Tecnologia ibrida

Tecnologia Ibrida: l’applicazione di Toyota

La tecnologia ibrida si basa sull’installazione di un motore elettrico affiancato al tradizionale motore termico, in modo da coadiuvarlo nei momenti di maggior richiesta di energia, allo scopo di contenerne i consumi.
Toyota è una delle case automobilistiche maggiormente impegnate su questo fronte, e gia dal 1997 ha industrializzato e reso disponibile sul mercato il modello Prius, che è gia arrivato alla seconda generazione e comincia a fare numeri consistenti sul mercato mondiale (più di 125.000 unità consegnate nel 2004 e circa il 50% in più nel 2005. Dal 1997 ad oggi il gruppo Toyota ha venduto oltre 500.000 auto ibride).
Toyota Prius, 2° serie.
La Prius è equipaggiata con un motore termico da 1500cc, da 78cv e da un motore elettrico da 68cv che lavorano parallelamente o singolarmente a seconda delle necessità e delle condizioni d’uso. Il resto dell’equipaggiamento “extra” rispetto ad una vettura tradizionale prevede batterie supplementari più capienti , un inverter che effettua una trasformazione da corrente continua in corrente alternata, oltre ad una serie di sofisticate centraline che sovraintendono al tutto.
Il motore elettrico nei rallentamenti inverte la sua funzione, fungendo da generatore di energia elettrica che viene convogliata nelle batterie. Si parla di una capacità di generazione di circa 100Wattora ogni 5 minuti.
Oltre alla modalità di funzionamento di questa tecnologia (che andrò a dettagliare di seguito), ci sono altri accorgimenti e caratteristiche studiate per l’ottimizzazione dei consumi, del rendimento e delle emissioni inquinanti.
Riguardo il motore termico, è stato scelto un propulsore che funziona a ciclo “Atkinson-Miller” :
in un motore a quattro tempi l’energia trasformata dalla combustione viene trasformata in potenza durante la fase di espansione dei gas nel cilindro, e la potenza sviluppata cresce al crescere del rapporto di espansione. Nei classici motori a ciclo Otto, il rapporto di espansione è uguale al rapporto di compressione (che è calcolato come rapporto tra il volume totale del cilindro (cilindrata + camera di combustione), quando il pistone è al punto morto inferiore, dopo la fase di aspirazione, e il volume che rimane nel cilindro quando il pistone è al punto morto superiore, dopo la compressione) e per aumentare il primo si cerca generalmente di aumentare quest’ultimo. Il rapporto di compressione non può però essere aumentato eccessivamente perché si andrebbe incontro a fenomeni di detonazione nei motori a benzina. Nel ciclo Atkinson Miller, si risolve il problema agendo sul rapporto di espansione, ritardando la chisura delle valvole durante la fase di compressione. La conseguenza è che nella fase iniziale della risalita del pistone non c’è compressione, ma un deflusso parziale della miscela aria-benzina nei condotti di aspirazione, spinta appunto dal pistone. La compressione inizia con ritardo, quando le valvole di aspirazione si chiudono. Il risultato è che la miscela bruciata sia in quantità più ridotta, visto che in parte era defluita dalla camera di scoppio quando le valvole erano ancora aperte e si ha quindi una maggiore efficienza termodinamica (oltre naturalmente ad una minore potenza specifica: potenza/cilindrata).
Anche la forma della vettura è stata studiata per ridurre al minimo la resistenza aerodinamica, con conseguenti benefici in termini di consumi (ed emissioni), con un cx (coefficiente di penetrazione aerodinamica) pari a 0.26 , contro una media ben superiore a 0.30.

Il funzionamento della vettura, vede i due motori intervenire congiuntamente o singolarmente a seconda delle situazioni (o anche delle esigenze del conducente). Il principio cardine è quello di coadiuvare il motore termico nelle situazioni in cui si troverebbe a funzionare con scarso rendimento, come la marcia in città caratterizzata da continue accelerazioni, decelerazioni e soste a motore acceso.
Nella Prius, a vettura ferma il motore termico è spento, in partenza per e i primi metri il movimento è garantito dal solo motore elettrico alimentato dalle batterie. Successivamente, quando si ha bisogno di maggior potenza per tenere una velocità più alta, interviene il motore temico (a vettura gia in movimento), e viene mantenuto ad un regime pressochè costante, prossimo ai 4000giri, corrispondenti al punto di coppia massima (regime in cui i motori a termici esprimono il maggior rendimento), grazie ad un cambio automatico a variazione continua di rapporti.
Nei momenti di massima accelerazione i due motori funzionano contemporaneamente sviluppando la massima potenza disponibile.
Chiaramente le batterie del motore elettrico hanno bisogno di essere ricaricate, e ciò avviene, quando è necessario, grazie ad un generatore azionato dal motore termico, ma soprattutto nelle fasi di rallentamento, in cui il motore elettrico inverte il suo funzionamento trasformando l’energia cinetica della vettura che si muove per inerzia in energia elettrica che viene convogliata nelle batterie.
Proprio quest’ultima fase da il consistente vantaggio di una vettura ibrida rispetto ad una tradizionale : il recupero di una consistente quantità di energia che sarebbe stata sprecata, dissipata sotto forma di calore.
Vi sono due circuiti elettrici separati : quello a bassa tensione (12v), come sulle auto tradizionali, che alimenta gli accessori e gli equipaggiamenti di bordo, e quello ad alta tensione (200v), che alimenta il motore elettrico.
Tutto il funzionamento è gestito da sofisticate centraline elettroniche, che decidono quali motori e in che modalità devono funzionare.
Per i risultati in termini di prestazioni facciamo riferimento alle rilevazioni di “quattroruote” :
sono stati calcolati 18 km/l nella marcia in città, più di 17km/l in strada statale e 10.5km/l in autostrada.
Altre testate hanno tuttavia rilevato valori ancora più soddisfacenti.
In città un’auto delle dimensioni della Prius (4.5m) con un motore a benzina di analoga potenza difficilmente si sarebbe potuta spingere oltre i 10km/l, mentre un diesel dalle prestazioni analoghe si sarebbe attestato intorno ai 13-14km/l, in ogni caso ben lontano dai risultati raggiunti dall’auto ibrida.
I risultati rilevati a velocità autostradali (comunque da più parti giudicati inferiori al reale) sono paragonabili a quelli di un’auto a benzina tradizionale di analoga potenza, cosa abbastanza scontata, dal momento che a velocità costante l’apporto del motore elettrico non può essere rilevante, in quanto mancherebbero i rallentamenti per ricaricare le batterie.

Schema di funzionamento dell'auto ibrida. Il motore termico si interfaccia con le ruote trasferendo energia meccanica, e con il motore elettrico nei casi in cui sia necessario alimentarlo elettricamente. Il motore elettrico si interfaccia con le ruote a seconda delle situazioni, trasferendo energia meccanica nelle accelerazioni, assorbendo energia cinetica (che converte in energia elettrica) nei rallentamenti. Lo stesso motore elettrico si interfaccia con le batterie, assorbendo o fornendo energia elettrica a seconda che stia funzionando da generatore o da propulsore.

L’intento di toyota è di estendere nei prossimi anni la tecnologia ibrida a tutta la gamma di modelli di automobili, compresi modelli più grandi, lussuosi e ad alte prestazioni. Gia da alcuni mesi è stato commercializzato un SUV (Sport Utility Vehicle secondo la denominazione attualmente in voga per i fuoristrada “civilizzati”) con il marchio Lexus (brand di lusso di Toyota) : il modello RX400H. La tecnologia e la logica di funzionamento sono rimasti gli stessi della Prius, ma in questo caso sono stati adottati un motore termico da 3300cc da 211cv e due motori elettrici da 167 e 68cv. In questo caso ovviamente, più che in senso assoluto, i consumi stupiscono relativamente alla massa del veicolo (oltre le 2 tonnellate) e alle prestazioni offerte. La richiesta di carburante del v6 da 3.300cc è paragonabile a quella di una berlina media con un motore a benzina intorno ai 2.000cc di cilindrata : (Toyota dichiara un consumo urbano di 11 km/l!), mentre le prestazioni sono consone a quelle che ci si aspetterebbe visti gli oltre 400cv totali.

Ormai la ricerca in questo campo impegna quasi tutte le case automobilistiche, alcune si limitano a soluzioni poco complicate (e costose), realizzando risultati più modesti (Ford sperimenta sul modello Fiesta un piccolo motore elettrico, che alimenta le batterie nel modo gia visto, ma si limita a facilitare l’avvio e la partenza del motore termico che a vettura ferma è sempre spento, con risparmi di carburante nell’ordine del 5% nei centri urbani, e il resto dell’energia accumulata viene sfruttata per alimentare gli accessori dell’abitacolo), altre hanno ottenuto risultati più consistenti (con ovviamente investimenti e tecnologie più impegnative).
Visti i considerevoli risultati finora ottenuti, e visto soprattutto che si tratta di una tecnologia gia disponibile sul mercato degli utilizzatori finali, ritengo che questo tipo di veicoli rivestirà una grande importanza nel prossimo futuro a breve e medio termine. E’ interessante notare che i prezzi delle auto ibride siano tutt’altro che proibitivi (la Toyota Prius è in vendita a circa 25.000 euro, non tantissimo considerando le dimensioni, l’equipaggiamento e i prezzi delle vetture concorrenti equipaggiate con propulsori tradizionali) nonostante la ridotta quota di mercato su cui oggi possono ammortizzare i costi. Non si tratta sicuramente della soluzione definitiva, in quanto l’intento ultimo è quello di distaccarci dalla dipendenza del petrolio, cercando di orientare i consumi verso fonti di energia rinnovabili e più a basso costo, ma sicuramente servirà ad aumentare gli anni a disposizione per effettuare ricerche sugli altri campi (es. Idrogeno).