Condividi su

Articoli - Archivio

21/02/2013
BUON COMPLEANNO, PRIUS!

DAL MOTORE ALLE RUOTE
L’ibrida di Toyota ha appena festeggiato il 15° anno di vita ma appare più in forma che mai, grazie anche al suo sistema di trasmissione molto particolare

Nicodemo Angì

CORREVA IL 1997 quando Toyota lanciava in Giappone la prima versione della sua Prius, un’auto ibrida “soft” – le batterie erano molto piccole – dal design non bellissimo ma ricca di contenuti tecnologici. Per il lancio mondiale occorrerà attendere il 2000 e fino al 2003 la prima serie avrà venduto 160.000 esemplari in tutto il mondo, non pochi per un’automobile così moderna e in anticipo sui tempi. La seconda serie, che arriverà nel 2004, sarà molto diversa e con linee più gradevoli, diventando una due volumi un po’ massiccia ma più dinamica e coinvolgente. Parlando di emissioni il passaggio alla seconda serie segna anche la promozione da Sulev (Super Ultra Low Emission Vehicle, veicolo a emissioni ultrabasse) a At-Pzev, impronunciabile acronimo che sta per Advanced Technology Partial Zero Emission Vehicle, veicolo a tecnologia avanzata con emissioni quasi zero. Questo riconoscimento – rilasciato dal California Air Resources Board l’organismo che valuta, fra le altre questioni connesse con la salvaguardia dell’ambiente, le qualità ecologiche delle auto – è ancora più apprezzabile considerando il fatto che la seconda serie è più grande e pesante della prima.
Per arrivare alla terza serie occorrerà attendere il 2009, anno nel quale la Prius guadagna un look più sportivo e un’abitabilità maggiore a parità di dimensioni. Le modifiche sotto pelle sono però ancor più sostanziali, dato che il motore a scoppio aumenta la propria cilindrata fino a 1,8 litri a ciclo Atkinson mentre un notevole affinamento dei componenti permette di contenere ulteriormente emissioni e consumi nonostante l’aumento della cilindrata del motore termico.

Con la spina nel muro
Un altro salto generazionale è stato rappresentato dalla versione Plug-in, che abbandona le piccole batterie Ni-MH da 1,3 kWh – capaci di una manciata di km di autonomia in modalità tutto-elettrico – in favore di un ben più prestante pacco agli ioni di litio: 4,4 kWh che permettono di percorrere una ventina di chilometri a emissioni zero. Il miglior rapporto energia/peso degli elementi al litio ha permesso di limitare il peso a 80 kg: soltanto 38 kg in più, nonostante la capacità più che tripla, degli elementi al nichel-metalidrato delle prime Prius. Anche il rapporto energia/volume è più favorevole e la cosa ha permesso di perdere solo due litri di bagagliaio rispetto ai modelli precedenti e ricavare però sotto il pavimento uno scomparto da 22 litri.
La versione Plug-in si chiama così perché le batterie possono essere ricaricate anche da una semplice presa di corrente in circa un’ora e mezzo. La ricarica con la corrente di rete sarebbe stata possibile anche con gli elementi Ni-MH ma si presentava energeticamente poco favorevole, dato che per “immettere” 1 kWh in questi elementi occorre consumarne circa il 40% in più. Anche le potenze dei motori variano: quelli termici a benzina partono dai 43 kW della primissima serie, salgono a 52 kW nel 2000 e a 57 nel 2003 per arrivare a 73 kW all’atto del passaggio al motore da 1,8 litri mentre la versione Plug-in scende a 60 kW.
Andiamo ora alle parti meccaniche, con il gruppo motore trasmissione decisamente interessante, come anticipato all’inizio dell’articolo. Il gruppo si compone di ben tre motori: uno a combustione interna e due elettrici; uno di questi ultimi è molto meno potente dell’altro. Il motore termico, come già detto, è un benzina a ciclo Atkinson; esso si differenzia da una classica unità a ciclo Otto perché il rapporto di espansione è maggiore di quello di compressione. Questa asimmetria la si può ottenere o con una configurazione particolare del manovellismo oppure, più semplicemente, con un diagramma di distribuzione ad hoc, che preveda una chiusura ritardata della valvola di aspirazione. In questo modo il rapporto di compressione effettivo viene ridotto rispetto a quello geometrico teorico, che può così essere innalzato a tutto vantaggio del rendimento. In effetti quello della Prius, pari a 13, è una via di mezzo fra quello dei diesel e i benzina classici ma il pericolo di battito in testa è evitato proprio dalla chiusura ritardata della valvola. Si potrebbe dire che il 1.800 della Prius “espira”, cioè espande, come un 2.000 o più proprio in virtù di questa espansione prolungata che permette di sfruttare meglio l’energia dei gas di scarico. La potenza massima è inferiore a quella di un motore classico di cilindrata paragonabile ma l’efficienza, soprattutto a regimi poco variabili quali quelli consentiti dal funzionamento ibrido, è molto superiore.
L’altro asso nella manica della Prius è l’Hybrid Sinergy Drive (Hsd): una semplice, e nello stesso tempo sofisticata e creativa, maniera di smistare coppia e potenza fra i tre motori. Le due unità elettriche hanno potenze molto diverse, con la principale (Mg2) capace di 82 cv con una coppia massima piuttosto sostenuta e pari a 207 Nm a fronte dei 99 cv e 142 Nm del motore termico. L’altra unità elettrica (Mg1) è molto meno potente ma è capace di girare a regimi molto alti e anche di invertire il proprio senso di rotazione; essa funziona da generatore, motore per la retromarcia e motorino di avviamento.

Tre motori appassionatamente
Il cuore del sistema Hsd è in un’altra sigla, quel Psd (Power Split Device) che cela un ruotismo epicicloidale collegato ai tre motori e che accentra le funzioni di cambio di velocità (compresa la retromarcia), frizione e ripartitore di potenza e coppia. Per capire bene il funzionamento del Psd occorre prima di tutto riferirsi agli schemi costruttivi. La macchina elettrica Mg1 è collegata all’ingranaggio centrale tramite un albero cavo (in verde negli schemi). Il motore termico è collegato agli ingranaggi planetari blu tramite un secondo albero che ruota dentro a quello dell’unità Mg1.
Il motore elettrico principale Mg2, i cui ingranaggi sono quelli rossi, è l’unico collegato direttamente alle ruote motrici tramite una catena silenziosa e gli ingranaggi colorati in giallo chiaro. Questo è tutto, con una semplicità che non è sinonimo di facilità. I ruotismi epicicloidali li avevamo già incontrati parlando di cambi automatici con convertitore di coppia: frenando l’uno o l’altro degli alberi si potevano ottenere vari rapporti di trasmissione da un unico gruppo di ingranaggi. Toyota sostituisce questi freni con il motore Mg1, che può essere bloccato pilotandolo opportunamente tramite i controller/inverter (visibili in figura).
Per avviare il motore termico Ice (Internal Combustion Engine), per esempio, Mg1 (in verde) fa girare gli ingranaggi blu; una volta che l’Ice è acceso esso può girare liberamente senza trasmettere coppia alle ruote. Se Mg2 fa muovere le ruote, l’Ice parteciperà o meno, tramite il grande ingranaggio rosso esterno, a seconda che Mg1 sia bloccato o no. Se ambedue i motori principali trasferiscono coppia in accelerazione alle ruote, Mg1 verrà trascinato e agirà come un generatore, alimentando Mg2 tramite l’energia dell’Ice e risparmiando così le batterie (notoriamente longeve nelle Prius).
Nella marcia velocità costante e non troppo elevata l’Ice rallenta parecchio e perciò Mg1, per le “danze” degli ingranaggi, può trovarsi anche a ruotare in direzione contraria alla normale. Anche la retromarcia è “interessante”, dato che Mg1 fa ruotare i 4 ingranaggi blu che a loro volta trascinano quello esterno (rosso) collegato alle ruote. Se la rotazione è abbastanza veloce (o il livello delle batterie risulta troppo basso) può accadere che l’Ice si avvii ma la marcia indietro continuerà: sarà sufficiente che il piccolo Mg1 (che può girare molto in “alto”) aumenti il suo regime per compensare la rotazione dell’Ice.
Una tecnica raffinata, quindi, che permette di ottenere tutte le funzioni di un cambio Cvt (Continuously Variable Transmission) e l’operatività di un veicolo ibrido con un gruppo meccanico piuttosto semplice. Non è un caso, quindi, che la Prius si sia saputa conquistare una fama di grande affidabilità e abbia finora totalizzato nelle sue varie versioni – nonostante un prezzo tutt’altro che contenuto – vendite per quasi 2,8 milioni di esemplari. Un tassista romano, la cui esperienza con la Prius è sicuramente profonda, mi ha del resto confermato la grande affidabilità dell’auto e la sua economicità: a prescindere dallo stile di guida il consumo non scende mai infatti al di sotto dei 21-22 km/litro nell’uso in città.

torna all'archivio