Riduzione consumi veicolo pesante – Cacciari

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 1999-2000
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 ?
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.
IL CICLO DI PROVA
Assegnazione di
velocità e pendenza
per valori temporali
discreti.
Velocità
30
25
Gli altri valori
sono ottenuti per
interpolazione
lineare.
20
15
10
5
200
400
Ciclo CEE
600
Tempo
800
Ciclo Urbano 0 → 195 sec.
Ciclo ExtraUrbano 195 → 595 sec.
Ciclo montano 595 → 900 sec.
Pendenza
0.3
L’accelerazione è
data come
rapporto
incrementale della
velocità.
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
400
500
600
700
800
900
Tempo
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
CHASSIS
VEICOLO
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
P=2400 [Kg]
• 200 CDI
Fr = ρCxSV2 + P(r+i)
Curva di Coppia MOTORI Originali
500
470
470
315
315
[Nm]
400
300
300
200
205
329
239
320 CDI
220 CDI
100
0
1000
1800
2600
4200
[rpm]
Curva del
consumo
specifico
interpolata
S320CDI
gr/Kwh
% carico
rpm
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
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
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): 551.899 gr. → 493.065 gr
Marce
30
25
20
15
10
5
2000
4000
6000
8000
Tempo
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
S320 CDI
Consumo
500
S220 CDI
400
300
200
100
2000
4000
6000
8000
Tempo
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
SCALAMENTO OTTIMIZZATO
•
•
•
Rapporti base: {7.80751, 7.10694, 6.1799, 5.10504}
Rapporto di riduzione: 1.90829
Rapporto di moltiplica: 0.329671
In base ai dati precedenti si ottengono le 16 marce:
• Riduzioni = Rapporti Base * Rapporto di Riduzione =
{14.899, 13.5621, 11.793, 9.74188}
• Moltipliche =
(Riduzioni + Rapporti Base)*Rapporto di moltiplica=
{4.91176, 4.47102, 3.88781, 3.21161,
2.57391, 2.34295, 2.03733, 1.68298}
• Rapporti Totali =
Riduzioni + Rapporti Base + Moltipliche =
{14.899, 13.5621, 11.793, 9.74188, 7.80751, 7.10694, 6.1799,
5.10504, 4.91176, 4.47102, 3.88781, 3.21161, 2.57391,
2.34295, 2.03733, 1.68298}
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.
Peso del cambio in kg.
Percentuale di peso del cambio rispetto al motore
238
62
26,05%
220CDI (cambio 6 marce manuale)
Peso del motore in kg.
Peso del cambio in kg.
Percentuale di peso del cambio rispetto al motore
181
44
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.
Percentuale del peso del cambio rispetto al motore
Peso del cambio in kg.
181
32,7%
59,187
Peso totale:
motore+cambio+frizione
Peso del cambio proposto
applicato alla
motorizzazione 220CDI
320 CDI (5 marce aut.)
Peso motore in kg.
Peso cambio in kg.
Peso frizione
Totale 320 CDI
220 CDI selespeed
Peso motore in kg.
Peso cambio in kg.
Peso frizione
Totale 220 CDI
238
62
16
316
181
59,2
9
249,2
Risparmio complessivo: 66 kg. circa
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.)
Minor numero di marce del selespeed
Ruote dentate moltiplicatore
Gruppo Epicicloidale
Totale cambio
Frizione
Totale
4.000.000
- 800.000
400.000
1.200.000
4.800.000
1.000.000
5.800.000
% sul costo del cambio
-20%
10%
30%
Costi globali del gruppo motore-cambio-frizione
(valori indicativi dei ricambi)
Costo motore 320CDI
Costo cambio automatico
Totale costo 320CDI
23.180.000
8.600.000
31.780.000
Costo motore 220CDI
Costo cambio selespeed
Totale costo 220CDI selespeed
16.500.000
5.800.000
22.300.000
Risparmio complessivo: £. 9.480.000
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.