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Articoli - Archivio

03/07/2014
KERS VOLVO, SINERGIE IBRIDE

Efficienza e prestazioni con il recupero di energia

 

La trazione ibrida non è soltanto elettrica: questa proposta di Volvo usa infatti un volano che gira ad altissima velocità e immagazzina l’energia delle frenate per restituirla quando serve

Nicodemo Angì

La parola KERS non è sconosciuta a chi si interessa di motori, dato che è salita agli onori della cronaca tramite la Formula 1: il Kinetic Energy Recovery System è stato infatti introdotto qualche anno fa nella massima formula.

 

Lo scopo dei sistemi KERS è il medesimo dei sistemi ibridi elettrici: immagazzinare energia, durante i rallentamenti e le frenate, per restituirla quando occorre mediante strategie mirate ad aumentare le prestazioni e/o a ottimizzare i consumi.

L’effetto della riduzione dei consumi è ottenuto tramite “l’aiuto” che il sistema di immagazzinamento/restituzione dell’energia eroga nei momenti giusti, ossia nelle fasi nelle quali il rendimento del motore termico è basso: carichi parziali, accelerazioni, stop-and-go e simili.

In effetti i motori a scoppio hanno rendimenti non molto alti e piuttosto variabili a seconda delle condizioni nelle quali lavorano: a bassi regimi, con la farfalla poco aperta, si evidenziano perdite importanti nel flusso dell’aria in aspirazione e il rendimento decade anche in prossimità del regime massimo.

 

Per aumentare il rendimento medio sono stati introdotti vari “correttivi”, come la sovralimentazione – che permette di ridurre la cilindrata a parità di prestazioni - e la regolazione dinamica della fasatura delle valvole. I motori Multiair Fiat, regolando oltre alla fasatura anche l’alzata delle valvole di aspirazione, riescono perfino a fare a meno della valvola a farfalla.

Un contributo più sostanziale può essere poi dato dall’affiancamento con un’altra unità motrice con caratteristiche di erogazione complementari rispetto a quelle dei motori a combustione interna e, soprattutto, dotata di reversibilità.

Quest’ultima dote è molto gradita, dato che i motori a scoppio ne sono assolutamente privi: anche trascinandoli in rotazione con una forza esterna essi non sono infatti in grado di “riunire” calore, gas di scarico e lavoro meccanico per ottenere di nuovo la benzina o il gasolio.

Reversibili, capaci cioè di generare e immagazzinare energia quando fatti ruotare passivamente, sono invece le macchine elettriche e – per l’appunto – i volani.

Ogni motore a scoppio ha un volano che immagazzina energia cinetica durante le fasi attive del ciclo per restituirla quando il motore (nelle fasi di aspirazione e compressione) assorbe energia invece di generarla: in questo senso si può dire che il volano è essenziale nel funzionamento dei motori, regolarizzandone (e, anzi, permettendo) il funzionamento al minimo e ai bassi regimi.

 

 

Con le corse nel sangue

 

Il KERS che Volvo sta sperimentando è basato su un volano ma si tratta di un parente lontano di quelli che sono correntemente usati nei motori: è infatti molto più leggero, compatto e, soprattutto, capace di ruotare a regimi vertiginosi.

La vettura usata nelle sperimentazioni, una S60 T5, è dotata di un KERS nell’assale posteriore, fornito di convenzionali semiassi e differenziale che sono collegati al cuore del sistema: un volano in acciaio e fibra di carbonio che può ruotare fino a 60.000 giri/min!

Il perché di questa rotazione vorticosa è presto detto: dato che nella formula che dà l’energia immagazzinata da un volano in rotazione (E =   Iw2) compare il momento d’inerzia I e il quadrato della velocità angolare di rotazione w, aumentando quest’ultima l’energia immagazzinata cresce esponenzialmente.

Il volano del KERS Volvo - che pesa circa 6 kg, ha un diametro di 20 cm e gira sottovuoto per ridurre le perdite di attrito – ha il mozzo in acciaio e la parte esterna in fibra di carbonio, uno dei pochi materiali capaci di sostenere la tremenda forza centrifuga generata da rotazioni così estreme.

Gli studi per il KERS stradale Volvo di nuova generazione sono iniziati già quattro anni fa in partnership con Flybrid Systems, una azienda inglese superspecializzata basata a Silverstone (uno dei luoghi-leggenda del motorismo sportivo) e che fa parte del gruppo Torotrak.

Flybrid ha anche creato sistemi per le competizioni: il gruppo sviluppato per la 24 ore di Le Mans riesce a trasferire 100 kW di energia pur pesando meno di 40 kg mentre l’unità per la F1, meno prestante perché i regolamenti limitano la potenza a 60 kW, pesa soltanto 25 kg e ha un volume contenuto in 13 litri.

Il KERS Volvo può erogare fino a 80 CV per brevi periodi e, se usato nell’ottica di ottimizzare i rendimenti, può consentire risparmi fino al 25% nel consumo rispetto a un motore dalle prestazioni comparabili, immagazzinando sotto forma di energia cinetica rotazionale l’energia meccanica di frenate e rallentamenti (altrimenti dissipata sotto forma di calore) per restituirla quando serve.

 

 

Lavoro di squadra


Volendo usare questo surplus di energia per aumentare le prestazioni, la casa dichiara che l’accelerazione da 0 a 100 km/h scende a 5,5 secondi; il sistema dà il massimo del rendimento nella marcia in città e nella guida dinamica, situazioni caratterizzate da frequenti rallentamenti e accelerazioni.

Il collegamento fra il differenziale e il volano avviene con vari treni di ingranaggi, una frizione a dischi multipli (la coppia che essa può trasmettere permette di partire da fermo sfruttando solo l’energia del volano) e un cambio CVT – Continuously Variable Transmission – a rapporto variabile.

La presenza di questi componenti è necessaria perché occorre adeguare le poche migliaia (o centinaia) di giri/min delle ruote ai 60.000 giri del volano: non basta quindi prevedere degli ingranaggi che moltiplichino il regime ma occorre una frizione e una trasmissione a rapporto variabile, CVT appunto.

Poche cifre chiariranno il concetto: una delle coperture compatibili con la S60 – la 215/50 su cerchio da 17 – ha una circonferenza di rotolamento di 1,97 metri, cosa che equivale a 846 giri/minuto a 100 km/h. È quindi evidente che volendo “caricare” il volano a quella velocità occorrerà molta gradualità.

L’intero gruppo pesa circa 60 kg, molto meno di un sistema batterie-motore elettrico di prestazioni paragonabili, e ha un rendimento complessivo superiore al 90%.

Altri vantaggi sono una percorrenza prevista di 250.000 Km (dati Flybrid) senza apprezzabile degrado delle prestazioni, l’ingombro paragonabile al solo motore elettrico di un ibrido convenzionale e la totale riciclabilità: il materiale più “sofisticato” usato nel sistema è infatti la fibra di carbonio.

Derek Crabb, vice presidente Powertrain Engineering di Volvo Car Group, parlando del KERS Volvo ha spiegato che “l’energia immagazzinata nel volano è sufficiente per muovere l’auto per brevi periodi e questo ha un grande effetto nel consumo. Le nostre simulazioni indicano che sarà possibile spegnere il motore per circa la metà del tempo guidando in accordo con il ciclo di omologazione NEDC“.

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