IL K.E.R.S.

Università degli Studi di Catania

Facoltà di IngegneriaCorso di Laurea Specialistica in Ingegneria dell’ Automazione e controllo dei sistemi complessi

Corso di MeccatronicaA.A. 2008/2009

Docente: Prof. Ing. Aldo Beretta

Patti Giuseppe

Il K.E.R.S.La Stagione 2009 si preannuncia un anno in cui il volto della formula 1 cambierà in modo radicale in quanto sarà caratterizzato dall’introduzione di molte novità regolamentari, che hanno lo scopo da un lato di aumentare i sorpassi e quindi lo spettacolo e dall’altro ,essendo il circus sempre più interessato ai problemi ambientali,a ridurre l’impatto inquinante nonché economico delle autovetture.Tra le novità che il 2009 porterà nella Formula1 c’è il K.E.R.S. acronimo di Kinetic Energy Recovery System che è il sistema di recupero dell’energia cinetica in frenata, che dalla prossima stagione sarà facoltativo mentre dal 2010 diventerà obbligatorio.

Un po di fisica L’idea che sta alla base del K.E.R.S. è quella di accumulare l’energia

cinetica del veicolo per poi riutilizzarla,all’occorrenza. In realtà tale concetto è stato già da tempo preso in considerazione sfruttando il volano prima e il freno rigenerativo poi.

Il volano

In generale Il volano è un organo atto a limitare gli eccessi di energia meccanica motrice sul lavoro meccanico totale. In definitiva questo si riduce a mantenere più uniforme la velocità angolare dell’albero motore.

Il volano,tende ad opporsi ad ogni tentativo di variazione della sua velocità angolare , stabilizzando la rotazione di un albero quando viene applicato un momento torcente periodico, come nei motori a pistoni, oppure quando il carico applicato è intermittente, come per esempio nelle pompe a pistoni e nei magli.Per fare un esempio pratico consideriamo l’albero a gomiti, la sua rotazione non è uniforme poiché nei cilindri si susseguono fasi utili e fasi passive. Per renderla il più possibile omogenea, (ovverosia per ridurre le accelerazioni e le decelerazioni) si impiega il volano,che è costituito da un grosso disco fissato a una estremità dell’albero motore, che accumula energia meccanica durante le fasi utili per restituirla durante quelle passive.

Volano:principio fisicoL’energia cinetica accumulata da un volano è:

dove I è il momento d’inerzia della massa rispetto al centro di rotazione e ω è la velocità angolare. Poiché il momento d'inerzia di un sistema di particelle è proporzionale alla massa delle particelle ed alla distanza di queste dal centro di rotazione, si ha che la capacità di accumulo di energia in un volano aumenta oltre che con l'aumentare della velocità di rotazione, con l'aumentare della massa e della distanza di questa dal centro.Per questo motivo i volani tendono ad avere grande diametro e ad avere la maggior parte della massa disposta sul perimetro, collegato al mozzo per mezzo di raggi. In questo modo il loro peso rimarrà limitato, mentre il loro momento d'inerzia resta quello desiderato.

Volano:sviluppi

Il volano, inoltre, può anche essere utilizzato per accumulare energia meccanica prodotta da un motore di bassa potenza su un lungo periodo per rilasciarla ad alta potenza in un breve istante. Quindi in quest’ottica, può essere utilizzato per accumulare energia nei veicoli potendo così offrire un migliore rapporto capacità energetica/massa rispetto alle batterie. Molti sono i problemi da superare.

Volano:problemi

Infatti l'aumento della massa e del diametro non è praticabile oltre un certo punto nei mezzi mobili, dove si può ricorrere solamente all'aumento della velocità. Un effetto collaterale del volano nei mezzi di trasporto è dato inoltre dall' effetto giroscopico, che produce una forza ortogonale se si cerca di variare l'orientamento dell'asse di rotazione. Una possibile soluzione consiste nel disporre il volano orizzontalmente, con l'asse parallelo all'asse di rotazione del mezzo. Nonostante siano stati costruiti prototipi di automobili a volano, la tecnologia è ancora largamente immatura ed i costi di questi sistemi sono ancora molto elevati.Il volano è però agevolmente impiegato nei tram, dove le limitazioni di peso e volume sono meno stringenti rispetto all'automobile. La sua funzione può essere quella di accumulare l'energia cinetica recuperata durante le frenate e l'energia prodotta da celle a combustibile, per impiegarla durante l'accelerazione. In passato sono stati studiati anche tram a volano privi di motore, dove il volano era frequentemente ricaricato presso apposite stazioni.

Volano: sicurezzaL’ultimo aspetto da considerare è quello legato alla sicurezza. Infatti in caso di incidente con rottura dell'involucro di protezione, il volano continuerebbe a ruotare fino a scaricare l'energia accumulata, oppure potrebbe liberarla molto più bruscamente esplodendo. Per avere un'idea dell'energia che si dovrebbe accumulare in un volano di automobile, si pensi che questa dovrebbe essere perlomeno nell'ordine di grandezza dell'energia chimica contenuta in un normale serbatoio di benzina. Si è stimato che anche dopo avere spento l'automobile, il volano continuerebbe a ruotare liberamente per un paio di settimane prima di fermarsi a causa degli attriti. Sono, per questo, stati studiati contenitori in kevlar, uno dentro l'altro. In caso di incidente il volano entra in contatto con il contenitore interno portandolo in rotazione. Un fluido interposto tra i due contenitori provvederebbe a disperdere progressivamente l'energia sotto forma di calore. Il contenitore deve inoltre essere in grado di resistere all'improvvisa esplosione della ruota per cedimento strutturale.

Freno rigenerativoL’altro organo da cui si preso spunto per lo sviluppo del K.E.R.E.S. è Il freno rigenerativo ,questo dispositivo è un particolare tipo di freno che recupera energia utile estraendola da una quota di quella che, normalmente, si dissipa in aria (calore) durante il rallentamento del veicolo (abbassamento di energia cinetica).Si capisce che, di conseguenza, tale tipo di dispositivo ha due funzioni: di freno e di generatore di energia.Il modo più semplice per realizzare un freno rigenerativo su di un veicolo in movimento è quello di utilizzare un normale generatore elettrodinamico vincolato all'asse delle ruote.Questo tipo di freno viene ampiamente utilizzato in campo tramviario,nelle metropolitane e nel trasporto ferroviario, anche se in misura minore, i motori elettrici di trazione vengono riutilizzati in frenatura come generatori elettrici in quella che comunemente viene definita frenatura elettrodinamica (o semplicemente ED).

Freno rigenerativo:vantaggi

Il vantaggio di questo tipo di freno rispetto a quello pneumatico è multiplo:

Da una parte si ha il risparmio delle pasticche dei freni, in quanto parte o tutta la frenatura viene realizzata dai motori senza utilizzare il freno ad attrito.

Dall'altra si ha un recupero di energia elettrica che viene immessa sulla linea e, quindi, resa disponibile per eventuali altri treni in trazione. Se il livello di tensione della linea è troppo elevata, però, non è possibile aumentare ancora l'energia trasportata per evitare sovratensioni pericolose. In questo caso, i locomotori hanno la possibilità di dissipare in calore l'energia autoprodotta all'interno di resistenze appositamente predisposte, dette reostati.

Ha l'indubbio vantaggio inoltre di non provocare il completo bloccaggio delle ruote, in quanto per sua natura l'azione del freno è efficiente solamente in caso di ruote in movimento e tale efficacia diminuisce con la riduzione della velocità di rotazione della ruota.

Freno rigenerativo:problemiSi devono però anche tener presente alcuni limiti del freno ED,detti limiti, infatti, impediscono di sostituire completamente il freno ad attrito (pneumatico). Nei seguenti casi:

A bassa velocità, il movimento del rotore nel motore elettrico ha una velocità angolare tale che il potenziale generato è basso. Di conseguenza con il rallentamento abbiamo anche un abbassamento dell'efficienza del generatore e, quindi, della forza frenante. Il veicolo per fermarsi ha sempre bisogno di un freno ad attrito.

L'uso del motore anche in frenatura provoca un surriscaldamento, soprattutto se si passa continuamente dalla trazione alla frenatura. Tanto più se la tensione di linea è bassa (come nelle tramvie) e la potenza frenante deve essere cospicua. Tutto questo può influire nella riduzione del tempo di vita del freno, portando a bruciare il generatore.

I motori non sono mai montati su tutti gli assi, di conseguenza la coppia frenante da loro sviluppata, non ha lo stesso effetto di quella ideale applicata omogeneamente. In tal modo si rischia di superare l‘aderenza massima tra ruota e rotaia, provocando micro-slittamenti delle ruote (senza, però, arrivare al completo bloccaggio) aumentando la distanza di arresto del veicolo.

Per quanto riguarda il trasporto su gomma si presentano gli stessi vantaggi e difetti del sistema per il trasporto su rotaia, anche se, generalmente, il freno che viene montato sull'albero motore, può portare ad una rottura dello stesso a causa di un eccessivo utilizzo.

Tale freno è presente su tutti i nuovi mezzi di grandi dimensioni per il trasporto pubblico.

Il K.E.R.S.Dopo aver accennato ai cosidetti “predecessori “ possiamo parlare del K.E.R.S.

Questo sistema assorbe energia in modo analogo al freno rigenerativo, ma invece di essere dispersa, tale energia viene poi riutilizzata per fornire un surplus di cavalli che il pilota potrà usare a sua discrezione.

K.E.R.S. : regolamentazione IPer quanto riguarda la F1 l’uso di tale dispositivo è soggetto a delle regolamentazioni ben precise, infatti:

Un solo dispositivo K.E.R.S. può essere implementato in aggiunta al motore La massima potenza che può sviluppare questo sistema non deve superare

i 60kW. L’energia rilasciata non deve eccedere I 400kJ in un giro (e comunque non

più che per 6.67 secondi al giro). Il K.E.R.S. può incrementare l’energia immagazinata allorquando la

monoposto si muove lungo il circuito. Il rilascio dell’energia da parte del K.E.R.S. deve rimanere sotto il completo

controllo del pilota per tutto il tempo che la monoposto è nel circuito.

K.E.R.S. : regolamentazione II Il K.E.R.S. deve essere controllato dalla stessa Electronic Control UNIT

(ECU) che è usata per controllare il motore,scatola del cambio, frizione e il differentiale.Inoltre tutti i software,sensori e attuatori devono essere autorizzati dalla FIA.

Tutte le auto dovranno avere un sistema di disinnesto della frizione per un minimo di 15 minuti nel caso in cui la monoposto si fermi con il motore spento.questo sistema deve inoltre disconnettere il K.E.R.S. montato sulla vettura. Questo sietema deve essere robusto rispetto a guasti idraulici pneumatici ed elettrici.

Non è permesso un sistema a trasmissione continua . Il K.E.R.S. deve essere connesso in un punto del retrotreno.Se è connesso

tra il differenziale e la ruota, la coppia applicata dal K.E.R.S. ad ogni ruota deve essere la stessa.

Con l’eccezzione del K.E.R.S. tutte le monoposto dovranno essere equipaggiate con un solo sistema frenante.

Il K.E.R.S. :principio fisicoCome sappiamo dalle nozioni di dinamica, ogni corpo in moto uniformemente accelerato ha una sua velocità che poi viene aumentata dal termine cinetico

ma nel corso di una forte decelerazione questo termine anziché assumere un valore positivo assume un valore negativo, il veicolo rallenta e questa quantità di energia va persa attraverso l’uso dei freni, quindi in attrito e calore.Il K.E.R.S. ha lo scopo di recuperare questa quantità di energia,immagazzinarla, per poi cederla sottoforma di un surplus di potenza da utilizzare all’occorrenza.

Ogni scuderia è libera di progettarsi il proprio K.E.R.S., di scegliere , quindi, il principio sul quale basarsi per la progettazione e sviluppo, in tal senso le scuole di pensiero sono due:

MeccanicoElettronico-elettrica

Alla luce delle prove effettuate, la maggior parte delle scuderie adotterà un sistema elettrico, però qualche scuderia ci potrebbe sorprendere con un sistema meccanico molto rivoluzionario, di cui si parla già da molto tempo.

K.E.R.S. meccanico:Flybird I

Il K.E.R.S. meccanico utilizza una massa rotante (volano) per recuperare immagazzinare e rilasciare l’energia.Un sistema K.E.R.S. meccanico degno di nota è il Flybrid Torotrak, realizzato da un pool di aziende inglesi (Flybrid per il volano, TorotraK per il variatore continuo e Xtrac per la trasmissione), il sistema utilizza la tecnologia CVT (legale in questo caso) in quanto agisce solo sull’ingranaggio primario del cambio e non su tutti i rapporti.L’energia prodotta dalla monoposto in fase di frenata viene conservata e convertita grazie ad un sistema di ingranaggi e pulegge che lavorano sul blocco cambio-variatore-volano.Il Volano è collegato al CVT, quindi questo elemento diventa molto importante, per questo è stata scelta la tecnologia Torotrak, in cui il variatore può passare da diversi rapporti in funzione della coppia richiesta, nell’arco di una sola rivoluzione del volano.Analizziamo il sistema

K.E.R.S. meccanico:Flybird IIIl volano è collegato alla trasmissione del veicolo tramite un trasmissione a variazione continua (CVT) , la variazione del rapporto del CVT consente il recupero, il controllo, l’immagazzinamento di energia ed il rilascio. Quando il rapporto cambia in modo da accelerare il volano, si immagazzina l’energia, quando il rapporto cambia in modo da rallentare il volano, l’energia viene ceduta. Questa tecnologia come accennato pocanzi, non è nuova, il volano come recupero di energia è già stato utilizzato in veicoli ibridi come gli autobus, i tram e prototipo di auto, ma in questi casi i sistemi erano pesanti con volani pesanti e sottoposti alle forze giroscopiche molto significative. Il dispositivo Flybrid presenta invece un volano che pesa solo 5 kg realizzato in un misto acciaio – carbonio, che riesce a a girare ad una velocità superiore ai 60000 giri/min con forze giroscopiche insignificanti, questo dispositivo è talmente sofisticato ed innovativo che è coperto da un brevetto.Il vantaggio di questo sistema è l’alta capacità del CVT nella trasmissione tra il volano

e le ruote del veicolo, in questo sistema la potenza di trasmissione è limitata soltanto dalla capacità della CVT e questa capacità è molto elevata.Ma il punto di forza del sistema è il sistema TorotraK senza il quale il sistema non potrebbe funzionare a dovere.

Engine = MotoreClutch = Frizione

Flywheel = VolanoFixed ratio = Rapporto fisso

Cluster = Serie rapporti Bevel gear = coppie coniche

K.E.R.S. meccanico:Flybird IIIIl Torotrak

Il variatore Torotrak al proprio interno presenta dei dischi di ingresso e uscita contrapposti.Lo spazio all’interno dei dischi assume una forma toroidale. All’interno delle cavità di forma toroidale formata fra il disco di ingresso e il disco di uscita, ci sono due o tre rulli, posizionati in modo tale che il bordo esterno di ogni rullo sia in contatto con la superficie toroidale del disco di ingresso e con quello di uscita, con questa disposizione il disco di uscita ruota in senso apposto a quello di ingresso.L’angolo del rullo determina la variazione del rapporto, cosi se il rullo presenta un piccolo raggio al centro ed un grande raggio vicino al bordo, il variatore produce un “basso“ rapporto(accumulo energia). Spostando il rullo in modo da avere un grande raggio in ingresso ed uno piccolo si avrà invece un “alto” rapporto (rilascio energia), il sistema permette così un cambiamento continuo e fluido del rapporto.Tutto questo però è reso possibile da uno strato di liquido di trazione posto tra i toroidi e i cilindri che permette di migliorare il rotolamento ed evitare gli attriti. Chimicamente questo liquido è ad elevato peso molecolare, ovvero costituito da molecole che durante il funzionamento del dispositivo si allungano ( ha esattamente la funzione opposta di un comune liquido lubrificante) permettendo così alle superfici a contatto di sviluppare il massimo attrito tra di loro e dunque trasferire la massima energia cinetica durante il movimento. Inoltre l’efficienza del sistema può essere aumentata all’aumentare della pressione che mantiene legati i due toroidi.

K.E.R.S. meccanico:Flybird IVIl Torotrak

John:in questo momento sto parlando ora con chris brockbank della società Torotrack per sapere tutto sul Flywheel hybrid.La prima domanda è che cos' è il Flywheel hybrid.Chris:il Flywheel hybrid è un sistema per il recupero e l'immagazzinamento dell'energia cinetica dal veicolo ma non in una batteria peròJohn:allora, per esempio quando si frena si potrà immagazzinare quell'energia invece di farla dissipareChris:appunto noi ma non viene immagazzinata in una batteria o un supercapacitore ma in un Flywhell rotanteJohn:cosi il volano.. come immagazzina questa energia spiegaceloChris:l'energia che il volano accumula deriva dalla semplice equazione 1/2mv^2 (energia cinetica)John:certamente ma vediamo ora come lavora questo sistema di storage dell'energia che sarà applicato in formula 1 Chris: poichè si è deciso che dalla stagione 2009 le vetture potevano avere sistemi ibridi, sia elettrici che meccanici,abbiamo sviluppato è un dispositivo meccanicoJohn:quali sono le regole principaliChris:le regole dicono che 400kj per giro che corrispondono a 60KWJohn:parla in maniera più comprensibile....Chris:allora più o meno 80 cv di potenza sono disponibili quando si preme il pulsante per fare magari un sorpasso,tutto può avvenire per 6.6 secondiJohn:così quando premo un pulsante ho un boost per sei secondi....ah e questa è la trasmissione?Chris:questa è l'unità che prende l'energia dalla trasmissione primaria,attraverso una trasmissione variabile (cvt)e la porta dentro il volano. Controlla quindi il flusso dell' energie nelle due direzioni.John:straordinariamente compatto....mostraci un po' come lavora il flywheelChris:questo si trova dentro il dispositivo prima visto, troviamo dei dischi esterni e interni con dei rulli in mezzo,variando la posizione dei rulli noi vediamo il cambiamento della velocità della ruota, tutto che succede qui in questo modello avviene esattamente li dentroChris:parlando di efficienza e considerando un sistema elettrico,l'efficienza dipende dalle parti meccaniche, elettriche e chimiche, si parla così di circa 31 34% di efficienza, mentre con questo sistema che è solamente meccanico, si parla di 70 % di efficienza

da qui in poi si parla della compagnia Torotrak....

Il torotrack è il cuore dell ivt il variatore consiste in 2 dishi di forma interna toroidale fissati all' albero che sono comandati dal motore, ogni disco di input è collegato ad un identico disco di output, che, girando liberamente sull'asse comanda una catena a rapporto fisso, che a sua volta trasmette l'output dal variatoretra ogni paia didischi di input e output ci sono tre rulli connessi a dei pistoni idraulici.La potenza dai dischi di input è trasferita tramite questi rulli ai dischi di uscita.Nel punto in cui il rullo è sul disco non c'è un contatto metallo metallo,infatti un film microscopico di olio separa il disco dal rullo e trasferisce la potenza dalla superficie del disco al rullo .La pressione tra il rullo e il disco incrementa, infatti, la viscosità o l'adesività del fluido,e il flim di olio conseguentemente permette, quindi di trasmettere la potenza senza ottenere un contatto metallo metallo .Questa è la feature più importante del variatore che permette al sistema torotrack di funzionare a dovere

Flybird ricapitolando I

Il sistema Flybrid per il recupero di energia cinetica del sistema (K.E.R.S. ) è un dispositivo piccolo e leggero e soddisfa appieno il regolamento FIA 2009.La funzionalità chiave del sistema sono: • Un volano in acciaio e fibra di carbonio che ruota a oltre 60000 giri/min e contenuto all’interno di un involucro come protezione per eventuali rotture.• Il volano è collegato alla trasmissione della vettura sul lato di uscita del cambio attraverso diversi rapporti, una frizione e il CVT. • 60 kW di potenza di trasmissione in entrambi i casi immagazzinamento e rilascio o di recupero. • 400 kJ utilizzabile di stoccaggio. • Un sistema di peso totale di 24 kg. • Volume totale di 13 litri.

K.E.R.S. meccanico:ricapitolandoIl Flybird torotrak è il sistema meccanico direcupero dell’energia che equipaggerà la HondaIn fase di frenata il flusso di coppia evidenziato con frecce verdi viene trasferito dalla corona della coppia conica al pignone, un alberino con ruota libera, collega in modo solidale un accoppiamento a ruote dentate di differente diametro che ha funzione di moltiplicatore di giri, questa cascata di rapporti ingaggia la massa volanica con peso di 5 Kg e imprime un’accelerazione che la spinge fino a 75.000 giri, l’inerzia generata con potenza normata di 80 cv rappresenta l’accumulo di energia cinetica ,evidenziata in rosso che in fase di accelerazione ritorna a spingere la coppia conica in tandem con la potenza erogata dall’unità termica.

K.E.R.S. elettricoIl K.E.R.S. elettrico rispetto a quello meccanico è più semplice come schema, anche se come gestione e logistica pesi risulta molto più complesso.I sistema si compone di un motore/alternatore collegati direttamente all’albero motore e una serie di batterie al litio .Quando si rilascia l’acceleratore e si premono i freni, il motore elettrico collegato alla trasmissione agisce come generatore, trasformando,grazie a degli inverter,l’energia cinetica in corrente elettrica(con tensioni vicine ai 400 V e correnti vicine agli 800 A) che viene immagazzinata dalla batterie; mentre in fase di accelerazione gli inverter si posizionano in modalità alimentatore in modo che la batteria alimenti direttamente il motore elettrico che farà girare più velocemente l’albero motore aiutando il motore a combustione.

K.E.R.S. elettrico

K.E.R.S. elettrico: prima configurazione

La soluzione ibrida che utilizza insieme al motore termico un sofisticato sistema elettrico richiede un posizionamento strategico di componenti e accessori. La batteria a litio viene ancorata al fondo al lato del propulsore all’interno del cambio viene installato un modulo elettrico direttamente collegato alla coppia conica tramite rapporti, questa unità svolge funzione di dinamo alternatore in fase di frenata per caricare rapidamente la batteria in accelerazione se richiesto dal pilota tramite un inverter diventa un motore elettrico che integra potenza fino a 80 cavalli al motore termico condizione operativa che si ripete ciclicamente più volte al giro

Anche se il K.E.R.S. elettrico rispetto a quello meccanico è più pesante, è modulabile, si possono avere quindi una serie di soluzione di installazioni gestibili a piacimento.Osserviamo due possibili strategie di installazione che le case costruttrici potrebbero seguire

K.E.R.S. elettrico: seconda configurazione

Una raffinata soluzione per il recupero dell’energia che sfrutta componenti elettrici prevede lo studio del posizionamento degli accessori in funzione di una ottimale integrazione con la monoposto per il bilanciamento dei pesi il modulo elettrico che pesa 4 Kg e mezzo è collocato a monte del propulsore termico in modo da spostare in avanti il baricentro in una logica di un’ottimale ripartizione dei pesi anche la batteria al litio di 12 kg viene montata sotto al fondo con funzione di zavorra l’alloggiamento del motore elettrico in posizione tanto avanzata rende necessario riprogettare scocca e serbatoio la nuova conformazione prevede una sagomatura di misura sul generatore che riduce la capacità del serbatoio ma che viene compensata da minori consumi ottenuti grazie all’introduzione del sistema ibrido

Per evitare un’integrazione invasiva del sistema di recupero dell’energia, che si porta in dote i componenti elettrici voluminosi e pesanti, il posizionamento in linea nella zona mediana della monoposto sembra essere il più efficace, la prestazione target della soluzione ibrida si porta in dote 80 cavalli di potenza addizionale in frenata l’inverter mette i generatori in modalità alternatore per caricare le batterie che lavorano con tensioni nell’ordine di 400 V e 800 A in accelerazione l’energia accumulata alimenta il motore elettrico che va in aiuto dell’unità termica al quale è collegato

Controllo Tutto il sistema come gia accennato è controllato elettronicamente dal KCU

che a sua volta è in continua comunicazione con l’ Electronic Control UNIT (ECU) (centralina elettronica che si occupa dell’intera gestione della monoposto)

Controllo II

Controllo III

K.E.R.S. elettrico :ricapitolando

Performance,strategie e consumi

Dopo aver visto le possibili soluzioni e configurazioni Osserviamone grazie a delle simulazioni, i consumi, le performance e le

possibili strategie che le case costruttrici potrebbero adottare

Consumi Per quanto riguarda i consumi si è stimato che si avrebbe: Un risparmio di carburante sul giro (considerando un carburante con

44.4 MJ/Kg potere calorifero e 30% di efficienza) di ~0.03kg Un risparmio di carburante per gara che va da ~1.3 a 2.3kg a

seconda del numero di giri (ricordando che il peso totale del carburante consumato per un’intera gara è di ~180kg)

Risparmio di peso in una gara di 70 giri con 2 pit stop di ~0.9kg a giro

Si capisce quindi che il K.E.R.S. non è un ‘ottima soluzione per ridurre i consumi, l’unico vantaggio che ne deriva è in termini di performance.

Performance & strategie

Volendone ora valutare le performance e quindi analizzare le possibili strategie che le case costruttrici potrebbero scegliere, osserviamo una simulazione effettuata dalla AVL Powertrain,azienda specializzata in soluzioni all’avanguardia nell’automotive. Simulazioni simili si ricorda, sono necessarie in quanto il regolamento, riduce molto le prove automobilistiche durante il periodo invernale.

Valutazione delle performance -Modello di simulazione

È stato implementato attraverso matlab simulink un modello capace di valutare le performance di una monoposto in cui era stato montato il sistema K.E.R.S.Tale modello composto che è essenzialmente da tre parti prevede:

La simulazione del veicolo ( basata sull’equazione del moto del centro di massa).

La simulazione del circuito (che in questo caso è il circuito di Silverstone) e del sistema K.E.R.S.

Altre assunzioni che sono state considerate in questa simulazione è che

Il K.E.R.S. non ha impatto sul peso del veicolo.

E non ha impatto sulla dinamica laterale.

Valutazione delle performance-Il boost I

Nell’eseguire la simulazione e vedere quindi le differenze sul tempo sul giro che nascono dall’avere a bordo il K.E.R.S., si deve innanzitutto analizzare la fase di “boost” ovvero la fase di accelerazione che il pilota può azionare a sua discrezione

Un evento di boost consiste essenzialmente in 3 fasi

I: viene applicata una coppia addizionale che ne fa aumentare la velocità( nel grafico è rappresentata la differenza di velocità di un veicolo con e senza K.E.R.S. ( tale fase è quella tra il punto A e B)

II: a causa della bassa coppia del motore alle alte velocità la differenza di velocità si decrementa lentamente ( da B a C)III: con la frenata la differenza scompare (da C a D)

Valutazione delle performance – Il boost II L’area definita da A B C e D è

proporzionale alla media delle differenze di velocità, da cui si ha il beneficio che può essere guadagnato con il boost.

L’area definita invece da C D ed E rappresenta un beneficio aggiuntivo che può essere guadagnato.

Osserviamo a questo punto i diversi tipi di strategia e i benefici che potrebbero portare in termini di tempo sul giro.

Strategie – boost singolo Un boost singolo può essere applicato

solo nelle parti del circuito dove l’acceleratore è al massimo per circa 6,67 secondi (sezioni 1-2-3).

Lo scopo della simulazione è determinare dove l’utilizzo del boost permette di ottenere il miglior tempo sul giro.

Dalla simulazione si evince che il fattore che influenza maggiormente le prestazioni è la lunghezza della sezione del circuito dove si applica il boost.

Strategie –boosts multipli @ 60kW Volendo ora provare una strategia

con boosts multipli possiamo dividere i 400KJ disponibili per ogni giro in diversi boosts, così facendo inoltre avremo più versatilità nella scelta delle sezioni del circuito in cui si può ricorrere all’uso del K.E.R.S. infatti possiamo ora aggiungere anche i settori 4 5 6.

Inoltre in questo modo si può avere anche una riduzione delle dimensioni dell’unità di storage che si traduce in una diminuzione di peso.

Da come si evinci si ha un notevole miglioramento dei tempi sul giro dovuto all’incremento totale della distanza in cui si usa il K.E.R.S..

Strategie – boosts multipli @ 30kW L’ultima strategia viene fatta

considerando che solo la potenza di uscita del K.E.R.S. è definita per regolamento, si può quindi optare per un sistema che fornisca minore potenza (ad es. 30KW ) .

Questo ragionamento comporta che : Si può ridurre ancor più il peso del

sistema e quindi della monoposto. Una minor potenza significa una

minor differenza di coppia in accelerazione che si traduce in meno probabilità di testacoda.

Però l’uso di un sistema di ridotta potenza comporta l’esclusione della strategia con singolo boost in un circuito come quello di Silverstone in quanto si dovrebbe duplicare il tempo per consumare 400 KJ di energia.

Strategie – Comparazioni

Il miglior tempo sul giro è stato effettuato usando la strategia con 3 boosts alla massima potenza nelle sezioni più lunghe.

Comunque le altre strategie possono comunque risultare valide in altre condizioni di gara, per esempio:Quando un pilota segue da vicino uno con una strategia a singolo boost la strategia multipla può incrementare le chance di sorpasso.In condizioni di bagnato può essere utile ridurre la potenza per avere una guida più fluida e meno nervosa.

Comunque la vera soluzione è quella che sta nell’abilità di saper essere flessibili a seconda delle situazioni che possono verificarsi in gara.

Problemi L'uso del sistema K.E.R.S. può creare

comunque tutta una serie di problemi: primo fra tutti è quello di una fuga di tensione che si propaga in tutto il corpo vettura, essendo questo formato da materiali compositi( tra i quali la fibra di carbonio, che è un ottimo conduttore di corrente) e che considerando le tensioni che entrano in gioco può essere una notevole fonte di pericolo.

Bisogna comunque precisare che la vettura ferma non presenta rischi. Diverso il discorso se la monoposto è in moto al box, oppure bloccata lungo il circuito per qualche inconveniente. I meccanici dei team si proteggono con i guanti di gomma, scarpe isolanti a norma e con il cotone sotto le tute ignifughe. Accorgimento, quest’ultimo, fondamentale per evitare che l’acrilico, sciolto da una scossa, finisca per attaccarsi alla pelle. Sono ancora da definire invece le procedure per commissari di pista, infermieri, giornalisti e ospiti che possono avvicinare le vetture nel parco chiuso, in pista o in griglia.Inoltre anche il pacco batterie presenta anch’esso dei pericoli. I produttori, infatti, consigliano di maneggiarle come “benzina elettrica". Potrebbe infatti accadere che a causa di un incidente vi sia una perdita di gas dalle batterie aumentando il rischio incendio e di esplosione.

Tutto ciò, quindi, in vista dell’introduzione obbligatoria dal 2010 ha reso necessario da parte dei Team la fondazione del K.E.R.S. Working Group, per stabilire norme di sicurezza uguali per tutti.

FINE