La maggior parte degli sforzi per ridurre l'inquinamento atmosferico avverso e gli impatti climatici dei veicoli di oggi si concentrano su auto e camion leggeri che sono generalmente alimentati a benzina, con strategie che vanno dall'elettrificazione e il carpooling ai veicoli autonomi.

"Queste strategie possono essere una parte importante della soluzione complessiva, "dice Daniel Cohn, ricercatore presso il MIT Energy Initiative. "Ma è anche sempre più importante pensare agli autocarri pesanti e medi. Trovare un modo per ripulirli potrebbe effettivamente portare un maggiore miglioramento della qualità dell'aria in tutto il mondo nei prossimi decenni".

Alimentato in gran parte da motori diesel, quei camion sono ora il più grande produttore di emissioni di ossido di azoto (NOx) nel settore dei trasporti, contribuendo all'ozono troposferico, problemi respiratori, e morti premature nelle aree urbane. Alcune stime prevedono che il carburante diesel, utilizzato sia per i camion che per le automobili, supererà le vendite della benzina in tutto il mondo entro il prossimo decennio, minacciando di aumentare ulteriormente l'inquinamento atmosferico urbano già grave e le concentrazioni di gas serra (GHG).

I motori diesel per impieghi gravosi di oggi forniscono efficienza nei consumi e potenza elevata, rendendoli ideali per il lungo raggio, veicoli commerciali ad alto chilometraggio. Ma trovare un'altra opzione è fondamentale, dice Cohn. "Dobbiamo sostituire i motori diesel con altri motori a combustione interna che sono molto più puliti e producono meno gas serra".

Utilizzando l'analisi della simulazione al computer, Cohn e il suo collega Leslie Bromberg, ingegnere di ricerca principale presso il Plasma Science and Fusion Center e lo Sloan Automotive Laboratory, hanno progettato un motore a benzina e alcol di dimensioni ridotte che dovrebbe essere non solo più pulito, ma anche più economico e più performante, e potrebbe essere presto introdotto nella flotta di veicoli su strada.

Sostituzione del diesel per impieghi gravosi

All'interno degli Stati Uniti, la pressione sull'industria degli autotrasporti per far fronte alle emissioni di diesel è aumentata. Infatti, le normative previste in California richiederebbero che le emissioni di NOx dei camion medi e pesanti siano ridotte di circa il 90% rispetto ai diesel più puliti di oggi, che utilizzano sistemi di trattamento dei gas di scarico complessi e costosi proprio per soddisfare le normative vigenti. In alcune parti del mondo, come India e Cina, quei sistemi di pulizia non sono generalmente utilizzati. Di conseguenza, Le emissioni di NOx sono circa 10 volte superiori, e portarli al livello dei futuri regolamenti della California richiederebbe una riduzione di circa il 98 percento.

Negli Stati Uniti, alcuni camion hanno iniziato a soddisfare i severi limiti di NOx previsti utilizzando grandi motori ad accensione comandata (SI) alimentati a gas naturale. Ma l'adozione su larga scala di quei motori sarebbe problematica. Lo stoccaggio e la distribuzione di un carburante gassoso aumenta il costo del veicolo e pone sfide infrastrutturali, e l'uso del gas naturale può portare a un maggiore impatto climatico a causa della fuoriuscita di metano, un GHG con un alto potenziale di riscaldamento globale.

Per evitare le sfide legate alla gestione del gas naturale, Cohn e Bromberg decisero di perseguire un altro approccio:un motore SI per impieghi gravosi alimentato invece a benzina. Generalmente, i motori a benzina SI producono basse emissioni di NOx. Guidati dai loro modelli al computer, Cohn e Bromberg hanno adottato una serie di misure per aumentare la potenza e l'efficienza di quel progetto senza sacrificare i vantaggi in termini di emissioni.

Durante il normale funzionamento del motore a benzina SI, il processo di traduzione della combustione dei gas in coppia (forza di rotazione) alle ruote procede senza intoppi, fino a quando non è necessario un funzionamento a coppia elevata, Per esempio, per trainare un carico pesante ad alta velocità o in salita. Quindi, pressioni e temperature all'interno del cilindro possono salire così tanto che i gas di combustione incombusti si accendono spontaneamente. Il risultato è bussare, che provoca un rumore metallico metallico e può danneggiare il motore. La necessità di prevenire la detonazione ha finora limitato i miglioramenti in termini di efficienza e prestazioni che sarebbero necessari per i motori a benzina per competere con i diesel.

Cohn e Bromberg hanno affrontato questo problema usando l'alcol. Quando il motore SI sta lavorando sodo e altrimenti si verificherebbero dei colpi, una piccola quantità di etanolo o metanolo viene iniettata nella camera di combustione calda, dove si vaporizza velocemente, raffreddando il combustibile e l'aria e rendendo molto meno probabile la combustione spontanea. Inoltre, a causa della composizione chimica dell'alcol, la sua intrinseca resistenza agli urti è superiore a quella della benzina. L'alcol può essere conservato in un piccolo, serbatoio del carburante separato, poiché il fluido per la pulizia dei gas di scarico viene immagazzinato in un veicolo con motore diesel. In alternativa, potrebbe essere fornito dalla separazione a bordo dell'alcol dalla benzina nel normale serbatoio del carburante. (Quasi tutta la benzina venduta negli Stati Uniti è ora un mix di 90% di benzina e 10% di etanolo.)

Con preoccupazione per il colpo rimosso, i ricercatori sono stati in grado di sfruttare appieno due tecniche utilizzate nelle autovetture di oggi. Primo, usavano il turbocompressore, ma a livelli superiori. La sovralimentazione comporta la compressione dell'aria in ingresso in modo che più molecole di aria e carburante si inseriscano all'interno del cilindro. Il risultato è che una determinata potenza può essere ottenuta utilizzando un volume totale del cilindro inferiore. E secondo, hanno usato un alto rapporto di compressione, che è il rapporto tra il volume della camera di combustione prima della compressione e il volume dopo. Con un rapporto di compressione più alto, i gas in combustione si espandono maggiormente ad ogni ciclo, quindi viene fornita più energia per una data quantità di carburante.

I ricercatori hanno anche fatto uso di un'importante caratteristica del motore SI per impieghi gravosi a basse emissioni di NOx alimentato a gas naturale:hanno ipotizzato che la miscela di aria e carburante all'interno del loro motore contenesse appena abbastanza aria per bruciare tutto il carburante, non di più, non di meno. Quell'operazione stechiometrica ha permesso importanti cambiamenti non possibili nel diesel, che deve funzionare con molta aria in più per controllare le emissioni. Con operazione stechiometrica, potrebbero utilizzare un catalizzatore a tre vie per pulire lo scarico del motore. Un sistema relativamente economico, il catalizzatore a tre vie rimuove NOx, monossido di carbonio, e idrocarburi incombusti dallo scarico del motore ed è fondamentale per il basso NOx raggiunto nei motori SI di oggi.

Quindi, dato il funzionamento stechiometrico combinato con un più alto livello di turbocompressione e un elevato rapporto di compressione, i ricercatori sono stati in grado di ridurre l'intero motore. Il motore SI non contiene tutta l'aria in eccesso che c'è in un diesel, quindi il volume totale dei suoi cilindri può essere più piccolo.

"A causa di questa differenza, puoi sostituire un motore diesel con un motore SI grande circa la metà, "dice Bromberg.

Con tale riduzione delle dimensioni si ottiene un aumento dell'efficienza del carburante. In qualsiasi motore, il processo di pompaggio dell'aria nei cilindri e varie fonti di attrito riducono inevitabilmente l'efficienza del carburante. Queste perdite di pompaggio dipendono dalle dimensioni del motore. Rendi un motore più piccolo, e c'è meno attrito e meno spreco di carburante.

Presi insieme, il catalizzatore a tre vie a basso costo e le dimensioni complessive più ridotte contribuiscono a rendere il motore a benzina-alcol meno costoso del motore diesel più pulito con un sistema di pulizia dello scarico all'avanguardia. Infatti, secondo le stime dei ricercatori, il costo del motore a benzina-alcol più il suo sistema di trattamento dei gas di scarico sarebbe circa la metà di quello del motore diesel più pulito.

Potenza, efficienza, e l'uso di alcol

Come si confronta il motore SI benzina-alcol di dimensioni ridotte rispetto al diesel full-size più pulito di oggi in termini di efficienza e potenza? Per rispondere a questa domanda, i ricercatori hanno utilizzato una serie di sofisticate simulazioni di motori e veicoli e modelli cinetici chimici sviluppati da Bromberg.

Per il confronto, hanno usato una versione illustrativa del loro motore basata su un motore da 6,7 ​​litri che ora è prodotto e potrebbe, con modifiche relativamente piccole, essere convertito nella configurazione benzina-alcol. La loro analisi presupponeva che il rapporto di compressione e la coppia del motore fossero circa gli stessi nel motore SI a benzina-alcol da 6,7 ​​come in un motore diesel da 12 litri. Ma il motore SI può funzionare molto più velocemente del diesel. (La combustione è più rapida con l'accensione a scintilla rispetto all'accensione per compressione utilizzata nei motori diesel.) A causa del funzionamento più rapido e della coppia approssimativamente equivalente, il piccolo motore può produrre quasi il 50 percento in più di potenza rispetto al diesel. E mentre il motore a benzina-alcol è un po' più efficiente del diesel a coppia elevata e meno efficiente a coppia bassa, in generale il piccolo motore SI è efficiente quanto il diesel.

Però, poiché è necessaria una coppia maggiore, bussare diventa più probabile, quindi è necessario più etanolo. Alla coppia massima, circa l'80% del carburante totale deve essere etanolo per evitare colpi. Tale stima solleva una preoccupazione:negli Stati Uniti, l'etanolo è ampiamente utilizzato in una miscela a bassa concentrazione con benzina, ma l'etanolo puro o una miscela etanolo-benzina ad alta concentrazione potrebbero non essere disponibili o potrebbero essere troppo costosi. Quindi, quanto etanolo è probabilmente necessario per un determinato viaggio?

Come esempio, i ricercatori hanno considerato un viaggio di lungo raggio, veicolo pesante che richiede una coppia elevata per la maggior parte del tempo. A seconda del rapporto di compressione, l'etanolo potrebbe costituire dal 20 al 40 percento del suo consumo totale di carburante. In contrasto, un camion per le consegne potrebbe funzionare a bassa coppia per la maggior parte del tempo e fare bene con l'etanolo come il 10 percento del suo carburante totale durante un periodo di guida.

"Tali livelli di consumo di etanolo sono fattibili, " osserva Cohn. "Ma il sistema sarebbe più attraente per le persone se avessi un caso in cui potresti usare meno etanolo".

Un modo per ridurre l'uso di etanolo sarebbe diluire l'etanolo con acqua. Usando il modello knock, Cohn e Bromberg hanno determinato che la resistenza agli urti è effettivamente maggiore quando l'acqua costituisce fino a un terzo del combustibile secondario. "E in alcuni casi in cui non hai bisogno di etanolo per l'antigelo, potresti essere in grado di correre con la sola acqua come fluido secondario, "dice Cohn.

Un altro approccio per ridurre l'uso di alcol, chiamato aumento della velocità, prevede il funzionamento del motore a una velocità più elevata. Far girare il motore più velocemente e regolare l'ingranaggio nella trasmissione per aumentare il rapporto tra il numero di giri del motore e il numero di giri della ruota consente di utilizzare una coppia del motore inferiore nel motore a benzina per ottenere la stessa coppia alla ruota del diesel. Secondo i calcoli dei ricercatori, che la riduzione della coppia del motore potrebbe ridurre l'uso di etanolo durante un periodo di guida a meno del 10 percento del carburante totale consumato, una quantità che potrebbe essere fornita dalla separazione del carburante a bordo.

Ridurre gli impatti climatici

Cohn sottolinea un altro vantaggio del motore SI benzina-alcol:un percorso per ridurre le emissioni di gas serra.

"Un aspetto un po' sottovalutato nella valutazione degli impatti ambientali dei veicoli di trasporto è che le emissioni di gas a effetto serra dei camion in tutto il mondo supereranno le emissioni di gas a effetto serra delle auto tra il 2020 e il 2030, " fa notare.

Il motore SI benzina-alcol può essere utilizzato in una modalità di alimentazione flessibile in cui utilizza solo alcol puro se lo si desidera. Proprio adesso, considerando il ciclo di vita dei combustibili e ipotizzando un'efficienza del motore comparabile, l'utilizzo di etanolo prodotto dal mais con metodi all'avanguardia genera circa il 20% in meno di emissioni di gas serra rispetto all'utilizzo di benzina o gasolio. Riduzioni ancora maggiori delle emissioni di gas a effetto serra potrebbero verificarsi quando i combustibili di etanolo e metanolo sono prodotti da fonti agricole, silvicoltura, rifiuti urbani o biomasse speciali.

"Ridurre le emissioni di gas a effetto serra dei camion trovando una fonte di energia alternativa, ad esempio, attraverso l'elettrificazione, potrebbe richiedere molto tempo, " dice Cohn. "Ma se puoi far funzionare il tuo motore parzialmente con etanolo o interamente con etanolo, è un buon modo per iniziare subito".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.