La tecnologia ibrida colma il divario tra motori a combustione interna e motori completamente elettrici

Nota dell'editore: questo articolo è stato commissionato dall'Engine Technology Forum e pubblicato con l'autorizzazione di PowerProgress.com.

Il motore a combustione interna (ICE) è da decenni una fonte di energia indispensabile per i veicoli stradali e fuoristrada. Sebbene continui a dimostrare un atteggiamento sostenibile come fornitore autonomo di energia per i veicoli, è anche un partner prezioso per un numero crescente di applicazioni di veicoli ibridi-elettrici (HEV).

"Le tecnologie ibride offrono una soluzione pratica per ridurre il consumo di carburante e le emissioni su molti tipi diversi di veicoli", secondo Allen Schaeffer, direttore esecutivo dell'Engine Technology Forum , un'organizzazione no-profit che sostiene i motori a combustione interna, i suoi fornitori e i produttori di carburanti.

In ogni importante settore della mobilità (veicoli per passeggeri, camion commerciali e veicoli fuoristrada) ci sono veterani dei veicoli a combustione interna, nuovi arrivati nel settore dei veicoli ibridi e novità assolute nel settore.

La Toyota Prius 2025 di quinta generazione è equipaggiata con il sistema ibrido Toyota (THS) di quinta generazione. Il THS è utilizzato anche per la Toyota Prius PHEV. (Foto: Toyota)

Veicoli passeggeri

"Toyota produce veicoli ibridi da oltre 25 anni e per una buona ragione. Avevamo la spinta e l'esigenza di ridurre le emissioni di carbonio sulle strade", ha affermato Dante Boutell, vicepresidente Powertrain Control di Toyota Motor North America ad Ann Arbor, Michigan.

Con il debutto della Toyota Prius del 1997 sul mercato giapponese, la Prius è diventata la prima auto ibrida-elettrica al mondo prodotta in serie. La Prius del 2025 utilizza un sistema ibrido Toyota (THS) di quinta generazione. "La prima, la seconda e la terza generazione del THS hanno compiuto enormi progressi tecnologici", ha affermato Boutell. Altri miglioramenti, tra cui la riduzione delle dimensioni e del peso del sistema ibrido, sono stati i tratti distintivi della quarta e quinta generazione. "Stiamo lavorando a un'altra generazione del THS".

Nel 2024, le case automobilistiche hanno venduto oltre 12,9 milioni di veicoli passeggeri con motore a combustione interna negli Stati Uniti. Le vendite di veicoli passeggeri ibridi nel 2024 hanno superato 1,6 milioni di unità, il volume più alto del settore negli Stati Uniti fino ad oggi. Dal 2021, le vendite di veicoli ibridi hanno seguito una traiettoria crescente, secondo i dati del Dipartimento dei Trasporti degli Stati Uniti.

Il continuo aumento delle vendite di veicoli ibridi ha contribuito a inaugurare un investimento di 88 milioni di dollari per una linea di produzione aggiuntiva presso lo stabilimento Toyota in West Virginia. La nuova linea produrrà trasmissioni ibride di nuova generazione per veicoli Toyota e Lexus. L'inizio della produzione del sistema di trasmissione che trasferisce la potenza in modo fluido tra il motore a combustione interna, il motore elettrico e le ruote è previsto per la fine del 2026.

Vista del cofano della Toyota Prius ibrida del 2025. (Foto: Toyota)

L'approccio multi-percorso di Toyota ai veicoli elettrificati si concentra su veicoli completamente elettrici, ibridi elettrici e ibridi elettrici plug-in. I PHEV funzionano solo con propulsori completamente elettrici, solo con motore a combustione interna o con una combinazione ibrida di entrambi. A differenza dei veicoli ibridi ibridi, i PHEV possono essere collegati a una presa di corrente esterna per ricaricare le batterie ad alto voltaggio.

"Nel 2023, le vendite di veicoli elettrificati Toyota negli Stati Uniti erano del 29%. Questa percentuale è salita al 43% nel 2024 e si prevede che raggiungerà il 50% nel 2025. Quindi si tratta di grandi passi avanti tra il 2023 e il 2025", ha affermato Boutell.

I veicoli ibridi-elettrici per passeggeri sono cambiati radicalmente nel corso degli anni, sia in termini di tecnologia che di esperienza di guida. "Venticinque anni fa, le ibride erano un po' particolari da guidare. La frenata non era fluida come quella di un veicolo non ibrido. Si percepiva l'accensione e lo spegnimento del motore, e l'accelerazione, a volte, non era sufficiente", ha spiegato Boutell.

L'esperienza di guida è molto diversa oggi. "Ora è una guida molto fluida e confortevole, e questo contribuisce all'adozione dell'ibrido-elettrico. E con volumi maggiori, entra in gioco la scalabilità, quindi il costo di un veicolo ibrido per passeggeri non è poi così diverso da quello di un veicolo a motore", ha affermato Boutell.

Come Toyota e molti altri produttori di veicoli per passeggeri, la gamma di prodotti Hyundai comprende modelli esclusivamente a combustione interna ed elettrificati. "I consumatori non devono sacrificare le prestazioni per essere più efficienti nei consumi o più attenti all'ambiente, perché con il nostro nuovo sistema ibrido si ottengono molti più cavalli ed emissioni allo scarico inferiori rispetto all'equivalente a combustione interna", ha affermato John Shon, Senior Manager per la pianificazione dei prodotti di Hyundai America.

Vista in sezione del sistema ibrido di nuova generazione di Hyundai, che debutterà sul SUV Palisade del 2026. (Foto: Hyundai)

Si prevede che la Hyundai Palisade 2026 con sistema ibrido-elettrico a quattro cilindri turbo da 2,5 litri produrrà 40 CV in più rispetto alla Palisade 2026 con motore V6 da 3,5 litri. "Il nuovo sistema ibrido offre un notevole risparmio di carburante. Su alcuni modelli di veicoli, questo sarà da 12 a 13 miglia per gallone in più, quindi un miglioramento del risparmio di carburante dal 40% al 50%", ha affermato Shon.

Essendo un SUV di grandi dimensioni con tre file di sedili, la Palisade del 2026 sarà il primo modello a montare il sistema ibrido di nuova generazione di Hyundai. Hyundai offre la tecnologia ibrida negli Stati Uniti dal 2012, quando la berlina di medie dimensioni Sonata presentò la tecnologia ibrida di prima generazione della casa automobilistica. "Per la Palisade volevamo un sistema ibrido più robusto, quindi questo sistema di seconda generazione aggiunge un secondo motore elettrico per evolvere e migliorare il sistema ibrido", ha affermato Shon.

Camion commerciali

Per l'anno modello 2025, Isuzu Commercial Truck of America, Inc. ha lanciato il suo primo veicolo completamente elettrico. Oltre al camion di medie dimensioni NRR-EV completamente elettrico, Isuzu offre negli Stati Uniti camion commerciali con motore a combustione interna alimentati a benzina (camion leggeri pesanti della serie N) o diesel (camion leggeri pesanti della serie N e camion medi pesanti della serie F).

Modelli di veicoli commerciali Isuzu Serie F. (Foto: Isuzu)

Le opzioni di alimentazione sono importanti per i clienti. "Molto dipende dall'applicazione del camion, quindi ci sono clienti che puntano solo all'elettrificazione e altri che puntano solo ai motori a combustione interna convenzionali. E ci sono clienti che desiderano entrambi – sia puramente elettrici che puramente a combustione interna – nella loro flotta", ha affermato Jeff Marsee, direttore esecutivo dell'Isuzu Technical Center of America di Plymouth, Michigan.

Gli attuali camion Isuzu con motore a combustione interna negli Stati Uniti soddisfano gli attuali requisiti di 200 mg di NOx dell'Agenzia per la Protezione Ambientale (EPA) statunitense. "La nostra azienda sta lavorando intensamente per essere conforme, entro il 2027 e negli anni successivi, ai nuovi standard EPA per le basse emissioni di NOx per i 50 stati", ha affermato Marsee. Il lavoro di sviluppo in corso si concentra su un futuro motore utilizzato principalmente per i camion leggeri pesanti di Classe 4 e 5. "Puntiamo a che il nostro motore a basse emissioni di NOx raggiunga una riduzione dell'80% rispetto all'attuale standard di NOx", ha concluso Marsee.

Oltre a soddisfare i requisiti governativi sulle emissioni, la domanda dei clienti ha giocato un ruolo importante nello sviluppo del motore. "Abbiamo clienti che desiderano essere più rispettosi dell'ambiente e desiderano anche un migliore risparmio di carburante e un costo totale di proprietà inferiore", ha affermato Marsee. Sebbene il motore in fase di sviluppo sia attualmente incentrato sul diesel, "il piano a lungo termine prevede un'applicazione multicarburante", ha aggiunto Marsee.

Gli ingegneri Cummins stanno lavorando a due motori diesel per autocarri di media portata. I motori utilizzano la strategia HELM (alta efficienza, basse emissioni) di Cummins.

Il motore a gas naturale X15N da 15 litri è stato il primo motore di produzione Cummins a utilizzare la piattaforma HELM. (Foto: Becky Schultz)

"I nuovi motori diesel da 7,2 litri e 10 litri offriranno prestazioni simili o superiori in termini di potenza e coppia rispetto ai motori attuali. Inoltre, i motori offriranno una significativa riduzione delle emissioni di gas serra e un risparmio di carburante superiore", ha dichiarato Jim Nebergall, direttore esecutivo della divisione Market Strategy di Cummins Inc. Entrambi i motori arriveranno sul mercato nel 2027, in concomitanza con le nuove normative EPA sulle emissioni per autocarri medi e pesanti.

La strategia HELM sottolinea la flessibilità. "I nostri motori potrebbero essere diesel, che è la prima scelta di carburante nella maggior parte dei casi in tutto il mondo, o combustibili gassosi, come il gas naturale o l'idrogeno", ha affermato Nebergall.

Un motore a gas naturale da 15 litri, l'X15N, è stato il primo motore di produzione Cummins a utilizzare la piattaforma HELM. "Siamo molto entusiasti di questo motore perché è il primo vero motore a gas naturale con prestazioni pari a quelle di un motore diesel. Può gestire i pesi tipici dei trasporti pesanti a lungo raggio", ha affermato Nebergall. Il motore a gas naturale X15N ha debuttato nel 2024, mentre un motore diesel da 15 litri arriverà nel 2027.

Veicoli fuoristrada

"Il settore più difficile da elettrificare, sia ibrido che completamente elettrico, è quello off-highway, e questo è dovuto semplicemente alla richiesta di potenza delle attrezzature in uno spazio off-highway rispetto alla richiesta di potenza di un veicolo su strada o di un camion su strada", ha affermato Nick Block, direttore Global Marketing & Sales di John Deere Power Systems.

Il 744 X-Tier di John Deere gestisce i lavori in una cava e in un sito di stoccaggio e stoccaggio di aggregati. (Foto: John Deere)

Secondo Block, i veicoli fuoristrada che necessitano di una potenza superiore a 130 CV per ottenere prestazioni ottimali sono candidati ideali per l'ibridazione. Trattori, mietitrebbie e irroratrici di grandi dimensioni sono esempi di veicoli che utilizzano almeno 130 CV in agricoltura. Nel settore edile, i veicoli con potenza pari o superiore a 130 CV includono pale gommate e livellatrici.

"Sulla base dell'attuale tecnologia delle batterie, riteniamo che i veicoli fuoristrada con potenza inferiore a 130 CV possano essere completamente elettrificati in modo efficace", ha affermato Block.

Il dozer ibrido-elettrico 850 X-Tier di John Deere è arrivato presso i concessionari in Nord America, Europa e Asia all'inizio del 2025. Sempre nel 2025, l'Africa è diventato il primo mercato ad accogliere la pala gommata ibrida-elettrica 744 X-Tier di John Deere.

"A seconda della regione del mondo e delle esigenze del cliente, offriamo macchine con motore a combustione interna alimentate a gasolio e macchine con motore a combustione interna con sistema ibrido", ha affermato Block. L'arrivo sul mercato di trattori John Deere completamente elettrici a batteria è previsto per il 2026.

Il trattore John Deere 8RX è dotato della trasmissione elettrica variabile eAutoPowr per fornire fino a 100 kW di potenza elettrica esterna tramite un kit eDrive. È installato su questa raccoglitrice di patate Sputnik. (Foto: John Deere)

Secondo Block, l'alimentazione esterna è un'altra valida alternativa all'alimentazione ibrida. Il processo prevede la creazione di energia a bordo del veicolo per l'utilizzo esterno. Ad esempio, l'energia prodotta dal motore di un trattore agricolo può essere utilizzata esternamente per alimentare un'attrezzatura agricola, come una mietitrebbia. "L'alimentazione esterna offre la possibilità di gestire con precisione e accuratezza l'attrezzo o i sistemi ausiliari esterni", ha affermato Block.

Un nuovo sistema sviluppato da Caterpillar trasferisce energia a grandi veicoli elettrificati impiegati in un sito minerario. "Con la soluzione Dynamic Energy Transfer (DET), è possibile ottenere l'interoperabilità tra le macchine, consentendo di alimentare un camion diesel-elettrico, elettrico a batteria o persino ibrido-elettrico", ha affermato Krishna Kumar, direttore tecnico della divisione Electrification and Energy Solutions di Caterpillar. Il sistema è attualmente in fase di sperimentazione da parte di Caterpillar in diversi siti.

L'innovativo sistema DET integra elementi chiave, tra cui un modulo di potenza che converte l'energia dalla fonte di energia di un sito minerario, un sistema ferroviario elettrificato per la trasmissione dell'energia e un sistema di macchinari per il trasferimento dell'energia al gruppo propulsore di un camion minerario. L'infrastruttura DET può essere personalizzata per adattarsi alle configurazioni specifiche di ogni sito minerario.

Oltre al sistema DET, l'offerta di prodotti Caterpillar include camion alimentati sia da motori diesel-elettrici che elettrici a batteria, come la pala caricatrice sotterranea R1700XE a zero emissioni. Praticamente ogni applicazione off-highway ha esigenze specifiche in termini di ciclo di lavoro e prestazioni.

Il sistema Dynamic Energy Transfer di Caterpillar mostrato in un sito dimostrativo Caterpillar. (Foto: Caterpillar)

"Il punto chiave è che Caterpillar offre una gamma di soluzioni per i nostri clienti. Non esiste una soluzione di alimentazione universale", ha affermato Kumar, sottolineando che il motore a combustione interna come fonte di alimentazione primaria o secondaria di bordo "esiste ancora per alcune delle nostre soluzioni, come i sistemi di propulsione diesel-elettrici e ibridi-elettrici".

Poiché la stragrande maggioranza degli attuali veicoli fuoristrada è alimentata da motori diesel, il carburante svolge un ruolo fondamentale nella riduzione delle emissioni indesiderate. Negli Stati Uniti, gli attuali standard EPA Tier 4 per i motori fuoristrada limitano la quantità di emissioni nocive allo scarico, in particolare particolato (PM), ossidi di azoto (NOx) e zolfo. Sebbene il gasolio a bassissimo tenore di zolfo sia l'unico carburante richiesto per l'uso nei motori diesel ai sensi della normativa Tier 4 per i veicoli fuoristrada, i carburanti alternativi derivati da risorse sostenibili o rinnovabili rappresentano un'opzione.

"I nostri attuali motori diesel sono anche in grado di utilizzare biocarburanti/biodiesel, HVO (olio vegetale idrotrattato) o altri carburanti alternativi", ha affermato Tanner Crook, assistente responsabile del gruppo di ingegneria applicativa per le soluzioni energetiche di Yanmar America Corporation. Produttore di motori diesel per i settori agricolo, edile e navale da oltre 90 anni, Yanmar sta ora sviluppando anche soluzioni ibride-elettriche.

"Stiamo iniziando a vedere un crescente interesse per le tecnologie ibride e più ecologiche", ha affermato Crook, riferendosi ai progetti in corso per i settori off-highway in Nord America. È possibile che i futuri mandati dell'EPA limitino ulteriormente la quantità di emissioni di NOx e PM. Se il CARB propone ulteriori modifiche ai suoi standard sulle emissioni off-highway, la tempistica iniziale per l'introduzione graduale di tali mandati potrebbe iniziare già nel 2029.

Schaeffer parla del futuro dei motori a combustione interna avanzati Le nuove politiche negli Stati Uniti potrebbero preparare il terreno per una maggiore attenzione ai motori a combustione interna (IC).

Prospettive per ICE e HEV

Yanmar sta facendo scalpore con l'annuncio, previsto per l'inizio del 2025, di un concept ibrido-elettrico per imbarcazioni da diporto. Gli ingegneri del progetto hanno preso un motore Yanmar esistente e hanno creato un sistema ibrido aggiungendo un pacco batterie agli ioni di litio, un motore elettrico e un inverter. Un aspetto interessante è che il sistema di propulsione dell'imbarcazione può funzionare, se lo si desidera, anche con la sola propulsione elettrica, a zero emissioni di scarico.

"Il sistema ibrido YF12e di Yanmar segna una svolta radicale nella propulsione marina, unendo la mobilità elettrica pulita all'affidabilità del diesel tradizionale per ridefinire il comfort e la sostenibilità in acqua", ha affermato Crook, non direttamente coinvolto nel progetto ibrido. Ha aggiunto: "Nell'ambito del più ampio impegno di Yanmar per la decarbonizzazione in tutti i settori di produzione, questa innovazione getta le basi per un futuro in cui le tecnologie ibride ed elettriche saranno standard sia nel settore della nautica da diporto che in quello commerciale".

Il motore a combustione interna Cummins da 6,7 litri a idrogeno sarà la fonte di energia per una flotta di autoarticolati Tata Motors che percorreranno tratte regionali. Nella foto, il Tata Prima H.55S. (Foto: Reuters/Rahul Singh)

L'idrogeno ha attirato l'attenzione grazie al Progetto Brunel. Finanziato congiuntamente dal governo britannico, il progetto pluriennale si è concluso a marzo 2025 con Cummins e i suoi collaboratori tecnologici impegnati nello sviluppo di un motore a combustione interna a idrogeno da 6,7 litri. "Quel motore è il fulcro di un progetto che inizierà in India entro la fine dell'estate", ha dichiarato Nebergall di Cummins.

Il motore a combustione interna a idrogeno da 6,7 litri sarà la fonte di energia per una flotta di autoarticolati Tata Motors che percorrerà tratte regionali. "Questo motore da 6,7 litri soddisfa le aspettative di prestazioni e velocità per alimentare autoarticolati pesanti sulle autostrade interstatali in India", ha affermato Nebergall.

Il governo indiano sta sostenendo il progetto con una sovvenzione. "L'idrogeno è un combustibile a zero emissioni di carbonio, quindi non ci sono emissioni di carbonio provenienti dal tubo di scarico del camion", ha affermato Nebergall, aggiungendo che "l'India è molto interessata all'idrogeno come combustibile per l'indipendenza energetica e la riduzione delle emissioni di carbonio".

Le informazioni raccolte dal progetto indiano avranno un effetto a catena in tutto il mondo. "Siamo nelle fasi iniziali, ma prevediamo di estendere le nostre conoscenze a diversi mercati man mano che questi si arricchiranno di infrastrutture per l'idrogeno", ha affermato Nebergall.

Gli addetti ai lavori del settore dei veicoli per passeggeri considerano l'ibrido una tecnologia ponte verso il full electric. "Quel ponte, dal mio punto di vista, si sta allungando. Quindi, anche se è considerata una tecnologia ponte, rimarrà in circolazione per molto tempo", ha affermato Boutell di Toyota.

Che si tratti di tecnologia ibrida applicata ad auto molto piccole o molto economiche, o di tecnologia ibrida abbinata a un motore turbocompresso, a un motore a combustibile flessibile o a un motore alimentato a idrogeno, "una sorta di tecnologia ibrida esisterà ancora per decenni", ha previsto Boutell.