Come funzionano i motori delle auto: motori a combustione interna vs. motori elettrici spiegati

Due macchine molto diverse muovono la maggior parte delle auto sulla strada oggi. Una brucia carburante liquido all'interno di cilindri metallici; l'altra utilizza l'elettricità per far girare magneti. Comprendere cosa accade sotto il cofano spiega perché questi veicoli si sentono, suonano e si mantengono in modo così diverso.

Come funziona un motore a combustione interna

Secondo il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, un motore a combustione interna (ICE) consiste di un cilindro fisso e un pistone mobile. Il carburante si combustiona all'interno del cilindro e i gas in espansione spingono il pistone, che ruota l'albero motore e alla fine aziona le ruote del veicolo.

La maggior parte dei veicoli ICE funziona con un ciclo a quattro tempi, come spiega il Dipartimento dell'Energia: aspirazione, compressione, combustione/potenza e scarico. Durante l'aspirazione, il pistone si muove verso il basso mentre una valvola di aspirazione si apre per aspirare aria e carburante. Durante la compressione, la valvola si chiude e il pistone si muove verso l'alto, comprimendo la miscela aria-carburante. Nel colpo di potenza, la miscela compressa si accende — spingendo il pistone indietro verso il basso — e nel colpo di scarico, il pistone risale mentre una seconda valvola si apre per espellere i gas esausti.

Il Dipartimento dell'Energia distingue due principali design di motori: motori a benzina ad accensione controllata, dove una candela accende la miscela aria-carburante, e motori diesel ad accensione per compressione, dove il carburante si autoaccende in aria calda e altamente compressa. Gli ICE possono anche funzionare con carburanti alternativi come gas naturale, propano, biodiesel o etanolo, e possono essere combinati con componenti elettrici in sistemi ibridi o ibridi plug-in.

Come funziona un motore elettrico di un'auto elettrica

I veicoli completamente elettrici sostituiscono il motore con uno o più motori di trazione elettrici alimentati da un pacco batteria ricaricabile, secondo il sito fueleconomy.gov del governo degli Stati Uniti e l'Alternative Fuels Data Center (AFDC) del Dipartimento dell'Energia. L'AFDC elenca i componenti principali: una batteria di trazione che immagazzina energia, una porta di ricarica e un caricabatterie integrato che convertono l'elettricità in corrente alternata in corrente continua per la ricarica, un convertitore CC/CC che riduce la tensione per gli accessori, un controllore di potenza che gestisce la velocità e la coppia del motore, e il motore di trazione elettrico stesso, che aziona le ruote (nella maggior parte dei design attraverso un cambio).

Alimentato dalla batteria di trazione, il controllore di potenza gestisce quanta energia elettrica raggiunge il motore di trazione elettrico e controlla la velocità del motore e la coppia che produce, secondo l'AFDC. Un sistema termico separato mantiene la batteria, il motore e l'elettronica entro il loro intervallo di temperatura di funzionamento appropriato, nota l'AFDC.

Frenata rigenerativa: il motore che funziona al contrario

Una caratteristica senza equivalente in un veicolo ICE convenzionale è la frenata rigenerativa. Come descrivono le pagine di tecnologia dei consumatori di Mazda, citando le stime del Dipartimento dell'Energia, quando il conducente rilascia l'acceleratore, frena o scende in folle una collina, il motore elettrico inverte i ruoli: invece di consumare l'energia della batteria per far girare le ruote, le ruote rotanti fanno girare il motore, che ora funziona come generatore e rinvia l'elettricità nella batteria. Il Dipartimento dell'Energia stima, secondo Mazda, che questo processo recupera circa il 22% dell'energia di guida nei veicoli elettrici durante la guida combinata in città e in autostrada (rispetto al 5–9% negli ibridi). Poiché la frenata rigenerativa non può fornire la forza frenante necessaria in situazioni di emergenza, i freni a attrito convenzionali rimangono in posizione come backup, nota Mazda.

Perché i due sistemi differiscono in efficienza

Fueleconomy.gov afferma che i veicoli elettrici convertono oltre il 77% dell'energia elettrica prelevata dalla rete in potenza alle ruote, mentre i veicoli a benzina convenzionali convertono solo circa il 12% al 30% dell'energia immagazzinata nella benzina in potenza alle ruote — il resto è perso principalmente come calore e attraverso l'attrito del motore. Fueleconomy.gov nota anche che le batterie dei veicoli elettrici possono durare da 12 a 15 anni in climi moderati e da 8 a 12 anni in climi severi, e che una ricarica completa richiede tipicamente da 3 a 12 ore, con la ricarica rapida che raggiunge l'80% di capacità in circa 30 minuti.

Termini comuni spiegati

• Albero motore: l'albero rotante che converte il movimento su e giù del pistone in movimento rotatorio, secondo il Dipartimento dell'Energia.
• Batteria di trazione: il pacco batteria ricaricabile che immagazzina energia per il motore di trazione elettrico, secondo l'AFDC.
• Controllore di potenza: il componente che gestisce il flusso di energia elettrica dalla batteria e controlla la velocità e la coppia del motore, secondo l'AFDC.
• Frenata rigenerativa: utilizzo del motore elettrico come generatore durante la decelerazione per rimandare energia nella batteria, come descritto da Mazda, citando le stime del Dipartimento dell'Energia.