RICERCA ITALIANA     

RECUPERO DELL'ENERGIA CINETICA DI VEICOLI MEDIANTE DISPOSITIVI DI ACCUMULO PNEUMO-IDRAULICI

Università degli Studi de L'Aquila

Abstract

Il programma di ricerca è rivolto principalmente allo sviluppo di sistemi di recupero dell'energia cinetica che i veicoli dissipano durante le fasi di rallentamento e di marcia in discesa a velocità costante. I sistemi considerati sono a funzionamento idro-pneumatico, configurati per costituire sistemi di supporto durante le fasi di accelerazione.
Viene definito un modello matematico per la simulazione dinamica del dispositivo sperimentale, finalizzato ad ottenere indicazioni sulle strategie di gestione energetica e sul controllo dell'intero sistema. Contemporaneamente viene realizzato anche un modello matematico adatto alla simulazione del funzionamento di un veicolo con il sistema HLA a bordo ed all'analisi del comportamento energetico lungo assegnati profili di missione, con evidenziazione dei vantaggi ottenibili. L'analisi del comportamento termodinamico dei cilindri pneumo-idraulici di accumulo viene anche affrontata.
In parallelo, viene avviata la progettazione e realizzazione di un banco prova adatto alla sperimentazione dei componenti adatti ad una successiva applicazione su un veicolo da trasporto urbano (tipo minibus). Le prove sono di accumulo energetico, seguite da una successiva fase di restituzione dell'energia, secondo diverse modalità di prova stabilite e orientate a realizzare determinati cicli di prova semplice.
La ricerca procede con la definizione e sperimentazione di configurazioni innovative di componenti (valvole) e di tutto il sistema di captazione e restituzione energetica, con l'intento di sviluppare soluzioni costruttive idonee anche per veicoli di piccole dimensioni ed ottenere risparmi sui costi di realizzazione rispetto alle soluzioni correnti, senza pregiudizio alcuno sull'affidabilità e sull'efficienza del complesso veicolo e sistema di recupero.
La ricerca si conclude con un'estensiva sperimentazione dei sistemi HLA sviluppati dalle unità di ricerca di Cagliari e L'Aquila. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Enrico CHIAPPINI Università degli Studi de L'AQUILA

Obiettivo del Programma di Ricerca

La ricerca riguarda le problematiche del trasporto su gomma di cose e persone, in particolare in condizioni di traffico urbano, e persegue questi fondamentali finalità:
• riduzione del consumo di combustibile o, comunque, dell'energia richiesta per la movimentazione
• riduzione delle emissioni nell'atmosfera
e, come diretta conseguenza, altri due obiettivi secondari e cioè:
• incremento della durata dei sistemi di frenatura con conseguente riduzione dei costi di manutenzione
• possibile downsizing del propulsore o, in alternativa, miglioramento delle fasi di accelerazione.
La ricerca vuole conseguire le suddette finalità sviluppando sistemi di recupero idro-pneumatico dell'energia cinetica dissipata durante la marcia del veicolo. Conseguentemente, si potranno ritenere realizzati attraverso il conseguimento di alcuni obiettivi particolari, specifici delle problematiche caratteristiche del sistema di recupero coinvolto.
In particolare, si possono segnalare i seguenti obiettivi specifici.
• Realizzazione di Modelli Matematici: Costruzione di un modello matematico per la simulazione dinamica del dispositivo sperimentale, finalizzato ad ottenere indicazioni sulle strategie di gestione energetica e sul controllo dell'intero sistema. Costruzione di un modello matematico adatto alla simulazione del funzionamento di un veicolo con il sistema HLA a bordo ed all'analisi del comportamento energetico lungo assegnati profili di missione, con evidenziazione dei vantaggi ottenibili.
• Analisi Termodinamica: Analisi del comportamento termodinamico dei cilindri pneumo-idraulici di accumulo.
• Realizzazione di un Banco Prova Dedicato: progettazione e realizzazione del banco prova con la scelta dei componenti adatti ad una successiva applicazione su un veicolo da trasporto urbano (tipo minibus); esecuzione di prove di accumulo seguite da una successiva fase di restituzione dell'energia secondo diverse modalità di prova stabilite e orientate a realizzare determinati cicli di prova semplice.
• Validazione Sperimentale: Definizione e sperimentazione di configurazioni innovative di componenti (valvole) e di tutto il sistema di captazione e restituzione energetica, con l'intento di sviluppare soluzioni costruttive idonee anche per veicoli di piccole dimensioni ed ottenere risparmi sui costi di realizzazione rispetto alle soluzioni correnti, senza pregiudizio alcuno sull'affidabilità e sull'efficienza del complesso veicolo e sistema di recupero. Estensiva sperimentazione dei sistemi HLA sviluppati dalle unità di ricerca di Cagliari e L'Aquila. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Come tutti possono constatare e come ampiamente messo in evidenza dagli organi di stampa e comunicazione, l'inquinamento atmosferico dei centri urbani, soprattutto se di grandi dimensioni, diventa ogni giorno più rilevante, con notevoli ripercussioni per la salute dei cittadini e lo stato di conservazione dei manufatti e, soprattutto, delle opere d'arte. La situazione è sovente al di sopra dei limiti ritenuti soglia di pericolo (per presenza di ossidi d'azoto e/o polveri sottili), sicché le Amministrazioni locali – tenuto conto che buona parte dell'inquinamento nasce dal traffico veicolare – si vedono costrette ad intervenire con provvedimenti limitativi della circolazione, quali zone a traffico limitato, circolazione a targhe alterne e, nei casi più gravi, blocco totale del traffico.
Questa situazione, se da un lato crea indubbie difficoltà alle industrie automobilistiche aumentando la difficoltà di vendita del loro prodotto, dall'altro lato costituisce per le medesime un notevole stimolo allo sviluppo di veicoli sempre meno inquinanti, che possano quindi rispondere alle sempre più pressanti richieste di contenimento delle emissioni da gas di scarico imposte dalle normative attualmente in vigore e di futura utilizzazione.
Al fine di conseguire il richiesto contenimento delle emissioni e non essere tagliate fuori dal mercato, tutte le case costruttrici di veicoli stanno concentrando notevoli sforzi economici e progettuali nel realizzare propulsori ad efficienza sempre più elevata, adottando provvedimenti a livello di fluidodinamica interna, di tecniche di alimentazione, di sistemi di iniezione sempre più sofisticati, di gestione elettronica sempre più raffinata. Sforzi notevoli, ad esempio, sono stati compiuti per migliorare e controllare i processi di alimentazione e combustione dei motori a combustione interna introducendo da un lato l'iniezione diretta e il common rail e dall'altro prospettando la diffusione dell'utilizzazione di combustibili più puliti come il metano e l'idrogeno.
Altrettanto notevoli sforzi economici e progettuali sono dedicati al miglioramento dell'efficienza "meccanica" del veicolo, agendo contemporaneamente su più fronti: riduzione della massa, miglioramento dell'aerodinamica e, sopra tutto, incremento dell'efficienza di tutti i processi di trasferimento alle ruote ed alla strada della potenza generata dal propulsore.
In aiuto a queste linee d'azione, soprattutto nella prospettiva dei futuri inasprimenti normativi, possono essere intrapresi lo studio e l'utilizzazione di dispositivi che consentano una più razionale utilizzazione dei flussi energetici tra propulsore, ruote e strada. Un importante contributo in tal senso proviene dalle esperienze e ricerche condotte sui veicoli ibridi per il trasporto pubblico urbano. Alcuni di questi veicoli ibridi sono stati impiegati dalle aziende di trasporto pubblico su diverse linee evidenziando la possibilità di recuperare una piccola parte dell'energia cinetica del veicolo che normalmente viene dissipata durante le fasi di frenata [17]. E' bene a tal proposito sottolineare che proprio nella percorrenza dei cicli urbani i consumi di carburante sono più elevati e l'energia dissipata nelle frenate penalizza pesantemente il rendimento complessivo del sistema di propulsione. Infatti i cicli urbani sono sempre più frequentemente caratterizzati da continue e ripetute successioni di partenze e arresti del mezzo che coinvolgono una notevole quantità di energia che viene in gran parte dissipata dai dispositivi di frenatura e che invece potrebbe essere convenientemente recuperata per essere utilizzata nelle successive fasi di accelerazione del mezzo.
Se si dotano dunque i mezzi di un sistema di recupero rigenerativo dell'energia cinetica è possibile ridurre i consumi e conseguentemente incrementare l'autonomia del mezzo. Inoltre utilizzando l'energia accumulata durante le fasi di frenata per facilitare le successive fasi di accelerazione, si possono migliorare le fasi di funzionamento transitorie del motore a combustione interna riducendo nel contempo le emissioni. Infatti una notevole porzione della energia cinetica di un veicolo viene dissipata durante le fasi di rallentamento ed arresto: un suo accumulo, con successiva utilizzazione nelle fasi del moto di accelerazione, può comportare notevolissimi risparmi energetici (anche superiori al 20 % in condizioni di traffico "stop-and-go"), con conseguente riduzione di tutti i connessi fattori di inquinamento e possibilità di downsizing del propulsore. Analoghi vantaggi, seppure di entità assai minore, sono conseguibili in percorsi extraurbani, possibilmente recuperando anche l'energia cinetica che deve esser dissipata per mantenere costante la velocità durante i percorsi in discesa.
Di varia tipologia sono i dispositivi, operanti in base a diversi principi fisici, individuati negli anni per operare secondo lo schema funzionale sopra delineato. Un interessante studio di inquadramento generale del problema è quello pubblicato nel 1993 dall'Abacus Thechnology Corporation, [1]. In tale studio, sviluppato per conto del DOE degli USA, sono prese in esame tre tipologie di ESS (Energy Storage System) e, per ognuna di esse, vengono individuate le prospettive di utilizzo (in relazione a veicoli elettrici ed ibridi) e viene definita un'unica relazione fondamentale (basata esclusivamente sulle caratteristiche del dispositivo di accumulo) per valutare i limiti teorici operativi, in termini di energia specifica accumulabile: Esp = E/M = sigma/(c*rho), essendo M la massa del dispositivo, sigma la tensione di lavoro del materiale, rho la massa volumica e c un opportuno cefficiente. Relativamente ai tre sistemi di recupero considerati (FES = Flywheel Energy Storage, c = 2; HES = Hydropneumatic Energy Storage, c = f(k,V1,V2); SMES = Super Magnetic Energy Storage, c = 1), Abacus calcola con la precedente formula le prestazioni energetiche teoriche, basandosi esclusivamente su resistenza e massa volumica dell'elemento di accumulo. Tali valori, ovviamente, hanno significato di semplice riferimento. Occorre infatti far presente che i valori conseguibili nelle effettive applicazioni risultano fortemente ridotti (e in modo non uniforme per FES, HES e SMES) da vincoli tecnologici, tipologie di realizzazione e di installazione e grado di maturità delle soluzioni proposte.
Il sistema denominato "Volvo Cumulo" è stata la prima importante applicazione di un sistema idraulico con accumulo idropneumatico ed è stato sviluppato nel 1976, [9,15].
I sistemi idropneumatici HES, [1,5,14,16,22,23,27,28], anche con l'uso di serbatoi di accumulo in materiale composito ad alta resistenza e piccola massa, sono caratterizzati da bassa densità energetica e, quindi, è stato necessario modificare le modalità d'uso indirizzando la tipologia costruttiva verso applicazioni caratterizzate da brevi tempi di immagazzinamento (e, quindi, da modesti quantitativi di energia accumulata) ed altrettanto brevi periodi di cessione: si tratta quindi di sistemi destinati prevalentemente all'assistenza energetica durante le fasi di accelerazione. Queste configurazioni costruttive sono oggi indicate in letteratura con HLA (Hydraulic Launch Assist) e sono state oggetto recentemente di interessanti applicazioni.
Un dispositivo HLA è costituito da due vasi di espansione pneumo-idraulici a sacca (di alta e di bassa pressione, rispettivamente HP e LP), una elettrovalvola di controllo ed inversione del flusso che collega i due vasi di espansione attraverso un gruppo oleodinamico motore/pompa a cilindrata variabile. Il gruppo motore/pompa è meccanicamente connesso, mediante una frizione controllata da un opportuno sistema elettronico, alla linea principale di trasmissione del moto che connette il sistema propulsivo alle ruote. Le modalità operative sono due: accelerazione assistita e rallentamento con recupero dell'energia cinetica. In ogni fase di accelerazione assistita la frizione è innestata, l'unità pompa/motore opera come motore (cede quindi potenza alla linea di trasmissione) ed il fluido idraulico passa dal vaso di espansione HP al vaso di espansione LP. Durante le fasi di rallentamento, ancora a frizione innestata, a seguito del cambiamento di configurazione della valvola, l'unità pompa/motore opera come pompa (preleva quindi potenza dalla linea di trasmissione rallentando il veicolo) ed il fluido idraulico inverte la direzione di flusso passando dal vaso di espansione LP al vaso di espansione HP. Durante la fase di operatività nulla la frizione è aperta e, quindi, non vi è alcun collegamento meccanico tra il gruppo pompa/motore e la linea di trasmissione del moto; conseguentemente, non vi è alcun flusso di olio idraulico tra i due vasi di espansione.
La nuova tipologia HLA ha immediatamente consentito la realizzazione di prototipi con funzionamento soddisfacente e, quindi, lascia intravedere la possibilità di interessanti futuri sviluppi. Una prima importante applicazione è stata il progetto "Hydrobus" presentato dalla M.A.N. e sviluppato sul concetto del power assist di Martini, 1984 [18]. Successivamente gli studi sono continuati ma sono stati orientati prevalentemente alla simulazione dei sistemi e non hanno portato a nuove realizzazioni pratiche (Toleffson et al. [24], 1985; Wu et al. [29], 1985; Fronczak et al. [13], 1988; Babbit et al. [2], 1994). Più recentemente sono stati sviluppati due nuovi interessanti progetti che hanno portato alla costruzione di un prototipo e sono stati concepiti dalla FIBA Canning Inc. [11] (1998), dalla Permo-Drive Ltd. [20] (2002) e, soprattutto, dalla Ford Motors [12] (2002). Infatti, Ford (anche a seguito di un accordo con U.S. EPA) ha realizzato il SUV "Tonka" caratterizzato da un tradizionale motore termico con un sistema HLA collegato in parallelo all'asse di trasmissione. Assai interessanti sono state le prestazioni ottenute in quanto, rispetto al sistema di propulsione originale, il consumo di combustibile è stato ridotto di oltre il 20 %, le emissioni dal 20 al 30 % e le accelerazioni sono invece state incrementate del 30 %, [16]. Successivamente, la società SHEP Tecnologies Inc. si è proposta per la commercializzazione di un analogo sistema. Infine, è assai recente la notizia relativa allo sviluppo negli Stati Uniti, da parte del National Automotive Center e della International Truck & Engine Co., di un veicolo per usi militari (ma convertibile anche ad applicazioni civili), che sfrutta ancora un dispositivo HLA, del tutto simile ai due citati in precedenza. <<<