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La motorisation hybride François Roby – UPPA - octobre 2004
La motorizzazione ibridao la vettura a recupero d’energia
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Ibrido o bastardo?
Motore termicoMotore elettrico
(+ batteria!)
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C’è energia ed energia
● Una unità: il joule (J)● ≈ caduta di 1kg su 10 cm : unità piccola!● unità pratica: il watt-ora (Wh)
1Wh = 3600 J 1kWh = 3 600 000 J = 3,6 MJ
● energia « ordinata » o non
potenziale, cinetica, elettrica...
calore
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Energie ordinate
cinetica: Ec = mv2/2
1 tonnellata, 68 km/h : 50 Wh
potenziale: Ep = mgh
1 tonnellata, 18 m : 50 Wh
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L’elettricità pure...
-
-
+
+
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reversibilitàdelle macchine elettriche
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bisogni in energia?
● accelerazione (aumento di Ec)
0 a 68 km/h, 1 tonnellata: 50 Wh
● salita (aumento di Ep)
+18 m, 1 tonnellata: 50 Wh
● Resistenza all’aria, agli attritiDipende molto dalla velocità
Solo aria, vettura costante, 68 km/h, 50 Wh : 1 km
130 km/h, 50 Wh : 274 m
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bisogni negativi?● decelerazione (diminuzione di E
c)
68 a 0 km/h, 1 tonnellata : -50 Wh
● discesa (diminuzione di Ep)
-18 m, 1 tonnellata : -50 Wh
● attriti...Non recuperabili!
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Recupero d’energia
Ec
Ep}
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Motore termico
1 litre carburante ≈ 10 kWh
10 litri / 100 km (10 km/l): 1 km per kWh o 50 m per 50 Wh (5 litri / 100 km (20 Km/l): 100 m per 50 Wh)
rendimento ≈ 1/3 : 3 Wh termici
1 Wh lavoro meccanico
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Di male in peggio
Motore Mercedes benzina 1,8 l compresso
regime
coppia
potenza
0,33
0,27
0,16
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Cambio tradizionale● frizione / convertitore idraulico● Numero fisso di rapporti (eccetto CVT)
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Diagramma di funzionamento
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Ricapitolando
Utilizzare la zona di rendimento massimo
+
Potenza moderata Scelta libera di regime
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Ingredienti:
● Un motore termico non troppo potente● Un motore/generatore elettrico ● Una batteria per immagazzinare● Un cambio a variazione continua
e… far funzionare l’insieme!
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Tipologia degli ibridi
seriale Parallelo
batteria
centralinaGeneratore
Motore/Gen. elettrico
Motore/Gen. elettrico
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Ibrido al quadrato
Seriale-parallela
Motore/Gen. elettrico
batteria
CentralinaTreno epicicloidale
Motore/Gen. elettrico
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Soluzioni odierne
● Ibridazione «leggera» :– Si parte da una architettura esistente– Motore elettrico e batteria « discreti »
● Ibridazione «pesante» :– Si parte da zero– Parte elettrica «non disinseribile»
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Ibridazione leggera
Honda Insight (1999)3 cilindri, benzina, 1000 cm3
50 kW (67ch) + 10 kWbatteria NiMH 144 V 6,5 Ah (936 Wh)m < 900 kg, consumi: ≈ 3,5 l / 100km
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Impianto tecnico
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Ibridazione pesante
Toyota Prius (modèle 1997, Japon)4 cilindri, benzina (ciclo Miller), 1500 cm3
43 kW (58 ch) + 30 kWbatteria NiMH 288 V 6,5 Ah (1,87 kWh)m ≈ 1240 kg, consumi: ≈ 5 l / 100km ?
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Ciclo Atkinson
Ciclo Otto :● rapporto di espansione non ottimizzato
● perdite di pompaggio all’immissione
Soluzione proposta da James Atkinson (1882)
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Ciclo Miller
Problemi del ciclo Atkinson :●Attriti supplementari
●Complessità meccanica
Soluzione proposta da Ralph Miller (USA) negli anni 1940
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Come funziona?
● Nessun cambio
● Nessuna frizione o convertitore idraulico
● Non uno, ma due motori elettrici
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Principio del« Power Split Device »
Treno epicicloidale
Motore generatore
MG2
MG1
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Impianto meccanico
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Il cuore della trasmissione
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Tutto passa di là
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Treno epicicloidale
● Già presente nel cambio automatico tradizionale
● Matematicamente paragonabile ad un differenziale
● Non è una «vera» trasmissione a variazione continua!
● Necessita di due motori elettrici di cui uno grande (con tanta coppia)
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Trasmissione continua?
● Definizione di un rapporto di trasmissione?– Rapporto di velocità d’entrata / d’uscita– Rapporto di coppia d’uscita / d’entrata
Principio di leva
● problema:– Tre alberi, dove sono le entrate e le uscite?– Rapporto di coppia costante
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Forza e coppia
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Cliccadromo interattivo
Approfittiamo del lavoro dei altri...
040911.swf
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Trasmissione ad una velocità a presa costante
Una invenzione di Shadok?
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Riscaldamento o ricarica all’arresto
guida «normale»
Modalità elettrico
Modalità «eretico»
Retromarcia (sempre elettrico)
Le diverse modalità della trasmissione
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In pratica
● Per il guidatore medio :– Pedale destro: accelerare– Pedale sinistro: frenare
● Per i curiosi :– Fonte di esperienze e misurazioni
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Misurazioni
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Qualche risultato
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Trasmissione elettro-meccanica
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E la batteria?
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Difficile da scaricare
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... ma facile a ricaricare!
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Quanta energia recuperata ?
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● dislivello : h = 700 m
● massa (vettura + benzina + conducente +...) : m = 1400 kg
● g = 9,81 m.s-2
● Ep = mgh = 9,6 MJ = 2,7 kWh
● Ebatteria
= 0,7 kWh
Calcoli a tavolino
Ebatteria
/ Ep = 0,26
ovvero 4 km gratuiti per 8 km di discesa
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Diagramma di funzionamento
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Bilancio consumi
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Bilancio inquinamento: benzina
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Bilancio inquinamento: diesel
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Paragone ingannevole
● benzina : 34,7 MJ = 9,63 kWh per litro
● diesel : 38,7 MJ = 10,74 kWh per litro (+12%)
en énergie,5 litres d'essence = 4,5 litres de diesel
● Rendimenti diversi (sebbene...)
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Il taxi ideale?
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certains le pensent
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Effetti secondari
● Modalità elettrica se la velocità < 50 km/h :
Viva i 50 in città.
● Frenata rigenerativa se (molto) moderata:
Invito alla anticipazione
● Manovre in modalità elettrica:
Un vero piacere
Nessuna scusa per parcheggiare male
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La motorisation hybride François Roby – UPPA - octobre 2004
Fuel Cell Marathon(mai – juin 2004)
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Dimostrazione per l’assurdo
GM HydroGen3 (www.gmeurope.com/marathon/)
Pila a combustibile non ibrida
«Ogni 150 chilometri al massimo dovevamo fermarci per rifornirci, che ci forniva un’autocisterna: circa 75 litri di idrogeno liquido, pesando meno di cinque chili, raffreddato a -
253°C, è un pieno.»«Usiamo esattamente 1 chilo di idrogeno per 100 chilometri sfruttando le discese (l’auto non ha freno motore).»
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Confronto di energie
50 l/100 km d’idrogeno liquido (-253°C)
33 kWh / kg ; 50 l = 3,5 kg cioè 117 kWh
Prius : 4,3 l/100 benzina cioè ≈ 42 kWh
... Senza contare il resto !
(energia di liquefazione dell'idrogeno)
energia di liquefazione dell'idrogeno
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E l’idrogeno rinnovabile?
+ =
● 1 kW / m2 > 200 W / m2 mediamente● cellule: r = 20 % (!?) > 40 W / m2
● 1000 m2, 24 h > 960 kWh > 100 litri di carburante tipo senza piombo 95
● Distributore tipico: 10 000 litri / giorni...
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Futuro?
● Generalizzare l’architettura ibrida● Diesel ibridi, inizialmente sui veicoli commerciali● Apparizione degli ibridi ricaricabili● Pila a combustibile «ammazzati nell’uovo» da
nuove batterie?● Obbiettivo a 5 anni: vettura Diesel, ibrida, 3
l/100 km, pulita dal particolato e NOx
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Evoluzione corta ma istruttiva
La più anziana delle ibride: Toyota Prius
modelli successivi:
1997 (NHW10), 2000 (NHW11), 2003 (NHW20)
NHW10 NHW11 NHW20Pot. Mot. Termico(kW) 42 52 57
Pot. Mot. Elettrico(kW) 30 33 50
Capacità batteria (kWh) 1,9 1,8 1,3
Massa batteria (kg) 76 52 45
0 a 100 km/h (s) 14,5 13,4 10,9
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Non dimentichiamo l’essenziale…
L'automobile è indispensabile?
Difficile farne a meno ma:
● L’uso abusivo nelle piccole distanze in citta (bicicletta, rollers, bus... E a piedi!)
● L’uso abusivo sulle lunghe distanze (treno molto più efficace energeticamente)
● Non credete che la tecnica risolvi tutti I problemi (effetti perversi sempre presenti!)
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Grazie !