Realizzazione di un circuito idraulico con accumulo
idro-pneumatico per il recupero dell'energia cinetica
dei veicoli
Candidato
ALBERTO BONU
Relatore
PROF.ING.PIER PAOLO PUDDU
Sistemi
HLA
( Hydraulic Launch Assist )
Schema dell’impianto
Gestione dell’impianto
Trasmissione idropneumatica
E’ caratterizzata dall’utilizzo di due fluidi
GAS
AZOTO
LIQUIDO
OLIO
Proprietà dell’azoto
Proprietà dell’olio
Gas inerte
Responsabile della trasmissione idrostatica
Ottime proprietà termodinamiche
Trasmissione delle forze in gioco anche
Ha un costo ridotto
a distanze non indifferenti
Essendo un gas è in grado di accumulare
grandi quantità di energia
Occupa volumi molto ridotti rispetto ai gas
Svolge la funzione di spinta
Valutazioni prestazionali ed economiche
Energia specifica
Può variare in un intervallo compreso fra 0.6 e 3.6 Wh /kg a seconda del materiale utilizzato per gli accumulatori
Potenza specifica
Sono dell’ordine dei sistemi tradizionali dotati di un sistema di trasmissione meccanico
Efficienza 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 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
Costi
Per 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
Sicurezza
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 circuito
Scelta del veicolo
Il 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 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 accumulo
Facciamo alcune considerazioni sull’energia immagazzinabile.
E=P1V2f
df
0
dN
f 
e  m ln N 
1 m
1
N
N e
Risulta dunque che a parità di P1 e V2 l’energia è massima
quando è massimo il coefficiente f
ln m
m 1
Se ipotizziamo ad esempio una trasformazione adiabatica,per l’azoto risulta:
m=1.4
quindi
N = 2.3190
f = 0.3080
b = Nm = 3.246
Questo 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 idrostatica
Eaton® Heavy Duty Series 2
Variable Displacement Closed Circuit Piston Pumps
Proprietà
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 tecniche
Cilindrata : 54 cm3 / giro
Portata massima : 235 litri / min
Coppia massima in ingresso : 218 Nm
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
Accumulatori
Esso è stato collaudato per
resistere ad una pressione pari
a 1.5 volte la pressione
massima indicata sullo stesso
Accumulatori HP a sacca della FOX
Accumulatore non
sottoposto alla
pressione del fluido
dell’impianto
E f 

m 2 
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
Inverter
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 elettrico
Motore asincrono HDP ad elevate prestazioni dinamiche
Dati principali di targa
Pn = 20,9 kW
wn = 1500 rpm
wmax = 2250 rpm
Vn = 400 V
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
Conclusioni
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 DP 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.