Cos'è' il K.E.R.S.
domenica 31 marzo 2013, 22:57
Con l'acronimo K.E.R.S. si intende il complesso di sistemi di recupero dell'energia (Energy Recovery System).
Tale voce è frequentemente utilizzata in ambiente F1 dove, per il momento, si distinguono due importanti tipologie di sistemi di recupero dell'energia a bordo delle vetture: il sistema K.E.R.S. (kinetic Energy Recovery System) a bordo delle vetture di F1 dalla stagione 2009, il quale comprende un motore/dinamo, un accumulatore di carica ed un sistema di controllo. Il motore elettrico (o meglio la macchina elettrica), come vedremo più avanti, funge da generatore nelle fasi di frenata/rilascio andando a caricare un accumulatore di carica, per poi diventare un motore con effetto booster, quando richiesto dal pilota, utilizzando l'energia precedentemente recuperata ed accumulata. Il sistema E.E.R.S. (Exhaust Energy Recovery System) disponibile a partire dalla stagione di F1 del 2014, sfrutta la logica del turbo compound, ove la turbina è collegata meccanicamente all'albero motore per migliorare l'efficienza del propulsore, evolvendola. Questo sistema, che vedremo nel dettaglio più avanti, è abbinabile ai motori sovralimentati mediante turbocompressore e sfrutta una seconda turbina (posta in serie con quella principale) per alimentare un generatore che aziona un motore elettrico offrendo un costante surplus di potenza
Il K.E.R.S., o meglio, il Kinetic Energy Recovery System è un dispositivo che può essere aggiunto ad un propulsore al fine di recuperare energia cinetica in frenata, accumularla e renderla fruibile sotto forma di energia elettrica, quando richiesto dal pilota, per alimentare un motore elettrico durante un periodo di tempo limitato ed in particolari condizioni. Si tratta quindi di un sistema ibrido "in parallelo" che permette di ottenere un "effetto booster" con un surplus di 80 cavalli circa per un tempo limitato dalla Federazione Internazionale dell'Automobilismo a circa 6,7 secondi. La sua massa complessiva a bordo è pari a circa 30 kg, tale massa però non è considerata penalizzante a bordo di un veicolo di Formula 1 in quanto ogni vettura della massima categoria in realtà è sottopeso rispetto al regolamento e zavorrata con masse aggiuntive. Se di svantaggi dobbiamo parlare è opportuno citare che la massa costituita dal sistema K.E.R.S. non può essere variata di posizione lungo il telaio al contrario di una comune massa aggiuntiva che può essere collocata nel punto dove meglio bilancia la vettura. Gli elementi che costituiscono il K.E.R.S sono: un motore elettrico/dinamo (solitamente un motore elettrico in corrente continua, ma sarebbe più corretto dire una "macchina elettrica" ovvero un dispositivo ove la potenza in ingresso è di tipo elettrico e quella in uscita di tipo meccanico in configurazione di "motore elettrico" e, viceversa in configurazione di "dinamo"); un accumulatore di carica (batterie al litio, ultracapacitori o supercondensatori, accumulatori di energia cinetica a volano "Flywheel"); un sistema di controllo (ovvero un dispositivo che riesce a far funzionare la "macchina elettrica" come macchina motrice o come macchina operatrice, in soldoni come motore elettrico o come dinamo). Il K.E.R.S. è vantaggioso in tutte quelle situazioni in cui la trazione motrice richiesta è inferiore all'aderenza disponibile alle ruote motrici e quindi durante lunghi rettilinei, durante i sorpassi, durante violente accelerazioni con velocità iniziale diversa da zero e superiore a quel range di velocità in cui l'intervento del controllo di trazione renderebbe "sprecato" l'utlizzo dell'effetto booster. E' altresì svantaggioso, se non inutile, quando la trazione motrice richiesta supera l'aderenza disponibile alle ruote motrici e quindi durante le forti accelerazioni con marce basse, partenza, pista bagnata, percorrenza delle curve...
Si tratta di un sistema di sovralimentazione ove la turbina è collegata meccanicamente all’albero motore al quale fornisce un surplus di coppia (con conseguente incremento di potenza prodotta dal motore) grazie alla notevole energia dei gas esausti. Aumenta di conseguenza l’efficienza del motore. Simulazioni eseguite al computer da parte dei ricercatori della “Cranfield University”, con il supporto di “Cosworth”, hanno messo in evidenza come sia possibile aumentare la potenza fornita dal motore senza incrementare i consumi di carburante. A 8.500 giri al minuto, con un consumo di carburante pari a 25 grammi al secondo, il motore simulato ha sviluppato una potenza di 435,5 kW di cui ben 31,5 kW apportati dal turbo compound. Un incremento del 7,3% di potenza ottenuto senza aumentare i consumi. Questo si traduce in un miglioramento dell’efficienza termica del motore dal 36,95% al 39%
Il sistema K.E.R.S. sarà obbligatorio a partire dalla stagione di formula 1 del 2014 e verrà installato sui nuovi motori 1.600 c.c. V6 sovralimentati mediante turbocompressore (vedi l’articolo: “2014: Odissea nella formula1″ - articolo in preparazione). Si tratta di un sistema capace di integrare la tecnologia su cui si basa l’attuale K.E.R.S. con la tecnologia “turbo-compound” impiegata sui mezzi pesanti per aumentarne l’efficienza. Nel primo sistema l’energia recuperata in frenata viene accumulata in un accumulatore di carica (batterie al litio, ultracapacitori o supercondensatori, accumulatori di energia cinetica a volano, es. “Williams Hybrid Power”) in grado di alimentare un motore elettrico solo per brevi istanti. Nel secondo sistema la turbina è collegata meccanicamente all’albero motore al quale fornisce un surplus di coppia (con conseguente incremento di potenza prodotta dal motore) grazie alla notevole energia dei gas esausti. Aumenta di conseguenza l’efficienza del motore. Il sistema K.E.R.S., invece, prevede che la turbina accoppiata al compressore alimenti una seconda turbina collegata ad un generatore elettrico. Quest’ultimo alimenta il motore elettrico degli attuali sistemi K.E.R.S.. Non vi è quindi alcun collegamento meccanico tra la turbina e l’albero motore. Il generatore viene impiegato per convertire l’energia recuperata dalla turbina in elettricità. La necessità di adottare il sistema E.E.R.S. nasce dal fatto che l’energia proveniente dai gas di scarico è molto più sfruttabile rispetto a quella recuperabile durante le frenate. Il sistema kinetic o, più volgarmente, il motore elettrico, fornirà 120 kW alle ruote posteriori. Un interessante problema che si pone è quello della scelta del tipo di turbina. Una tradizionale turbina radiale vanta costi contenuti ed una grande diffusione per questa scala di applicazioni, tuttavia necessita di un elevato salto di pressione dei gas esausti per funzionare correttamente. Ciò genera indesiderate contropressioni sul motore. Al contrario le turbine assiali, raramente utilizzate per questo tipo di applicazioni, per lavorare correttamente contano soprattutto sulla velocità del fluido e necessitano pertanto di una differenza di pressione più bassa. Ne conseguono ovviamente minori contropressioni sul motore ed un investimento più significativo in termini di ricerca e sviluppo. Simulazioni eseguite al computer da parte dei ricercatori della “Cranfield University”, con il supporto di “Cosworth”, hanno messo in evidenza come sia possibile aumentare la potenza fornita dal motore senza incrementare i consumi di carburante. Una soluzione che ben si addice al regolamento del 2014 della F1 che pone un tetto ai consumi. A 8.500 giri al minuto, con un consumo di carburante pari a 25 grammi al secondo, il motore simulato ha sviluppato una potenza di 435,5 kW di cui ben 31,5 kW apportati dal turbo compound. Un incremento del 7,3% di potenza ottenuto senza aumentare i consumi. Questo si traduce in un miglioramento dell’efficienza termica del motore dal 36,95% al 39%. Senza ombra di dubbio le stagioni di formula uno a partire dal 2014 permetteranno di ottenere risultati ancora più interessanti grazie all’enorme mole di ricerca, sviluppo e test che verranno condotti. (questa nuova era sara' una cosa molto interessante per noi ragazzi)
Sì aprirà un’era molto interessante tanto per la formula uno (quanto per le vetture stradali le quali erediteranno nuove importanti tecnologie. Soluzioni perfettamente in linea con le future norme anti-inquinamento e con il piacere di guida degli automobilisti più esigenti)... 
Tale voce è frequentemente utilizzata in ambiente F1 dove, per il momento, si distinguono due importanti tipologie di sistemi di recupero dell'energia a bordo delle vetture: il sistema K.E.R.S. (kinetic Energy Recovery System) a bordo delle vetture di F1 dalla stagione 2009, il quale comprende un motore/dinamo, un accumulatore di carica ed un sistema di controllo. Il motore elettrico (o meglio la macchina elettrica), come vedremo più avanti, funge da generatore nelle fasi di frenata/rilascio andando a caricare un accumulatore di carica, per poi diventare un motore con effetto booster, quando richiesto dal pilota, utilizzando l'energia precedentemente recuperata ed accumulata. Il sistema E.E.R.S. (Exhaust Energy Recovery System) disponibile a partire dalla stagione di F1 del 2014, sfrutta la logica del turbo compound, ove la turbina è collegata meccanicamente all'albero motore per migliorare l'efficienza del propulsore, evolvendola. Questo sistema, che vedremo nel dettaglio più avanti, è abbinabile ai motori sovralimentati mediante turbocompressore e sfrutta una seconda turbina (posta in serie con quella principale) per alimentare un generatore che aziona un motore elettrico offrendo un costante surplus di potenza
Il K.E.R.S., o meglio, il Kinetic Energy Recovery System è un dispositivo che può essere aggiunto ad un propulsore al fine di recuperare energia cinetica in frenata, accumularla e renderla fruibile sotto forma di energia elettrica, quando richiesto dal pilota, per alimentare un motore elettrico durante un periodo di tempo limitato ed in particolari condizioni. Si tratta quindi di un sistema ibrido "in parallelo" che permette di ottenere un "effetto booster" con un surplus di 80 cavalli circa per un tempo limitato dalla Federazione Internazionale dell'Automobilismo a circa 6,7 secondi. La sua massa complessiva a bordo è pari a circa 30 kg, tale massa però non è considerata penalizzante a bordo di un veicolo di Formula 1 in quanto ogni vettura della massima categoria in realtà è sottopeso rispetto al regolamento e zavorrata con masse aggiuntive. Se di svantaggi dobbiamo parlare è opportuno citare che la massa costituita dal sistema K.E.R.S. non può essere variata di posizione lungo il telaio al contrario di una comune massa aggiuntiva che può essere collocata nel punto dove meglio bilancia la vettura. Gli elementi che costituiscono il K.E.R.S sono: un motore elettrico/dinamo (solitamente un motore elettrico in corrente continua, ma sarebbe più corretto dire una "macchina elettrica" ovvero un dispositivo ove la potenza in ingresso è di tipo elettrico e quella in uscita di tipo meccanico in configurazione di "motore elettrico" e, viceversa in configurazione di "dinamo"); un accumulatore di carica (batterie al litio, ultracapacitori o supercondensatori, accumulatori di energia cinetica a volano "Flywheel"); un sistema di controllo (ovvero un dispositivo che riesce a far funzionare la "macchina elettrica" come macchina motrice o come macchina operatrice, in soldoni come motore elettrico o come dinamo). Il K.E.R.S. è vantaggioso in tutte quelle situazioni in cui la trazione motrice richiesta è inferiore all'aderenza disponibile alle ruote motrici e quindi durante lunghi rettilinei, durante i sorpassi, durante violente accelerazioni con velocità iniziale diversa da zero e superiore a quel range di velocità in cui l'intervento del controllo di trazione renderebbe "sprecato" l'utlizzo dell'effetto booster. E' altresì svantaggioso, se non inutile, quando la trazione motrice richiesta supera l'aderenza disponibile alle ruote motrici e quindi durante le forti accelerazioni con marce basse, partenza, pista bagnata, percorrenza delle curve...
Si tratta di un sistema di sovralimentazione ove la turbina è collegata meccanicamente all’albero motore al quale fornisce un surplus di coppia (con conseguente incremento di potenza prodotta dal motore) grazie alla notevole energia dei gas esausti. Aumenta di conseguenza l’efficienza del motore. Simulazioni eseguite al computer da parte dei ricercatori della “Cranfield University”, con il supporto di “Cosworth”, hanno messo in evidenza come sia possibile aumentare la potenza fornita dal motore senza incrementare i consumi di carburante. A 8.500 giri al minuto, con un consumo di carburante pari a 25 grammi al secondo, il motore simulato ha sviluppato una potenza di 435,5 kW di cui ben 31,5 kW apportati dal turbo compound. Un incremento del 7,3% di potenza ottenuto senza aumentare i consumi. Questo si traduce in un miglioramento dell’efficienza termica del motore dal 36,95% al 39%
Il sistema K.E.R.S. sarà obbligatorio a partire dalla stagione di formula 1 del 2014 e verrà installato sui nuovi motori 1.600 c.c. V6 sovralimentati mediante turbocompressore (vedi l’articolo: “2014: Odissea nella formula1″ - articolo in preparazione). Si tratta di un sistema capace di integrare la tecnologia su cui si basa l’attuale K.E.R.S. con la tecnologia “turbo-compound” impiegata sui mezzi pesanti per aumentarne l’efficienza. Nel primo sistema l’energia recuperata in frenata viene accumulata in un accumulatore di carica (batterie al litio, ultracapacitori o supercondensatori, accumulatori di energia cinetica a volano, es. “Williams Hybrid Power”) in grado di alimentare un motore elettrico solo per brevi istanti. Nel secondo sistema la turbina è collegata meccanicamente all’albero motore al quale fornisce un surplus di coppia (con conseguente incremento di potenza prodotta dal motore) grazie alla notevole energia dei gas esausti. Aumenta di conseguenza l’efficienza del motore. Il sistema K.E.R.S., invece, prevede che la turbina accoppiata al compressore alimenti una seconda turbina collegata ad un generatore elettrico. Quest’ultimo alimenta il motore elettrico degli attuali sistemi K.E.R.S.. Non vi è quindi alcun collegamento meccanico tra la turbina e l’albero motore. Il generatore viene impiegato per convertire l’energia recuperata dalla turbina in elettricità. La necessità di adottare il sistema E.E.R.S. nasce dal fatto che l’energia proveniente dai gas di scarico è molto più sfruttabile rispetto a quella recuperabile durante le frenate. Il sistema kinetic o, più volgarmente, il motore elettrico, fornirà 120 kW alle ruote posteriori. Un interessante problema che si pone è quello della scelta del tipo di turbina. Una tradizionale turbina radiale vanta costi contenuti ed una grande diffusione per questa scala di applicazioni, tuttavia necessita di un elevato salto di pressione dei gas esausti per funzionare correttamente. Ciò genera indesiderate contropressioni sul motore. Al contrario le turbine assiali, raramente utilizzate per questo tipo di applicazioni, per lavorare correttamente contano soprattutto sulla velocità del fluido e necessitano pertanto di una differenza di pressione più bassa. Ne conseguono ovviamente minori contropressioni sul motore ed un investimento più significativo in termini di ricerca e sviluppo. Simulazioni eseguite al computer da parte dei ricercatori della “Cranfield University”, con il supporto di “Cosworth”, hanno messo in evidenza come sia possibile aumentare la potenza fornita dal motore senza incrementare i consumi di carburante. Una soluzione che ben si addice al regolamento del 2014 della F1 che pone un tetto ai consumi. A 8.500 giri al minuto, con un consumo di carburante pari a 25 grammi al secondo, il motore simulato ha sviluppato una potenza di 435,5 kW di cui ben 31,5 kW apportati dal turbo compound. Un incremento del 7,3% di potenza ottenuto senza aumentare i consumi. Questo si traduce in un miglioramento dell’efficienza termica del motore dal 36,95% al 39%. Senza ombra di dubbio le stagioni di formula uno a partire dal 2014 permetteranno di ottenere risultati ancora più interessanti grazie all’enorme mole di ricerca, sviluppo e test che verranno condotti. (questa nuova era sara' una cosa molto interessante per noi ragazzi)
Sì aprirà un’era molto interessante tanto per la formula uno (quanto per le vetture stradali le quali erediteranno nuove importanti tecnologie. Soluzioni perfettamente in linea con le future norme anti-inquinamento e con il piacere di guida degli automobilisti più esigenti)...
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