Il segreto del risparmio di carburante ibrido: interpretazione tecnica approfondita della trasmissione eCVT

Potreste aver notato che molti modelli ibridi comuni sono dotati di cambi eCVT. Ad esempio, la gamma completa di modelli ibridi di Lexus, la Toyota Camry Hybrid e la Ford Fusion Hybrid. Anche la Honda Accord ibrida venduta nel mercato nordamericano è dotata di trasmissione eCVT.

Per i veicoli ibridi che puntano al risparmio di carburante, l'eCVT è in realtà la tecnologia di trasmissione più economica e più efficiente. Bisogna però tenere presente che l'eCVT è completamente diverso dalle trasmissioni CVT tradizionali e i suoi principi tecnici sono molto diversi. Si può addirittura affermare che l'eCVT è solo una tecnologia di distribuzione di potenza e non un vero e proprio dispositivo di trasmissione della velocità.

eCVT è anche chiamato PSD, acronimo di Power Split Device. Come suggerisce il nome, si tratta di un dispositivo di distribuzione di energia. Viene generalmente utilizzato nei modelli ibridi leggeri (Hybrid) piuttosto che nei modelli ibridi plug-in (Plug-in Hybrid). Quest'ultimo è solitamente abbinato a un cambio automatico.

Una caratteristica dei modelli mild hybrid è che consentono di ottenere il massimo risparmio energetico, senza però presentare parametri eccessivi in ​​termini di potenza. In genere è più adatto alle auto familiari e ai SUV compatti. Naturalmente, la Lexus LS 600hL, che costa fino a 1,5 milioni di yuan, è un caso a sé. Spieghiamo il principio specifico dell'eCVT:

Innanzitutto, dobbiamo comprendere il sistema di propulsione dei veicoli ibridi, che generalmente è composto da un motore a benzina, due motori elettrici e un pacco batterie. È opportuno sottolineare che la potenza massima in uscita e la coppia del motore a benzina di un veicolo ibrido non sono generalmente troppo elevate. La maggior parte di essi sono modelli ad aspirazione naturale e utilizzano il ciclo Atkinson.

Prendendo come esempio la Lexus NX 300h, questa è equipaggiata con un motore aspirato da 2,5 litri con una potenza massima di 114 kW e una coppia massima di soli 210 Nm. Allo stesso tempo, è dotato anche di un motore elettrico con una potenza massima di 105 kW e una coppia massima di 270 Nm. Per quanto riguarda il pacco batterie, l'auto utilizza una batteria al nichel-ferro da 1,6 kWh.

In questo assemblaggio non bisogna pensare che la potenza massima del veicolo sia 114+105=219kW, perché nella maggior parte dei casi è solo il motore elettrico a muovere il veicolo. Solo quando si viaggia ad alta velocità il sistema commuta la fonte di alimentazione e il veicolo viene azionato direttamente dal motore.

Il pacco batteria da 1,6 kWh ha due funzioni: una è quella di fornire energia al motore elettrico; l'altro è quello di immagazzinare l'energia recuperata durante la frenata. L'energia della batteria è generata dal secondo motore. Le fonti di energia di questo motore sono un motore a combustione interna e il KERS (sistema di recupero dell'energia cinetica).

L'immagine sopra è uno schema degli ingranaggi planetari dell'eCVT. L'ingranaggio verde al centro è chiamato "ingranaggio solare", ed è collegato al generatore; i quattro ingranaggi arancioni attorno ad esso sono chiamati ingranaggi planetari e sono collegati al motore a combustibile; l'ingranaggio giallo più esterno è chiamato corona dentata, ed è collegato al motore di potenza, e la corona dentata è collegata direttamente all'albero di uscita della potenza.

In questo modo, la potenza del motore a combustione interna e quella del motore elettrico vengono integrate tramite una struttura a ingranaggi planetari. Nella maggior parte dei casi, le automobili sfruttano la potenza della ruota anulare, cioè del motore elettrico, per azionare il veicolo. Poiché il motore ha un rapporto di trasmissione fisso, nell'eCVT non esiste il cosiddetto concetto di rapporto di trasmissione e non sono necessari più set di ingranaggi planetari o frizioni per ottenere marce diverse.

Solo quando si viaggia ad alta velocità, l'eCVT trasmette la potenza del motore a combustione interna direttamente alle estremità delle ruote, il che equivale a un cambio automatico tradizionale che funziona nella marcia più alta. Il motivo di questa impostazione è che quando si guida ad alta velocità, il regime del motore è molto elevato e l'efficienza termica diminuisce. A questo punto, se il pacco batteria continua a erogare corrente ad alta potenza, la gestione termica dell'intero sistema elettrico diventerà un problema. Allo stesso tempo, in condizioni di crociera ad alta velocità, il motore Atkinson può anche entrare nell'intervallo operativo ottimale.

Il ciclo Atkinson è un modello di corsa del motore che utilizza un meccanismo di biella per massimizzare la corsa del pistone, con un rapporto di espansione maggiore del rapporto di compressione. In questo modo, il cilindro del motore può sfruttare appieno la pressione dei gas di scarico per funzionare, risparmiando ulteriormente il consumo di carburante. Ma proprio a causa di questa progettazione, le prestazioni a bassa coppia e ad alta velocità del motore di tipo A non sono buone come quelle dei motori ordinari.

Quindi, come si può vedere, i veicoli che utilizzano i sistemi di propulsione eCVT sono azionati da un motore elettrico o da un motore a combustione interna e non presentano la cosiddetta potenza ibrida. La potenza di uscita effettiva non è la somma delle due. La Lexus LS 600hL è dotata di un motore aspirato con una potenza massima di 290 kW e di un motore elettrico con una potenza totale di 165 kW, ma la sua accelerazione da 0 a 100 km/h non è buona come quella della LS460L, che è equipaggiata solo con un motore aspirato da 285 kW. Poiché, sebbene il primo abbia due fonti di energia, solo una di esse eroga energia alla volta.

In questo modo, quando si guida un veicolo ibrido, nonostante il motore rombi, il suo compito principale è caricare la batteria. Allora perché risparmiare carburante? Questo perché, non essendoci rapporti di trasmissione multipli e poiché la potenza viene trasmessa principalmente tramite il motore, la perdita di energia del gruppo propulsore eCVT non comporta la grande perdita di trasmissione di energia tipica delle trasmissioni automatiche tradizionali.

A basse velocità, il veicolo funziona direttamente in modalità puramente elettrica e il motore adotta il ciclo Atkinson, che riduce ulteriormente il consumo di carburante. Ecco come i veicoli ibridi risparmiano carburante.

Una cosa che va menzionata qui è che il motore a ciclo Atkinson del veicolo ibrido in realtà non adotta la complessa struttura progettata da James Atkinson nella storia. Grazie al progresso del sistema di controllo elettronico del motore, i motori dei modelli ibridi come Lexus ora ritardano la chiusura della valvola di aspirazione, consentendo a parte del gas miscelato nel cilindro di traboccare dopo la corsa, ottenendo così un rapporto di espansione maggiore del rapporto di compressione in forma mascherata.

Tuttavia, potresti chiederti: se questo è il principio dell'eCVT, allora questo tipo di veicolo ibrido non sarebbe in grado di raggiungere la trazione integrale? Certamente no, la Lexus NX 300h è disponibile sia nella versione a trazione anteriore che in quella a trazione integrale. Ma la sua versione a quattro ruote motrici è implementata in modo diverso dalla tradizionale trazione integrale.

Va notato che la tradizionale struttura a quattro ruote motrici, ovvero la modalità a quattro ruote motrici in cui l'asse posteriore trasmette potenza tramite un albero di trasmissione, si affida al cambio per raggiungere questo risultato. Che si tratti di cambio manuale o automatico, la versione abbinabile al sistema di trazione integrale presenta due alberi di uscita in direzioni opposte.

Ma l'eCVT non è affatto un cambio, quindi come può fornire due alberi di uscita della potenza contemporaneamente? Non necessario. La modalità a quattro ruote motrici di Lexus consiste nell'aggiungere un motore elettrico all'asse posteriore del veicolo per ottenere la trazione integrale, senza bisogno di un albero di trasmissione al centro. Questo design è in qualche modo simile al concetto della Volvo V60 Plug-in Hybrid.

Per i veicoli ibridi, l'obiettivo finale è il risparmio di carburante; ma l'eCVT è in realtà solo una soluzione relativamente conservativa. Non tutti i modelli mild hybrid utilizzano l'eCVT perché, come detto sopra, sebbene l'eCVT sia efficiente nei consumi, le sue prestazioni in termini di potenza sono carenti. Alcuni modelli ibridi orientati alle prestazioni, in particolare i modelli a trazione posteriore, utilizzano ancora la trasmissione automatica.

Ad esempio, l'Infiniti Q50 Hybrid è dotata di un motore aspirato da 3,5 litri e di un propulsore da 50 kW, abbinato a un cambio a 7 marce. Questo perché l'eCVT è adatto solo per veicoli a trazione anteriore o integrale e non è efficace per veicoli a trazione posteriore. Il cambio a 7 marce montato sulla Q50 è di origine Mercedes-Benz 7G-Tronic e può essere utilizzato nei sistemi ibridi.

Per questa modalità ibrida, esiste solo una situazione in cui il motore e il propulsore azionano il veicolo contemporaneamente, oppure il motore aziona il veicolo da solo. Non esiste alcuna situazione in cui il motore aziona da solo il veicolo come nell'eCVT. Perché il motore a combustione interna e quello elettrico sono in realtà collegati al cambio tramite un albero di uscita.

Il significato di questa modalità ibrida è che il motore integra parte della potenza sulla base del motore elettrico, consentendo al veicolo di aumentare ulteriormente la sua potenza massima in uscita sulla base del motore originale ad alta potenza. Pertanto la potenza del motore in questa modalità non è generalmente molto elevata. In determinate condizioni di lavoro, è possibile anche impostare la modalità puramente elettrica, il che consente un certo risparmio di carburante. Ma è ovvio che il suo effetto di risparmio di carburante non è buono quanto quello della modalità eCVT.

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