Autoveicolo

Autoveicolo

Negli ultimi anni i vincoli derivati dalle problematiche inerenti i problemi ambientali, energetici e di sicurezza attiva e passiva hanno imposto alle case costruttrici una profonda revisione delle metodologie progettuali del veicolo, del motore e dei suoi principali componenti. Certamente la maggiore innovazione è stata effettuata nell'ambito dei sistemi di alimentazione dei motori Diesel con l'introduzione dei sistemi di iniezione ad alta pressione (common rail) che hanno profondamente modificato le caratteristiche di tale propulsore. Per quanto riguarda il motore ad accensione comandata l'innovazione tecnologica ha permesso di sviluppare in modo adeguato la tecnologia GDI (Gasoline Direct Injection). Tale tecnica consiste nella iniezione di benzina direttamente in camera di combustione e dovrebbe permettere una sensibile diminuzione dei consumi (si ipotizza una riduzione tra il 15 e il 20% rispetto agli attuali motori) e quindi della immissione di anidride carbonica nell'atmosfera. Accanto a questi tradizionali sistemi di propulsione cominciano a conquistare significative fette di mercato, a causa del ridotto impatto ambientale, veicoli equipaggiati con propulsori ibridi o alimentati con gas naturale.

La riduzione dei consumi e delle emissioni

Fino alla metà degli anni Novanta poco o nulla è stato fatto per la riduzione dei consumi (e quindi di CO₂), sia per il concentrarsi dello sforzo tecnologico e industriale sull'obiettivo prioritario della riduzione delle emissioni inquinanti, sia per una sostanziale stabilità o addirittura riduzione in termini reali del prezzo del combustibile. Successivamente, anche sulla spinta del Congresso di Kyoto, è progressivamente cresciuta nell'opinione pubblica, nei governi e tra gli stessi costruttori (accordo ACEA, Associazione Costruttori Europei di Automobili - UE per la riduzione della CO₂) la consapevolezza di dover recuperare il tempo perduto con una sostanziale e drastica riduzione dei consumi del parco circolante. È opinione diffusa che la spinta alla riduzione dei consumi non si esaurirà fino a quando tale necessaria diminuzione non sarà pienamente realizzata (2010-2015). La riduzione dei consumi è stata perseguita attraverso un continuo miglioramento del rendimento del motore o alla adozione di sistemi di propulsione ibridi composti da un motore termico accoppiato con un motore elettrico e alla ricerca di forme aerodinamiche sempre più prestanti, cioè in grado di garantire una minore resistenza all'avanzamento del veicolo.

Motorizzazioni a benzina

Il motore a benzina, nell'orizzonte temporale considerato, rimarrà il propulsore prevalente nell'applicazione automobilistica grazie alle sue caratteristiche doti di comfort e prestazioni. Il problema strategico in questo settore è quello di identificare quei salti tecnologici che ne consentano una sostanziale riduzione dei consumi, senza limitarne la dinamica evolutiva in termini di densità di coppia e potenza, mantenendone l'intrinseca capacità di fronteggiare il progressivo inseverimento dei limiti di emissioni con tecnologie ampiamente collaudate, quali il catalizzatore a tre vie. Tra le differenti tecnologie in sviluppo per ridurre i consumi e le emissioni di CO₂, due hanno mostrato sinora un buon potenziale: l'iniezione diretta di benzina e il controllo elettronico delle valvole. L'iniezione diretta con combustione stratificata e magra, sulla quale si sono concentrati gli sforzi di molti costruttori negli ultimi anni, ha mostrato consumi nell'uso su vettura di gran lunga inferiori alle attese (massimo 6%), richiede complicati e costosi sistemi di post-trattamento e continua a presentare problemi di affidabilità. L'iniezione diretta con combustione omogenea e stechiometrica (per es., motori Alfa JTS, Jet Thrust Stoichiometric), che non presenta problemi di soddisfacimento dei limiti di emissioni, offre vantaggi in termini di prestazioni, ma benefici in termini di consumi molto limitati. Tale tecnologia, tecnicamente superiore a quella indiretta Multi-Point attuale, potrebbe diventarne la naturale evoluzione in funzione della progressiva riduzione dei costi. Maggiore potenziale di riduzione dei consumi (dal 10 al 15%) offre invece la tecnologia del controllo elettronico delle valvole (UNIAIR), grazie all'eliminazione della farfalla, alla riduzione dei consumi al minimo, all'incremento di prestazioni. Ulteriore vantaggio di questa tecnologia è offerto dalla possibilità di ridurre considerevolmente le emissioni con opportune strategie di gestione delle valvole motore.

Motorizzazioni Diesel

In Europa gli a. con motori Diesel a iniezione diretta (essenzialmente common rail) hanno guadagnato negli ultimi anni molte quote di mercato e continueranno la loro crescita per molti anni ancora. Ciò grazie non solo alle intrinseche caratteristiche di bassi consumi, ma anche alle crescenti doti di prestazioni e guidabilità su vettura. Il problema strategico del motore Diesel è quello delle emissioni, soprattutto di particolato (PM, Particulate Matter) e ossidi di azoto (NO_×), che dovranno essere drasticamente ridotte nei prossimi anni senza un sostanziale incremento dei costi e mantenendo tutte le attuali caratteristiche (consumi e prestazioni) che contribuiscono al suo successo commerciale. In particolare saranno sviluppate: nuove generazioni del sistema common rail (attuale multijet o future evoluzioni) che sfruttino a fondo l'intrinseca flessibilità di tale sistema di iniezione per il controllo della combustione e quindi della formazione delle emissioni in camera; trappole per il particolato (DPF, Diesel Particulate Filter), la cui tecnologia, in via di consolidamento, tende a integrarsi con la gestione evoluta del sistema common rail; tecnologie per la riduzione delle emissioni di NO_× per quanto riguarda le applicazioni su vettura o delivery van (la tecnologia dei catalizzatori DeNO_×, ancora in uno stadio di sviluppo molto preliminare, presenta problemi legati alla loro efficienza e rigenerazione). In questo caso si intende perseguire la riduzione degli NO_× a livello di camera di combustione, mediante l'utilizzo integrato delle tecnologie di controllo delle valvole (UNIAIR) e delle iniezioni multiple, al fine di ridurre le richieste in termini di costi, complessità nonché di affidabilità relative al post-trattamento.

Motorizzazioni a gas

Ultimamente molte case automobilistiche hanno sviluppato e messo progressivamente in produzione una tecnologia di iniezione multipoint del metano a totale controllo elettronico che, unita all'adozione di una combustione stechiometrica e all'utilizzo di un catalizzatore a tre vie, rappresenta un passo fondamentale nella direzione di sfruttare al massimo il potenziale ecologico del gas naturale, soddisfacendo al tempo stesso le richieste prestazionali e di guidabilità. Questa tecnologia consente di raggiungere livelli di riduzione della CO₂ rispetto alle motorizzazioni a benzina paragonabili a quelli dei motori Diesel (da -20 a -22%) e rappresenta un ponte naturale verso l'impiego dell'idrogeno nel più lungo termine.

La riduzione di emissioni di CO₂ rispetto alle motorizzazioni a benzina è dovuta alle proprietà del combustibile e in particolare al rapporto tra atomi di idrogeno e atomi di carbonio della singola molecola costituente. Il metano, infatti, tra gli idrocarburi assume il valore massimo disponibile in natura, vale a dire quattro atomi di idrogeno per atomo di carbonio (il rapporto H/C per i combustibili tradizionali come benzina e gasolio è circa 1,85).

Veicoli ibridi

Un veicolo è definito ibrido quando utilizza differenti sistemi di conversione, accumulo e generazione dell'energia. Si ha un veicolo ibrido quando vengono accoppiati un sistema di generazione basato su un convertitore primario, quali motore a combustione interna (MCI), turbina a gas (TG) e fuell cell (FC), e un sistema di accumulo a bordo di tipo reversibile, come le batterie ricaricabili. La classificazione generalmente adottata per veicoli ibridi comprende quattro tipi: gli ibridi serie, quelli parallelo, quelli di tipo split o dual mode, che si differenziano in rapporto alle modalità di accoppiamento del motore termico e del motore elettrico di trazione con la trasmissione alle ruote; a queste tre si aggiunge un particolare tipo di ibrido, che funge sia da serie sia da parallelo, l'ibrido minimo (detto anche power split), il quale può essere considerato il frutto della naturale evoluzione del motore a combustione interna. Nel 2004 sono state vendute negli Stati Uniti 83.153 auto a doppia alimentazione benzina ed elettriche, pari a un incremento dell'81% rispetto al 2003. Nella sfida strategica sulle propulsioni, i due attori più importanti sono la GM e la Toyota, seguiti da Daymler Chrysler. La GM sta puntando fortemente sui motori a idrogeno, investendo notevoli somme nel pubblicizzare i suoi rivoluzionari prototipi. La Toyota, invece, ha adottato un approccio molto più conservatore, per quanto forse più realistico, investendo nello sviluppo, ma soprattutto nella commercializzazione, di veicoli ibridi dotati di un innovativo computer di bordo che sceglie il sistema propulsivo ottimizzando prestazioni e consumi. La GM ha deciso di puntare su una scelta strategica più radicale, dai tempi di realizzazione più lunghi, ma dal potenziale di profitto più elevato. La Toyota ha adottato una strategia di innovazione tecnologica marginale, applicabile nel breve termine ma meno radicale in quanto a impatto sui processi produttivi e sui prodotti commercializzati.

Gli ibridi rappresentano ancora meno dell'1% dei 17 milioni di nuovi veicoli venduti nel 2004, tuttavia nel mercato americano si registra un aumento del 960% di questi veicoli dal 2000. Da allora molte tra le principali compagnie automobilistiche decisero di introdurre nella loro produzione una dozzina di nuovi ibridi nei successivi tre anni. La Toyota detiene il primato nelle vendite di ibridi sul mercato statunitense dal 2000: il 64% con ben 53.761 nuove Toyota Prius immatricolate nel 2004. L'Honda Civic è il secondo veicolo ibrido venduto negli Stati Uniti, con il 31% della quota del relativo mercato di cui invece la Ford, con il suo SUV ibrido Escare, detiene circa il 3%. Le case automobilistiche, spinte dall'entusiasmante risposta del pubblico, stanno introducendo una serie di nuovi ibridi.

fig. 1

Ibrido serie. - Negli ibridi serie la coppia alle ruote è fornita dal solo motore elettrico, così come avviene nei veicoli elettrici a batteria (fig. 1). Il motogeneratore (o altro tipo di generatore avanzato come le FC) e la batteria sono in parallelo elettrico: nella marcia a potenza ridotta il sistema di generazione alimenta il motore elettrico e in presenza di margine energetico le batterie si ricaricano. Queste ultime, presenti in numero ridotto rispetto a un veicolo solo elettrico, restituiscono a loro volta l'energia, integrando la potenza del generatore quando sono richiesti spunti di potenza.

Il motore, e di conseguenza il generatore, può così essere dimensionato in base alla potenza media richiesta dal veicolo, che nell'uso urbano va da 1/4 a 1/5 della potenza massima sulla quale va invece dimensionato il motore elettrico di trazione. Anche le batterie sono dimensionate sulla base della potenza aggiuntiva necessaria per alimentare il motore durante gli spunti di potenza e non in base all'autonomia richiesta al veicolo, come nei veicoli elettrici puri.

Il funzionamento a regime ottimale del gruppo di generazione consente così un livello molto ridotto di emissioni nocive, che si annullano poi quando il veicolo marcia con la sola energia accumulata dalle batterie. Con quest'ultima modalità di utilizzo, però, l'autonomia è minima (20-30 km), a causa del ridotto numero di batterie installate. Nonostante la prima configurazione degli ibridi sia stata proprio di questa tipologia, che a partire dai primi anni Settanta ha fatto registrare i maggiori progressi, l'applicazione degli ibridi serie rimane marginale e ristretta comunque ai veicoli con disponibilità di spazio a bordo e margini di peso per l'installazione di generatore e pacco batterie, come autobus e furgoni.

fig. 2

Ibrido parallelo. - Negli ibridi parallelo, sono previste due distinte motorizzazioni, una termica e l'altra elettrica, connesse alle ruote. Il motore termico è collegato alla trasmissione mediante una frizione elettromagnetica e consente quindi la propulsione diretta del veicolo, con un migliore rendimento energetico rispetto all'ibrido serie (la catena di rendimenti è più corta). In aggiunta, una o più macchine elettriche, anch'esse inseribili e disinseribili in vari modi nella trasmissione, svolgono le funzioni di propulsione e/o di generazione (fig. 2). Nel funzionamento in ibrido, pertanto, c'è un parallelo meccanico tra i due motori, le cui coppie si sommano in una coppia risultante alle ruote pari a quella richiesta dal guidatore. È in genere possibile anche la marcia con il solo motore elettrico (a potenza ridotta) o la ricarica delle batterie, con il motore termico che, trascinando il motore elettrico oppure una seconda macchina elettrica, funziona contemporaneamente da motore di trazione e da motogeneratore. I livelli di emissione sono superiori rispetto all'ibrido serie, ma rimangono comunque ridotti in virtù del funzionamento del motore termico a regime quasi ottimale. Nella configurazione parallelo, è sufficiente adottare un motore elettrico di potenza ridotta fino al 30-40% della potenza complessiva richiesta, poiché la restante potenza è fornita direttamente dal motore termico. Questa soluzione è stata pertanto sviluppata per l'ibridizzazione di autovetture.

fig. 3

Ibrido dual mode. - Un caso particolare della configurazione parallela è l'ibrido split, o dual mode. Con riferimento alla fig. 3, questi ibridi sono veicoli a quattro ruote motrici, con due sistemi di trazione indipendenti: il motore termico e quello elettrico possono essere utilizzati separatamente o contemporaneamente.

Tale configurazione è scarsamente seguita dalle case automobilistiche perché a fronte di una grande semplicità costruttiva ed elasticità di funzionamento è fortemente penalizzata dai pesi e dagli ingombri di due motorizzazioni indipendenti, grandi costi di realizzazione e una maggiore difficoltà per la ricarica delle batterie. Inoltre, l'impatto ambientale nel caso di funzionamento del solo motore termico è pari a quello di un veicolo convenzionale.

fig. 4

Ibrido serie/parallelo. - L'ibrido serie/parallelo, detto anche ibrido minimo o mild hybrid, è l'evoluzione diretta della configurazione parallelo: il MCI è collegato alle ruote tramite una frizione (fig. 4). Quando la frizione accoppia i due organi, il sistema funziona come parallelo, in quanto il motore a combustione interna assiste il motore elettrico. Quando la frizione è scollegata e il motore è acceso, la coppia viene assorbita dal generatore, e il veicolo si trasforma in un ibrido serie. In questo modo si riesce a massimizzare il beneficio di entrambe le configurazioni, per es. funzionando come parallelo alle alte velocità e come serie nelle partenze da fermo o per ricaricare le batterie. Il sistema garantisce quindi un'elevata autonomia e consumi ridotti in autostrada. In città il contenimento dei consumi e delle emissioni è dovuto al sistema di recupero in frenata e alla funzione di integrazione di coppia, che permette una migliore gestione del MCI.

Tutti i maggiori costruttori automobilistici stanno sperimentando questa configurazione, che risulta più compatta e sembra essere una naturale evoluzione delle motorizzazioni tradizionali, in quanto caratterizzata, rispetto a quella di tipo serie, da una migliore adattabilità del sistema a veicoli già in produzione.

La sicurezza degli autoveicoli

Negli ultimi anni considerevoli sforzi sono stati effettuati per aumentare la sicurezza degli a. in caso di incidente. Tali sforzi hanno ottenuto il risultato di fare decrescere il numero di decessi pur mantenendosi pressoché costante il numero annuale di incidenti stradali. Nell'ambito della sicurezza il ruolo dell'a. può essere articolato in tre differenti modalità: la sicurezza preventiva, quella attiva e quella passiva. Nell'ambito della sicurezza preventiva possono essere classificati tutti quei dispositivi che possono concorrere a mettere in guardia il conducente al fine di evitare situazioni pericolose, quindi sostanzialmente dispositivi di ausilio alla guida. Con ausilio alla guida, ADAS (Advanced Driver Assistance Systems), si intende una classe di sistemi che aiutano il guidatore a viaggiare in modo più confortevole e sicuro senza sostituirlo nella responsabilità del controllo veicolo. Questi sistemi si basano tipicamente su uno o più sensori (radar, laser, telecamera, ecc.) che osservano la scena esterna. I segnali relativi alla situazione intorno al veicolo vengono quindi elaborati per poter aiutare il guidatore fornendogli informazioni o avvisi di pericolo, oppure interagendo con la dinamica del veicolo. Negli ultimi dieci anni sono stati introdotti sul mercato diversi sistemi di questo tipo: a partire dal 1999 con la funzione adaptive cruise control (ACC), che è ora disponibile sul prodotto presso dieci costruttori automobilistici e tre di veicoli industriali. Il sistema ACC mantiene la velocità di crociera impostata, rallentando automaticamente se ci si avvicina a un veicolo più lento. È basato sulla misura della distanza e della velocità del veicolo di fronte, attraverso un sensore radar o laser. Un altro sistema che si sta diffondendo è il mantenimento corsia, che ha lo scopo di evitare che il guidatore abbandoni senza volerlo la propria corsia di marcia. I sistemi di questo tipo utilizzano una telecamera per rilevare la segnaletica orizzontale e possono dare, per es., un segnale acustico quando il guidatore sta per attraversare la linea di demarcazione senza avere inserito l'indicatore di direzione. Il mantenimento corsia costituisce un esempio di come i sistemi di ausilio alla guida siano in grado di aumentare la sicurezza attraverso un cambiamento nel comportamento di guida, in particolare evitando, grazie a un intervento preventivo, che il guidatore per distrazione oppure per errata valutazione si venga a trovare in situazioni a rischio. La sicurezza attiva di un autoveicolo è l'insieme delle caratteristiche funzionali che concorrono a definirne il comportamento dinamico su strada, quindi è la capacità del veicolo di garantire l'incolumità dei passeggeri mantenendo il controllo della traiettoria in condizioni di pericolo. Sono già in produzione e disponibili su molte vetture sistemi controllati di varia natura che si possono raggruppare in base alla funzione primaria dell'autotelaio su cui intervengono: frenatura, sterzatura e sospensione del veicolo.

Sistemi per il controllo della frenatura

I sistemi di controllo attivo della frenata si basano sulla modulazione della forza frenante alle quattro ruote per ottimizzare il controllo della dinamica longitudinale e/o laterale del veicolo. La necessità di un intervento viene valutata dal sistema sulla base delle informazioni raccolte da opportuni sensori del veicolo (per es., velocità ruote, accelerazione laterale e longitudinale della scocca); in condizioni di guida normali il sistema resta inattivo. Questo schema generale di funzionamento si applica al sistema ABS (Antilock Braking System), che evita il bloccaggio delle ruote in frenata (riducendo di solito gli spazi di arresto e garantendo direzionalità allo sterzo anche in condizioni di bassa aderenza), e ai sistemi di controllo della dinamica laterale oggi in commercio (VDC, Vehicle Dinamic Control, ESP, Electronic Stability Program, ecc.). Il freno di stazionamento elettrico (EPB, Electric Parking Brake) è invece costituito da una coppia di pinze elettromeccaniche sull'assale posteriore, che può essere controllata elettronicamente. Questo permette di garantire, oltre all'inserimento e al disinserimento automatico, quando opportuno, anche il coordinamento del freno con il controllo motore in caso di sosta o spunto su strada in salita, allo scopo di semplificare e alleggerire il compito di guida.

Sistemi per il controllo della sterzatura

I sistemi EPS (Electric Power Steering) sono i principali sistemi di controllo dello sterzo disponibili. Il tradizionale servosterzo idraulico viene sostituito da un servoattuatore elettromeccanico, che agisce sulla linea sterzo in corrispondenza del piantone o della cremagliera. Il livello di asservimento può essere gestito elettronicamente, in funzione della velocità del veicolo e dell'angolo del volante impostato, agevolando, per es., le manovre di parcheggio pur mantenendo un comfort adeguato in marcia.

Sistemi per il controllo della sospensione

I sistemi di controllo applicati alla sospensione del veicolo puntano generalmente al contenimento dei moti di cassa, con l'obiettivo di ottimizzare la trazione attraverso il controllo delle forze a terra, assicurare stabilità nelle manovre dinamiche e migliorare il comfort di guida. I sistemi a controllo dello smorzamento (CDC, Continuous Damping Control) modulano l'apertura _delle valvole degli ammortizzatori, in modo da garantire lo smorzamento appropriato a seconda delle condizioni di manovra e di rugosità del fondo stradale. A questi sistemi passivi o semiattivi si affiancano sistemi capaci di introdurre energia nella sospensione del veicolo. Per fare un esempio, i sistemi ARC (Active Roll Control) agiscono sulla barra antirollio con un supplemento di torsione per controllare la ripartizione di rigidezza a rollio nelle diverse condizioni di marcia. Ulteriori vantaggi per la sicurezza attiva sono assicurati dai sistemi per il controllo attivo della trazione quali il TC (Traction Control) e l'ASR (Acceleration Slip Regulation) che sono integrati nel sistema di controllo motore. Per sicurezza passiva si intende l'insieme dei dispositivi e i sistemi di sicurezza in grado di minimizzare le conseguenze negative di un incidente una volta che questo si sia verificato. La funzione di sicurezza passiva si esplica attraverso i seguenti dispositivi: telaio del veicolo; cinture di sicurezza; airbag; poggiatesta; dispositivi di ritenuta dei bambini. Il concetto di sicurezza passiva ha subito una profonda evoluzione. Nel passato si provava ad assicurare la presenza di uno spazio di sopravvivenza all'interno dell'abitacolo; negli ultimi anni, invece, sono state individuate due linee di sviluppo per la valutazione della sicurezza passiva di un autoveicolo. Nella prima sono stati identificati dei parametri la cui misura serve a valutare i rischi di lesione e i livelli di sicurezza, mentre nella seconda si è cercato di contenere le sollecitazioni sui passeggeri entro limiti accettabili valutati mediante indici biomeccanici di lesione. Nel caso di urto si è tentato di valutare gli effetti mediante prove di crash. Queste sono prove distruttive ed estremamente onerose, necessarie alla valutazione delle prestazioni del veicolo in termini di sicurezza: le prove sono standardizzate, il superamento di alcune di loro è necessario per l'omologazione. La standardizzazione delle prove è stata effettuata all'interno del programma europeo EuroNCAP (European New Car Assessement Program) in cui sono stati messi a punto i protocolli per la valutazione dei sistemi di protezione per i veicoli di nuova produzione. Tale valutazione si basa sullo svolgimento di quattro test: urto frontale; urto laterale; urto laterale contro un palo rigido; urto con pedone.

Il risultato di queste prove viene condensato in tre indici, il primo relativo all'impatto laterale e frontale del guidatore e del passeggero (front and side impact rating), il secondo relativo alla efficienza dei sistemi di contenimento dei bambini (child protection rating), il terzo si riferisce all'urto con un pedone con riferimento ai danni riportati da quest'ultimo (pedestrian rating). Vale la pena sottolineare come dal 1996, data di emissione dei primi standard EuroNCAP, si sia assistito a un continuo miglioramento degli indici.