Trasmissioni CVT ibride: una possibilità per ottimizzare l’efficienza dei motori a combustione interna

La massimizzazione dell’efficienza globale delle macchine è un tema di sempre maggiore centralità che interessa in particolare la progettazione dei propulsori e la domanda di sistemi evoluti in questo senso è in costante crescita in ogni settore. Inoltre, gli standard EURO/TIER per la riduzione delle emissioni inquinanti dei veicoli stradali-agricoli impongono un miglioramento sia dei motori, sia delle trasmissioni. Per questo motivo, le risorse dedicate alla ricerca in tale ambito sono in rapido aumento.

CVT: di cosa si tratta?

L’efficienza istantanea globale (termica e meccanica) di un motore a combustione interna (Internal Combustion Engine, ICE), espressione delle scelte costruttive in esso adottate, è fortemente legata al suo punto di funzionamento, espresso come combinazione di velocità di rotazione e coppia erogata (Figura 1). Le classiche trasmissioni meccaniche ad ingranaggi, aventi un numero limitato di rapporti, fissano una velocità di rotazione del motore in funzione della velocità di avanzamento del veicolo, lasciando al conducente la scelta del rapporto di volta in volta più adatto per soddisfare le esigenze di coppia che il veicolo deve sopravanzare (ad esempio: superamento di pendenze, traino di carichi).

Nell’utilizzo quotidiano, la velocità di un veicolo varia notevolmente e, come conseguenza, il motore potrebbe trovarsi a funzionare molto lontano dal suo punto di massima efficienza per un periodo di tempo anche considerevole. Ciò è particolarmente penalizzante, ad esempio, per i veicoli che viaggiano in un contesto urbano, dato che i loro rapporti di trasmissione sono ottimizzati solo per alcune condizioni operative specifiche, di solito corrispondenti alle velocità di 90 e 130 km/h (ossia, rispettivamente, le velocità di crociera che si avrebbero in un percorso extra-urbano ed autostradale).

Anche per le macchine agricole il punto di funzionamento del motore a combustione interna può essere tutt’altro che prossimo a quello ottimale per la maggior parte del tempo. In particolare, i trattori possono essere pensati come unità mobili di generazione di potenza e vengono utilizzati per compiti anche molto diversi tra loro, pertanto un’ottimizzazione globale dei rapporti di trasmissione è molto più difficoltosa dei veicoli stradali. Inoltre, anche considerando un unico tipo di attività, ad esempio le lavorazioni del terreno, e, in questo ambito, l’utilizzo di un unico tipo di attrezzo agricolo, ad esempio l’aratro, l’ottimizzazione funzionale della macchina è resa particolarmente complessa dalla variabilità intrinseca delle condizioni del terreno stesso (in termini, ad esempio, di attrito opposto agli organi di lavoro e di coesione interna).

Una possibile soluzione a questo problema è rappresentata dalle trasmissioni a variazione continua (Continuously Variable Transmission, CVT). Questi sistemi consentono di disaccoppiare la velocità di rotazione del motore da quella di avanzamento del veicolo (Figura 2). Nello specifico, le trasmissioni CVT, se ben progettate nel loro modo di funzionare, permettono al motore a combustione interna di operare sempre attorno al suo punto di lavoro ottimale, noto al costruttore del veicolo e caratterizzato dalla massima efficienza.

Tra i più diffusi tipi di CVT vi sono:
• i CVT diretti a cinghia metallica/catena;
• i CVT indiretti idromeccanici;
• i CVT indiretti elettromeccanici.

I CVT a catena (Figura 3a) funzionano variando le circonferenze di avvolgimento delle catene sulle due pulegge e sono caratterizzati da un’efficienza molto contenuta, a causa delle elevate perdite per attrito relative allo strisciamento tra i suoi componenti interni.

I CVT idromeccanici (Figura 3b) possiedono al loro interno elementi meccanici e idraulici accoppiati coinvolti nella trasmissione del moto; essi sono però penalizzati dalla presenza di un circuito idraulico, che ha perdite interne piuttosto rilevanti.

I tipici CVT elettromeccanici (Figura 4) garantiscono invece, tra tutte le trasmissioni ibride, il valore di efficienza maggiore, ma implicano l’utilizzo di sistemi di accumulo dell’energia (solitamente trattasi di batterie), che incidono significativamente sui costi e sul peso complessivo di queste soluzioni.

 

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Source: Stampi
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