L'innovazione nel campo dei motori a combustione interna e, più recentemente, in quelli elettrici, è un motore inesauribile di progresso tecnologico. Due ambiti, apparentemente distanti, come i sistemi di iniezione del carburante e la superconduttività, stanno convergendo in soluzioni che promettono di ridefinire l'efficienza, la compattezza e la sostenibilità dei sistemi propulsivi e non solo.
L'Iniezione Diretta: Un Pilastro dell'Efficienza nei Motori a Combustione Interna
La produzione attuale di motorizzazioni alimentate a benzina è fortemente orientata verso soluzioni di iniezione del carburante "diretta" (GDI), ovvero verso impianti di iniezione diretta di benzina in camera di combustione. Questa tipologia di alimentazione, come noto, consente di ridurre i consumi di carburante di circa il 15%, e, inoltre, anche le emissioni si riducono sensibilmente. La produzione mondiale di vetture con motorizzazione a benzina con iniezione diretta del carburante è pari a circa due terzi delle auto vendute. Diversi e sempre più numerosi i Costruttori che hanno optato per questo sistema, soprattutto per i loro modelli equipaggiati di motori di grossa cubatura.
La Carica Stratificata e l'Ottimizzazione della Combustione
Una tecnica avanzata, usata solo su sistemi a iniezione diretta, è la carica stratificata. Essa consiste nell'iniettare il combustibile poco prima che avvenga l'accensione, generando diverse zone con rapporti stechiometrici diversi (stratificazione). Vicino alla candela si ha la maggiore concentrazione di combustibile, che si avvicina al valore stechiometrico ottimale, mentre nelle altre zone il rapporto di benzina sarà povero. Questa tecnica viene utilizzata principalmente con un comando gas poco azionato e il motore a un funzionamento ai bassi e medi regimi.
Esempi notevoli di questa tecnologia includono il sistema "DiTech" (2T) adoperato dall'Aprilia, sviluppato in collaborazione con l'azienda australiana Orbital Engineering e Siemens. Queste aziende hanno fondato Synerject, una joint venture 50-50 che unisce il know-how di Orbital e la capacità produttiva di Siemens. Un altro esempio di innovazione si trova nel nuovo motore Suzuki DualJet 1.2 16V, come riportato da Sicurauto.it. L'Aprilia SR50 DiTech è stata anche oggetto di esperimenti non convenzionali, come l'utilizzo di un GameBoy per la diagnostica, e la tecnologia D.I.C.C. (Direct Injection Combustion Control) di Athena LucanEngine promette lunga vita al 2T.
Componenti Chiave dei Sistemi di Iniezione Bosch DI-Motronic
Uno degli elementi principali del sistema DI Motronic è la pompa ad alta pressione HDP5, dalle dimensioni compatte e dal peso estremamente contenuto. Gli iniettori ad alta pressione (a comando magnetico) HDEV5, a seconda delle applicazioni, consentiranno fino a sette singoli getti per iniettore. In Europa, al momento, il sistema di iniezione Bosch DI-Motronic è stato adottato da Volkswagen e da BMW-Mini (in collaborazione con Peugeot). La Ford negli Stati Uniti impiega il DI-Motronic nel suo programma EcoBoost per i propri motori a 6 cilindri.
L'Iniettore di Accensione di Semicorex: Purezza e Precisione
L'iniettore di accensione di Semicorex, o reattore di accensione al quarzo, è un componente ingegnerizzato inteso a consentire processi chimici di alta purezza che richiedono l'accensione o l'inizio della reazione. Realizzato in quarzo fuso, l'iniettore di accensione combina le migliori proprietà del quarzo fuso (stabilità termica, resistenza chimica e tolleranza per le inesattezze strutturali) per fornire un utilizzo prevedibile nelle applicazioni di semiconduttori e di ricerca.
Il quarzo è stato selezionato per l'iniettore di accensione per motivi che il quarzo fornisce i più alti livelli di purezza e inerzia come materiale. I metalli e la ceramica convenzionale possono essere di elevata purezza, ma non sono inerti e possono introdurre oligocontaminanti, pertanto è difficile condurre processi sensibili senza la possibilità di contaminazione o alterare le osservazioni analitiche. Il quarzo è ampiamente considerato come materiale ideale quando è possibile tollerare lo shock termico, in particolare per gli ambienti di accensione in cui si possono prevedere rapide variazioni di temperatura a causa di condizioni di accensione impreviste.
L'iniettore di accensione è progettato per fungere da zona di reazione localizzata, fornendo un ambiente pulito e controllato per la creazione di reazioni a base di combustione o plasma. Ciò è utile nel settore della produzione di semiconduttori, in cui i reattori di accensione potrebbero aver bisogno di attivare gas precursori, decomporre le specie chimiche complesse o iniziare gradini di pulizia assistita dal plasma. La pulizia delle pareti del reattore garantisce che le reazioni secondarie indesiderate tra la camera e i reagenti non influenzino negativamente la reazione e quindi possano fornire un controllo accurato della reazione chimica.
Insieme agli elementi chimici e termici, l'iniettore di accensione è favorito a causa della sua facilità in oggetti fabbricati con precisione. Poiché il componente viene prodotto dimensioni con elevata tolleranza, può anche adattarsi prontamente ai reattori e integrarsi con i sistemi esistenti o essere appropriato per la disposizione per uno strumento o strumenti specifici. Le superfici lisce non porose del reattore al quarzo interno sono utili nel ridurre l'attacco delle particelle per una facile pulizia, poiché gli strati di materiale attaccati alle superfici interne della camera saranno cicli coerenti dopo il ciclo a causa della riusabilità del componente.
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L'Idrogeno: Il Combustibile del Futuro e le Sfide dell'Iniezione
L'utilizzo dell'idrogeno sta riscuotendo molto interesse da parte dei costruttori di veicoli, in particolare di quelli destinati al trasporto pesante. Dalla sua combustione, infatti, viene generato come sottoprodotto di scarto solo semplice acqua e l'impiego di questi mezzi diventerebbe così pienamente sostenibile. Riprogettare il motore di un mezzo diesel per adeguarlo alla nuova alimentazione è però tutt'altro che semplice. Per questo, affidarsi a società specializzate può rivelarsi la scelta vincente per raggiungere i risultati voluti.
La Sfida Tecnologica con l'Additive Manufacturing
Un costruttore di veicoli sta valutando la conversione a idrogeno dei propri motori diesel, sfruttando l'additive manufacturing. Fondamentale il contributo di Madeinadd, che ha risolto le sfide tecnologiche e assicurato al cliente importanti benefici in termini di tempi e costi. Il committente vantava una grande esperienza nello sviluppo di sistemi powertrain diesel tradizionali, ma la conversione all'idrogeno si è rivelata complessa. Molte le sfide da affrontare, a partire dalla necessità di ridurre i tempi di industrializzazione semplificando nel contempo i particolari realizzati - l'obiettivo era quello di intervenire sul sistema di iniezione - il tutto tenendo in considerazione i più spinti parametri di utilizzo dell'idrogeno stesso.
Per realizzare un sistema a iniezione diretta in camera di combustione basato sull'idrogeno si è reso perciò necessario intervenire anche sul sistema di aspirazione dell'aria, integrando entrambe le funzioni in un unico componente. I tecnici di Madeinadd hanno analizzato le condizioni di utilizzo fornite dal cliente al fine di modellare una geometria in grado di rispondere alle nuove specifiche. L'integrazione di più funzioni ha richiesto un attento studio al fine di evitare l'incremento di pesi e volumi dei pezzi che, altrimenti, avrebbero vanificato i benefici portati dalla combustione dell'idrogeno. Si è deciso dunque di partire da un prototipo monocilindrico, una sorta di simulacro utile per valutare il comportamento in termini di combustione garantito dalle nuove geometrie sviluppate.
Riprogettare da Zero per Ottenere i Migliori Risultati con l'Idrogeno
L'idrogeno è un gas complesso da gestire: nei motori a combustione interna viene utilizzato a pressioni decisamente più alte rispetto a quanto necessario con la sola aria (8 bar contro circa 4), mentre la peculiare tendenza delle sue molecole a insinuarsi nella struttura cristallina dei materiali rende critico il livello di porosità dei manufatti.
Una volta stabiliti vincoli e richieste tecniche, i progettisti di Madeinadd hanno integrato le diverse funzioni all'interno di un unico componente; inoltre, hanno stabilito alcuni test di validazione delle funzionalità, in particolare di tenuta in pressione, per verificare che l'idrogeno non filtrasse attraverso il componente o nei punti di accoppiamento con altre parti del motore. L'integrazione del condotto e del sistema di iniezione ha permesso di ridurre gli assemblaggi ed eliminare le problematiche derivanti dai successivi processi (come la saldatura), con evidenti benefici economici, di affidabilità e di riduzione delle tempistiche.
Il materiale scelto, alluminio da colata AlSi10Mg, è lo stesso utilizzato per la produzione dei componenti per i motori diesel: si tratta di una lega metallica molto diffusa e idonea alla lavorazione tramite DMLS (Direct Metal Laser Sintering), la tecnologia identificata da Madeinadd come più adatta per questa applicazione.
Risultati Superiori alle Aspettative con l'Additive Manufacturing
Il componente progettato e realizzato da Madeinadd attraverso la propria rete di partner certificati è stato successivamente sottoposto alle verifiche tecniche concordate: l'esito positivo è andato ad arricchire la documentazione di progetto, messa poi a disposizione del cliente. Ottimi i risultati ottenuti anche a banco, dove sia il singolo componente, sia il motore di test hanno superato le prestazioni attese.
Interessante notare come il livello di porosità raggiunto soddisfi abbondantemente le richieste del committente: a fronte di un valore tipico ottenibile con la colata in sabbia che si attesta tra il 7 e il 10%, la sinterizzazione laser ha permesso di raggiungere un valore pari a 0,3%, contribuendo così in maniera determinante al superamento dei test di validazione.
L'intero percorso, dall'avvio del progetto alle prime prove, ha richiesto poco meno di 6 settimane: un dato significativo se si pensa che, con tecnologie tradizionali, sarebbero state necessarie tra le 12 e le 14 settimane. Inoltre, la quasi totale assenza di vincoli geometrici da rispettare ha consentito di costruire un particolare pensato espressamente per svolgere al meglio il proprio scopo. Con l'approccio tradizionale, in genere il collettore di aspirazione viene realizzato tramite colata in sabbia, mentre iniettore e diffusore sono costituiti da un semplice lamierino piegato e tranciato. Naturalmente il particolare realizzato in additive manufacturing, proprio come avviene con i componenti realizzati in fonderia, ha richiesto alcune lavorazioni di ripresa su macchine a controllo numerico, per raggiungere il livello di accuratezza e rugosità superficiali imposti dal progetto nei punti di accoppiamento tra le flange e nella sede di installazione dell'iniettore.
Approccio Vincente con l'Additive Manufacturing
L'utilizzo delle strategie consentite dall'additive manufacturing ha permesso di tagliare del 10% i costi di sviluppo del particolare e del 30% i tempi. L'integrazione di più funzioni in un solo componente ha inoltre evitato di dover assemblare più parti, con ulteriori benefici lungo la catena produttiva.
Alla luce di questi vantaggi, il cliente ha deciso di proseguire con il medesimo approccio anche nello sviluppo del componente finale per il motore a 4 cilindri, costituito da un condotto di aspirazione con quattro canali di iniezione idrogeno e common rail integrato, con un target produttivo che inizialmente sarà di alcune centinaia di pezzi all'anno. Una volta percorsa la strada dell'additive manufacturing, il precedente approccio progettuale e produttivo basato sulle tecnologie sottrattive ha evidenziato molti suoi limiti.
I Superconduttori: Una Rivoluzione nell'Efficienza Energetica
Il fenomeno della superconduttività, scoperto nel 1911 da H. Kamerlingh Onnes, consiste in un brusco abbassamento della resistività di alcuni materiali. Una corrente elettrica immessa in una spira superconduttrice scorre praticamente all'infinito e senza produrre calore. Un superconduttore può trasportare grandi quantità di corrente elettrica senza dissipare energia sotto forma di calore e una corrente elettrica immessa in un anello superconduttore può circolare per molti anni senza alcuna misurabile dissipazione.
Alla base di questo straordinario fenomeno vi è un processo quantistico che consente agli elettroni che trasportano la corrente di muoversi tutti insieme (a coppie elettrone-elettrone: le coppie di Cooper) come se fossero una unica "macroentità". Questa sovradensità di ioni positivi causa l'attrazione di un altro elettrone, e il risultato netto è una forza attrattiva tra elettroni. La superconduttività fu scoperta da H.K. Onnes nel mercurio nel 1911. Solo nel 1957 J. Bardeen, L.N. Cooper e J.R. Schrieffer riuscirono a formulare una teoria microscopica della superconduttività, basata sulla meccanica quantistica.
L'Impulso dei Superconduttori ad Alta Temperatura Critica
Un grande impulso allo studio della superconduttività è stato dato dalla scoperta dei superconduttori ad alta temperatura critica dovuta a J.G. Bednorz e K.A. Müller dei laboratori IBM di Zurigo nel 1986. I due ricercatori rilevarono superconduttività a 35 K in una ceramica di lantanio, bario, rame e ossigeno. Un grande entusiasmo fu suscitato nel 1987, dalla realizzazione di una ceramica a base di ittrio in grado di supercondurre a 90 °K. A tali temperature diviene possibile usare come refrigerante l'azoto liquido (punto di liquefazione a 77 K), invece del più costoso elio. Attualmente la più alta temperatura critica, 133 K, è stata raggiunta da un materiale ceramico a base di mercurio.
Recentemente, un team di ricercatori dell'Università di Rochester ha scoperto un materiale superconduttore che funziona sia a temperatura ambiente che a livelli di pressione più bassi. Questa scoperta potrebbe rappresentare una svolta nel settore, in quanto, di solito, si ottiene la superconduttività solo in condizioni atmosferiche superiori a una certa soglia, si parla in questo caso di "temperatura critica". Per arrivare a questi risultati, il team ha condotto una serie di ricerche ed esperimenti, arrivando alla conclusione che il lutezio, elemento metallico che appartiene al gruppo delle cosiddette "terre rare", è un ottimo candidato per creare un superconduttore con le caratteristiche da loro ricercate.
L'Effetto Meissner e la Levitazione Magnetica
Un'altra particolarità dei materiali superconduttori è il cosiddetto effetto Meissner, scoperto nel 1933 da K. W. Meissner e R. Ochsenfeld. Un qualunque conduttore che immerso in un campo magnetico esterno non induce cambiamenti nel campo magnetico stesso e si oppone alla crescita del campo nel suo interno, è detto diamagnetico. Quando poniamo un superconduttore sotto la sua temperatura critica (Tc) entro un campo magnetico, esso si comporta proprio da diamagnetico. Infatti, in un sottile strato interno, ma prossimo alla superficie, si generano "supercorrenti" che schermano il campo magnetico e gli impediscono di penetrare. Questa capacità si mantiene fino a un certo campo magnetico critico Bc, oltre il quale il superconduttore perde in ogni caso le sue due proprietà fondamentali: resistenza nulla e diamagnetismo perfetto. Per tutti i superconduttori esiste una regione di temperature critiche e campi magnetici critici all'interno della quale superconducono.
Un interessante esperimento che sfrutta le caratteristiche dei superconduttori è quello della levitazione magnetica: ponendo un magnete sul materiale superconduttore alla temperatura ambiente (circa 300 K) e versando azoto liquido in modo da portare i materiali alla temperatura di 77 K il magnete si solleva dal superconduttore e rimane sospeso in una posizione di equilibrio stabile.
Classificazione dei Superconduttori: Tipo I e Tipo II
Le ricerche sulla superconduttività portarono ad una classificazione dei materiali superconduttori in due tipi, quelli di tipo I e quelli di tipo II.
I superconduttori di tipo I tendono ad essere superconduttori in condizioni di bassa temperatura e debole campo magnetico. Se il campo raggiunge l'intensità critica, entra nel materiale distruggendo lo stato di superconduzione. Il mercurio, che è stato il primo metallo superconduttore scoperto, è un esempio di superconduttore del I tipo. Dato che nei superconduttori di tipo I la superconduzione scompare in presenza di campi abbastanza modesti, questi materiali presentano uno scarso interesse dal punto di vista tecnologico.
I superconduttori di tipo II sono molto più utili: essi rimangono nello stato di superconduzione anche dopo la penetrazione del campo magnetico. La profondità di penetrazione di questi materiali è minore della lunghezza di coerenza e pertanto essi rimangono allo stato di superconduzione anche dopo la penetrazione del campo magnetico. I superconduttori di tipo II possono sopportare campi molto forti e quindi trasportare correnti più intense.
Le classi di superconduttori di tipo I e di tipo II si possono distinguere facendo riferimento a due importanti caratteristiche: la lunghezza di coerenza e la lunghezza di penetrazione. Nei superconduttori convenzionali, la lunghezza di coerenza può andare da alcune decine ad alcune centinaia di nanometri.
Negli anni '50 Aleksej A. Abrisokov pubblicò la teoria di base sul comportamento di un superconduttore convenzionale di tipo II in presenza di campo magnetico in cui dimostrò che il comportamento magnetico di un superconduttore di tipo II al di sotto della temperatura critica dipende dall'intensità del campo applicato e dalla temperatura. Il primo è lo stato di Meissner, cioè lo stato in cui il materiale espelle totalmente il flusso magnetico applicato. Questo stato esiste fino a che non si supera un certo campo, detto campo critico inferiore. La penetrazione nel materiale avviene per mezzo di tubi di flusso che formano intrusioni tubolari del campione applicato. La meccanica quantistica dei superconduttori richiede che ogni tubo di flusso porti la stessa quantità di flusso magnetico (quanto di flusso). Il terzo stato si raggiunge se il campo magnetico arriva a un secondo e più alto campo critico. Al di sopra di questo valore lo stato superconduttivo viene totalmente distrutto.
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Applicazioni dei Superconduttori: Dall'Energia ai Motori
Le potenzialità dei superconduttori sono vastissime e toccano diversi settori. Si possono costruire filtri elettronici senza perdite, quindi con molti più stadi e maggiore efficienza per selezionare le frequenze desiderate. Si possono costruire motori con avvolgimenti superconduttori molto più compatti e più efficienti.
Il Motore Superconduttore di Toshiba
Anche Toshiba si lancia nel settore dei motori elettrici di prossima generazione. Questo perché utilizza avvolgimenti realizzati con materiali superconduttori ad alta temperatura. Toshiba fa sapere che il motore che ha appena presentato è unico nel suo genere e sfrutta tecnologie ancora mai viste. Incredibilmente, questo nuovo motore Toshiba ha la capacità di essere oltre 10 volte più compatto rispetto a un motore elettrico tradizionale di pari potenza. Per questo i vertici dell'azienda di Tokyo sono convinti che troverà applicazione anche in altri campi oltre a quello del trasporto su ruota.
Supercomputer e Giunzioni Josephson
Nel supercomputer, i superconduttori funzionerebbero da interruttori logici inserendoli in giunzioni Josephson: si tratta, sostanzialmente, di due superconduttori separati da un sottile strato isolante; al di sotto della loro Tc, quando il primo è attraversato da una corrente elettrica inferiore a un certo valore critico Ic, questa passa anche nel secondo, ignorando completamente lo strato isolante. La coerenza è quindi la forza che crea unità e coesione, sinergia dinamica e armonia. Valutando ciò da un punto di vista più ampio possiamo dire che la coerenza è la legge fisica dei nostri affetti dove per affetto si intende "comunione di intenti": quando due soggetti entrano in uno stato di comunicazione empatica tra le onde encefalografiche dei loro cervelli esiste un forte aumento di coerenza che determina la riduzione del livello generale di stress.
La Tecnologia Festo SupraMotion: Levitazione Magnetica Senza Contatto
La tecnologia dei superconduttori Festo, con i moduli SupraMotion, offre una risposta alla necessità di trasportare e pesare senza contatto. Ciò esclude la possibilità che la contaminazione venga introdotta dall'esterno. L'esposizione combina i prodotti dell'assortimento LifeTech con un modulo di levitazione della gamma "SupraMotion".
Il laboratorio del futuro è sterile, modulare e integrato. Le forze magnetiche tra il superconduttore e il supporto, su cui vengono trasportati i contenitori, consentono altezze di levitazione di oltre 10 millimetri, lasciando così molto spazio alle pareti divisorie che racchiudono gli ambienti di lavoro sterili. È possibile spostare il supporto attraverso le pareti e verificarne il peso con una normale bilancia da laboratorio. Ciò significa che la maggior parte della tecnologia rimane al di fuori della camera bianca. Contaminazioni di qualsiasi tipo, sono ridotte al minimo assoluto.
Lavorare in sicurezza nelle camere bianche con la tecnologia di misurazione senza contatto. Il modulo di levitazione senza contatto SupraMotion, trasporta il contenitore di liofilizzazione in una camera bianca simboleggiata, facendolo passare attraverso una camera di compensazione di un laboratorio. Un modulo rotante di presa EHMD, compatto e universale, progettato appositamente per l'automazione di laboratorio, apre il tappo a vite del contenitore, indipendentemente dal relativo passo del filetto. Il contenitore viene quindi trasportato a una stazione successiva, dove due testine dosatrici VTOE lo riempiono con il liquido. Queste testine dosatrici funzionano in modo molto preciso, con un coefficiente di variazione tipico < 1 % nell'intervallo da 10 a 1000 μl. Marcus Kroll, responsabile LifeTech Business Development di Festo, afferma: "Con i moduli SupraMotion e i nostri prodotti per l'automazione di laboratorio, possiamo progettare soluzioni complete e innovative per i clienti del settore Life Science: precise, affidabili e in gran parte prive di contaminazioni, grazie alla manipolazione senza contatto".
Levitazione magnetica basata su superconduttori: sicura ed efficiente dal punto di vista energetico. I superconduttori sono materiali dalle proprietà magnetiche uniche. Il superconduttore utilizzato nelle applicazioni SupraMotion, è in grado di ancorare il campo magnetico di un magnete permanente al suo interno, creando un accoppiamento forte ma invisibile, che mantiene il magnete e il superconduttore a una distanza fissa e definita l'uno dall'altro, anche attraverso le pareti, nei liquidi o nel vuoto. Sono possibili distanze di levitazione di oltre 10 mm. La tecnologia è caratterizzata da un basso consumo energetico, indipendente dall'altezza di levitazione e dal carico utile: con i raffreddatori attuali, la potenza necessaria è compresa tra 15 e 80 watt, a seconda dell'applicazione.
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