Riduzione dei consumi di un veicolo pesante mediante ottimizzazione del sistema di propulsione

Transcript

1 Università degli Studi di Bologna FACOLTA DI INGEGNERIA Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica Disegno Tecnico Industriale Riduzione dei consumi di un veicolo pesante mediante ottimizzazione del sistema di propulsione Tesi di Laurea di: Andrea Cacciari Relatore: Prof. Ing. Luca Piancastelli Correlatore: Ing. Peter Fledersbacher Anno Accademico

2 OBIETTIVO DELLA TESI Implementare una metodologia per l ottimizzazione dei consumi per un autoveicolo adibito a servizio di taxi dotato di sistema di cambio automatizzato tipo selespeed Quesiti di base E ECONOMICAMENTE CONVENIENTE UN CAMBIO A MOLTI RAPPORTI DI TRASMISSIONE (10 30)? E ECONOMICAMENTE CONVENIENTE UTILIZZARE UN MOTORE MENO POTENTE?

3 AUMENTANDO IL NUMERO DI MARCE DIMINUISCONO I CONSUMI MA AUMENTANO I COSTI COSTRUTTIVI Q consumo chilometrico [gr/km] V velocità della vettura [m/s] Aumentando il numero di marce disponibili, aumenta la possibilità di viaggiare nell intorno del punto di massimo rendimento del motore, ma aumenta la complessità meccanica.

4 IL CICLO DI PROVA Velocità 30 Assegnazione di velocità e pendenza per valori temporali discreti Tempo Gli altri valori sono ottenuti per interpolazione lineare. Ciclo CEE L accelerazione è data come rapporto incrementale della velocità. Ciclo Urbano sec. Ciclo ExtraUrbano sec. Ciclo montano sec. Pendenza Tempo

5 Propulsore Chassis VEICOLO Definizione di un nuovo cambio tramite l algoritmo genetico Imposizione dei valori di riferimento Determinazione dei consumi nel ciclo proposto Algoritmo implementato mediante Mathematica

6 VEICOLO CHASSIS Motore di riferimento: 320 CDI Motori considerati: 320 CDI MERCEDES BENZ CLASSE S Comodità Immagine Motori diesel ad iniezione diretta con tecnologia common-rail 270 CDI 220 CDI 200 CDI P=2400 [Kg] F r = ρc x SV 2 + P(r+i)

7 Curva di Coppia MOTORI Originali [Nm] CDI 220 CDI [rpm] Curva del consumo specifico interpolata S320CDI gr/kwh % carico rpm

8 Determinazione del consumo Suddivisione del ciclo in step temporali (0,1 sec.) Velocità e Accelerazione per il passo corrente Forza Resistente Per tutte le marce Numero di giri e Coppia richiesta al motore Per tutte le Marce PME e Consumo specifico Per tutte le Marce Consumo di carburante per il passo corrente Scelta della Marcia di Minimo Consumo Calcolo del Consumo Cumulativo

9 Definizione del nuovo cambio tramite l algoritmo genetico CONTROLLI ATTUATI PER OGNI CAMBIO: Congruità dello scalamento Pendenza minima superabile Ripresa accettabile Consumo inferiore al riferimento VALORE DI CONSUMO FINALE CAMBIO OTTIMIZZATO

10 Soluzione ottimizzata dell autovettura MOTORE 320 CDI 220 CDI CAMBIO 5 marce automatico 16 marce selespeed PRESTAZIONI OTTENUTE VELOCITA : 230km\h 207 km\h ACCELERAZIONE: 8,9 sec. 11,4 sec. CONSUMO (nel ciclo): gr gr Marce Tempo

11 Comparazione dei consumi nel ciclo Utilizzando un cambio a 16 marce rispetto a quello originale a 5 marce si ha un risparmio di carburante del 10 % circa per il ciclo proposto Consumo S320 CDI S220 CDI Tempo

12 ANALISI DIMENSIONALE del cambio a 16 marce Soluzioni Possibili 8 marce + 1 riduttore 8+8=16 4 marce + 1 riduttore + 1 moltiplicatore 4 x 2 x2 = 16 Struttura Adottata 4 marce + riduttore epicicloidale posteriore + moltiplicatore anteriore Maggior compattezza Il cambio così ottenuto è dimensionalmente simile a quello automatico Forcella di Comando del moltiplicatore Gruppo riduttore epicicloidale

13 SCALAMENTO OTTIMIZZATO Rapporti base: { , , , } Rapporto di riduzione: Rapporto di moltiplica: In base ai dati precedenti si ottengono le 16 marce: Riduzioni = Rapporti Base * Rapporto di Riduzione = {14.899, , , } Moltipliche = (Riduzioni + Rapporti Base)*Rapporto di moltiplica= { , , , , , , , } Rapporti Totali = Riduzioni + Rapporti Base + Moltipliche = {14.899, , , , , , , , , , , , , , , }

14 Valutazioni indicative dei pesi Valore % di peso del cambio rispetto al motore per le vetture ora in produzione (fonte Mercedes-Benz) 320CDI (cambio 5 marce automatico) Peso del motore in kg. 238 Peso del cambio in kg. 62 Percentuale di peso del cambio rispetto al motore 26,05% 220CDI (cambio 6 marce manuale) Peso del motore in kg. 181 Peso del cambio in kg. 44 Percentuale di peso del cambio rispetto al motore 24,31% La soluzione di cambio proposta è ora in uso su alcuni autoveicoli pesanti Iveco: il valore % in peso rispetto al motore è 32,7% (fonte Iveco) 220CDI selespeed Peso del motore in kg. 181 Percentuale del peso del cambio rispetto al motore 32,7% Peso del cambio in kg. 59,187 Peso del cambio proposto applicato alla motorizzazione 220CDI Peso totale: motore+cambio+frizione 320 CDI (5 marce aut.) Peso motore in kg. 238 Peso cambio in kg. 62 Peso frizione 16 Totale 320 CDI CDI selespeed Peso motore in kg. 181 Peso cambio in kg. 59,2 Peso frizione 9 Totale 220 CDI 249,2 Risparmio complessivo: 66 kg. circa

15 Valutazioni indicative dei costi (fonte Mercedes-Benz) Per ogni coppia di ruote dentate in più il costo totale del cambio aumenta del 10% (rispetto all originale). Il costo del gruppo epicicloidale è valutabile intorno al 30%. Costo cambio proposto = Costo cambio + frizione Costo cambio 220CDI (6 marce man.) % sul costo del cambio Minor numero di marce del selespeed % Ruote dentate moltiplicatore % Gruppo Epicicloidale % Totale cambio Frizione Totale Costi globali del gruppo motore-cambio-frizione (valori indicativi dei ricambi) Costo motore 320CDI Costo cambio automatico Totale costo 320CDI Costo motore 220CDI Costo cambio selespeed Totale costo 220CDI selespeed Risparmio complessivo:

16 Conclusioni E possibile simulare il comportamento di una vettura imponendo, in base alle esigenze: il tipo di ciclo il numero di marce desiderato la pendenza minima da superare l accelerazione minima soddisfacente il consumo massimo accettabile Per il tipo di applicazione considerata (autovettura ad uso pubblico) l alternativa proposta conviene poiché: abbassa il consumo diminuisce i pesi permette un risparmio d acquisto iniziale Tuttavia Maggiore complicazione meccanica. Il confort è minore rispetto ad un cambio automatico in quanto la cambiata è meno dolce. Le prestazioni si riducono pur restando entro limiti accettabili.