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Analisi delle prestazioni del gruppo motore termico

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Il gruppo di trazione della vettura “full hybrid” Toyota Prius è essenzialmente costituito da un particolare motore termico a ciclo Atkinson (con potenza massima di 99 Hp a 5200 rpm), simile ad un normale motore a benzina a corsa lunga ma che chiude le valvole di aspirazione con un certo ritardo rispetto al punto morto inferiore pertanto la fase di compressione della miscela è minore della fase di espansione durante la combustione cosa che migliora il rendimento a scapito però di una riduzione della potenza massima e della cilindrata utile, e da due motori/generatori elettrici, uno principale da 81 Hp da 6.500 rpm a -6.500 rpm (Coppia max 207 Nm) ed uno secondario da 36 Hp da 6.500 rpm a -6.500 rpm (Coppia max 92 Nm), uniti da un rotismo epicicloidale differenziale con rapporto di trasmissione fondamentale Tau Zero uguale a circa -2,6. Occorre però precisare che questa analisi parte dall’ipotesi di utilizzare solo la potenza del motore termico (condizioni di regime) mentre nei transitori quali le accelerazioni la batteria può fornire ulteriore potenza al motore elettrico, energia che viene poi recuperata quando non si usa tutta la potenza disponibile del motore termico od in fasi di discesa o frenata.

Il rotismo epicicloidale che costituisce il cambio continuo (CVT) è detto differenziale perché distribuisce la coppia del motore termico (collegato al Porta-satelliti 3) in rapporti costanti fra l’uscita 72% (collegata con la Corona esterna 1) ed il motore/generatore secondario 28% (collegato con il Solare 2) mentre i regimi sono fissi solo se due di essi lo sono ad esempio se il regime della Corona esterna 1, collegata con l’uscita, supera del 38% il regime del Porta-satelliti 3, collegato con il motore termico, il verso di rotazione del Solare 2 si inverte e la macchina elettrica da Generatore diventa Motore prelevando la potenza dal Generatore principale che ruota con l’uscita (Corona esterna 1). In questo primo caso la potenza del motore termico in parte va all’uscita ed in parte al generatore principale e da questo per via elettrica al motore secondario che contro ruota rispetto al motore termico ed all’uscita.
Se invece la Corona esterna 1, collegata con l’uscita non supera del 38% il regime del Porta-satelliti 3, collegato con il motore termico, il verso del moto del Solare 2 non si inverte e la macchina elettrica secondaria collegata funge da Generatore fornendo la potenza al Motore principale che ruota con l’uscita. In questo secondo caso la potenza del motore termico in parte va all’uscita ed in parte al generatore secondario e da questo per via elettrica al motore principale.
Prescindendo dai rendimenti (all’incirca meccanico 0,95 ed elettrico 0,8) il tutto si comporta come un cambio continuo (CVT) in cui la potenza del motore termico che ruota a regime fisso viene trasmessa in uscita a diversi regimi che è quello che i tecnici della Toyota volevano ottenere (vedi foglio allegato per le diverse condizioni di regime del motore termico).

Occorre anche precisare che lo schema del rotismo epicicloidale della Toyota Prius reale non fa uso di innesti o freni perché il motore/generatore principale è sempre collegato all’uscita (Corona esterna 1) ed durante il moto puramente elettrico il motore termico (Porta-satelliti 3) può restare fermo o girare al minimo se non trova resistenze nel generatore/motore secondario (Solare 2): per l’accensione del motore termico può essere usato questo come motore elettrico secondario indipendentemente dalla velocità di uscita fino a circa 69 km/h.

Le prestazioni ottenute sono di tutto rispetto perché si raggiunge una velocità massima di 180 km/h, si può salire su pendenze del 6% (autostrade tedesche a velocità libera) ad una velocità di oltre 135 km/h, si ottiene la velocità di crociera autostradale (130 km/h) col motore termico in regime di coppia massima con minimo consumo specifico, si possono percorre strade extra urbane (90 km/h) col termico a basso regime (2000 rpm) e col solo motore elettrico si superano pendenze del 18% con partenza da fermo.

I limiti sono tuttavia insiti nella capacità delle batterie degli accumulatori perché, se apparentemente si potrebbe andare fino ad oltre 170 km/h con il solo motore elettrico principale, in pratica per non mandare in sovra-regime la macchina elettrica secondaria oltre ai 69 km/h si deve obbligatoriamente avviare il motore termico e la percorrenza massima in sola trazione elettrica si aggira in pochi chilometri, inoltre la enorme potenza del motore elettrico principale (82% del termico), di cui si usa solo la coppia massima ma mai la potenza, è causata solo dalla necessità di dover superare pendenze del 18% con partenza da fermo in fase di pura marcia elettrica.
Infatti gli scambi di potenza per via elettrica in ogni altra condizione di marcia non superano i 36 Hp che è la potenza del motore/generatore secondario.

Per vetture più veloci e potenti della stessa ditta Toyota (tipo la Lexus GS 450h o LS 600h) non si poteva mantenere lo stesso schema solo allungando il rapporto finale per ottenere la massima velocità richiesta di 250 km/h, perché ne avrebbe sofferto la capacità di partenza in salita con solo motore elettrico e pertanto si è ricorsi ad uno schema più complesso realizzato con un rotismo epicicloidale multiplo due marce per il generatore secondario (una corta per la partenza ed una lunga per le velocità medio-alte).

Ci si può chiedere se sia davvero ottimale la scelta dei tecnici della Toyota relativamente al rotismo epicicloidale ed a puro titolo esemplificativo ne può suggere un’altra (vedi secondo foglio allegato nelle diverse condizioni di regime del motore termico).

Innanzi tutto si è previsto di utilizzare come motore termico uno a ciclo diesel per ridurre i consumi a velocità costante (autostrade) vero limite dell’ibrido, scegliendone uno della stessa Toyota di potenza un poco inferiore (1,4 litri da 90 Hp a 3800 rpm) per esaltare per confronto le eventuali migliori prestazioni del cambio CVT.

In questo caso si è scelto di far funzionare lo stesso rotismo epicicloidale con rapporto di trasmissione fondamentale Tau Zero pure uguale a -2,6 ma come sommatore di coppie entranti, nel senso che in esso si aggiungono, sempre in rapporti costanti, la coppia del motore termico (100%) collegato alla Corona esterna 1 a quella del motore/generatore primario (38,5%) collegato al Solare 2 confluendo verso l’uscita collegata al Portasatelliti 3 ed al motore/generatore secondario.

I regimi sono fissi solo se due di essi lo sono: ad esempio se il Solare 2, collegato con la macchina elettrica principale gira nello stesso senso del motore termico, essa funziona da motore prelevando la potenza dal generatore secondario che ruota con l’uscita (Porta-satelliti 3).
In questo primo caso la potenza del motore termico (Corona esterna 1) in parte va all’uscita ed in parte al generatore secondario collegato al Porta-satelliti 3 e da questo per via elettrica al motore principale (Solare 2).

Se invece il Solare 2, collegato con la macchina elettrica principale gira nel verso opposto al senso del motore termico, essa funziona da generatore fornendo la potenza al motore secondario che ruota con l’uscita (Portasatelliti 3).
In questo secondo caso la potenza del motore termico (Corona esterna 1) in parte va all’uscita (Porta-satelliti 3) ed in parte al generatore primario (Solare 2) e da questo per via elettrica al motore secondario che ruota con l’uscita (Porta-satelliti 3).
Prescindendo dai rendimenti (meccanico 0,95 ed elettrico 0,8) il tutto si comporta come un cambio continuo CVT in cui la potenza del motore termico viene trasmessa in uscita a diversi regimi che è quello che si voleva ottenere.

Per poter funzionare solo in modalità elettrica occorre però che il motore termico (Corona esterna 1) da fermo sia in grado di offrire la coppia resistente necessaria (Tau Zero volte la coppia del Solare 2) per permettere alla potenza del motore elettrico principale (Solare 2) di transitare sino all’uscita (Porta-satelliti 3) e questo si può ottenere con un semplice freno che non interrompe la linea di trazione: da notare che anche il motore elettrico secondario fornisce sempre potenza essendo collegato all’uscita (Porta-satelliti 3). Al contrario nella soluzione precedente, dato che là non vi è alcun freno sul motore, la macchina elettrica gira a vuoto.
Una volta in velocità se servisse accendere il motore termico si mantiene potenza all’uscita tramite il motore elettrico secondario (Porta-satelliti 3) e sbloccando ovviamente il freno si può usare il motore principale (Solare 2) per avviare il motore termico (Corona esterna 1) così come avveniva nella soluzione standard precedente.

Pur con un 10% di potenza in meno le prestazioni ottenute sono ancora buone perché si raggiunge una velocità massima di 174 km/h (giudicata più che sufficiente), si può salire su pendenze del 6% (autostrade tedesche a velocità libera) ad una velocità di oltre 130 km/h, si ottiene la velocità di crociera autostradale (130 km/h) col motore termico ad un regime (2800 rpm) intermedio fra quello di potenza massima (3800 rpm) e quella di coppia massima (1800 rpm) con un minimo consumo specifico e si possono percorre strade extra urbane (90 km/h) col termico a basso regime (1800 rpm) e con i soli motori elettrici si superano pendenze del 18% con partenza da fermo.

I limiti restano sempre gli stessi nella capacità delle batterie degli accumulatori perché se in teoria si potrebbe andare fino ad oltre 109 km/h con i soli motori elettrici senza problemi tecnici, in pratica oltre ai 60 km/h è conveniente avviare il motore termico e la percorrenza massima in sola trazione elettrica continua ad aggirarsi in pochi chilometri, mentre la potenza del motore elettrico principale di 43 Hp (48% della potenza del termico) è quasi la metà della soluzione precedente ed è sempre causata solo dalla necessità di dover superare pendenze del 18% con partenza da fermo, nonostante la presenza di un secondo motore. Infatti gli scambi di potenza per via elettrica in ogni condizione non superano i 31 Hp che è la potenza del motore/generatore secondario (proporzionalmente in linea con il caso precedente).

Inoltre non vi sono limiti per vetture più potenti e veloci perché la velocità massima (173 km/h) è ottenuta col motore diesel a massimo regime (3800 rpm) e con il motore elettrico principale che ruota a soli 450 rpm, quindi la velocità di uscita salirebbe facilmente ad oltre 250 km/h, sempre che la potenza installata lo consentisse.

Importante notare che se, con una prossima futura evoluzione tecnica, si potesse risolvere il problema della capacità delle batterie, questo tipo di gruppo di trazione potrebbe egregiamente funzionare come veicolo puramente elettrico con ricarica a “plug-in” fino a 109 km/h, lasciando il motore diesel a ricaricare le batterie se fosse necessario estendere l’autonomia, senza necessità di alcuna modifica allo schema del gruppo trazione e questo è molto importante per i possibili sviluppi futuri. Se poi fosse necessaria raggiungere una velocità più alta in marcia solo elettrica si potrebbe ridurre il rapporto fondamentale Tau zero fino a quasi -2 portando la velocità in questo caso fino a 140 km/h.

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di Alberto Brambilla

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