Range extender per auto elettriche con motore a pistoni lineari

La corsa verso l’efficienza energetica e l’elettrificazione ha spinto l’industria del settore alla ricerca di soluzioni non convenzionali per la generazione di energia elettrica tramite la combustione di carburanti, sia convenzionali che alternativi e destinata ad aumentare l’autonomia delle auto elettriche.

Dopo il range extender rotativo di Mazda, l’azienda inglese Libertine ha sviluppato un nuovo motore molto particolare, detto FPE (Free Piston Engine), ovvero motore a pistone libero, che eroga direttamente energia elettrica, senza aver bisogno di un generatore da collegare al motore.

L’obiettivo dichiarato da Libertine è infatti aumentare il rendimento dei processi di conversione dell’energia per ridurre le dissipazioni e gli sprechi, con una preferenza nell’impiego di biocarburanti. Infatti questo sistema innovativo ha l’obiettivo di incrementare l’uso dei carburanti sostenibili nell’elettrificazione dei veicoli, specie nei mezzi pesanti.

Range extender per auto elettriche a pistoni lineari, com’è fatto

Il generatore IntelliGen-FPE è un sistema “lineare”: ogni unità generatrice è formata da due pistoni che scorrono in un unico lungo cilindro, in senso opposto, svolgendo ognuno il ruolo di testata dell’altro, in maniera simile ai motori a due tempi a cilindri attestati (vedi il motore ACHATES).

Ne esistono anche prototipi dotati di valvole, che svolgono un ciclo a 4 tempi. La potenza erogata va dai 20 ai 40 kW elettrici. Queste macchine sono concepite per funzionare con diversi tipi di carburante, sia liquido che gassoso, compresi il bioetanolo e l’idrogeno, questi ultimi ideali per gli obiettivi ambientali dichiarati da Libertine.

Come funziona il motore a pistoni lineari

I pistoni non sono collegati al classico sistema biella manovella, ma una volta giunti a fine corsa sono spinti da molle pneumatiche, che ne invertono il moto e permettono di ripetere il ciclo. Le “molle pneumatiche” sono camere nelle quali l’aria viene compressa dai pistoni nella loro corsa di andata; l’aria così compressa, riespandendosi, restituisce energia meccanica al pistone, muovendolo verso il punto morto superiore.

Il pistone non ha la classica forma a cui siamo abituati nei motori a combustione interna: il mantello è molto lungo per rendere stabile la corsa del pistone stesso. Il cilindro è avvolto esternamente da un solenoide in rame, nel quale il moto del pistone, dotato di un settore magnetico posizionato nel mantello (a partire da un terzo circa della lunghezza complessiva del pistone), induce una forza elettromotrice che fa circolare una corrente elettrica nell’avvolgimento esterno.

Il principio di funzionamento del motore è simile a quello di un motore a due tempi con lavaggio unidirezionale a iniezione diretta, nel quale il mantello del pistone, con il suo movimento, comanda l’apertura e la chiusura delle luci di aspirazione e scarico.

Accensione motore a pistoni lineari

L’accensione del motore a a pistoni lineari avviene tramite candele attivate dall’elettronica di controllo del sistema. L’avviamento a freddo avviene utilizzando bioetanolo idrato, una miscela di 90% di bioetanolo e 10% di acqua. Questo composto permette di aumentare il rapporto di compressione nelle accensioni a freddo, compensando gli effetti negativi delle pareti del cilindro ancora fredde, che potrebbero portare a mancate accensioni, come si può vedere nei grafici:

I gas di scarico possono essere utilizzati per alimentare piccole turbine, recuperando ulteriore energia.

Range extender a pistoni lineari Libertine SCHEDA TECNICA

• Carburante: Gas naturale o idrogeno
• Configurazione motore: monocilindrico con camera “di rimbalzo” (molla pneumatica)
• Alesaggio: 75 mm
• Corsa: 400 mm
• Rapporto di compressione: variabile tra 10:1 e 24:1
• Frequenza operativa: 12 Hz
• Potenza nominale: 10 kW elettrici

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