturbo).
Inerzia
Resistenza
opposta dai corpi a variazioni della intensità e/o direzione della loro
velocità. Essa è identica alla forza necessaria per “smuoverli” dal loro
stato di quiete o di moto rettilineo uniforme. In realtà la forza d’inerzia
non esiste come forza, ma tale sembra al corpo umano quando si accelera
o si frena oppure quando si è in curva: appoggiati a una parete in curva,
questa spinge il corpo con la forza centripeta necessaria per comunicargli
il moto curvilineo (cioè la variazione di velocità, che spesso è solo una
variazione della direzione della velocità). Il corpo però percepisce una
forza che lo spinge contro il muro e la chiama forza centrifuga. Dal punto
di vista dei calcoli si può considerare il corpo sottoposto a una forza
e ricavare l’accelerazione conseguente, oppure lo si può considerare in
equilibrio sotto l’azione della forza (vera) e di quella d’inerzia (fittizia).
La riduzione dell’inerzia è fondamentale per migliorare il rendimento di
macchine in cui le parti devono essere accelerate: ad esempio nel moto dei
pistoni. Invece l’inerzia può giocare un ruolo utile quando non si desidere
che una parte venga accelerata: corpo vettura su una strada ondulata.
Iniettore - pompa
Nei
Diesel moderni a iniezione diretta, per poter realizzare pressioni altissime,
è necessario portare la pompa vicino all’iniettore perché alle alte pressioni
nascono problemi di elasticità delle tubazioni e persino di compressibilità
del liquido, con conseguenti colpi d’ariete. Nel sistema iniettore-pompa
(in uso da tempo per i veicoli industriali) c’è un albero a camme, comandato
direttamente dal motore, che tramite bilanciere aziona il meccanismo pompante
direttamente sopra l’iniettore e un controllo elettronico-elettrico per
la portata, dotato di valvola elettromagnetica per la giusta dosatura e
per l’esatto istante di iniezione. Il sistema è un po’ ingombrante e funziona
così: il gasolio arriva in prossimità dell’iniettore spinto da una pompa
“normale”. Qui un’ulteriore pompa a statuffo, azionata da albero a camme,
lo fa passare attraverso una valvola a comando elettromagnetico in quantità
maggiore o minore a seconda di quando e quanto questa si apre. Il resto
della pompata (a valvola chiusa) spinge lo spillo e fluisce ad altissima
pressione nella camera di compressione. Questo sistema, dove aumento di
pressione ed iniezione sono svolte dallo stesso elemento, a confronto con
il common rail* e con la pompa radiale ad alta pressione, permette pressioni
più alte (fino a 2.050 bar contro 1.500 circa) e tempi ridottissimi di iniezione
(circa 1,5 millisecondi) con tutti i vantaggi conseguenti in termini di
aumenti di coppia e riduzione di emissioni e rumore, ma necessita di riprogettazione
della testa e quindi non è immediatamente applicabile ai motori esistenti
e non è indipendente dalla rotazione del motore per via dell’azionamento
ad albero a camme degli iniettori. C’è anche qui una preiniezione da 1 a
2 millimetri cubi di gasolio. L’elevata pressione di iniezione produce altissima
polverizzazione del combustibile che quindi brucia meglio e completamente
e va assistita da un controllo elettronico con operazioni di preiniezione
(iniezione pilota). La centralina che presiede all’iniezione determinando,
con la valvola elettromagnetica, la quantità di gasolio per ogni pompata,
riceve segnali da: pedale dell’acceleratore velocità di rotazione del motore
velocità di rotazione dell’albero a camme di comando degli iniettori temperatura
liquido di raffreddamento pressione aria condotto di alimentazione.
Iniettore tradizionale
Immette
il combustibile nei condotti di aspirazione, o direttamente nella camera
di combustione*, nei motori diesel* e in quelli a benzina con impianto di
iniezione* meccanica. Non ha parti interne capaci di dosare la quantità
di benzina o di gasolio e si apre automaticamente ogni volta che la pressione
del combustibile (messo in pressione da una pompa e poi inviato ai vari
iniettori da un distributore meccanico) supera la soglia prestabilita, di
solito vicina a 3 bar per i motori a ciclo Otto. La sua frequenza* di funzionamento
è di circa 1500 Hz, ossia si apre e si chiude 1500 volte ogni secondo. Negli
impianti di iniezione elettronica viene sostituito dall’elettroiniettore*.
Iniettori piezoelettrici PCR (Piezo Common Rail)
Sono
iniettori per motori Diesel di nuova concezione (Siemens), abbinati al sistema
common rail* e regolati, anziché a valvola magnetica, con un nuovo sistema
che permette intervalli di tempo molto flessibili, iniezioni di quantità
inferiori a 1 mm3/corsa e dimensioni ancora più compatte. Attualmente si
eseguono da tre a cinque fasi di alimentazione per ciclo in funzione antirumore
e antiemissioni. Con i piezoelettrici la pressione del common rail potrà
raggiungere i 1.800 bar necessari per superare la Euro 4 coi motori diesel
“piccoli”. Tempi di attuazione attorno ai 100 microsecondi e tensione attorno
ai 100V (occorrono trasformatori).
Iniezione
Impianto
d’alimentazione* utilizzato per la prima volta sul motore diesel*. Dall’introduzione
della marmitta catalitica ha quasi del tutto soppiantato il classico carburatore*
nei propulsori a benzina. Nei diesel, che utilizzano un combustibile molto
meno volatile della benzina, la combustione risulta possibile soltanto
se il gasolio viene finemente polverizzato e iniettato ad alta velocità,
per cui è necessaria una grande pressione nell’impianto di alimentazione.
Infatti, se così non fosse, tenderebbe a depositarsi sulle pareti della
camera di scoppio dando luogo a una combustione irregolare, se non proprio
impossibile. Per questo motivo il primo motore a essere equipaggiato con
un sistema d’iniezione è stato quello brevettato nel 1893 dall’ingegnere
tedesco Rudolph Diesel. L’iniezione si definisce diretta* quando il gasolio
o la benzina sono immessi all’interno della camera; indiretta se la benzina
è immessa nel condotto d’aspirazione, a monte delle valvole*, e se il
gasolio è iniettato nella precamera*. Sui motori a benzina, l’iniezione
non è tecnicamente indispensabile perché questo combustibile si mescola
facilmente con l’aria anche in un normale carburatore. I sistemi di iniezione
della benzina hanno cominciato ad essere utilizzati sulle vetture da competizione,
per ovviare ai possibili vuoti di carburazione in curva dovuti alla forza
centrifuga. La prima applicazione automobilistica risale al 1949, quando
l’iniezione indiretta venne applicata al quattro cilindri Offenhauser
delle monoposto che gareggiavano a Indianapolis. La prima vettura di serie
a iniezione, questa volta di tipo diretto, è stata, invece, la Mercedes
«300 SL» del 1954. Rispetto al carburatore, l’iniezione garantisce un
migliore riempimento dei cilindri* e una più precisa dosatura del carburante
(soprattutto con i moderni sistemi a gestione elettronica), con beneficio
per le prestazioni* e, soprattutto, per la riduzione delle emissioni inquinanti.
I motori a “carica stratificata*” che sono studiati per le vetture a benzina,
prevedono iniezione diretta. Vedi anche iniettore.
Iniezione diretta - ID
Sistema
di alimentazione* che immette direttamente il combustibile nel cilindro*
invece che nei condotti di immissione o nella precamera*. Si sta diffondendo
nei motori diesel* vettura (da anni è utilizzato sui grossi autocarri) in
virtù dei favorevoli consumi, oggi i più bassi in assoluto fra quelli dei
propulsori a combustione interna. Infatti l’iniezione diretta non ha le
perdite di pompaggio del gas che entra ed esce dalla precamera, e la maggiore
dispersione di calore per via delle più ampie superfici esterne (camera
+ precamera), però è un sistema intrinsecamente più rumoroso oggi utilizzabile
sulle vetture grazie a un sistema di iniezione particolarmente raffinato
(pressione alta e in due o più tempi). Nei motori a benzina ha avuto scarse
applicazioni (e quasi sempre su vetture da competizione) a causa del costo
e dell’impegnativa messa a punto, oggi però sta tornando in auge nei motori
a carica stratificata* (pressione del carburante fino a 120 bar) soprattutto,
all’inizio, ad opera dei costruttori giapponesi: maggiore coppia (+ 5%)
e potenza oltre che risparmio di carburante in funzionamento stratificato,
tra gli altri i vantaggi. Vedi anche iniettore, common rail, emissioni,
iniettore - pompa, carica stratificata e iniezione diretta di benzina. Il
rapporto aria/benzina nei motori a carica stratificata di questo tipo sale
anche a 50/1.
Iniezione diretta di benzina
Sistema
che immette la benzina direttamente nella camera di combustione, prelevando
da un collettore a pressione fino a 130 bar (3,5 bar nei motori a iniezione
“normali”). Nella versione più raffinata si ottengono a carichi medio-bassi
miscele “ultra lean” (alcuni costruttori europei come Renault coll’IDE-
però restano a miscele stechiometriche per evitare gli NOx) con rapporto
aria/benzina dell’ordine di 30-50/1. A carichi medio-bassi la carica è dunque
stratificata*, la farfalla è praticamente aperta e la potenza è regolata
dall’iniezione; a carichi medio-alti la carica è stechiometrica e la regolazione
è a farfalla; il tempo di iniezione, rispetto a un sistema tradizionale,
è ridotto a 1/4 e se si tratta di iniezione multipla i tempi singoli scendono
sotto a 0,5 millisecondi (1/5 del tempo tradizionale). Tra i vantaggi dunque
il teorico minore consumo carburante e lo spostamento della coppia massima
verso il basso (guida più piacevole); peraltro c’è tendenza a formare NOx,
da cui il forte tasso di EGR applicato per non avere troppo ossigeno nella
camera di combustione e la ricerca di speciali catalizzatori. Solo eliminando
la tendenza agli NOx, il GDI potrà avanzare sulla via della riduzione di
consumo di carburante. A pieno carico si ottengono alcune delle caratteristiche
tipiche dei motori Diesel come la riduzione delle perdite di pompaggio (maggiore
rendimento volumetrico* +6% circa), in quanto nei canali di aspirazione
passa molta aria (farfalla aperta). Inoltre non si perde carburante nei
condotti di aspirazione e lo si brucia completamente nella camera di scoppio.
Infine si può alzare il rapporto di compressione a 12,5:1 perché la detonazione
in fase di accelerazione sotto carico è allontanata da un sistema di doppia
iniezione (una prima iniezione a rapporto aria/carburante 60/1 raffredda
la camera durante la conseguente evaporazione della benzina e una seconda
a 12/1 arricchisce per l’accensione). Invece ai carichi medi e bassi c’è
una sola iniezione tardiva, mentre ai carichi medio-alti c’è una sola iniezione
in fase di aspirazione, senza miscela povera. In fase di avviamento a freddo
c’è addirittura una post-iniezione con post-combustione* per scaldare rapidamente
il catalizzatore. Per realizzare appieno i vantaggi della GDI sono necessari:
pistoni di forma speciale e canali di immissione ben posizionati in modo
da convogliare il flusso verso la candela; pompa carburante ad alta pressione,
acceleratore elettronico (EGAS*) e iniettori regolabili elettronicamente,
fasatura variabile delle valvole, controllo elettronico dell’acceleratore
(drive by wire), tutto per uno studio accurato dello swirl*e, infine, benzine
prive di zolfo* (meno di 10 ppm). In pratica la miscela viene portata a
rapporto stechiometrico, in goccioline di diametro inferiore a 20 micron,
nei pressi della candela, per l’accensione senza perdite di calore perché
attorno c’è uno strato isolante composto da aria e gas residuo e l’acceleratore
è ben aperto per ridurre le perdite di carico in aspirazione. In casi di
necessità il funzionamento prevede rapporti aria/benzina più prossimi a
quelli stechiometrici (14,7/1). La riduzione degli NOx allo scarico, che
coi sistemi tradizionali è ottenibile solo con miscele stechiometriche,
è effettuata con speciale catalizzatore ad accumulo e miscele momentaneamente
ricche, lambda = 0,8 (vedi NOx*). L’altro sistema GDI, quello “stechiometrico”
senza carica stratificata e in futuro meno diffuso (alla “francese”), si
ottiene spingendo a fondo con l’EGR* (25%, ma anche 40%) in modo che i gas
combusti svolgono la funzione dell’aria in eccesso dei “lean burn” e il
rapporto aria/benzina rimane stechiometrico ma proprio grazie alla notevole
massa di gas combusti non si hanno problemi di catalizzazione. La funzione
dell’EGR è anche di tipo sovralimentante, cioè di aumento del grado di riempimento
(eliminazione perdite di pompaggio). Motori GDI sono in produzione in Giappone
dal maggio “96 (Mitsubishi). In Europa parte la Renault (Siemens) in primavera
“99 e Bosch da settembre. Vittoria Audi 24 ore di le Mans nel 2001 con GDI.
Vedi anche lean burn e carica stratificata.
Iniezione elettronica PLD (Pumpe Leitung Duese)
Sistema
a iniezione diretta per motori Diesel che consente alte pressioni di iniezione.
Analogo al PDE* ha l’albero a camme che regola la pompa fuori dalla testa
e un piccolo tubo che conduce dalla pompa all’iniettore. La parte elettronica
(per la definizione della quantità di combustibile da iniettare) è uguale
a quella del PDE. Rispetto al common rail* richiede una testa particolare
e pesa di più ma i condotti in pressione sono più corti per modo che le
loro deformazioni sono più contenute e la pressione di iniezione è più elevata.
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