HOME NEWS TELAISTICA MOTORISTICA CONTATTI



LE AUTO IBRIDE... SONO VERAMENTE ECOLOGICHE?


Al giorno d’oggi, ormai tutti avranno sentito parlare delle auto ibride. Sono vetture equipaggiate sia con un motore termico, che con uno elettrico allo scopo di ridurre i consumi e l’inquinamento. Se parliamo dei motori a combustione interna, il loro rendimento può definirsi costante. Infatti, sebbene si stia lavorando sul miglioramento dei motori con varie soluzioni, la differenza non è poi molta e ciò che incide di più sul consumo di carburante è:
  1. Perdite di efficienza dovute all’attrito degli organi di trasmissione, problema che può essere risolto applicando direttamente dei motori elettrici accoppiati alle ruote, eliminando così tutto il sistema di trasmissione.
  2. Attrito delle ruote sull’asfalto, che frena la vettura. Può essere risolto con l’utilizzo di gomme più scorrevoli o più sottili, anche se naturalmente questo pregiudica la tenuta di strada. Anche una diminuzione del peso del veicolo è di aiuto in questo senso.
  3. Resistenza aerodinamica, può essere ridotta con vetture dalla forma più aerodinamica che quindi minimizza la resistenza.

In linea generale, quindi, volendo migliorare la percorrenza chilometrica di una vettura, dobbiamo concentrarci sul ridurre i pesi, e migliorare l’aerodinamica, che sono gli aspetti più importanti.
L’idea alla base della propulsione ibrida è che, fermo restando pesi e aerodinamica di una vettura, si possono ridurre molto i consumi aiutando il motore termico con uno elettrico in quei momenti in cui il consumo è maggiore, ovvero durante le partenze.
La maggior parte delle auto ibride, come la Toyota Prius, abbinano a un normale motore a benzina uno o più motori elettrici, che prendono l’energia da delle batterie che possono essere situate o sul pavimento della vettura, per abbassare il baricentro dell’auto, oppure sul retro per motivi di convenienza economica (non è necessario riprogettare il telaio, nel caso in cui venga trasformata in ibrida un auto gia esistente). Il vantaggio dei motori elettrici è che questi forniscono potenza meccanica se vengono alimentati ad energia elettrica, e viceversa se vengono alimentati da energia meccanica forniscono potenza elettrica. Così, gli stessi motori possono funzionare da generatori di corrente in quei momenti in cui non serve che forniscano potenza, come ad esempio durante le frenate. Viene così sfruttata un energia che sarebbe altrimenti dispersa. Bisogna tenere conto, infatti, che quando andiamo a frenare una vettura da una certa velocità, non facciamo altro che trasformare in energia termica (nei freni) l’ energia cinetica che abbiamo accumulato a spese di un certo consumo di carburante. Vediamo quindi le varie tecnologie ibride esistenti.

IMA (Integrated Motor Assist, Honda)


Integrated Motor Assist, Honda
Si tratta di una tecnologia della Honda introdotta nel 1999 sulla Insight. Il motore-generatore elettrico è montato in linea col motore a combustione interna, tra il motore e la trasmissione, ed è progettato in modo da ridurre il carico sul motore che così può essere più piccolo del necessario, rispetto ad un altro veicolo di pari dimensioni e peso. Nella prima generazione l’energia del motore elettrico era insufficiente a garantire un funzionamento solo elettrico del motore, ma dal 2006 con la Civic Hybrid in brevi momenti il funzionamento può essere solo elettrico, con il motore termico in folle. La rigenerazione durante la frenata è veramente semplice, semplicemente quando si inizia a frenare automaticamente il motore diventa generatore e ricarica le batterie. Il motore elettrico viene anche utilizzato come motore di avviamento per accelerare più prontamente il motore termico ad esempio alla partenza da un semaforo, ma è presente anche un normale motorino di avviamento per le emergenze e per le partenze da freddo. Rispetto alle altre tecnologie, questa è quella più semplice da implementare, mantenere ed eventualmente riparare.

Hybrid Synergy Drive (Toyota)


Hybrid Synergy Drive, Toyota
Il sistema Toyota prevede due motori-generatori elettrici, uno in linea col motore come nel sistema Honda appena visto, uno no. Chiave del suo successo è la trasmissione a ingranaggio epicicloidale. Avevamo visto questo ingranaggio nell’articolo sui differenziali, e sappiamo che questo ha tre gradi di libertà. Il primo è occupato dal motore termico e un motore-generatore elettrico, il secondo è collegato al secondo motore elettrico e il terzo alle ruote. Il sistema epicicloidale è controllato elettronicamente e può essere bloccato-sbloccato in varie configurazioni secondo l’utilizzo. Grazie a questo, il sistema HSD è un ibrido completo, la macchina può avanzare solo col motore elettrico tenendo spento il motore termico, è sufficiente infatti bloccare l’ingranaggio epicicloidale dalla parte del motore termico e si ottiene una trasmissione diretta dal secondo motore elettrico alle ruote. Questo sistema quindi sostituisce una normale trasmissione meccanica con una trasmissione definita elettromeccanica. Un motore termico, infatti, può funzionare solo in un ben definito campo di velocità, molto più ridotto rispetto alle velocità del veicolo, per questo motivo tutti i veicoli sono dotati di cambio di velocità, che permette di adattare il regime di funzionamento ottimale del motore alla velocità desiderata del veicolo. Tuttavia, il numero di rapporti è limitato (generalmente da 4 a 6), questo costringe il motore a ruotare, in certe condizioni, a regimi in cui il rendimento è basso. Una trasmissione a variazione continua invece permette di mantenere il motore sempre al regime di giri ottimale, che normalmente è un range di 1500-2000 giri. Il sistema HSD fa ruotare il motore al regime ottimale quando è richiesta potenza o per l’accelerazione, o per ricaricare le batterie, mentre quando è richiesta meno potenza lo spegne e il funzionamento può essere totalmente elettrico. La trasmissione HSD quindi funziona tramite principi simili al sistema a variazione continua CVT, per questo motivo è chiamata anche e-CVT (elec tronic continuously variable transmission).
In base alle condizioni di utilizzo, il sistema HSD opera in diverse fasi:
  1. Ricarica delle batterie, il sistema può ricaricare le batterie senza muovere la macchina, scollegando il motore dalle ruote.
  2. Avviamento motore, viene per questo utilizzato il motore-generatore elettrico collegato in linea col motore. Essendo questo dimensionato per fornire potenza, il semplice avviamento del motore richiede poca energia e quindi non è udibile il classico rumore del motorino di avviamento.
  3. Retromarcia, non è presente un ingranaggio della retromarcia come nelle normali trasmissioni, semplicemente viene applicata una tensione negativa al motore elettrico che così ruota in senso inverso.
  4. Folle, in questo sistema semplicemente spegnendo il motore elettrico, il veicolo è come se fosse in folle.
  5. EV operation, a velocità basse e coppie moderate la macchina può avanzare mantenendo spento il motore termico, utilizzando quindi il solo motore elettrico 2, cioè non quello in linea al motore.
  6. Marce basse (equivalenti), quando si accelera da velocità basse, il motore termico ruota a un regime più alto del necessario, ma fornisce poca coppia alle ruote, il regime di rotazione extra rispetto alle ruote è utilizzato per generare corrente tramite il generatore 1 che viene usata per alimentare il generatore 2, che fornisce la coppia necessaria.
  7. Marce alte (equivalenti), quando si viaggia a velocità elevate, il motore ruota a un regime inferiore alle ruote, ma la coppia è troppo elevata, il motore 2 funziona allora da generatore rimuovendo la coppia non necessaria e producendo potenza che alimenta il motore 1. Se la potenza richiesta cambia, quella extra viene fornita dalle batterie riuscendo quindi a mantenere il motore termico il più costante possibile.
  8. Freno rigenerativo, che funziona come già spiegato in precedenza, durante la frenata il motore funziona da generatore ricaricando le batterie.
  9. Electric boost, se viene richiesta più potenza del solito, la richiesta di potenza extra viene soddisfatta dalla carica delle batterie.


Dual mode hybrid (GM)


Dual mode hybrid (GM)
Questo sistema, come suggerito anche dal nome, ha due possibili modalità di utilizzo. Come nel sistema HSD, utilizza due motori-generatori elettrici. In prima e seconda marcia, il primo motore-generatore invia potenza al secondo, accoppiato al motore termico e fornisce potenza alle ruote. A marce più elevate o sotto carichi elevati, il motore termico gira sempre, la differenza con gli altri sistemi è come lavora il motore elettrico in cooperazione con quello termico. All’aumentare della velocità, si arriva al punto in cui il primo motore non da più un input utilizzabile. Viene allora scollegato tramite un meccanismo a ruota libera e il secondo motore inizia a generare corrente. Quando la velocità aumenta ancora, il primo motore ritorna a generare corrente dando potenza utilizzabile dal secondo motore-generatore.

Il problema batterie


Il grosso problema dei motori elettrici è che la loro fonte di energia non è facilmente stoccabile e trasportabile, vengono utilizzati gli accumulatori che però sono pesanti, ingombranti (in rapporto alla quantità di energia contenuta) e non rapidamente rifornibili, inoltre si deteriorano col tempo e richiedono la sostituzione, che oltre ad essere gravosa dal punto di vista economico, lo è molto dal punto di vista ambientale, smaltire un accumulatore moderno inquina non poco, tanto che lo smaltimento è regolamentato da specifiche normative. In un auto ibrida, è stato calcolato che un pacco batterie dura circa 7 anni, dopo i quali va sostituita e il costo si aggira attorno ai 2-3000€.

Ibrido diesel-elettrico


Nel 2011 la Volvo ha lanciato la prima macchina ibrida diesel-elettrico, il funzionamento è comunque lo stesso delle macchine benzina-elettrico finora descritte. Il motore diesel direttamente collegato al generatore, che produce energia elettrica a richiesta che va ad alimentare i motori elettrici montati direttamente sulle ruote. I vantaggi di questa tecnologia sono l’eliminazione della trasmissione, con una grossa riduzione del peso e della complessità del sistema.

Le ibride sono realmente ecologiche?


Questa è una bella domanda. Dal punto di vista dell’utente, che si limita a guidare, si, l’auto è più ecologica. Ma non va considerato solo il consumo di carburante. Nel caso si utilizzi una ibrida plug-in, ovvero dotata di batterie che possono essere ricaricate tramite la linea elettrica, si può pensare inizialmente che la strada che la vettura riesce a percorrere solo col motore elettrico, sia strada percorsa a zero emissioni. In realtà, quell’energia elettrica è stata prodotta da una centrale elettrica, che può essere nucleare, termoelettrica, raramente l’energia viene prodotta da fonti “verdi” (quali l’eolico, solare, idroelettrico). In Italia, ad esempio, più del 70% dell’energia elettrica viene prodotta in centrali termoelettriche con combustibili fossili, poco più del 10% viene da fonti naturali (prevalentemente idroelettrico), mentre la quota restante viene acquistata dall’estero.
Detto questo, va considerato anche il consumo delle batterie. Oltre al lato economico, se non smaltite adeguatamente creano rifiuti tossici molto pericolosi. Va però considerato che una produzione su larga scala di batterie ne ridurrebbe il costo, inoltre se ben smaltite l’inquinamento a fine vita non è elevato. E’ quindi difficile stabilire se un auto ibrida è realmente più ecologica di un auto convenzionale.

L’importanza dell’aerodinamica


Qualunque oggetto che si muove in un fluido è soggetto a delle forze di attrito dovute alle proprietà del fluido, alla forma dell’oggetto e alla sua velocità. La resistenza prodotta è data dalla formula:
Drag coefficient
Dove D è la forza di resistenza (Drag), rho è la densità dell’aria, V la velocità, Cp il coefficiente di resistenza aerodinamica e S l’area frontale del veicolo. Dalla formula si vede subito che, ferma restando la velocità e la densità dell’aria, per ridurre la resistenza bisogna ridurre il coefficiente di resistenza e l’area frontale. Ridurre l’area significa realizzare un auto più piccola, possibilmente più bassa, mentre per ridurre il Cp bisogna agire sulla forma dell’intera vettura. Vanno ridotte tutte le possibili turbolenze, ad esempio coprendo le ruote o qualsiasi cambio di forma che può causare turbolenza (anche gli specchietti laterali o le barre portaoggetti sopra al tetto creano turbolenza, contribuendo ad aumentare i consumi).
Eliminate tutte le possibili sporgenze che possono creare turbolenza, la carrozzeria va realizzata con una forma il più possibile aerodinamica, ovvero a goccia d’acqua. Infatti, la natura cerca sempre la via a minore dispendio energetico durante i processi naturali, una goccia di acqua che cade acquista la forma che da la minore resistenza aerodinamica.