Mancano 100 giorni alla SEM e..

Entrando in laboratorio si respira un’aria strana, quasi fastidiosa. . Stagno, bio-etanolo, fibra di carbonio, grasso, e una “quantità” di persone che fan sì che non ci sia un odore proprio piacevole…… 

Questo non è il solito “post” tecnico perchè da oggi, a 100 giorni dall’inizio della SEM, non ci sarà più tempo per studiare la soluzione migliore, per rendere più efficiente il componente disegnato e neanche tempo libero per sé stessi. Oggi il Team ha superato il punto di non ritorno, da questo momento in poi non si può più tornare indietro, non si può più scherzare o “giocare” tutti, vecchi e nuovi membri del Team, devono fare sul serio, si deve dare “sostanza” ai mesi di lavoro.

Il Team H2politO pronto per la 30esima Shell Eco-marathon

E’ in questa fase che oltre ai veicoli si “plasma” il team, quello vero, unito e grintoso, ma soprattutto umano. Aree tecniche intere che per mesi hanno lavorato dietro ai loro PC o chiusi in una sala prove motori devono amalgamarsi, e devono farlo bene e in fretta… perché IDRA E XAM devono scendere in pista il prima possibile, in modo da far diventare realtà le sequenze di operazioni, lunghi discorsi, sguardi d’intesa, problemi irrisolvibili e piccoli intoppi. Non serviranno più mail o riunioni a realizzare ciò, occorre lavorare fianco a fianco, km dopo km in pista.

Perché quando sei nei box, nel bel mezzo dell’Europa, devi essere semplicemente perfetto, devi aver previsto tutto. Devi essere consapevole che il lavoro di un anno di un intero Team, di tutti quei ragazzi che oramai son diventati parte di te, dipende anche dalla qualità del tuo contributo. Il risultato è il prodotto di ogni singolo sottosistema che deve funzionare insieme, basta il minimo errore per far fermare l’auto lungo la pista. E per chi c’è già passato questo significa avere le lacrime agli occhi…

In quel centro congressi che per tutto l’anno ospita gente che parla, che vende e che discute per una settimana diventa un box in cui ho respirato l’aria più dolce che possa esistere. Anche L’acre odore di “ansia” che prima era facilmente distinguibile ora è completamente compensato da un profumo che non avevo mai sentitodiverso, nuovo, perfettamente equilibrato, sembra il risultato degno del più grande “maitre parfumeur” francese. Attenzione non è facile immergersi in quell’atmosfera nuova, diversa da quella che ti ha sempre circondato, non la conosci. Certo ti sei preparato, hai studiato, sei diventato esperto, ma anche conoscere perfettamente la teoria le tecniche di nuoto non dà la sicurezza di essere un provetto nuotatore.

La porta a vetri di quel paddock improvvisato non è una normale porta, non divide due ambienti dello stesso stabile, divide il mondo delle equazioni, delle ipotesi, l’idealità di un numero da quello reale. Quello in cui non puoi applicare un coefficiente “correttivo” per far convergere il modello e ottenere i risultati migliori, quello in cui non hai più tempo di rifare “un attimo” i calcoli , è il mondo del “pánta rêi” di Eraclito. Non si può tornare indietro. 

Il primo respiro in quella nuova atmosfera ti toglie il fiato. E lì ci sono due possibilità, o quell’aria ti “gasa” come il protossido d’azoto dei dragster oppure ti soffoca facendo emergere tutta la tensione che si è accumulata per un anno. Non sei però un esploratore solitario, ricordi che al tuo fianco hai il tuo Team, magari ragazzi che quell’aria l’hanno già respirata e che sanno quanto sia dolce, e che son tornati per riassaporarla insieme ai compagni. Basterà uno sguardo, un veloce scambio di emozioni per far scomparire quella “cosa” che è l’ansia, in grado di distruggere in un attimo un anno di lavoro.

Ora prova di nuovo a inspirare profondamente a pieni polmoni e 3…2…1…via!!! Eccolo l’instante che vale un anno, la frazione di secondo in cui tutti i problemi, tutte le paure svaniscono e rimane solo il leggero fischio sempre più acuto di un motore elettrico che accelera. 

La senti ora quell’energia che dal centro del petto esplode? Lo riconosci ora quel profumo?

Ecco quello è il profumo della vittoria…… ed è per quel profumo che ora iniziamo a “lottare”!!

La lunga strada dell’auto ibrida

La possibilità di poter trasportare persone o cose ha rappresentato da sempre uno dei fabbisogni primari per l'essere umano. Non a caso, infatti, l'invenzione della ruota e la scoperta del fuoco hanno segnato un cambiamento netto nella società primitiva.

XAM 2.0 prototipo ibrido del Team H2politO

Parlando dell’avvento dell’automobile come la conosciamo oggi però dobbiamo andare un po’ più avanti. A partire dalla metà del 1700 si iniziò a costruire prototipi di motori a combustione, di cui particolare peso ebbero quelli a vapore. Il motore a combustione interna fece la sua comparsa alla fine del XVIII secolo e fu perfezionato fino alla metà del 1800, quando vennero installati per la prima volta su veicoli stradali. Particolarmente importante fu la realizzazione del motore Otto nel 1878 e del vero e proprio veicolo basato su questa tecnologia, il triciclo realizzato da Karl Benz nel 1885. Nello stesso periodo trovò spazio anche un’altra tecnologia: la trazione elettrica. Quest’ultima prendeva le mosse dall’invenzione della batteria al piombo grazie alle ricerche di Volta e del motore elettrico partendo dalla dinamo di Pacinotti, entrambe avvenute attorno al 1860.

Tra la fine XIX secolo e l’inizio del XX secolo dunque vi erano tre tecnologie che si contendevano l’egemonia del nuovo mondo delle “carrozze senza cavalli”: i motori a vapore, la trazione elettrica e i propulsori a combustione interna. Di queste le prime due apparivano come le più mature ed affidabili, in particolare i veicoli elettrici erano particolarmente apprezzati in città, dove la loro silenziosità e l’assenza di emissioni la facevano da padroni, senza dimenticare le prestazioni, in alcuni casi superiori ai motori a ciclo Otto. Emblematico è il prototipo elettrico Jamais Contente del 1899 di Camille Jenantzy stabilì il record mondiale di velocità con 106 km/h).

Dall'alto a sinistra in senso orario: Carro di Cugnot (vapore, 1769), Benz Patent Motorwagen (motore a combustione, 1886)
Jamais Contente (elettrico, 1899) e Lohner-Porsche Mixte Hybrid (ibrida, 1897)

Tuttavia la necessità di avere a bordo del proprio veicolo una scorta di energia per raggiungere una grande autonomia e di mantenere il prezzo unitario il più basso possibile fece si che le auto elettriche, per i limiti tecnologici delle batterie installate, cedessero il passo a quelle dotate di motore endotermico, il cui combustibile era disponibile a basso costo anche grazie alla scoperta di grandi giacimenti di petrolio. Ad inizio ‘900 quindi si definì in modo inequivocabile l’architettura dell’auto che è giunta fino ad oggi basata sulla tecnologia del motore a combustione.

Negli ultimi anni si sta assistendo ad un cambio di tendenza confermato dalla massiccia diffusione di auto ibride.

Ma cosa si intende con il termine ibrido e da dove nasce questa tecnologia?

Nella maggior parte dei casi per architettura ibrida si intende l’utilizzo di un motore elettrico e di un motore a combustione interna combinati. Tale tecnologia è, a dispetto di quello che si pensa, tutt’altro che recente tant’è vero che il primo prototipo ibrido fu creato da Ferdinand Porsche nel 1897 ed esposto nel salone dell'Esposizione Universale di Parigi del 1897.

Ma da cosa nasce l’esigenza dell’ibrido?

I fattori principali che hanno portato allo sviluppo di questa “nuova” tecnologia sono principalmente due:

• Il trend di aumento del prezzo del carburante e quindi l’attenzione degli utilizzatori nei riguardi dei consumi. 
• Le sempre più stringenti normative anti inquinamento che impongono ai costruttori dei limiti sulle emissioni, in particolare per quanto riguarda la CO2, e quindi di consumo.

Per far fronte alle richieste normative la sola ottimizzazione del motore termico non è sufficiente ed entrando infatti nel dettaglio possiamo affermare che i motori a combustione interna hanno raggiunto un “limite tecnologico” ovvero ogni minimo miglioramento dell’ordine di pochi punti percentuali dell’efficienza del motore è raggiunto a fronte di cospicui investimenti di risorse umane e finanziarie.

Inoltre, se si analizzano i dati numerici, si comprende che l’attuale rendimento (rapporto tra potenza utile generata e potenza spesa per l’operazione) di un motore a benzina oscilla tra il 30% e il 35% mentre quello di un motore diesel può arrivare fino al 40%. Tali rendimenti vengono calcolati a banco prova, in condizioni quasi ideali, quindi la situazione peggiora drasticamente nel momento in cui il motore endotermico viene installato su autovettura, in tal caso infatti si raggiungono rendimenti reali che superano di poco il 20%.

A questo punto la domanda sorge spontanea:  perché non utilizzare un sistema di trazione puramente elettrico per le nostre autovetture?

I motori elettrici, infatti, hanno moltissimi pro:        

• Hanno rendimento tra l’85 e il 95%;, 
• sono silenziosi; 
• sono più compatti dei motori a benzina e non emettono inquinanti; 
• hanno costi di manutenzione più bassi.

Tuttavia, ad oggi, la loro installazione a bordo veicolo è limitata dal fatto che le batterie non garantiscono le stesse prestazioni di un combustibile fossile in termini di densità energetica e di densità di potenza.

Come è noto, ogni motore ha infatti bisogno di una fonte di energia a bordo per poter funzionare, che nel caso di un motore a combustione è il carburante, per il motore elettrico sono gli accumulatori, di cui i più usati sono le batterie. Esse, rispetto alla benzina o al diesel, possiedono un’energia specifica tra i 60 e i 190 Wh/kg, mentre i combustibili si attestano tra gli 11000 (benzina) e 13000 (diesel) Wh/kg, circa 50 volte tanto!

Un pacco batterie per garantire prestazioni paragonabili in termini di energia e potenza all’omologo serbatoio di carburante, a parità di veicolo, avrà dunque avere dimensioni e pesi molto importanti, a scapito della dinamica e dei consumi del veicolo.

Ad oggi le batterie al litio hanno tempi di ricarica molto elevati se confrontati ad un “pieno di Benzina” (nell’ordine delle ore per una ricarica completa), una vita tutto sommato limitata (attorno ai 1000 cicli di carica e scarica) e soprattutto costi iniziali molto elevati.

L’ibrido si inserisce in questo scenario per colmare le lacune dei due sistemi ed aumentare l’efficienza globale utilizzando al meglio le tecnologie esistenti.

Cerchiamo di spiegare quali sono i vantaggi e gli svantaggi di questa tecnologia: Il vantaggio principale di tale scelta sta nel fatto che, con l’ausilio di un motore elettrico, quello endotermico può lavorare ad un regime di funzionamento a più elevata efficienza, diminuendone in questo modo i consumi e le emissioni inquinanti. Per sua natura, infatti, il motore termico necessita di un regime minimo per erogare una coppia sufficiente a vincere gli attriti interni, e quindi restare acceso, ed alimentare gli accessori. Dunque affinchè il veicolo si metta in movimento è necessario ricorrere al cambio meccanico che ha lo scopo appunto di moltiplicare la coppia. Inoltre, se il carico non è massimo il motore perde efficienza. Questa situazione è molto comune nella marcia cittadina, dove il 44% del consumo nella fase urbana del ciclo di omologazione europeo NEDC è imputabile alle fasi di accelerazione.

La figura mostra un’esempio di piano quotato dei consumi cioè di andamento del consumo di un motore alternativo in funzione della coppia e dei giri motore. Come si può notare, per accelerazioni modeste a bassa velocità (zona “rossa” del grafico), classico esempio di partenza dal semaforo, il consumo specifico di carburante è sensibilmente più alto rispetto alla zona “verde” della mappa. Questo non vuol dire che per consumare poco bisogna andare “forte”, ma che inserendo una marcia più alta a basse velocità per ottenere le stesse prestazioni è necessario premere più a fondo l’acceleratore, con l’effetto di far lavorare il motore in una condizione a lui più favorevole.

Mappa iso-consumo

D'altro canto, come mostra la figura successiva, il motore elettrico è capace di erogare, fin dai bassi giri, la coppia motrice massima (tale coppia descresce in maniera iperbolica al regime massimo). L’accoppiamento di questi motori dunque rende possibile lo sfruttamento dei punti di maggiore efficienza di entrambi, utilizzando per le partenze il motore elettrico, per l’accelerazione il solo elettrico o entrambi i motori in percentuale variabile (a seconda della potenza richiesta dal conducente) e il motore termico per il mantenimento della velocità di crociera o la ricarica delle batterie.

Come si può notare dal grafico seguente, il motore elettrico è capace di erogare una potenza costante per gran parte del suo range di velocità (curva blu), a bassi giri invece il motore elettrico è in grado di trasmettere la massima coppia fino al raggiungimento della potenza massima del motore. Questa è la caratteristica che rende il motore elettrico particolarmente adatto alle accelerazioni.

Coppia e Potenza massime di un motore elettrico al variare del regime di rotazione

Altro aspetto che va tenuto presente, nell’ottica di riduzione dei consumi, è che ogni macchina elettrica in sé è in grado di lavorare sia in trazione che in generazione e quindi ogni veicolo ibrido cerca di sfruttare nei rallentamenti la capacità di “frenare” con il motore elettrico, recuperando parte dell’energia altrimenti dissipata per attrito dai freni.

Questo miglioramento dell’efficienza dell’intero veicolo non vuol dire unicamente bassi consumi, ma in alcuni casi anche alte prestazioni. Come molti forse sapranno la Formula 1, considerata da tanti la massima espressione tecnologica dell’automobile, da quest’anno propone auto ibride.

Il concetto di motore infatti è stato sostituito da quello della Power Unit (unità motrice), costituita da un V6 turbocompresso a benzina di 1,6 litri e da due motori elettrici, uno azionato dall’energia cinetica raccolta in frenata e l’altro, calettato sull’albero del gruppo turbo-compressore recupera parzialmente l'energia contenuta nei gas di scarico.Le due unità compongono il sistema elettrico di ausilio al motore termico e prendono il nome di ERS: Energy Recovery System. Per essere precisi, il motore-generatore preposto al recupero dell'energia cinetica eccedente dalle ruote motrici si chiama MGU-K (Motor Generator Unit - Kinetics) ed è direttamente collegato all’albero motore; quello preposto al recupero dell'energia termica dai gas di scarico del turbo, MGU-H (Motor Generator Unit - Heat) ed è ovviamente collegato alla girante del compressore, agendo come generatore durante le fasi di velocità costante. L'energia recuperata da MGU-K e MGU-H viene accumulata in un pacco batterie comune, della capacità doppia rispetto ai KERS delle Formula 1 degli anni precedenti; l'imponente elettronica di gestione, collegata alla sensoristica per la frenata posteriore, ha il compito di restituire la potenza recuperata secondo mappature preimpostate, non modificabili dai team. Da notare che l'energia recuperata dall'MGU-H viene restituita alla girante del turbo, per eliminarne il ritardo di risposta (turbo lag). Il risultato? Un'erogazione della coppia più lineare, a tutto vantaggio dell'efficienza termodinamica e delle prestazioni in accelerazione, ma con consumi minori del 30% rispetto agli anni scorsi. 

Di seguito un video esplicativo di come funzioni una Power Unit del campionato di Formula 1 2014:

Se e come ci possa essere una ricaduta sulle auto di tutti i giorni è un argomento tutt’ora controverso, in molti infatti sostengono che vi sia troppa diversità tra gli ibridi prestazionali della F1 e le vetture di serie, e che dunque solo le cosiddette supercar possano trarne vantaggi. Questo può essere vero se si pensa al recupero dell’energia in frenata. Un’auto stradale, nell’uso quotidiano, affronterà di norma lunghe frenate di bassa intensità, mentre una da competizione deve far fronte a fasi di frenata brevi e molto violente, con conseguente grosso carico sulle batterie, spingendo i progettisti ad utilizzare diverse logiche di gestione o addirittura sistemi completamente differenti. Ne è esempio la Porsche 911 GT3R Hybrid, utilizzata per la 24h del Nürburgring, che utilizza un volano per stoccare l’energia della frenata prima di essere riutilizzata in accelerazione.

La Porsche 911 GT3R Hybrid e il sistema di recupero dell'energia cinetica

“Per come stanno le cose adesso, sembra più probabile che le auto saranno spinte da motori a benzina o diesel di qualche genere. E’ abbastanza possibile, comunque, che verrà scoperto un sistema di accumulazione di energia elettrica che si dimostrerà più economico, ma ad oggi il motore benzina e quello diesel sembrano più promettenti”. Sembra una frase attuale, in realtà si tratta di una dichiarazione di Thomas Alva Edison del 1875.

Quello che frenò lo sviluppo della trazione elettrica, allora come oggi, fu la caratteristica del motore termico di poter andare “ovunque, in ogni momento e come si vuole”, proprio per la possibilità di accumulare velocemente energia mediante rifornimento presso le aree di servizio. Ad oggi la situazione è simile, ma il contesto è differente. La sensibilità in tema di inquinamento atmosferico e le nuove leggi contro le emissioni sono stimolo per l’introduzione di nuovi schemi di trazione più volti all’efficienza. Le normative volte riduzione degli inquinanti e in particolare della CO2, non sostanza nociva a tutti gli effetti ma responsabile dell’effetto serra, sono sempre più stringenti: dal 2020 ogni produttore di auto dovrà garantire che le proprie vetture dell’intera gamma di nuova immatricolazione non emettano più di 95 g/km di anidride carbonica, corrispondenti ad un consumo di circa 4L/100km. In questo contesto le architetture ibride ed elettriche si rivelano essere estremamente efficaci,infatti un’auto ibrida ha un rendimento pari al doppio del rendimento di un’auto equipaggiata dalla sola unità termica (si raggiungono rendimenti complessivi superiori al 40%). Sempre per citare Edison “è molto difficile introdurre una rivoluzione se non c’è un chiaro e diretto vantaggio per l’utilizzatore finale”. Molto difficile si, ma a noi la parola impossibile non piace. Probabilmente nei prossimi decenni non si riuscirà a fare a meno dei motori a combustione, ma consumeremo ed inquineremo sempre meno. E noi ci stiamo già lavorando.

XAM e XAM 2.0 al traguardo della Shell Eco-marathon (sinistra) e della Future Car Challenge (destra)

Perché consumare di più con le stesse prestazioni?

Come starà certamente pensando l’Omino Michelin della figura riportata qui sotto, trasportare cose, o persone, trascinandole, è molto faticoso: infatti il trascinamento crea una forza resistente all’avanzamento. Grazie all’invenzione della ruota si è riusciti a ridurre questa forza di attrito “quasi” a zero. Gli pneumatici, infatti, durante il loro funzionamento applicano una resistenza al rotolamento dovuta alla loro deformazione. Minimizzare questa “forza” porterebbe a minori consumi di carburante.

I principali fattori che influenzano la resistenza al rotolamento sono:

• Carico Verticale, che produce una resistenza linearmente proporzionale alla massa del veicolo. 
• Velocità di rotazione. 
• Temperatura esterna: la resistenza al rotolamento diminuisce dello 0,6% per un incremento di temperatura di 1°C tra i 10°C e i 40°C. 
• Tempo di warm-up, in quanto la gomma, essendo termicamente isolante, ha bisogno di un “certo tempo” per raggiungere la temperatura di funzionamento ideale. 
• Rugosità del fondo stradale: lo pneumatico dissipa minore energia tanto più il manto stradale è liscio. 
• Pressione di gonfiaggio: viaggiare con pneumatici sgonfi peggiora nettamente i consumi di un’automobile.

La resistenza al rotolamento è, indicativamente, dovuta a:
- 85% isteresi del materiale del battistrada e della spalla che si deforma durante il rotolamento,
- 10% perdite di tipo aerodinamico, dovute alla turbolenza generata da uno pneumatico in rotazione,
- 5% micro slittamenti tra il battistrada ed il terreno.

I principali fattori che influenzano la resistenza al rotolamento

Per spiegare meglio la natura viscoelastica della gomma vulcanizzata occorre analizzare il livello molecolare. La gomma è formata da lunghe catene di polimeri, legate fra di loro da ponti di zolfo che si sono formati durante la vulcanizzazione. Ogni catena polimerica si comporta come una molla perfetta (comportamento elastico), tuttavia, quando la carcassa viene deformata, le catene di molecole strisciano fra di loro, generando attrito, da cui la componente viscosa.

Ecco spiegato il comportamento elastico delle catene polimeriche

Il sistema descritto può essere modellizzato attraverso il noto sistema molla-ammortizzatore e la sua equazione:

Dove: sigma è la tensione , epsilon l’allungamento, gamma la viscosità ed E il modulo di Young

I continui stati di compressione e trazione a cui uno pneumatico, durante il rotolamento, è sottoposto determinano una dissipazione di energia che è chiamata isteresi, componente fondamentale per l’aderenza, ma contemporaneamente causa della resistenza al rotolamento. La rigidezza di una copertura sarà dunque funzione sia della resistenza al rotolamento sia del massimo grip ottenibile.

Grande importanza rivestono quindi il modulo elastico, indice della rigidezza dello pneumatico, e l’energia dissipata per isteresi. Queste due grandezze sono influenzate dalla temperatura di utilizzo, come si può notare dal grafico in figura dove la gomma presenta una transizione da un comportamento rigido (vetroso) ad uno flessibile per un determinato valore di temperatura, in corrispondenza del quale vi è anche il massimo delle perdite per isteresi, corrispondente al punto di maggiore aderenza.

Andamento del modulo elastico e delle perdite per isteresi al variare della temperatura

Altre dipendenze di questi due parametri sono la deformazione e la frequenza di sollecitazione. Per quanto riguarda la deformazione, la gomma di uno pneumatico, infatti, presenta un aumento della flessibilità tra l’1 e il 15% di deformazione, in particolare in questo tratto non lineare di deformazione vi è il massimo delle perdite per isteresi.
Molto più importante è l’andamento dell’isteresi al variare della frequenza di sollecitazione. Durante il rotolamento la massa dello pneumatico (il battistrada) viene deformato ad una frequenza pari al numero di giri della ruota, che espressa in Hz vale circa da 10 a 150 Hz.
La frequenza di sollecitazione dovuta all’aderenza, cioè ai micro-slittamenti della parte superficiale del battistrada in contatto con il fondo stradale, è invece di gran lunga superiore: può andare da 1000 Hz fino ad un ordine di miliardi di Hz.
Il campo di frequenza della Resistenza al Rotolamento è quindi molto diverso da quello dell’aderenza.

Andamento del modulo elastico e delle perdite per isteresi al variare della deformazione (sinistra) e della frequenza di sollecitazione (destra)

Per ridurre la resistenza la rotolamento si può:

· Ridurre la massa di materiale deformabile, di norma riducendo lo spessore del battistrada, andando però incontro ad una riduzione della vita dello pneumatico.
· Ridurre l’ampiezza delle deformazioni maggiorando le dimensioni della copertura, ma con ovvie ripercussioni sulle masse.
· Ridurre l’energia persa per isteresi dal composto, diminuendo sia la resistenza al rotolamento che la massima aderenza.

Vi è però un’altra strada che si può percorrere per diminuire la resistenza al rotolamento. Grazie al processo di vulcanizzazione, in cui le catene polimeriche vengono legate tra loro da ponti di zolfo, si rende elastica la gomma. Vengono usati anche additivi aggiunti per migliorare le performance dello pneumatico, denominati filler o riempitivi. E’ quindi possibile utilizzare per la mescola una carica rinforzata con nerofumo, che favorisce un’alta isteresi e dunque grande aderenza, o con silice SiO2, che invece limita questo fenomeno, inducendo dunque minori perdite.

Dettaglio dei ponti di zolfo instaurati con la vulcanizzazione, in grigio si possono notare le particelle del riempitivo

Un metodo innovativo, di cui Michelin ha depositato il brevetto ma che ha deciso di liberalizzarne l’utilizzo, prevede l’utilizzo come filler della silice al posto del nerofumo. Essa però non si lega naturalmente alle catene polimeriche, fattore che garantisce una migliore dispersione del materiale, e dunque necessita di un agente legante: il silano. Detto composto reagisce con i ponti di zolfo che legano le catene polimeriche e ha l’effetto positivo di dissipare maggiore energia alle alte frequenze, che si traduce in un maggiore grip, e, contemporaneamente, ridurre le perdite per isteresi alle basse frequenze, legate alla deformazione dovuta rotolamento, rispetto ad uno pneumatico al nerofumo. Questo sistema inoltre permette di impiegare una quantità di silice minore e di migliorare la sua dispersione, rendendo più omogenea la mescola. Ciò influenza notevolmente la riduzione dell’isteresi a basse frequenze.

Confronto tra uno pneumatico con nerofumo (in nero) e uno con la silice (in verde)

Ma quanto incidono gli pneumatici sui consumi? Occorre fare un piccolo esempio.
Innanzitutto un veicolo subisce fondamentalmente 5 tipologie di forze resistenti all’avanzamento:

• Forze aerodinamiche 
• Forze interne di attrito 
• Forza gravitazionale 
• Forze di inerzia 
• Resistenza al rotolamento dello pneumatico

In un veicolo la resistenza al rotolamento è definita come l’energia dissipata dallo pneumatico per unità di distanza percorsa. Essendo la resistenza al rotolamento proporzionale al carico verticale si definisce il coefficiente di resistenza al rotolamento CRR:

Ipotizzando di avere un veicolo di massa pari a 1100 kg , equipaggiato con un motore di circa 65 cavalli e due tipologie di pneumatici: il primo di tipo tradizionale al nerofumo (o carbon black) con un coefficiente di resistenza al rotolamento di 12 kg/t (classe F per rendimento energetico), mentre il secondo è uno pneumatico “verde” con una mescola a base di silice, il cui coefficiente è 8,5 kg/t (classe C). Per rendere l’idea dell’importanza dello pneumatico sui consumi, gli pneumatici forniti da Michelin al Team del Politecnico hanno un coefficiente di resistenza pari a 1,2 kg/t, dieci volte inferiore a quello di uno pneumatico tradizionale.
SI può immaginare, dunque, di guidare il veicolo con entrambe le tipologie di pneumatici e percorrere: un percorso urbano, un tratto extraurbano ed una marcia in autostrada e, quindi, misurare le differenze di consumo nei tre casi. Il risultato è, come ci si poteva aspettare, un miglior consumo dello pneumatico “verde”, che in città consuma il 3,2% in meno, in extraurbano il 4,7% e in autostrada il 3,9%.
Partendo da questo risultato si può notare come nella vita di uno pneumatico, assunta come pari a 45000 km, si risparmino 250 L di carburante solamente avendo apportato modifiche alla resistenza al rotolamento dello pneumatico.

Alcuni membri del Team sul tracciato di Ladoux durante i Michelin Green X Students Days

Formula E as Shell Eco-marathon: competitions at the basis of future mobility

Can a FIA world championship be compared to an international race for students? Is it possible to equal 270 bhp racing cars to 1 kW little vehicles designed for optimal fuel efficiency? Though it might sound crazy the right answer is both yes and no. Don’t worry we “haven’t gone nuts”. We are talking about Formula E and Shell Eco-marathon.

Formula E (left) and Shell Eco-marathon (right)

But let’s start from the basis.

Shell Eco-marathon, to which Team H₂politO proudly takes part since 2008, is a competition aimed at University and High School students. Its objective is to make students design vehicles , both prototypes and urban concepts whose extremely low consumptions make them reach a rank, not their speed. This competition is held worldwide but for obvious logistic and economical reasons the same race is organized in different periods of the year and in three different locations: Europe, which this year will reach the 30^th edition, Asia and Americas, that started hosting races a few years after Europe. Team  H₂politO takes part to the Shell Eco-marathon Europe, which in the last four years (the location may change from year to year) was held through the roads surrounding the Ahoy Arena, in Rotterdam (Nederland)  with its vehicles IDRA e XAM, presented in this blog in the last weeks.

Formula E, a new typology of racing born within the FIA championship, is the very first single-seater championship for fully-electric racing cars. Introduced in September of 2014 will see participating teams running in the heart of some of the biggest cities in the world such as London, Beijing and Miami. The objective of this racing series is, as tradition in motorsports, to push the effort in research and development  of road cars through the experience gained on track. In this case Formula E, regarding fully electric cars, aims to stimulate the interest of fans and to develop further this particular field, growing the awareness in the field of a more sustainable mobility.

And it’s for this reason that Team H₂politO thinks that the two competitions have more in common than what it might not appear. Shell Eco-marathon too proposes itself to “continue to spark the debate about the future of mobility and inspire students to push the boundaries of fuel efficiency. And one of our contributions is the constant review and update of the competition rules, reflecting new trends in both the automotive and energy industries”. Moreover, besides the competition, Shell and its partners organize during  practice and race days an exhibition called Shell Energy Lab, where visitors of any kind are involved in activities that represent a journey through the ideas of the future of energy and mobility.

 

Comparison between Formula E launch video and Team H2politO's Communication Award

video campaign for Shell Eco-marathon 2014

Obviously the technical contents through which the two competitions hope to reach the same target are completely different.

Formula E, for its first championship, chose a single car to be used by all participants, the Spark-Renault SRT_01E. This single-seater car has an electric powertrain and electronics provided by McLaren Electronics Systems, the world leader in high-performance technology for motorsport, that equipped with the battery stake from Williams Advanced Engineering, part of the Williams group owner of the world famous F1 team, is able to provide a power output of 200 kW (270 bhp). The power in racing mode is set to 150 kW (202.5 bhp) to assure the best autonomy during the race but can be taken up to 180 kW (243 bhp) for 5 seconds per lap, exploiting an innovative interaction with the social networks (the most voted driver on social networks during the race can access this kind of “boost”). Despite this power reduction the driver must pit during the race to swap the car, creating interesting scenarios for the strategy and the control of the electric engines. These are capable of impressive performances even if they are a “100% green type of engine”: 0-100 km/h takes 3 seconds, the top speed is 225 km/h and all of this without emitting a single gram of CO₂. Big attention is dedicated to aerodynamics, specifically  optimized to help during overtakes, to chassis and bodyworks. Dallara, the celebrated Italian factory, takes care of designing the vehicles and granting the same safety standards of the Formula One. Race cars are made of  alluminum, carbon fiber and Kevlar with exceptional results both in structural stiffness and in weight reduction.

The Spark-Renault SRT_01E

As explained before this choice will regard just the first year of races. From next season on the Formula E circus will accept new suppliers and design variations, aiming at a more refined engineering competition. We are just at the dawn of a new way of seeing racing series in the vast motorsport world. 

Formula E in London

By the way, cars enrolled in Shell Eco-marathon are deeply different. First of all the competition is divided in two categories: Prototypes, extreme vehicles such as our IDRA, and Urban Concepts, city car-looking vehicles like our XAM. Both categories are furthermore divided by the type of fuel the vehicles use. You can find internal combustion engines, both conventional and hybrids, powered by Shell FuelSave Unleaded 95 (Europe and Asia)/Shell Regular 87 (US) gasoline vehicles indeed, Shell FuelSave Diesel (Europe)/Shell Diesel (Asia and US), Ethanol E100 100% second generation bio-ethanol from the scraps of the agriculture, Shell Gas to Liquid, CNG, natural gas like methane and electric vehicles powered either by batteries or hydrogen fuel cells. Thanks to the great variety of the fuels and the broad freedom in the technical rules Shell Eco-marathon has a incredibly huge range of technical and stylish solutions, put on track by future designers, technicians and engineers.

IDRA (left) and XAM (right) at Shell Eco-marathon

The competition format aims at raying to simulate everyday conditions a vehicle might find itself while being used in a big city, so the average speed around the track is generally around 25 km/h. This average is due to the fact that rules oblige participants to cover the distance of 16,117 km of the track in less than 39 minutes (exceeding that time invalidates the achieved result).

In these terms thinking of a race strategy becomes a must. Our Team Members constantly communicate during the race with the driver in order to provide him or her the necessary information in order to use as less fuel as possible. The most efficient vehicle in its category wins by achieving that goal.

Don’t think that, due to the low speed and the apparently worse performances, with all due respect to motorsport vehicles, Shell Eco-marathon might feel a boring or not fascinating race. Participants live every single run (4 attempts during 3 racing sessions) feeling their hearts pounding. Those will be the longest 39 minutes  that they will ever experience.

Deep differences but a common goal, work together for a sustainable mobility, against pollution and the growing congestion of our cities, building in new generations the idea of a cleaner world even though following different paths.

Team H₂politO is involved, with Shell Eco-marathon, as Formula E to accelerate this change. Are you?

Team H2politO at Shell Eco-marathon 2014

La Formula E come la Shell Eco-marathon: la competizione come base per il futuro della mobilità

Può un campionato mondiale FIA essere paragonato ad una competizione internazionale di studenti? Possono essere messi sullo stesso piano “bolidi” da oltre 270 CV e “veicoletti” da 1 kW pensati per  consumare meno possibile? La risposta è: sì è possibile, e no, non siamo completamente pazzi: parliamo di Formula E e della Shell Eco-Marathon.

Formula E (sinistra) e Shell Eco-marathon (destra)

Ma occorre procedere con ordine.

La Shell Eco-marathon, a cui il Team H₂politO partecipa orgogliosamente dal 2008, è una competizione, destinata a studenti dell’Università e delle Scuole Superiori, il cui obiettivo è progettare veicoli, sia prototipi che “urban concept” (quasi auto da città), la cui prestazione in gara è valutata in termini di minor consumo in termini energetici e non della sola posizione in classifica raggiunta grazie alla velocità. Questa competizione, per ovvi motivi logistici e di budget dei partecipanti, esiste in tre differenti continenti: in Europa, che quest’anno arriva al traguardo della 30^a edizione, Asia ed America, queste ultime due storicamente più giovani. Il Team H₂politO prende parte alla Shell Eco-marathon Europe che si svolge da quattro anni nel circuito cittadino realizzato attorno all’Ahoy Arena di Rotterdam (Paesi Bassi) con i suoi veicoli IDRA e XAM, presentati le scorse settimane all’interno di questo blog.

La Formula E, neonata nell’elenco dei campionati FIA, è la prima competizione di velocità per monoposto totalmente elettriche che, introdotta nel settembre di quest’anno, correrà nel “cuore” di alcune delle più grandi città del mondo tra cui: Londra, Pechino e Miami. L’obiettivo di questa gara è, come da tradizione nelle competizioni motoristiche, stimolare lo sviluppo di nuove soluzioni per auto stradali partendo dall’esperienza della pista. Nello specifico, trattandosi di auto elettriche, la Formula E si prefigge di stimolare l’interesse e la ricerca in questo particolare ambito, sensibilizzando il grande pubblico alle tematiche della mobilità sostenibile.

Ed è proprio questo obiettivo che, secondo il Team H₂politO, lega profondamente le due competizioni. Anche la Shell Eco-marathon, infatti, si propone di “continuare ad alimentare il dibattito sul futuro della mobilità e ispirare gli studenti a spingere sempre più lontano i confini dell’efficienza energetica. E uno dei nostri contributi è la continua revisione e aggiornamento delle regole della competizione, che riflette le nuove tendenze sia nel settore automobilistico che in quello delle compagnie energetiche”. Inoltre, oltre alla competizione, la Shell e le aziende partner della Shell Eco-marathon organizzano, nei luoghi e nei giorni dell’evento, un’esposizione denominata Shell Energy Lab, in cui visitatori di ogni età vengono coinvolti in attività che rappresentano un viaggio educativo nel futuro dell’energia, tecnologia e mobilità.

Il confronto tra il video di lancio della Formula E e quello del Team H2politO 

usato per la candidatura al Communication Award della Shell Eco-marathon 2014

Le differenze nei contenuti tecnici con cui le due competizioni  si prefiggono di arrivare al comune obiettivo sono, ovviamente, completamente differenti.

La Formula E, per il suo primo anno di competizioni, ha infatti scelto una macchina unica,  la Spark-Renault SRT_01E, con cui i diversi concorrenti si metteranno alla prova. Una monoposto spinta da due motori elettrici McLaren Electronics Systems, leader nel settore del motorsport, che insieme alle batterie fornite da Williams Advanced Engineering, parte del gruppo Williams che include anche il prestigioso team di F1, forniscono una potenza massima di 200 kW (270 CV) in qualifica, mentre in gara la potenza viene ridotta a 150 kW (202.5 CV) per garantire la massima durata in gara e che può essere portata a 180 kW (243 CV) per 5 secondi  al giro per mezzo di un’innovativa interazione con i social networks, che permette al pubblico di interagire con la gara votando per il proprio pilota preferito. Nonostante questa riduzione di potenza il pilota è obbligato dal regolamento a fermarsi ai box per cambiare auto durante la gara, creando quindi interessanti spunti sulla strategia di gara e sulla gestione dei motori elettrici, capaci di prestazioni di tutto rispetto: accelerazione 0-100 km/h in 3 secondi e velocità di punta di 225 km/h, e tutto senza emettere un grammo di CO₂. Grande attenzione è stata anche dedicata all’aerodinamica, studiata ad hoc per favorire i sorpassi, al telaio e alla carrozzeria. Questi ultimi, progettati dalla celebre azienda italiana Dallara, sono conformi agli stessi standard di sicurezza della Formula 1 e realizzati in alluminio, fibra di carbonio e kevlar, garantendo eccezionali risultati in materia di riduzione di peso.

La Spark-Renault SRT_01E

Come anticipato questa è stata la scelta per il primo anno di attività, dalla prossima stagione il “circus” della Formula E potrà aprirsi a nuove scelte progettuali  volte maggiormente alla competizione ingegneristica. Non si è che all’inizio di una nuova specie di competizioni di velocità.

La Formula E a Londra

Le vetture impegnate alla Shell Eco-marathon sono invece sono profondamente diverse. Innanzitutto alla competizione prendono parte due diverse categorie di vetture: prototipi, vetture estreme come la nostra IDRA, e Urban Concept simili a XAM, ed entrambe le categorie si suddividono ulteriormente in base all’alimentazione. Vi sono infatti : motori a combustione interna,  ibridi e non di cui per combustibile Shell FuelSave Unleaded 95 (Europe and Asia)/Shell Regular 87 (US) ovvero veicoli a benzina, Shell FuelSave Diesel (Europe)/Shell Diesel (Asia and US), Ethanol E100 100% Bio-Etanolo di seconda generazione, ovvero di derivazione da scarti di produzioni alimentari, Shell Gas to Liquid, CNG, gas naturale simile al metano, e veicoli elettrici alimentati a batterie o ad idrogeno. Data la grande varietà di possibili motorizzazioni e la libertà regolamentare data dal regolamento della Shell Eco-marathon si ha un’incredibile varietà di soluzioni stilistiche e tecniche, messe in campo dai futuri progettisti, ingegneri e tecnici che partecipano in qualità di studenti alla gara.

IDRA (sinistra) e XAM (destra) alla Shell Eco-marathon

Il format della competizione gara è fatto per essere rappresentativo per un veicolo in marcia in una grande città, dunque la velocità media è di circa 25 km/h, tipica di un grande centro urbano. Questa velocità impone il tempo massimo di gara, i partecipanti devono infatti percorrere i 16,117 km del tracciato in meno di 39 minuti, pena cancellazione del risultato. E attenzione, qui non si parla di chi taglia per primo il traguardo o di chi raggiunge la maggiore velocità, il risultato in classifica è dato dal consumo energetico equivalente misurato in km per litro di benzina, oppure in km/kWh,in modo da confrontare anche diverse categorie. Diventa dunque di fondamentale importanza la strategia di gara, oltre alla validità del progetto, curata come ogni aspetto tecnico dai ragazzi del nostro Team, che comunicano costantemente con il pilota per fornirgli le indicazioni necessarie, proprio come succede in un Team di Formula E.  Il più efficiente vince, con un premio dedicato ad ogni fonte di energia e categoria. Non si pensi che, data la bassa velocità e le “prestazioni” apparentemente  inferiori rispetto a veicoli da competizioni velocistiche, sia una gara poco appassionante. I partecipanti vivono ogni singolo run di gara (4 i tentativi disponibili in 3 sessioni di gara) con il cuore in gola, e sono i 39 minuti più lunghi che abbiano mai vissuto.

Profonde differenze ma un obiettivo in comune dunque, lavorare insieme per una mobilità sostenibile, contro l’inquinamento e il congestionamento delle nostre città, verso un mondo migliore e più pulito, anche se con metodi diversi. Il Team H₂politO è impegnato, con la Shell Eco-marathon, come  la Formula E per accelerare questo cambiamento. E voi?

Il Team H2politO alla Shell Eco-marathon 2014