Una quindicina di anni fa qualcuno cominciò a sostenere che il limite della termodinamica dei motori era stato raggiunto. Da allora ci sono stati, solo per citare i casi più eclatanti, l’iniezione diretta diesel e benzina, la sovralimentazione a bassa inerzia e composta, il controllo attivo delle valvole: impossibile negare che ultimi anni i passi in avanti fatti, soprattutto sui propulsori di grande produzione, siano stati enormi (Automobilismo 09-2009). Nel contempo i pneumatici sono diventati un vero concentrato di tecnologia, in grado di avere una resistenza al rotolamento costantemente decrescente, quindi energia dissipata sempre minore, rumorosità più che accettabile conservando un’aderenza elevatissima in curva, in frenata e in accelerazione, anche sul bagnato: insomma più efficienza e più sicurezza. Dov’è allora il margine di riduzione dei consumi in un veicolo? Quali rimangono i punti di indagine? Restano di fatto tutti quei componenti con cui quotidianamente abbiamo a che fare, e che di conseguenza consideriamo come sempre uguali a se stessi: i “soliti pezzi”.

Se non ci fosse l’attrito l’automobile, si sa, non avanzerebbe. Diciamo però che se fosse molto basso, come pure l’attrito dell’aria (resistenza aerodinamica o drag), alle automobili basterebbero quantità infinitesime di combustibile per muoversi. Al momento la strada della riduzione dell’impatto con il terreno e con l’aria viene percorsa fino alle conseguenze estreme solo dai veicoli della Shell Eco Marathon, dove con 1 litro di combustibile si riesce a percorrere anche qualche migliaio di km. Ma le auto normali non possono fare altrettanto, non potendo costare centinaia di migliaia di euro cadauna, avere ruote lenticolari, essere monoposto e obbligare a guidare sdraiati. L’aerodinamica rimane una delle grandi responsabili del consumo energetico; soprattutto se si va veloce, dal momento che la resistenza di un corpo immerso in un fluido (come l’aria) varia con il quadrato della sua velocità: raddoppiandola, si hanno perdite quattro volte maggiori.

Per meglio sviluppare i suoi nuovi veicoli, Bmw ha realizzato una galleria del vento dedicata, di sua proprietà, proprio nelle vicinanze del centro di ricerca di Monaco di Baviera. Questa galleria del vento in realtà è doppia: ha una camera grande (veloce) in cui possono entrare veicoli in scala 1:1, e una piccola (lenta) che può ospitare veicoli più piccoli anche a coppie, per verificare interazioni di scia o di sorpasso. Tutte e due le camere possono avere aria sparata fino a 300 km/h. Perché allora una camera è ‘lenta’ e una ‘veloce’? Per via delle relazioni tra flusso d’aria e dimensioni del modello: se si sta studiando un veicolo in scala 1:2, cioè grande la metà, per avere gli stessi effetti dell’aria a 100 km/h sul veicolo naturale occorrerà avere nella sezione di misura aria a 200 km/h. Per cui a pari velocità dell’aria la camera in scala è più lenta.

Va anche detto che la resistenza aerodinamica all’avanzamento del veicolo è in realtà una somma di contributi dei vari componenti del veicolo. La forma della carrozzeria è responsabile per circa il 40% delle perdite, gli alloggiamenti delle ruote e le ruote con il loro effetto di rotazione di circa il 30%, il sottoscocca del 20% e le prese d’aria di alimentazione e raffreddamento del restante 10%. La forma aerodinamica è sicuramente uno degli aspetti da tenere in massima considerazione per il risparmio energetico.

Oggi è soggetta a vincoli non solo stilistici, ma anche normativi: ad esempio le normative di protezione dei pedoni impongono musi alti e di forma quasi standardizzata per limitare i danni in caso di incidente. Ma l’attenzione all’aerodinamica non viene meno, come dimostrano i Cx incredibilmente bassi esibiti non solo da auto con obiettivi dichiarati di efficienza come Toyota Prius ed Honda Insight (non a caso entrambe caratterizzate da forma a cuneo, buona mascheratura delle ruote all’interno della carrozzeria, ridotta altezza dal suolo) ma anche da insospettabili berline come la Mercedes Classe E o la Bmw Serie 5.

Non ci si pensa mai, ma dovunque ci sia un organo meccanico rotante (quindi anche all’interno di ogni dispositivo elettroattuato) ci sono necessariamente dei cuscinetti. Lo scopo dei cuscinetti è sia di mantenere allineati i componenti che di localizzare l’usura delle parti in movimento relativo, riducendola al minimo. E mentre alcuni dispositivi – come serrature delle chiusure centralizzate o sistemi di movimentazione dei sedili, tra i molti –sono chiamati al lavoro saltuariamente, altri invece sono sempre in movimento quando si muove l’auto.

Tra i meno considerati nonostante siano caricati di grande responsabilità troviamo sicuramente i mozzi ruota: devono essere silenziosi, sopportare grossi sforzi, durare a lungo e avere ingombri compatti, in modo che tutti i gruppi mozzo siano di piccole dimensioni: a volte, poi, si richiede loro anche di essere integrati (in modo affidabile) con sensori di posizione, come gli encoder magnetici per Abs ed Esp. La selezione negli anni dei materiali e dei processi produttivi ha permesso alle aziende leader del settore di studiare soluzioni sempre più compatte e robuste. Tra queste citiamo SKF che ha da poco ultimato una linea completa di cuscinetti per i sistemi di trasmissione che a pari ingombro e durata presentano meno resistenza al rotolamento, e quindi dissipano meno energia in attrito. Introducendo cuscinetti a risparmio energetico nei sistemi di trasmissione si possono risparmiare fino ad 8 grammi di CO2 per chilometro, con un grosso contributo dato dai gruppi mozzo ruota di tipo ibrido. Questa definizione deriva dal fatto che il pacchetto cuscinetto-mozzo ruota è costituito da due gruppi accoppiati con diversa tecnologia: da un lato i noti cuscinetti a rulli conici e dall’altro dei cuscinetti a sfere detti ‘a contatto angolare’, dove cioè le piste di contatto interna ed esterna non lavorano come al solito in direzione radiale o assiale ma con le due piste che si accoppiano a circa 45° l’una rispetto all’altra. Sempre per quanto riguarda il risparmio energetico, un ruolo non trascurabile è a carico della gabbia interna che mantiene le sfere in posizione: gli ultimi materiali plastici caricati con additivi ad alta resistenza sono in grado di assicurare la stessa robustezza delle più comuni gabbie metalliche, riducendo però l’energia dissipata, il peso e il rumore. Va da sé che il risparmio energetico non deve mai andare a discapito dell’affidabilità, come è evidente nel caso dei sistemi di tenuta e lubrificazione. Anche se più costosi rispetto ad altre soluzioni, i sistemi di tenuta compositi con più schermi in gomma a basso attrito contribuiscono a ridurre la dissipazione energetica.

Tra le novità al momento ancora in fase prototipale, troviamo i cuscinetti per motore a corpi volventi. Nei motori pluricilindrici la soluzione più semplice per i cuscinetti di banco e biella è quella di avere dei cuscinetti di tipo piano (bronzine) con un alto apporto di olio in pressione che letteralmente ‘sostiene’ gli organi rotanti. Inserire cuscinetti a rulli in questi elementi vuole dire gioco forza costruirli in maniera scomponibile, con la massima attenzione ai punti di unione delle piste dove vanno a rotolare i corpi cilindrici.

La riduzione di peso, ingombri e, quando possibile, del numero di componenti va sempre nella stessa direzione: aumentare l’efficienza di ogni sottosistema. I sistemi Start-and-stop usano una sola macchina elettrica per fare tutto: l’alternatore ha anche funzioni di motore di avviamento. In questo caso si sfrutta sempre la cinghia di comando motore-alternatore, senza però aggiungere altri dispositivi come l’ingranaggio per la messa in moto, il motorino elettrico e il suo ingranaggio di innesto. Tanto per gli alternatori ‘intelligenti’ (che forniscono solo l’energia richiesta di volta in volta dall’impianto, assorbendo dal motore la minima potenza indispensabile) quanto per quelli con funzione integrata di avviamento è fondamentale che sia aggiunto un sensore di posizione sull’alternatore stesso, che lavori insieme ai sensori di posizione del motore per rendere la successiva messa in moto rapida, silenziosa e con il minimo di energia dissipata.

A proposito di azionamento elettrico, andrebbe peraltro precisato che questa soluzione si sta diffondendo abbastanza velocemente per molti ausiliari quali pompa servosterzo, pompa acqua o compressore del climatizzatore; in questo caso occorre che le tubazioni di distribuzione dei fluidi di lavoro introducano le minori perdite di carico possibili, in modo che il gruppo pompa sia dimensionato con la minima potenza e quindi il minimo consumo necessario. Per quanto riguarda i sistemi servosterzo la soluzione è, ovviamente, quella di integrare il gruppo attuatore direttamente nelle vicinanze del sistema cremagliera; viceversa, per pompe acqua o compressori climatizzatore non si può trascurare il sistema di distribuzione dei fluidi. Va notato poi che le tubazioni in gomma rinforzata da fibre tessili, per resistere alle pressioni e alle temperature in gioco in questi dispositivi, devono essere assai robuste, risultando così più pesanti e ingombranti di componenti in lega metallica, che però non possiedono la flessibilità richiesta. Ecco perché dopo anni di lunghe tubazioni in gomma o al massimo gomma ed acciaio tornano ora sistemi misti, tecnicamente evoluti, con tubazioni conformate in lega di alluminio fissate a rami preformati di tubo in gomma.

L’evoluzione dei materiali e delle tecnologie industriali ha anche permesso di ridurre gli ingombri, aumentando al contempo le prestazioni dei vari componenti: logico che ogni componente miniaturizzato pesi meno e, quindi, contribuisca a ridurre la massa complessiva del veicolo. Tra questi ad esempio le sonde lambda (in inglese Oxygen Sensors), che oltre ad essere diventate di tipo proporzionale e non più on-off (misurano il titolo della carburazione e non discriminano solo tra campo magro e campo ricco), sono anche diventate molto più compatte e sono facilmente installabili, fattore quest’ultimo tutt’altro che trascurabile, in qualsiasi punto del veicolo.

Non molto conosciute per l’uso automobilistico, invece, le candele a risparmio di combustibile e a lunga durata: l’azienda giapponese Denso ha sviluppato delle candele di accensione per motori a benzina del tipo ad elettrodo di dimensioni ridotte che sono in grado da un lato di contribuire ad una riduzione che va dall’1 ad oltre il 4% nel consumo complessivo di benzina (e, di riflesso, sulle emissioni di CO2) abbinando inoltre una durata che può anche superare i 100.000 chilometri.