Il prezzo alla pompa ha colpito duramente. Fissi il tassametro, poi il cruscotto, chiedendoti se è il momento di scambiare la tua corsa attuale con qualcosa che consuma meno carburante. Forse stai anche sudando per l’impronta di carbonio, ma l’idea di collegarti ogni notte sembra troppo fastidiosa per ora.
Entra nell’auto ibrida.
Si trova proprio in quella scomoda via di mezzo. Ma prima di cancellare il tuo motore a combustione interna o firmare un contratto di locazione per una berlina alimentata a batteria, devi capirne la meccanica. Come fa un ibrido a spremere 20 o 30 miglia extra per gallone da un serbatoio? Un chilometraggio migliore significa effettivamente emissioni più pulite? E dove si inseriscono i modelli plug-in in questa equazione?
Stiamo analizzando l’anatomia di queste macchine. Vedremo come funziona la tecnologia e, cosa altrettanto importante, come dovresti guidare per trarne il massimo.
Benzina vs. elettricità: il divario fondamentale
Un ibrido benzina-elettrico è un compromesso. È un ponte tra l’affidabilità di un serbatoio di gas e la coppia istantanea di un motore elettrico. Per comprendere il ponte, bisogna comprendere le sponde che collega.
Un’auto a gas standard è semplice. Il serbatoio del carburante fornisce benzina al motore a combustione interna. Il motore fa girare la trasmissione. La trasmissione fa girare le ruote. Semplice.
Un’auto elettrica (EV) è diversa. Si basa su un pacco batteria. Le batterie inviano elettricità a un motore elettrico. Il motore fa girare la trasmissione. La trasmissione fa girare le ruote. Nessuna combustione. Niente scarico.
L’ibrido tenta di prendere il meglio di entrambi. Mantiene il serbatoio del gas per maggiore autonomia e comodità. Aggiunge energia elettrica per aumentare l’efficienza e ridurre le emissioni. L’obiettivo è portarti a destinazione senza fermarti costantemente per fare rifornimento, tenendo a bada il tuo senso di colpa ambientale.
Sotto il cofano: l’anatomia ibrida
Gli ibridi non sono solo un motore a gas con una piccola batteria. Sono sistemi complessi. Ecco con cosa hai a che fare.
Motore a benzina : questo è il cuore del lato tradizionale. Tuttavia, i motori ibridi sono generalmente più piccoli delle loro controparti non ibride. Usano tecnologie avanzate per bruciare il carburante in modo più pulito ed efficiente. Meno spostamento spesso significa meno attrito e migliore efficienza termica.
Serbatoio del carburante : questo è lo stoccaggio dell’energia per il motore a gas. La benzina ha un’enorme densità di energia rispetto alle batterie. Per dirla in prospettiva: sono necessarie circa 454 kg di batterie per immagazzinare la stessa quantità di energia di un gallone (3,8 litri) di benzina. Questa differenza di peso è il motivo per cui gli ibridi non si limitano a sostituire il motore con una batteria; hanno bisogno di entrambi.
Motore elettrico : queste unità sono sofisticate. Non sono solo motori. L’elettronica avanzata consente loro di invertire i ruoli. Quando è necessario accelerare, agiscono come un motore, assorbendo energia dalle batterie per spingere l’auto in avanti. Quando si rilascia l’acceleratore o si frena, funzionano come un generatore. Questo processo, noto come frenata rigenerativa, cattura l’energia cinetica che altrimenti andrebbe persa sotto forma di calore e la rimanda alle batterie.
Generatore : simile a un motore, ma produce solo elettricità. Lo vedrai principalmente negli ibridi in serie. Converte l’energia meccanica del motore a gas in energia elettrica per caricare le batterie o alimentare il motore elettrico.
Batterie : immagazzinano energia per il motore elettrico. A differenza del serbatoio del carburante, che fornisce energia solo al motore a gas, il sistema della batteria è bidirezionale. Il motore elettrico può attingere da esso e il sistema di frenata rigenerativa può restituirgli energia.
Trasmissione : questa parte varia notevolmente. Alcuni ibridi, come la Honda Insight, utilizzano trasmissioni convenzionali che sembrano familiari. Altri, come la Toyota Prius, utilizzano configurazioni radicalmente diverse, come una trasmissione a variazione continua (CVT) o un e-CVT, che non ha affatto marce fisse.
Ibridi paralleli: la configurazione più comune
La maggior parte degli ibridi che vedi sulla strada sono ibridi paralleli. Il nome descrive il flusso di potenza.
Hai un serbatoio del carburante che alimenta il motore a benzina. Hai batterie che alimentano il motore elettrico. Entrambe le fonti di alimentazione possono attivare la trasmissione contemporaneamente. Funzionano in parallelo.
Questa configurazione consente flessibilità. A basse velocità, il motore elettrico potrebbe fare tutto il lavoro. A velocità autostradali, il motore a gas prende il sopravvento. Durante una forte accelerazione, entrambi potrebbero accendersi contemporaneamente per fornire la coppia massima. La trasmissione trasmette semplicemente la potenza combinata alle ruote.
Serie ibridi: il circuito del generatore
Gli ibridi in serie funzionano diversamente. Sono meno comuni nelle autovetture tradizionali, ma prevalenti nei camion e negli autobus più grandi.
In un ibrido in serie, il motore a benzina non fa mai girare direttamente le ruote. Invece, fa girare un generatore. Quel generatore crea elettricità. L’elettricità carica le batterie o alimenta un motore elettrico. Quel motore elettrico è l’unica cosa che guida la trasmissione.
Consideralo come un generatore alimentato a gas all’interno dell’auto. Il motore funziona a un regime costante ed efficiente per generare elettricità, che poi alimenta il motore di trazione. Il motore a gas è disaccoppiato dalle ruote. Ciò consente al motore di funzionare più spesso nella sua zona di massima efficienza, indipendentemente dalla velocità con cui sta andando l’auto.
Perché sceglierne uno piuttosto che l’altro? Gli ibridi paralleli sono generalmente più efficienti alle alte velocità perché possono bypassare completamente il motore elettrico. Gli ibridi di serie eccellono nel traffico stop-and-go perché eliminano le inefficienze del cambio marcia e del minimo.
La tecnologia continua ad evolversi. Gli ibridi plug-in (PHEV) prendono questa base e aggiungono un pacco batteria più grande che può essere caricato da una presa esterna. Ciò consente autonomie solo elettriche più lunghe, offuscando il confine tra ibrido ed elettrico. Ma i principi fondamentali rimangono gli stessi: catturare l’energia, immagazzinarla e usarla saggiamente.
Stai guardando un sistema progettato per sprecare meno. Ogni luce di stop è un’occasione per ricaricarsi. Ogni minuto di inattività è un’opportunità per risparmiare carburante. Ma il modo in cui guidi conta ancora più dell’hardware. Ne parleremo dopo.
Il trucco fondamentale dietro un ibrido è semplice ma profondo: puoi ridimensionare drasticamente il motore a benzina perché non ti serve per fare tutto il lavoro pesante. I veicoli convenzionali richiedono motori grandi e assetati per generare la coppia immediata necessaria per una rapida accelerazione. Gli ibridi aggirano questo problema. Utilizzano componenti più piccoli e leggeri, meno cilindri e fanno funzionare il motore a combustione interna più vicino al punto di massima efficienza di carico.
Il risultato è un propulsore che sorseggia carburante anziché ingoiarlo.
Perché i motori più piccoli consumano meno carburante
Si tratta di fisica e inerzia. Un enorme motore V-8 è pesante. Ogni volta che acceleri o sali su una collina, stai sprecando energia semplicemente spostando quel peso morto. Pistoni e alberi motore più pesanti richiedono più energia per oscillare su e giù all’interno della canna del cilindro.
Poi c’è lo spostamento. I cilindri più grandi necessitano di più carburante per corsa. Più cilindri significano più eventi di combustione, anche quando l’auto è al minimo o avanza lentamente nel traffico. Questo è il motivo per cui due auto dello stesso modello, ma con diverse opzioni di motore, producono valori MPG molto diversi.
In autostrada, entrambi i motori devono erogare la stessa potenza per mantenere la velocità. Ma il motore più piccolo utilizza meno di quella potenza per azionare il proprio attrito interno e il proprio peso. La potenza extra è interamente utilizzata per spostare il veicolo.
Ottenere abbastanza potenza da un piccolo motore
Quindi, come fa un piccolo motore ibrido a tenere il passo con una muscle car? Confronta una Chevrolet Camaro con il suo enorme V-8 con un tipico ibrido. Il motore della Camaro è eccessivo per la crociera. È progettato per gli scenari di massima potenza, quei momenti in frazioni di secondo in cui premi l’acceleratore. In realtà, la maggior parte dei conducenti utilizza la capacità massima del motore meno dell’1% del tempo.
Gli ibridi dimensionano i loro motori a benzina per requisiti di potenza medi, non di picco. il motore a gas gestisce perfettamente la navigazione in autostrada. Ma quando devi immetterti in un’autostrada o percorrere una salita ripida, il piccolo motore chiede aiuto.
Questo aiuto viene dal motore elettrico e dalla batteria ad alta tensione. Il sistema si attiva istantaneamente, fornendo il surplus di coppia che manca al piccolo motore a gas. È un passaggio di consegne. Il motore a gas svolge il lavoro costante; il motore elettrico fa gli scoppi.
Migliorare il risparmio di carburante in 5 modi diversi
Oltre allo scambio di motori, gli ibridi impiegano una serie di trucchi per l’efficienza. Alcuni sono miglioramenti automobilistici universali, altri sono specifici dell’architettura ibrida.
1. Recuperare l’energia e immagazzinarla nella batteria
La frenata è essenzialmente l’atto di distruggere energia. L’energia cinetica si trasforma in calore tramite cuscinetti di attrito. Quel calore si dissipa nell’atmosfera, sparito per sempre. Gli ibridi catturano parte di quell’energia persa.
Attraverso la frenata rigenerativa, il motore elettrico inverte il suo ruolo. Invece di consumare l’energia della batteria per far girare le ruote, agisce come un generatore. Il motore resiste alla rotazione delle ruote, rallentando l’auto e contemporaneamente caricando la batteria. Stai recuperando energia che altrimenti andrebbe sprecata.
2. A volte si spegne il motore
Perché bruciare carburante quando non ti muovi? Un ibrido con motore a combustione interna ha un’alternativa: il motore elettrico. Al semaforo o nel traffico intenso, il sistema può spegnere completamente il motore a benzina. Nessun minimo. Nessuno spreco di carburante. Il motore elettrico mantiene gli accessori in funzione e il veicolo pronto a muoversi.
3. Utilizzo dell’aerodinamica avanzata per ridurre la resistenza
La guida in autostrada è una lotta contro la resistenza dell’aria. La resistenza aerodinamica consuma gran parte della potenza di un’auto in velocità. È possibile ridurre questa resistenza riducendo al minimo l’area frontale. Un SUV spinge un muro d’aria molto più grande di un’auto sportiva.
Gli ibridi spesso presentano pannelli sottoscocca più lisci, passaruota coperti e spazi più stretti tra la carrozzeria. Questi dettagli gestiscono il flusso d’aria, riducendo la turbolenza e la resistenza. Non si tratta solo di aspetto; si tratta di scivolare nell’aria con una resistenza minima.
4. Utilizzo di pneumatici a bassa resistenza al rotolamento
I pneumatici standard sono un compromesso. Danno priorità al comfort di marcia, alla riduzione del rumore e alla trazione sul bagnato rispetto all’efficienza. Ma la flessione dei pneumatici crea resistenza al rotolamento, una forma di resistenza che consuma carburante.
Gli ibridi utilizzano pneumatici specializzati a bassa resistenza al rotolamento. Sono più rigidi e funzionano a pressioni più elevate. Ciò riduce l’energia persa a causa della deformazione del pneumatico. Il compromesso è una guida più solida, ma il risparmio di carburante è reale.
5. Utilizzo di materiali leggeri
Il peso è nemico dell’efficienza. Un’auto più leggera richiede meno energia per accelerare e meno forza per affrontare le salite. Gli ibridi spesso incorporano materiali leggeri per perdere peso. I compositi di alluminio, magnesio e talvolta fibra di carbonio sostituiscono i componenti più pesanti in acciaio e plastica. Meno massa significa migliore chilometraggio.
È un approccio olistico. Ogni grammo risparmiato, ogni coefficiente di resistenza ridotto, ogni joule di energia cinetica recuperata si somma. Il motore a benzina è solo la punta dell’iceberg. Il resto è un’intricata danza di fisica ed elettronica, tutta progettata per farti muovere sprecando meno energia possibile.
La domanda non è se gli ibridi funzionano. La questione è se siamo pronti ad accettare che il modo in cui abbiamo guidato per un secolo è fondamentalmente inefficiente.
Il riduttore planetario al centro
Dimentica il tradizionale cambio automatico o manuale. All’interno della Prius, non c’è il pacco frizione che slitta, nessun convertitore di coppia a cui cercare il bloccaggio e nessun punto di cambio da sentire. Invece, Toyota ha seppellito l’intera architettura della trasmissione all’interno di un’unica, densa unità meccanica: il dispositivo di ripartizione della potenza. È, letteralmente, il cuore del sistema ibrido.
Questo non è solo un componente aggiuntivo intelligente. Si tratta di un ingranaggio planetario che aggancia fisicamente il motore a benzina, il generatore (motore G) e il motore di azionamento (motore A) in un nodo inseparabile.
Il dispositivo di ripartizione della potenza consente all’auto di funzionare contemporaneamente come un ibrido parallelo, un ibrido in serie e un CVT.
L’ingegneria qui è brutale nella sua semplicità ma brillante nella sua esecuzione. Bloccando questi tre componenti in punti specifici del set di ingranaggi planetari, Toyota ha eliminato la necessità di un motorino di avviamento separato. Il generatore avvia il motore. Elimina inoltre la necessità di una leva del cambio, di un convertitore di coppia o di un alloggiamento della trasmissione convenzionale. Il risultato è una trasmissione che sembra senza peso.
Come gli ingranaggi planetari gestiscono il flusso di potenza
Per capire come funziona, bisogna guardare la geometria degli ingranaggi. Un set di ingranaggi planetari standard ha tre parti mobili principali: l’ingranaggio centrale, gli ingranaggi planetari (che ruotano su un supporto) e la corona dentata. Nella configurazione Prius, a questi vengono assegnati ruoli specifici.
Il motore a benzina si collega direttamente all’ingranaggio centrale. Questo è l’input. Quando il motore gira, aziona l’ingranaggio solare, che a sua volta spinge gli ingranaggi planetari.
La corona dentata è collegata al motore elettrico. Ma è anche direttamente collegato al differenziale della trasmissione finale. Ciò significa che la velocità della corona dentata determina la velocità delle ruote. Qualunque sia la velocità di rotazione del motore elettrico e della corona dentata, determina la velocità con cui si muove l’auto.
Il portaerei è il luogo in cui si attacca il generatore.
Questo layout crea una relazione matematica unica tra i tre componenti. La velocità dell’ingranaggio centrale (motore), della corona dentata (ruote/motore) e del portasatelliti (generatore) sono bloccati insieme dai rapporti di trasmissione. Non puoi cambiarne uno senza influenzare gli altri.
Serie contro Parallelo: la decisione di dividere
Questo collegamento meccanico consente all’auto di passare senza problemi da una modalità operativa ibrida all’altra senza alcuna interruzione nell’erogazione di potenza.
Nella modalità in serie, il motore a benzina funziona a una velocità fissa per generare elettricità. Il motore fa girare l’ingranaggio solare. Il vettore planetario (generatore) gira per produrre energia, che carica la batteria o alimenta il motore di azionamento. Il motore di azionamento quindi fa girare la corona dentata per far girare le ruote. Il motore non ha alcun collegamento meccanico diretto alle ruote. È puramente un generatore.
In modalità parallela, il motore a benzina fornisce potenza meccanica diretta alle ruote attraverso gli ingranaggi planetari. Il motore fa girare l’ingranaggio solare, che aziona contemporaneamente il portasatelliti e la corona dentata. Il motore elettrico può assistere questa potenza o resisterle per rigenerare energia.
Il dispositivo di ripartizione della potenza consente all’auto di funzionare come un ibrido parallelo: il motore elettrico può alimentare l’auto da solo, il motore a gas può alimentare l’auto da solo oppure possono alimentare l’auto insieme.
Ma consente anche all’auto di funzionare come un’ibrida di serie. Il motore a benzina può funzionare indipendentemente dalla velocità del veicolo, caricando le batterie o fornendo potenza alle ruote secondo necessità.
Il cuore meccanico del sistema si basa su una specifica disposizione degli ingranaggi. Il generatore si collega all’ingranaggio solare, mentre il motore si collega al portasatelliti. La velocità della corona dentata determina la potenza, il che significa che tutti e tre i componenti devono coordinarsi costantemente. Non possono lavorare in isolamento.
L’accelerazione inizia con l’elettricità. Il motore elettrico e le batterie forniscono la spinta iniziale. Poiché la corona dentata si collega al motore, inizia a girare immediatamente. Il vettore planetario resta fermo. Il motore è spento, quindi il trasportatore è fermo. Ma la corona dentata si sta muovendo. Ciò costringe gli ingranaggi planetari a ruotare, facendo girare l’ingranaggio solare e il generatore. Il generatore gira alla velocità necessaria per mantenere il motore inattivo.
Il motore si attiva solo a circa 40 mph (64 km/h). La velocità del generatore cambia improvvisamente. Questo cambiamento fa girare il vettore planetario, avviando il motore a benzina. Una volta in funzione, il motore mantiene una velocità costante. Il generatore varia la propria velocità per soddisfare i requisiti di potenza del motore elettrico.
Una forte accelerazione assorbe energia extra dalle batterie. A velocità autostradale, l’auto funziona con un mix di gas ed elettricità. Tutta l’elettricità proviene dal generatore, non dalla batteria, in quella fase.
Il paradosso della potenza
La maggior parte della guida richiede solo una frazione della produzione totale di un’auto. La navigazione a 60 mph (96,6 km/h) richiede potenza solo per tre cose:
- Superare la resistenza aerodinamica
- Contrastare l’attrito nei pneumatici, nella trasmissione, negli assi e nei freni
- Accessori funzionanti come aria condizionata, servosterzo e luci
Per la maggior parte dei veicoli, questo ammonta a meno di 20 cavalli. Allora perché acquistare un motore da 200 cavalli? Hai bisogno di quella riserva per i momenti “floor it”. Per il resto del tempo, utilizzi molta meno energia di quella disponibile.
Massimizzare il chilometraggio dell’ibrido
Il desiderio di una rapida accelerazione uccide l’efficienza. Un motore meno potente spesso ottiene un consumo di carburante migliore rispetto a un modello identico con più potenza. Guarda gli adesivi sulle finestre di qualsiasi concessionaria. La differenza è netta.
Puntare all’efficienza
Ottieni il miglior chilometraggio da un ibrido utilizzando abitudini che aiutano anche le auto a benzina.
- Guida più lentamente. La resistenza aerodinamica aumenta notevolmente con la velocità. La resistenza a 70 mph (113 km/h) è circa il doppio di quella a 50 mph (81 km/h). Velocità più basse significano un chilometraggio migliore.
- Mantieni una velocità costante. Ogni accelerazione consuma energia. Parte di quell’energia viene sprecata quando rallenti. La velocità costante consente un uso efficiente del carburante.
- Evita arresti bruschi. Il motore elettrico dell’ibrido funge da generatore durante la frenata. Recupera energia quando l’auto rallenta. Se ti fermi velocemente, i freni meccanici fanno la maggior parte del lavoro. Quella energia è sprecata. Questo vale anche per le auto a benzina. Gli arresti bruschi sprecano energia.
Fonti
- “Auto ibride a diesel”. Il tempo quotidiano. http://www.dailytimes.com.pk/default.asp?page=2006%5C01%5C09%5Cstory_9-1-2006_pg6_13
- FuelEconomy.gov http://www.fueleconomy.gov/
- Honda Insight http://automobiles.honda.com/models/specifications_full_specs.asp? NomeModello=Insight&Categoria=TUTTI
- HybridCars.com http://www.hybridcars.com/
-Toyota Priushttp://www.toyota.com/prius/specs.html
