Perchè Start&Stop (e più ancora la tecnica ibrida) hanno tardato tanto a contagiare i motori diesel? Le ragioni fondamentali sono tre:
1) i giapponesi, maestri dell’ibrido, non amano il diesel e non riescono a diffonderlo in casa
2) il motore a gasolio, al minimo, consuma molto meno del gemello a benzina. Infatti, a quei regimi, accetta miscele magrissime ( con rapporto aria- gasolio anche di 90 a 1), mentre “il benzina” deve sempre rimanere stechiometrico (14,7: 1), ed è chiaro che il binomio alta compressione/ miscele magre dia luogo al massimo rendimento termodinamico. Pertanto il guadagno ottenuto eliminando la fase al minimo è poco allettante, la spesa non vale la candela
3) spegnere e riavviare di continuo il diesel non è un giochino da bambini, nel senso che impegna il motorino d’avviamento e la tensione della batteria molto più che in un propulsore a benzina. Infatti, il rapporto di compressione del diesel è quasi il doppio di quello dei motori a benzina e la velocità di lancio richiesta è ben più elevata: basti ragionare sul fatto che per accendere un diesel bisogna raggiungere una pressione d’iniezione sufficiente a polverizzare il gasolio (ormai ben oltre i 1000 bar); che tale pressione deve essere ottenuta a spese del motorino d’avviamento; e che ciò deve realizzarsi prima di raggiungere il numero di giri corrispondente al minimo (di norma, fra 850 e 900 giri/min). Nel “benzina” invece il minimo è ben più basso (550-600 giri/min) e la pressione d’iniezione è dieci volte inferiore.

Morale, nel benzina si può aggiungere un sistema di Start&Stop semplicemente migliorando la qualità e l’affidabilità del motorino d’avviamento, che deve subire un incremento di circa 12 volte del suo lavoro normale; nel diesel, invece, bisogna riprogettare tutto, e diventa un rompicapo perfino il tempo che impiega il motorino a lanciare il propulsore, specie nella stagione fredda: in altre parole, che non impieghi più di mezzo secondo ad avviare il motore, altrimenti lo Start&Stop diventa un calvario.

Alternatore minimalista

E allora ecco le tre soluzioni che vanno per maggiore nei diesel e che si diffonderanno grandemente nei prossimi anni.
Si parte da quella minimalista utilizzata da Mercedes (e anche da BMW sui modelli a benzina) che affida il compito di mettere in moto al classico motorino (rinforzato a dovere), mentre l’alternatore viene potenziato e funziona (cioè genera energia elettrica) quasi esclusivamente nella fase di rilascio. In tal modo si ottiene un piccolo risparmio di carburante. Verrà adottata anche da GM, nella versione diesel della nuova Astra Sports Tourer, in autunno, ed è sostanzialmente quella usata da Volkswagen nelle versioni diesel Blue Motion.
In questi sistemi il punto delicato consiste nel continuo controllo della tensione della batteria e del suo stato di carica. Infatti, nei veicoli dotati di impianto Start&Stop il motore viene acceso molto più spesso che non in quelli normali e, se la tensione scende al di sotto di certi valori, la ripartenza diviene lenta e precaria. Non solo, ma tutta l’elettronica di bordo rischia di andare in tilt. Viene aggiunto, pertanto, uno stabilizzatore di tensione che – durante l’avviamento - mantiene costante la tensione della radio, dell’impianto radionavigatore, della ventola interna e del quadro strumenti e soprattutto delle centraline. Per fare questo, naturalmente bisogna adottare batterie più generose e predisporre un gran numero di sensori col compito di inibire lo Start&Stop quando il riavviamento appare critico o troppo lento. Per ridurre tali problemi i tecnici di Wolfsburg – nelle versioni Blue Motion - hanno dovuto abbassare il regime di minimo dei motori diesel così da rendere più veloce la messa in moto.
Il funzionamento è intuitivo: quando il guidatore si avvicina a un semaforo, rallenta (e la tensione dell’alternatore sale, caricando la batteria), poi ferma la vettura e mette il cambio in folle. Quando toglie il piede dalla frizione, il motore si spegne immediatamente e, sul quadro strumenti, appare la scritta Start&Stop. Non appena il semaforo diventa verde e il guidatore aziona nuovamente la frizione, il motore si riavvia da solo e l’indicazione “Start&Stop” scompare. Il guidatore può quindi inserire la marcia e ripartire.

Coperto da 30 brevetti

Poi c’è la soluzione mild-hybrid, cioè un vero ibrido che non ha più né motorino d’avviamento, né alternatore separato, ma solo un volano composto da un motore sincrono che può diventare, a seconda dei casi, motorino d’avviamento o generatore. Se ha potenza sufficiente (almeno 15 kilowatt) può anche partecipare alla trazione, da solo o in aggiunta alla potenza del motore termico. E questa è la soluzione messa a punto da Bosch che verrà adottata da Volkswagen e da altre Case tedesche.
Anche il Gruppo PSA ha già presentato un diesel ibrido di tale fatta in forma di prototipo e diventerà realtà l’anno prossimo sulla 3008. (mettere a questo punto le illustrazioni del diesel ibrido di VW, con i componenti Bosch dei quali ho inviato due immagini) Infine, c’è l’ultima soluzione, denonimata “e- HDi”, messa a punto da Peugeot e dalla Valeo che è destinata a fare scuola, come il Fap. Il Gruppo PSA pensa di vendere, nel 2013, oltre un milione di diesel equipaggiati con questo nuovo Start&Stop, anche se non si tratta di una soluzione semplice ed economica. Anzi, è costata oltre 300 milioni di euro e ha richiesto il lavoro di 500 specialisti, ma i vantaggi che ne potrebbero conseguire nell’uso urbano sono davvero concreti (un risparmio del 15% in termini di consumo nella guida in città congestionate, anche se l’emissione di CO2 nel ciclo si riduce solo di 5 grammi/ km), tanto che Peugeot- Citroën pensano di equipaggiare il 30% dei loro diesel con tale tecnologia, già coperta da 30 brevetti.
Abbiamo provato la 308 Peugeot, equipaggiata con questo sistema, nella zona degli Champs Eliseé a Parigi: su un percorso guidato di 16 minuti, il cronometro di bordo ha registrato un tempo di spegnimento del motore pari a 7 minuti. Il che vuol dire che nella marcia in certe città si sta fermi (o quasi) per il 40% del tempo di viaggio. È questo il vero obbiettivo perseguito dalla tecnologia e-HDi, e raggiunto grazie ad alcuni accorgimenti essenziali.
Innanzitutto, il motore viene spento appena la velocità della vettura scende al di sotto di 20 km/h (basta mettere in folle), l’effetto del freno-motore viene sostituito da un alternatore capace di sviluppare ben 2,5 kW di potenza elettrica, che viene trascinato da quattro cinghie di gomma.
Lo stesso alternatore diventa poi motore sincrono per il successivo avviamento, collegato all’albero motore sempre dalle stesse quattro cinghie. L’aspetto interessante del sistema consiste nel fatto che l’avvolgimento elettrico che svolge le due funzioni (alternatore e motore sincrono) è sempre lo stesso, con le stesse spire, e deve ruotare fino a 10.000 giri - quando funge da generatore - e a meno di 500, quando diventa motorino d’avviamento. Non solo, ma quando gira piano, cioè fa da motorino, deve sviluppare una coppia superiore ai 50 Nm, vale a dire il 70% in più dei tradizionali avviatori: il che per un motore sincrono è impresa molto ardua, superabile solo se – come vedremo più avanti – si modifica la tensione di alimentazione. Aspetto non trascurabile, infine, è la silenziosità del sistema, che per la messa in moto utilizza cinghie di gomma e non ingranaggi e quindi non provoca il classico rumore di ferraglia quando ingrana il pignone. 

Tendicinghia bidirezionale

Si tratta di un moderno alternatore reversibile progettato dalla Valeo per fornire 600.000 avviamenti senza problemi (contro la previsione di 50.000 dei motorini tradizionali), che possiede al suo interno tutto quanto serve al sistema Start&Stop. Per esempio, poiché la batteria fornisce solo corrente continua, è stato inserito nel coperchio di questa macchina elettrica un inverter in miniatura col compito di trasformare in alternata trifase la corrente della batteria. Il raddrizzamento della corrente – ben 180 ampere – quando funge da generatore, avviene tramite transistor a “effetto di campo” invece che con tradizionali diodi, dando luogo a rendimento effettivo del 77%, alquanto superiore a quello dei diodi. Inoltre, per tener conto del fatto che la potenza trasmessa dalle cinghie può andare in due direzioni, dal motore o verso il motore (quindi i rami delle cinghie sono alternativamente tesi o compressi), è stato necessario inserire un tendicinghia reversibile, che recupera il gioco nei due sensi.
Infine, dal momento che per avviare un diesel in meno di 0,4 secondi (tempo che i tecnici francesi ritengono determinante per non creare problemi di guida) - e che equivale alla metà di quanto si ottiene con la chiave - occorre una batteria gigantesca, è stato aggiunto un “booster elettrico”. Si tratta di un pacco di supercondensatori, che possiede una tensione di 5 volt e viene tenuto costantemente carico. A riposo - è collegato in parallelo al circuito elettrico, ma, all’atto dell’avviamento, il suo collegamento diventa “in serie” con la batteria, quindi la sua tensione si somma a quella della batteria. Questo switch viene operato elettronicamente da una centralina che gestisce l’intero sistema (anch’essa annegata nel coperchio tuttofare dell’alternatore). L’iniezione istantanea di 5 volt nel circuito della batteria porta a 17 volt la tensione del circuito e dà la sferzata di energia al motore sincrono, che è così in grado di avviare rapidamente il diesel, senza che si verifichino cali di tensione nei circuiti elettronici.
L’unico problema è che il sistema funziona regolarmente fino a 5- C sottozero, e potrebbe non avviare il motore a temperature inferiori. Questa evenienza ha costretto i tecnici francesi a lasciare a bordo anche un motorino d’avviamento classico. Col suo peso e col suo costo. Peccato!
I primi modelli equipaggiati con la tecnologia e-HDi saranno la Citroën C5 e C4 entro il 2010. Successivamente ne saranno dotati la maggior parte dei diesel da 1,4 e 1,6 litri, prodotti dal Gruppo PSA.
Enrico De Vita