Carburante

Risparmiare carburante in auto

I modi per risparmiare carburante più o meno efficaci in un veicolo sono molti, intanto bisogna distinguere se il risparmio avviene per una azione umana come comportamenti alla guida e manutenzione oppure se per modifiche puramente meccaniche e/o impiantistiche.

Bassi giri e marcie alte

Le rapide accelerazioni consumano molta più energia rispetto a quello che può sembrare, possono andare bene nelle gare dove l’imperativo è arrivare primi, qui invece è il contrario, l’ideale sarebbe quindi accelerare meno intensamente possibile e magari anche per meno tempo possibile, un’aiuto può essere dato dal cambio, per esempio se cambiate molto in anticipo, quasi vicino allo spegnimento del motore, avrete un’accelerazione meno intensa anche se premete con forza il pedale, avrete anche meno cicli al secondo che permette di avere meno attriti sia meccanici che nei gas e quindi trasformazioni più ideali ed efficienti. Se avete un indicatore della temperatura, beh potete visualizzare una parte di attriti e inefficienze e notare come con basse accelerazioni e quindi con marcie alte il motore abbia meno sprechi in attriti e rimanga quindi più fresco.

Velocità costante

Tenere una volocità più costante possibile, una velocità costante teoricamente avrebbe anche un’accelerazione nulla, nella realtà servirà una certa accelerazione per alimentare le varie forze di attrito.

Conservare l’energia cinetica

Una famosa formula della conservazione dell’energia cinetica di validità generale è E=1/2mv2ci dice quant’è l’energia per una massa m ad una velocità v, (in realtà ci sarebbe anche l’energia di rotazione 1/2Iw2). Questa diciamo che sarebbe in parte anche l’energia da spendere partendo da fermi in quanto da fermi l’energia cinetica è nulla.

Rallentare gradualmente

In città si vedono a volte certi bolidi cercare di inchiodare un veicolo ai 300km/h a un metro dal semaforo rosso o dallo stop e buttare nei freni tutta l’energia cinetica del veicolo, poi scatta il verde e ancora altra energia che se ne va, semafori a parte (anche se esistono quelli intelligenti, non vengono usati) un comportamento migliore sarebbe quello di rallentare gradualmente già a distanza dal semaforo rosso, in questo modo si conserva una certa energia cinetica che continua a diminuire lentamente, male che vada col passare del tempo ci si ferma ma se dovesse uscire il verde ci vorrebbe solo una minima spesa di energia per ritornare in velocità, inoltre se malauguratamente a metà strada dovesse attraversare improvvisamente una qualsiasi cosa, animale o persona (riflessi permettendo) ci sarebbero meno danni per tutti.

Inoltre a parità di massa e potenza meccanica sviluppata dai motori (W=E/tempo) l’energia richiesta è minore e siccome t=E/W è molto piccolo, ci mettereste anche meno tempo nel raggiungere v rispetto a uno che cerca di ripartire da fermo e che quindi chiede molta energia, (ah potete usarlo anche nel gioco del calcio per scartare gli avversari).

Strade lisce

Preferire strade molto lisce e in perfette condizioni, il paradosso sono due autoPercorsoliscio   che viaggiano alla stessa velocità e direzione ma una prende una strada che va su e giù piena di pietre curve, ghiaia, dossi e altri ostacoli, l’altro ne prende una liscia rettilinea e ben asfaltata, a parità di livello di altezza iniziali e finali delle strade, farà sicuramente meno strada e quindi sprecherà anche meno Energia quello che percorrerà la strada liscia sia per la tenuta delle gomme ma più che altro per forze varie di attrito, E=Fs cioè una parte di energia E(J) sarà spesa anche per le forze di attrito F(N) per lo spostamento s(m).

Percorsi ricchi di Ossigeno

Una combustione ricca di Ossigeno è più efficiente rispetto alla stessa in una luogo chiuso o inquinato come una galleria, questo è un esempio, è un po’ lo stesso effetto che si avrebbe iniettando il NOS (protossido di Azoto) nel carburatore, questo è simile all’aria ma ha un contenuto maggiore di Ossigeno. Preferire per esempio un parco ricco di vegetazione in una giornata soleggiata, ricordatevi che la fotosintesi clorofilliana produce Ossigeno solo grazie alla luce solare, di notte si ha solo la produzione di CO2.

Curve di raggio massimo

Disegnare curve di raggio molto largo per non rallentare, in questo modo la vostraCurva curva somiglia più ad una linea. Inoltre la forza centrifuga Fc(N)=mv2/R con R raggio(m), v velocità(m/s), sarà meno intensa e cercherà di contrastare meno la forza di attrito statico che vi tiene incollati al terreno. Fa(N)=usmg con us coefficiente attrito statico (minore di 1), m massa(kg), g accelerazione gravità(m/s2), se Fc>Fa scivolate via, non solo, il coefficiente di attrito una volta in scivolamento passa da statico a dinamico (ud minore di us) e questo fa si che una volta scivolati sarete ancora meno incollati al terreno, quindi per riprendere il controllo dovrete strisciare per un bel po’ di metri.

Evitare pesi

Evitare di trasportare grosse masse o carichi in generale, questo è molto importante, siccome già i veicoli pesano circa 2000kg, se aggiungiamo altri carichi il peso complessivo aumenta, ricordando che ci vuole più energia e quindi più combustibile per rimettere in velocità una massa più pesante o se volete accelerarla rispetto ad una più leggera, inoltre un veicolo pesante avrà una maggiore usura dei freni e una minore sicurezza in frenata (decelerazione lenta) , consumi maggiori e maggior inquinamento. Anche l’accelerazione è un sinonimo di sicurezza (se usata correttamente), sopratutto per svincolarsi velocemente da incroci o situazioni pericolose, 2° legge di newton F=ma se aumenta la massa, l’accelerazione diminuisce a parità di forza.

Evitare consumi elettrici

Evitare di tenere gli anabbaglianti accesi o comunque grossi carichi elettrici in quanto non è tanto la batteria ma l’alternatore che sottrarrà più energia meccanica all’asse per poter fornire più energia alla batteria per poter alimentare i consumi e quindi in sostanza come l’alternatore per le biciclette, si frenerà di più l’asse per accendere le luci o i carichi elettrici a bordo, e quindi a meno che non vogliate rallentare dovrete spendere più carburante.

Pulire i filtri

Pulite sempre i filtri dell’aria, una macchina termica con filtri puliti farà passare meglio aria e quindi dovrebbe dare esplosioni chimiche più efficienti anche in pieno traffico, in realtà ormai ci sono le centraline elettroniche che controllano la quantità di ossigeno e regolano quindi l’ingresso, ma se i filtri sono tappati non si riesce a regolareare un bel niente.

Usare un turbo

Usare una ventola come qua per mandare più aria al motore permette di avere una combustione più efficiente, il consumo della ventola rispetto al guadagno è trascurabile.

Gonfiare le gomme

Dare una bella gonfiata alle gomme quando possibile senza esagerare, gomme più gonfie permettono di scaricare meglio a terra l’energia senza deformarsi o comprimersi sopratutto alla partenza o in situazioni critiche, anche se la superficie di contatto fra gomma e strada si ridurrà ad un punto o una linea per contro gomme troppo gonfie comporteranno più usura dei pneumatici e delle sospensioni.

Controllare l’aerodinamica

L’attrito con l’aria oltre a dipendere dal coefficiente di aereodinamicità dell’auto, varia anche col variare della velocità alla terza (v3) del veicolo (o dell’aria), quindi per velocità basse fino a 3km/h è abbastanza trascurabile, oltre comincia a farsi sentire esponenzialmente quindi occhio a trasportare armadi o canotti o piscine gonfie sul portapacchi in autostrada, come anche attenzione a tenere i finestrini aperti a quelle velocità, di solito ai 90km/h il 50% di energia è speso per spingere l’aria, anche i forti venti possono fare lo stesso effetto.

Serbatoio pieno

Se non dovete fare viaggi lunghi è consigliabile tenere il serbatoio poco pieno per avere meno peso.

Vibrazioni del volante

Le vibrazioni del volante a destra e a sinistra sopratutto ad alte velocità vi faranno percorrere più strada di quella ideale.

Ruote a bassa inerzia

A parità di massa preferire ruote non a forma di anello ma di disco pieno o anche cilindro pieno, il momento di inerzia di un anello è mr2 (massa x raggio al quadrato) quello di un cilindro pieno o disco pieno è la metà, una ruota ancora migliore del disco o cilindro pieno è la sfera piena con momento 2/5mr2, il momento d’inerzia migliore in assoluto è quello di un’asta rigida (non che rotola se no sarebbe un cilindro ma che ruota attorno al suo baricentro) con 1/12mr2 ma apparte l’essere umano o dei trampoli forse è impossibile trovare ruote a forma di aste rigide, quindi in una gara fra un anello, un disco pieno, un cilindro pieno e una sfera piena con le stesse masse arriverà prima la sfera piena poi secondi a parità di merito disco e cilindro pieni e poi l’anello. E’ una questione di distribuzione di massa rispetto all’asse. una ruota con minore inerzia accelera e decelra prima, quindi è più efficiente.

Ruote grandi

Siccome l’energia cinetica dalle ruote è 1/2Iw2, a parità di peso, inerzia e velocità di traslazione, ruote con diametro maggiore girano più lentamente e quindi accumulano meno energia cinetica di rotazione rispetto a ruote piccole, sia in accelerazione e sia in decelerazione, oltre a consumare meno il battistrada, se un veicolo accelera e decelera quasi sempre durante la guida il vantaggio teoricamente è rilevante, spesso scelte pratiche sono influenzate da peso e diametro della ruota.

La macchina termica

Come funziona una macchina termica? Una macchina termica è qualcosa che Macchinatermicaconverte calore in lavoro, una macchina termica presenta due sorgenti a temperature diverse, una ad alta temperatura Ta e una a bassa temperatura Tb, una macchina termica non riesce mai a trasformare completamente il calore in lavoro meccanico e una parte del calore dalla sorgente ad alta temperatura fluirà alla bassa temperatura, il rendimento massimo teorico è 1-Tb/Ta (in Kelvin) cioè il limite di Carnot e si raggiunge solo con macchine reversibili cioè ideali senza attriti, con tutti gli stati in ogni istante in equilibrio termico meccanico e chimico, le cui trasformazioni avvengono molto lentamente precisamente in tempi infiniti e in condizioni ottimali, i cui scambi termici avvengono senza differenza finita di temperatura ma attraverso variazioni infinitesime di temperatura, ovviamente è impossibile avere nella realtà macchine di questo tipo già soltanto per gli attriti.

Le macchine comuni sono dette irreversibili e presentano almeno un fattore di irreversibilità e rendimenti reali sulla ruota molto meno della metà, molto lontani dal ciclo di Carnot ideale cioè solo 1-Qb/Qa dove Qa è il calore della combustione interna della benzina e Qb è quello ceduto ai gas di scarico nella marmitta e pur troppo questi due calori sono molto simili in quantità, quando nell’idealità se non nullo dovrebbe comunque Qb essere molto piccolo.

Le perdite in una macchina irreversibile cioè una macchina commerciale comune sono ovunque, le Reversibiletrasformazioni avvengono molto rapidamente e quindi senza equilibrio termico (ci sono parecchi °C di differenza di temperatura solo negli scambi termici), meccanico (l’aria si muove disordinatamente e si ostacola internamente come se si spingesse un peso da parti opposte) e chimico (trasformazioni troppo rapide, incombuste, in presenza di Azoto, che rendono poca energia con formazione di ossidi e calore), non solo, anche se non è facile realizzare una buona macchina termica e anche se non esistono materiali perfettamente isolanti questi non vengono nemmeno usati.

Per esempio vediamo una trasformazione a caso, per fare un’espansione adiabatica (comune al ciclo Diesel e Otto) bisognerebbe isolare il cilindro termicamente in modo che il calore non possa uscire e usarlo per scaldare ed espandere il gas contro il pistone per far girare l’asse, ma i materiali usati per il cilindro sono metalli (Alluminio, Ghisa, Acciaio) e Adiabaticanon certo isolanti, una parte di calore quindi viene persa attraverso le pareti del cilindro (come un secchio bucato) e finisce nel radiatore ed è una grossa fetta, stessa cosa per il pistone di Alluminio. Gli attriti col pistone (che ricordiamo non dovrebbero esserci) innalzano la temperatura del motore fondendo o rammollendo l’Alluminio, inoltre la temperatura elevata dei motori causa una perdita per irraggiamento.

Il problema dell’attrito col pistone non è così trascurabile come può sembrare, il Attritopistonecalore generato per strisciamento non lo regala nessuno ma proviene dalla combustione, inoltre gli attriti tendono ad usurare di più solo certe parti del cilindo e del pistone, infatti data la presenza di biella e manovella, si hanno forze oblique che hanno una componente laterare (oltre quella verticale) spesso molto intensa, si potrebbe fare una biella lunghissima per minimizzare gli attriti.

Ma la cosa ancora più ridicola è che non solo si butta calore prezioso dal radiatore ma si spende ancora ulteriore energia per farlo, per accendere la ventola del radiatore da 100W e la pompa da 40W si spreca energia che deriva dall’alternatore che deriva dall’asse del motore che deriva dal calore della benzina con tutti i rendimenti in mezzo, quindi si spreca calore per sprecare calore, per non parlare della pressione raggiunta negli iniettori (2000 bar) con il consumo di molti Watt.

Ci sono poi le perdite per rotolamento dei pneumatici, nella trasmissione, nel cambio ma probabilmente la perdita maggiore si ha nello scarico del motore, 500°C sembrano eccessivi (a questo punto si potrebbe realizzare un angolo cottura su radiatore e marmitta).

Inoltre (per il cilo Otto) c’è sempre il problema dell’autoaccensione che limita le massime temperature utilizzabili, inoltre si verificano infiltrazioni d’olio nella camera di combustione generando altri inquinanti oltre al particolato e ossidi vari. Il ciclo Otto o Diesel hanno teoricamente dei rendimenti ideali anche molto alti per essere macchine termiche circa 50% 60% contando le temperature tipiche dei motori tradizionali, ma il rendimento pratico del solo motore (in città) è circa il 15% e (diminuisce con il tempo).

Altri cicli

Visti i limiti dei motori a combustione interna si potrebbero abbinare o impiegare motori a combustione esterna, sono motori che usano per esempio il ciclo di Carnot (composto da 2 isoterme e 2 adiabatiche) o il ciclo di Stirling (composto da 2 isoterme e 2 isocore), dove basta una fiamma per muoversi e dove si può bruciare qualsiasi cosa, anche mediante pirolisi. Guardate questo o questo o questo o questo o questo esempio. Nel circuito interno del motore c’è semplicemente aria, che scaldandosi si espande e raffreddandosi si contrae.

I vantaggi rispetto ad un motore a ciclo Otto potrebbero essere: temperature di combustione più basse e combustione più lenta rispetto ad un’esplosione, quindi più efficiente e pulita, meno prodotti incombusti, particolato e ossidi NOx, rendimento potenzialmente vicino ai rendimenti del ciclo di Carnot ideale quindi maggiore di un ciclo Otto, stress meccanici e termici ridotti (fino a 65 bar nel Otto e fino a 150 nei Diesel) quindi minore usura, regimi minori quindi minori turbolenze, trasformazioni meno irreversibili, assenza o minori problemi di lubrificazione, minor calore di scarico, meno fasi e quindi meno perdite pratiche, silenziosità, ampia scelta di combustibile, più semplice, meno manutenzione.

Gli svantaggi dei motori a combustione esterna potrebbero essere: avviamento lento, difficoltà di scambio di calore con il gas interno quindi cicli più lenti, scarsa densità e regolazione di potenza, quindi motori più ingombranti e meno reattivi. Questi motori potrebbero essere usati per sfruttare il calore perso dai motori a combustione interna.

Nonostante teoricamente abbiano gli stessi rendimenti, il ciclo di Carnot reale è molto più difficile da realizzare rispetto allo Stirling reale, questo è forse uno dei pochi esempi di macchina di Carnot, infatti quando la macchina è in posizione centrale per un attimo entrambi gli isolanti coprono le rispettive facce termiche realizzando la tanto difficile compressione o espansione adiabatica, ci sono invece molte versioni costruttive del motore di Stirling, le più conosciute sono: Alfa, Beta e Gamma, esistono anche altre versioni come il free piston (o lamina flow) per esempio questo o autoavvianti per esempio il ringbom e il marble Stirling tipo questo o questo, ovviamente chiunque può inventarsi il motore che preferisce, il limite rimane la fantasia.

Si potrebbe migliorare ulteriormente il rendimento di queste macchine usando altri fluidi, per esempio He, H2, N2 o CO2 oppure realizzando il ciclo ideale, eliminando anche il sistema biella manovella per esempio questo e aumentandone la densità di potenza usando fluidi in pressione.

Auto a gas

Per risparmiare soldi sul combustibile sopratutto se si viaggia molto si potrebbe valutare un impianto a gas (metano), di solito i motori Diesel sono più difficili da modificare, per reggere il peso della bombola, visto lo spessore delle pareti, potrebbe essere necessario sostituire le sospensioni posteriori.

Motore piccolo

Un motore a bassa cilindrata (cm3 o litri) è meno potente e quindi consuma di meno.

Candela efficiente

Dati gli elevati numeri di giri dei motori commerciali, una candela con una maggiore superficie permette di scoccare più scintille ed innescare così in più parti, più velocemente e più uniformemente la combustione (dieci archi elettrici hanno più probabilità di innescare rispetto ad uno), dando più tempo per la completa combustione, in questo modo il carburante brucia meglio e per più tempo, migliorando l’efficienza e riducendo gli incombusti, questo o questo sono esempi, il consumo elettrico di altri archi elettrici è trascurabile rispetto ai vantaggi, inoltre in questo modo si potrebbero innescare più facilmente miscele magre.

Motore elettrico

Un motore elettrico riesce a trasformare quasi completamente l’elettricità in energia meccanica con una resa in alcuni casi superiore al 90%, un motore endotermico trasforma calore in energia meccanica a circa al 15%, quindi a parità di energia equivalente si farà più strada ovviamente con un motore elettrico. Inoltre non è inquinante sia chimicamente che termicamente che acusticamente, inoltre bisogna contare che l’elettricità è una forma di energia molto più pregiata di quella termica in quanto è molto versatile e addirittura riciclabile, il recupero di energia in frenata ne è un’esempio, una parte di ricarica potrebbe anche venire dal sole mediate celle fotovoltaiche ormai sempre più diffuse o in parte anche da eolico, provate in situazione di emergenza a generare calore necessario per far partire un veicolo, è impossibile mentre è già più possibile fare una sosta al sole o al vento e ricaricarsi. Sul mercato siamo sempre fermi alle batterie al Litio LiPo, LiFePo, Li-Ion che è vero che sono già in grado di garantire una resa del 92 – 98% ma presentano evidenti problemi di capacità, ingombro, costo, tempi di ricarica, cicli di vita, smaltimento, inoltre il Litio è inquinante e raro. Pur troppo solo con lo sviluppo delle batterie, supercondensatori o fuel cell si potrà arrivare alla vera diffusione del motore elettrico.

Fuel cell

Una cella fuel cell (cella a combustibile) trasforma combustibile e comburente in elettricità, con rese fino al 60%, e può essere abbinata ad un motore elettrico, un motore termico (a combustione esterna) per avere quei rendimenti dovrebbe lavorare ad altissime temperature, con vari problemi tra cui ossidi NOx. Le celle a combustibile invece lavorano in modo statico, quindi silenzioso, si ricaricano in breve tempo, producono poca CO2 e nessun NOx, inoltre sono più leggere rispetto alle batterie, non ci sono limiti al tipo di combustibile se non il potenziale generato da ciascuna semicella, i combustibili più usati sono ad Etanolo, Metanolo, Idrogeno, Metano, inoltre esistono anche versioni a batteri.

Motore di avviamento

Il motore elettrico d’avviamento potrebbe funzionare anche come generatore, in questo modo si evita l’ingombro e il peso di entrambi i dispositivi, si evita il consumo e lo sforzo del motore d’avviamento nel far girare anche l’alternatore e si evita il consumo del sistema di spostamento assiale. Di solito motori termici di bassa potenza necessitano anche di poca potenza di avviamento (dipende anche dal rapporto di compressione e dagli attriti), in alcuni casi si riescono ad avviare anche a spinta.

Manutenzione

Controllare la cinghia di trasmissione (ben stretta e non usurata), la frizione, gli attriti e la convergenza, lo sterzo e lo stato di salute della batteria.

Un saluto e alla prossima.

I commenti sono chiusi.