Il prezzo alla pompa è appena salito di nuovo. Fissi l’ugello, fai i conti mentali e ti chiedi se è ora di abbandonare definitivamente il motore a combustione interna. Forse ti passa per la mente il pensiero di scambiare il tuo conducente quotidiano con un veicolo elettrico plug-in (BEV). Ma l’ansia da autonomia è reale. Vuoi efficienza. Vuoi emissioni più basse. Non vuoi essere legato a una stazione di ricarica per tre ore dopo un viaggio.
Entra nell’auto ibrida.
È la via di mezzo. Ma cosa succede realmente sotto il cofano per spremere 20 o 30 miglia in più con un litro da un serbatoio di benzina? Un chilometraggio migliore significa automaticamente un’impronta più pulita? E dove si inserisce l’ibrido plug-in in questa equazione?
Stiamo analizzando i meccanismi dell’ibrido benzina-elettrico. Vedremo come questi sistemi combinano le fonti di energia e come puoi guidarne uno per massimizzare l’efficienza.
Energia benzina vs. energia elettrica
Un ibrido è letteralmente un ibrido. Prende il meglio del mondo ICE (motore a combustione interna) e lo abbina alla trasmissione elettrica. Per comprendere il compromesso, bisogna guardare agli estremi.
L’auto a benzina:
1. Il serbatoio del carburante contiene la benzina.
2. La benzina alimenta il motore.
3. Il motore fa girare la trasmissione.
4. La trasmissione fa girare le ruote.
L’auto elettrica:
1. La batteria immagazzina l’elettricità.
2. Le batterie alimentano il motore.
3. Il motore fa girare la trasmissione.
4. La trasmissione fa girare le ruote.
L’ibrido cerca di mantenere la comodità del rifornimento presso una stazione di servizio riducendo al contempo il consumo di carburante della prima opzione. È un equilibrio tra densità di energia e coppia elettrica.
L’anatomia di un ibrido benzina-elettrico
Gli ibridi non sono solo un motore a gas con una piccola batteria inserita. Sono sistemi complessi. Ecco i componenti principali che rendono possibile la magia.
Il motore a benzina
Sembra un motore standard, ma è messo a punto in modo diverso. Gli ibridi in genere utilizzano motori più piccoli, a volte quattro cilindri, mentre un V6 si troverebbe in un’auto convenzionale. Usano una tecnologia avanzata per bruciare in modo più pulito ed efficiente. Il motore non è sempre il motore principale.
Il serbatoio del carburante
È qui che conta la densità energetica. La benzina ha una potenza enorme rispetto alle batterie. Per immagazzinare la stessa quantità di energia di un litro di gas, sarebbero necessarie circa 1.000 libbre di celle della batteria. Quel peso è proibitivo per la maggior parte dei veicoli passeggeri. Il serbatoio del carburante rimane la principale fonte di energia a lungo raggio.
Il motore elettrico
Questi non sono semplici antipasti. Sono unità sofisticate controllate da un’elettronica avanzata. Un motore elettrico in un ibrido è una strada a doppio senso. Funziona come un motore, traendo energia dalle batterie per aiutare ad accelerare l’auto. Ma può anche fungere da generatore. Quando si rilascia il gas o si preme il freno, il motore inverte la sua funzione. Cattura l’energia cinetica e la reimmette nelle batterie. Questa è la frenata rigenerativa in azione.
Il generatore
Distinto dal motore di trazione, l’unico compito di questo componente è produrre elettricità. Si trova principalmente nelle configurazioni ibride in serie. Non gira direttamente le ruote.
Le batterie
Questi immagazzinano l’energia per il motore elettrico. A differenza del serbatoio del carburante, che fornisce energia solo all’esterno, la batteria ibrida può ricevere energia. Il motore elettrico restituisce energia durante la decelerazione e il motore a gas può caricarla durante la guida.
La Trasmissione
È qui che i progetti divergono selvaggiamente. Alcuni ibridi utilizzano trasmissioni a ingranaggi convenzionali. La Honda Insight, ad esempio, utilizza un cambio automatico multi-marcia. Altri, come la Toyota Prius, utilizzano un’architettura fondamentalmente diversa che fonde continuamente motore e input del motore.
Ibridi paralleli
In un ibrido parallelo, entrambe le fonti di energia sono collegate alle ruote. Il motore a gas può trasformare la trasmissione. Il motore elettrico può anche far girare la trasmissione. Possono lavorare insieme.
A basse velocità, il motore elettrico potrebbe fare tutto il lavoro. A velocità autostradali o in caso di forte accelerazione, sia il motore che il motore entrano in funzione contemporaneamente. È un approccio semplice. Ottieni i vantaggi della coppia elettrica senza una complessa configurazione di serie.
Ibridi di serie
Gli ibridi in serie funzionano diversamente. Il motore a benzina non aziona mai direttamente le ruote. Invece, agisce come un range extender.
Il motore a gas fa girare un generatore. Quel generatore produce elettricità. Quell’elettricità carica le batterie o alimenta il motore elettrico che aziona la trasmissione. Si tratta essenzialmente di un’auto elettrica con a bordo un generatore alimentato a benzina. Questa configurazione consente al motore di funzionare costantemente al regime più efficiente, indipendentemente dalla velocità del veicolo, ma introduce perdite di efficienza nel processo di conversione.
Il paradosso dell’efficienza dei motori più piccoli
La salsa segreta di una strategia di prestazioni di un’auto ibrida non consiste solo nell’aggiungere elettricità; si tratta di rendere il motore a combustione interna più piccolo. Un’auto convenzionale ha bisogno di un motore grande e assetato per generare una coppia sufficiente per un’accelerazione rapida. Un ibrido scambia quel V-8 con un’unità compatta a quattro cilindri o anche a tre cilindri.
Perché la riduzione del motore aumenta l’efficienza? Si tratta di fisica e attrito. Un grande motore è pesante. Ogni volta che acceleri o sali su una collina, trascini quel metallo in più. All’interno del blocco, i pistoni e gli alberi motore più grandi richiedono più energia per muoversi su e giù. Una cilindrata maggiore significa che viene iniettato più carburante per ogni corsa. E non dimentichiamoci dei cilindri stessi: ognuno di essi accende e brucia carburante anche quando l’auto è al minimo o procede per inerzia.
Due auto identiche, motori diversi. In autostrada a 65 miglia orarie, entrambi necessitano della stessa potenza per mantenere la velocità. Ma il motore più piccolo brucia meno carburante solo per funzionare. Funziona più vicino al suo carico di picco, dove l’efficienza termica è massima, mentre il grande motore procede a regimi bassi e inefficienti.
Colmare il divario di potere
Allora, come fa un piccolo motore a tenere il passo con una Camaro ZL1? Non è così. E non è necessario.
In un’auto tradizionale, il motore è dimensionato per le massime prestazioni. Lo metti su una rampa autostradale e il grande V-8 urla per fornire la massima coppia. Ma ecco la dura verità: la maggior parte dei conducenti utilizza la potenza di picco meno dell’1% delle volte. Il resto del viaggio è in pendolarismo, in crociera e al minimo.
Gli ibridi disaccoppiano il potere dalla necessità. Il motore a gas è dimensionato per un fabbisogno energetico medio, sufficiente per mantenere l’auto in movimento a velocità autostradale. Quando devi entrare velocemente o salire su una pendenza ripida, entra in azione il motore elettrico. Fornisce la coppia istantanea che manca al piccolo motore a benzina. Questa sinergia fa sì che il motore non debba mai sovradimensionarsi per eventi rari e molto richiesti.
Cinque tattiche per massimizzare l’MPG
Oltre allo scambio di motori, gli ibridi impiegano tecnologie specifiche per spremere ogni miglio da un gallone. Alcuni sono trucchi di efficienza standard; altri sono esclusivi ibridi.
1. Frenata rigenerativa: catturare il calore disperso
Quando freni, stai essenzialmente sprecando energia. L’energia cinetica si trasforma in calore nelle pastiglie dei freni e si dissipa nell’aria. In un ibrido, quell’energia non viene persa.
Il sistema utilizza la frenata rigenerativa. Quando si rilascia l’acceleratore o si preme il freno, il motore elettrico inverte la sua funzione. Invece di attingere energia per far girare le ruote, agisce come un generatore. La resistenza rallenta l’auto e contemporaneamente carica la batteria ad alta tensione. Stai catturando energia che altrimenti sarebbe svanita.
2. Avvio-arresto automatico: eliminare il minimo
Il minimo è uno spreco di carburante. Non viene svolto alcun lavoro, ma il motore brucia benzina. Gli ibridi con sistemi start-stop avanzati spengono completamente il motore quando l’auto si ferma, ad esempio al semaforo rosso o nel traffico intenso. Nell’istante in cui rilasci il freno, il motore elettrico o il motorino di avviamento si inseriscono per riavviare il motore senza problemi. Nessun gas bruciato mentre l’auto era ferma.
3. Riduzione della resistenza aerodinamica
A velocità autostradali, la resistenza aerodinamica è il nemico. Il compito principale del motore non è spostare l’auto; sta spingendo l’auto in aria.
Gli ibridi spesso presentano linee del tetto più basse, pannelli del sottoscocca più lisci e persino passaruota coperti. Queste scelte progettuali riducono l’area frontale e un flusso d’aria uniforme. Una minore resistenza significa che il motore non deve lavorare tanto per mantenere la velocità, migliorando direttamente il risparmio di carburante.
4. Pneumatici a bassa resistenza al rotolamento
I pneumatici standard sono un compromesso. Devono essere silenziosi, comodi e aderenti in caso di pioggia o neve. Non sono costruiti per l’efficienza. Le auto ibride utilizzano pneumatici specializzati a bassa resistenza al rotolamento. Sono più rigidi e spesso funzionano a pressioni più elevate. Ciò riduce la flessibilità dei fianchi e l’attrito della zona di contatto, consentendo all’auto di rotolare ulteriormente con meno potenza.
5. Riduzione del peso
Il peso è il killer del risparmio di carburante. Un’auto più leggera richiede meno energia per accelerare e meno energia per affrontare le salite. I produttori utilizzano materiali leggeri come alluminio, magnesio e plastica composita nel corpo e nel telaio. Ogni libbra persa si traduce in un guadagno leggero ma cumulativo in miglia per gallone.
Il battito cardiaco della Prius
Il dispositivo di ripartizione della potenza è il vero cuore della Toyota Prius. Devi rispettarlo. È un cambio intelligente che aggancia il motore a benzina, il generatore e il motore elettrico in un unico nodo stretto. È qui che avviene la magia. Permette 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. È flessibile.
Funziona anche come un ibrido in serie. Il motore a benzina può funzionare indipendentemente dalla velocità del veicolo. Si limita a caricare le batterie o a fornire energia alle ruote secondo necessità. È efficiente.
Il dispositivo di ripartizione della potenza funge anche da trasmissione a variazione continua. Ciò elimina la necessità di una trasmissione manuale o automatica. Nessuno spostamento. Nessun pedale della frizione. Solo un’erogazione di potenza fluida. Infine, poiché il dispositivo di ripartizione della potenza consente al generatore di avviare il motore, l’auto non necessita di motorino di avviamento. Quella parte semplicemente non esiste.
Il dispositivo di ripartizione della potenza è un set di ingranaggi planetari. È complesso ma elegante. Il motore elettrico è collegato alla corona dentata del gruppo ingranaggi. Inoltre è direttamente collegato al differenziale. Quel differenziale guida le ruote. Quindi, qualunque sia la velocità a cui girano il motore elettrico e la corona dentata, determina la velocità dell’auto. Fisica semplice. Risultati potenti.
Il cuore meccanico del sistema ibrido Toyota è il dispositivo di ripartizione della potenza, un ingranaggio planetario che gestisce il flusso di energia tra il motore, il generatore e il motore di trazione. Non è una trasmissione tradizionale con marce che cambiano. Si tratta invece di un meccanismo a variazione continua in cui l’ingranaggio solare si collega al generatore e il portasatelliti si collega al motore a benzina. La corona dentata? Questo è legato all’albero di uscita che alla fine aziona le ruote.
Poiché questi tre componenti sono bloccati meccanicamente insieme, non possono muoversi indipendentemente. La velocità della corona dentata è la somma dei movimenti delle altre due. Devono coordinarsi costantemente. Se uno accelera, gli altri devono regolare la rotazione per far funzionare la fisica. In questo modo il sistema controlla la velocità di uscita senza una frizione o un cambio convenzionali.
Quando si preme l’acceleratore da fermo, il motore a benzina rimane spento. Il motore elettrico e la batteria svolgono tutto il lavoro pesante. Il motore elettrico è collegato alla corona dentata, quindi inizia subito a girare, spingendo l’auto in avanti. Ma ecco il trucco: il vettore planetario, attaccato al motore, è fermo. Il motore non è ancora acceso.
Poiché la corona dentata gira e il portasatelliti è bloccato, gli ingranaggi planetari devono ruotare sui propri assi. Questo movimento rotatorio fa girare l’ingranaggio solare. L’ingranaggio solare è collegato al generatore. Quindi, mentre acceleri in modalità elettrica, il generatore gira. Non genera ancora elettricità per la batteria; gira semplicemente per mantenere il motore disinnestato. Il generatore gira esattamente alla velocità richiesta per annullare il movimento della corona dentata rispetto al vettore planetario. Ciò mantiene l’albero motore completamente fermo. È un elegante trucco meccanico.
Quando il motore si accende
Questa modalità esclusivamente elettrica dura fino al raggiungimento di circa 40 mph (64 km/h). A quel punto il sistema decide che è ora di inserire nella miscela il motore a benzina. Il generatore cambia improvvisamente la sua velocità di rotazione. Questo cambiamento sconvolge l’equilibrio del set di ingranaggi planetari. La forza trasmessa attraverso gli ingranaggi fa ora girare il portasatelliti.
Il portasatelliti è bloccato sull’albero motore. Quindi, non appena inizia a girare, il motore si avvia. È una transizione graduale perché il motore viene già ruotato dalla trasmissione prima di accendersi. Non è necessario alcun motorino di avviamento per far muovere il motore; il sistema ibrido funge da avviatore.
Una volta che il motore è al minimo e funziona, si stabilizza su una velocità costante. Il generatore ora cambia continuamente la sua velocità per soddisfare le esigenze di potenza del motore di trazione e delle ruote. Ciò consente al motore di funzionare nella gamma di giri più efficiente, indipendentemente dalla velocità con cui sta andando l’auto. Il generatore varia la sua velocità per adattarla alla velocità di uscita del motore elettrico, garantendo che il motore non debba trascinarsi o girare a dismisura.
Se premi a fondo l’acceleratore, il motore elettrico assorbe corrente extra dalla batteria ad alta tensione per fornire un aumento di coppia. Ma una volta raggiunta la velocità dell’autostrada, l’auto funziona con una miscela di gas ed energia elettrica. Tutta l’elettricità utilizzata in quella fase proviene dal generatore, che viene fatto girare dal motore. La batteria è essenzialmente un buffer, immagazzina energia durante la frenata e la rilascia durante l’accelerazione.
Di quanta potenza hai effettivamente bisogno?
Esiste un enorme dislivello tra la potenza indicata sul badge di un’auto e la potenza effettivamente richiesta per mantenere la velocità autostradale. La maggior parte di ciò che fa un’auto sulla strada utilizza solo una piccola frazione della sua produzione totale.
Quando guidi a 60 mph (96,6 km/h) su una strada pianeggiante, il tuo motore combatte tre forze principali:
- Resistenza aerodinamica. La resistenza dell’aria aumenta con il quadrato della velocità. Spingersi in aria richiede potenza.
- Attrito meccanico. Include la resistenza al rotolamento degli pneumatici, l’attrito nella trasmissione, negli assali e nelle pinze dei freni.
- Carichi accessori. Il compressore dell’aria condizionata, la pompa del servosterzo e gli impianti elettrici traggono tutti energia dal motore.
Per la maggior parte delle berline moderne, superare queste forze a 60 mph richiede meno di 20 cavalli. Allora perché i produttori costruiscono motori da 200 cavalli? Perché hai bisogno di quella riserva di potenza per sorpassare, immetterti in autostrada o accelerare in uscita dagli incroci. Quel momento “floor it” è l’unico momento in cui utilizzi quasi l’output completo. Per la stragrande maggioranza della guida, utilizzi una piccola percentuale della potenza disponibile.
Questo divario in termini di efficienza è il motivo per cui gli ibridi sono così convincenti. Usano il motore elettrico per gestire le richieste di bassa velocità e coppia elevata che altrimenti sprecherebbero carburante.
Suggerimenti sul chilometraggio ibrido: Guidare per l’efficienza
Il desiderio di una rapida accelerazione è nemico del risparmio di carburante. Probabilmente l’hai notato in concessionaria. Un’auto con un motore più piccolo e meno potente spesso ha valori di MPG migliori in città e in autostrada rispetto a un modello identico con un motore turbocompresso o più grande. Un maggiore potenziale energetico significa che viene bruciato più carburante per creare quel potenziale, anche se non lo si utilizza.
Per ottenere il miglior chilometraggio da un ibrido, non è necessaria una nuova auto. Hai solo bisogno di abitudini diverse. I principi sono gli stessi di qualsiasi auto a benzina, ma il sistema ibrido ne amplifica i vantaggi.
Guida più lentamente
La resistenza aerodinamica è il fattore più importante per l’efficienza delle autostrade. La forza della resistenza dell’aria aumenta notevolmente con la velocità. A 70 mph (113 km/h), la resistenza è circa il doppio di quella a 50 mph (81 km/h). Raddoppiare la resistenza non raddoppia la potenza richiesta, ma la aumenta in modo significativo. Mantenere la velocità bassa, anche di 5 o 10 mph, può produrre guadagni misurabili in MPG.
Mantieni una velocità costante
Ogni volta che acceleri, bruci energia per aumentare l’energia cinetica. Quando freni, quell’energia viene dissipata sotto forma di calore. In un ibrido, la frenata rigenerativa ne recupera una parte, ma non tutta. Mantenendo una velocità costante si riduce al minimo l’energia persa nei cicli di frenata e accelerazione. Il controllo della velocità di crociera aiuta, ma il tuo piede spesso è migliore. Anticipare il flusso del traffico e mantenere il pedale costante.
Evita arresti bruschi
È qui che brillano gli ibridi. Quando si frena dolcemente, il motore elettrico funge da generatore. Resiste alla rotazione delle ruote, rallentando l’auto e riconvertendo l’energia cinetica in elettricità, che viene immessa nella batteria. Più ti fermi con forza e rapidità, più i freni meccanici prendono il sopravvento. I freni meccanici convertono quell’energia in calore e la sprecano completamente.
Se si dà al motore elettrico il tempo di rallentare il veicolo, recupera più energia. Questo vale anche per le auto a benzina, ma l’effetto è più pronunciato nelle ibride perché l’energia recuperata è direttamente utilizzabile per la successiva accelerazione. Gli input fluidi non riguardano solo il comfort. Riguardano l’efficienza.
Fonti
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