Realizzazione di un circuito idraulico con accumulo Realizzazione di un circuito idraulico con accumulo idro-pneumatico per il recupero dell'energia cinetica idro-pneumatico per il recupero dell'energia cinetica

dei veicolidei veicoli

Candidato

ALBERTO BONU

Relatore

PROF.ING.PIER PAOLO PUDDU

Sistemi

HLAHLA

( Hydraulic Launch Assist )

Schema dell’impiantoSchema dell’impianto

Gestione dell’impiantoGestione dell’impianto

Trasmissione idropneumaticaTrasmissione idropneumaticaE’ caratterizzata dall’utilizzo di due fluidi

GAS

AZOTO

LIQUIDO

OLIO

Proprietà dell’azotoProprietà dell’azoto Proprietà dell’olioProprietà dell’olio

Gas inerte

Ottime proprietà termodinamiche

Ha un costo ridotto

Essendo un gas è in grado di accumulare grandi quantità di energia

Svolge la funzione di spinta

Trasmissione delle forze in gioco anche

a distanze non indifferenti

Occupa volumi molto ridotti rispetto ai gas

Responsabile della trasmissione idrostatica

Valutazioni prestazionali ed economicheValutazioni prestazionali ed economicheEnergia specificaEnergia specificaPuò variare in un intervallo compreso fra 0.6 e 3.6 Wh /kg a seconda del materiale utilizzato per gli accumulatori

Potenza specificaPotenza specifica Sono dell’ordine dei sistemi tradizionali dotati di un sistema di trasmissione meccanico

Efficienza del sistemaEfficienza del sistema 70÷90 % in riferimento al sistema complessivo; fondamentale la stima del rendimento degli accumulatori che dipende sia dal grado di isolamento che dalla frequenza dei cicli di carica/scarica (95%); il rendimento delle unità idrauliche (80÷96%) è in continua ascesa per il continuo progresso delle tecnologie di industrializzazione

Vita utileVita utile E’ stimata in base a 105 di cicli in dipendenza dalla vita utile delle macchine idrauliche (componente più critico).Essa è variabile in funzione alle pressioni e dai regimi di lavoro. Tradotta in tempo la vita utile è dell’ordine di qualche decennio

CostiCostiPer quanto riguarda i costi,si stima una costo aggiuntivo dell’ordine del 20-40% ammortizzabile nel giro di 2.5 anni circa grazie al risparmio di combustibile e minore manutenzione dei freni meccanici. Il valore del costo aggiuntivo è in continua diminuzione in quanto migliorano i rendimenti delle macchine idrauliche,diminuisce il loro costo perché si raggiungono grazie alle tecnologie pressioni massime sempre più alte e questo comporta una riduzione delle dimensioni dei componenti e inoltre dobbiamo tenere conto della continua ascesa del prezzo del petrolio

SicurezzaSicurezza I rischi sono praticamente inesistenti. Si potrebbe pensare ad una esplosione degli accumulatori ma questo non può accader grazie all’installazione di valvole di sicurezza automatiche,inoltre gli accumulatori sono realizzati con materiali ad elevata resistenza

Dimensionamento del circuitoDimensionamento del circuitoScelta del veicoloScelta del veicoloIl veicolo deve essere scelto opportunamente. Il sistema HLA deve essere applicato a un veicolo che effettua nel corso della sua vita frequenti cicli di fermate come può essere un autobus di città,inoltre i tragitti percorsi devono essere mediamente pianeggianti, diversamente la convenienza di questa applicazione viene a scadere.

Valutazione dell’energia dissipataValutazione dell’energia dissipata

In base a queste considerazioni sono state realizzate come già accennato, delle sperimentazioni per differenti cicli cinematici e dinamici su un veicolo da trasporto urbano (Pollicino 35P della IVECO).Gli esperimenti sono stati realizzati su diverse tratte di percorrenza con il rilevamento dei parametri fondamentali quali la coppia e la velocità angolare a valle del cambio e simulazioni al computer con l’ausilio del software ADVISOR (Vehicle Advanced Simulator) al fine di analizzare l’andamento della potenza in funzione dell’energia accumulabile. Dalle analisi fatte in base alle diverse condizioni cinematiche e di carico, si sono ottenuti dei diagrammi che mettono in relazione l’energia recuperata in funzione della coppia come mostrato nel diagramma indicativo della figura:

Ottimizzazione dell’energia di accumuloOttimizzazione dell’energia di accumuloFacciamo alcune considerazioni sull’energia immagazzinabile.

E=P1V2f mN

ef

Nm

1

1ln

Risulta dunque che a parità di P1 e V2 l’energia è massima quando è massimo il coefficiente f

0dN

df1

ln

m

m

eN

Se ipotizziamo ad esempio una trasformazione adiabatica,per l’azoto risulta:m=1.4 quindiN = 2.3190 f = 0.3080

= Nm = 3.246Questo valore rappresenta dunque il valore del rapporto di compressione ottimale per avere la massima energia accumulabile fissati:

Pressione massima : essa viene stabilita in base ai limiti imposti dalle attuali tecnologie

Volume del serbatoio di accumulo : viene scelto sull’analisi di diversi fattori,quali peso,ingombro etc.

Unità idrostaticaUnità idrostatica Eaton® Heavy Duty Series 2

Variable Displacement Closed Circuit Piston Pumps

Basandoci sulle prerogative che contraddistinguono la totalità delle macchine idrauliche si può affermare che per la specifica applicazione mobile le unità idrostatiche a pistoni assiali sono quelle che meglio rispondono alle caratteristiche richieste

ProprietàProprietà Elevate pressioni raggiungibili Possibilità di reversibilità del flusso

Facilità di regolazione Elevati regimi di rotazione Buone proprietà di durata e rumorosità

Macchina molto compatta

Caratteristiche tecnicheCaratteristiche tecnicheCilindrata : 54 cm3 / giro

Portata massima : 235 litri / min Coppia massima in ingresso : 218 Nm

AccumulatoriAccumulatoriAccumulatori HP a sacca della FOX

Esso è stato collaudato per resistere ad una pressione pari a 1.5 volte la pressione massima indicata sullo stesso

2

f

m

EAccumulatore non sottoposto alla pressione del fluido dell’impianto

Accumulatore sottoposto alla condizione di minima pressione dell’impianto. Questa condizione deve essere sempre verificata per evitare che la sacca o la membrana subiscano un’usura precoce,dovuta al ripetuto sfregamento con la superficie del corpo in metallo ad ogni ciclo di lavoro. Per questo motivo è fondamentale che il valore della pressione minima del fluido nell’impianto sia sempre superiore del 10% rispetto alla precarica d’azoto.

Accumulatore nella condizione di pressione massima dell’impianto. In questo caso ci troviamo nella condizione in cui è presente la massima quantità di fluido accumulabile

InverterInverter

Il compito dell’inverter è quello di supplire in qualche modo alla rigidezza da parte della rete pubblica,infatti ci sono carichi che richiedono tensioni e frequenze diverse da quelle normalmente fornite

L’inverter deve essere supportato da un convertitore statico che ha il compito di trasformare la corrente alternata della rete in corrente continua per alimentare l’inverter il quale poi la ritrasforma in corrente alternata richiesta dal carico

I condensatori servono per limitare le oscillazioni di tensione in uscita dal raddrizzatore stabilizzando la tensione in ingresso all’inverter

Il motore elettricoIl motore elettricoMotore asincrono HDP ad elevate prestazioni dinamiche

Sono equipaggiati di serie con un trasduttore di posizione di tipo encoder che forniscono treni di impulsi ad onde quadre.Di serie viene montato un encoder HTL incrementale,1024 impulsi/giro,tensione di alimentazione 10/30 Vdc

Dati principali di targaDati principali di targaPn = 20,9 kW

n = 1500 rpm

max= 2250 rpm

Vn = 400 V

ConclusioniConclusioni

Grazie ad un sofisticato sistema di acquisizione di dati sarà possibile fare diverse sperimentazioni sul banco prova al fine di valutare quelle che sono le prestazioni dell’unità idrostatica come il rendimento nelle due configurazioni di funzionamento pompa e motore,rendimenti volumetrici durante cicli parziali o completi al variare dei parametri principali come velocità angolare dell’unità idrostatica e valore del coefficiente di regolazione della cilindrata. Le sperimentazioni verranno fatte in regime dinamico poiché si avrà a che fare con un P variabile.

Tale sistema potrebbe essere idoneo anche per macchinari industriali,caratterizzati da forti inerzie i quali hanno dei componenti che partono da fermi, accelerano,rallentano e si fermano, come grosse piallatrici. Un ipotetica applicazione su macchinari industriali,che abbiano movimenti alternati di

questo, tipo sui quali sia possibile montare un sistema di recupero, sarebbe l’ideale perché in questi casi la cinematica e la dinamica di funzionamento si conosce in partenza e in dettaglio per cui è

possibile dimensionare con estrema precisione e quindi ottenere i migliori rendimenti,valutare in partenza ad esempio i costi e i loro tempi di ammortizzamento.