ITMI20102041A1

ITMI20102041A1 - Dispositivo di recupero di energia per recuperare energia in un veicolo

Info

Publication number: ITMI20102041A1
Application number: IT002041A
Authority: IT
Inventors: Giancarlo Zanetti
Original assignee: Zanettistudios S R L
Priority date: 2010-11-03
Filing date: 2010-11-03
Publication date: 2012-05-04
Also published as: EP2450246A1

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo di recupero di energia per recuperare energia in un veicolo. In maggiore dettaglio, la presente invenzione fornisce un dispositivo per recuperare una porzione di energia cinetica associata ad una massa mobile equipaggiata su di un veicolo in movimento, quando quest’ultimo intraprende una fase di frenatura.

Attualmente, uno dei principali obiettivi nell’ambito del disegno di veicoli è una riduzione dei consumi. In particolare, è auspicabile una riduzione di consumi a parità di prestazioni del veicolo, una condizione molto vantaggiosa sia in termini di costo di esercizio sia in termini di inquinamento ambientale. Per ottenere tale riduzione dei consumi il disegno di veicoli è focalizzato su un’ottimizzazione di una conversione di energia in lavoro utile per il veicolo. Tuttavia, le leggi della termodinamica impongono un limite all’efficienza con cui un motore (sia a combustione interna, sia di altro genere, ad esempio, elettrico) è in grado di convertire energia in lavoro utile.

In aggiunta, considerando un percorso di un veicolo caratterizzato da un moto a velocità non uniforme impone un consumo non ottimale dell’energia disponibile, infatti, tale percorso comprenderà una pluralità di fasi di accelerazione (per partire da una condizione statica del veicolo o per aumentare la velocità del veicolo) e fasi di frenatura (per diminuire la velocità del veicolo o per arrestarne il movimento). Ad esempio, nel caso di un autoveicolo, durante una fase di frenatura un’energia cinetica del veicolo in movimento - direttamente proporzionale alla massa e quadraticamente alla velocità del veicolo - è completamente o parzialmente (secondo che la fase di frenatura sia porti ad un rallentamento o ad un arresto del veicolo, rispettivamente) dispersa, bloccando le ruote, in una forza di attrito sprigionantesi tra le ruote ed una superficie stradale. Inoltre, una forza motrice necessaria a mettere in moto l’autoveicolo da una condizione statica è maggiore rispetto alla forza motrice necessaria a mantenere una condizione di moto già instaurata, necessitando quindi di un consumo di energia maggiore per passare da una condizione statica ad una condizione di moto.

In termini generali, la soluzione in accordo con una o più forme di realizzazione della presente invenzione si basa sull’idea recuperare una porzione dell’energia cinetica associata ad una massa mobile equipaggiata a bordo di un veicolo per un funzionamento del veicolo stesso.

In particolare, uno o più aspetti di una soluzione in accordo con specifiche forme di realizzazione dell’invenzione sono indicati nelle rivendicazioni indipendenti, con caratteristiche vantaggiose della stessa soluzione che sono indicate nelle rivendicazioni dipendenti (il cui testo è incorporato nella presente alla lettera per riferimento).

Più specificamente, un aspetto di una soluzione in accordo con una forma di realizzazione dell’invenzione fornisce un dispositivo di recupero di energia per recuperare energia in un veicolo. Il dispositivo di recupero di energia comprende una massa mobile, mezzi di guida per guidare la massa mobile lungo una direzione di movimento avente almeno una componente verticale quando il veicolo è in uso. La massa mobile durante una fase di frenatura del veicolo è guidata verso l’alto lungo la direzione di movimento con ciò convertendo una porzione di un’energia cinetica della massa mobile in un’energia potenziale della massa mobile. Dopo la fase di frenatura del veicolo la massa mobile è guidata verso il basso lungo la direzione di movimento con ciò convertendo una porzione dell’energia potenziale della massa mobile in un’ulteriore energia cinetica della massa mobile. Il dispositivo di recupero di energia comprende inoltre mezzi di recupero per recuperare una porzione dell’ulteriore energia cinetica della massa mobile per un funzionamento del veicolo.

Un altro aspetto di una soluzione in accordo con una forma di realizzazione dell’invenzione fornisce un corrispondente metodo (con le stesse caratteristiche vantaggiose recitate nelle rivendicazioni dipendenti per il dispositivo di memoria che si applicano mutatis mutandis al metodo).

Una soluzione in accordo con una o più forme di realizzazione dell'invenzione, come pure ulteriori caratteristiche ed i relativi vantaggi, sarà meglio compresa con riferimento alla seguente descrizione dettagliata, data puramente a titolo indicativo e non limitativo, da leggersi congiuntamente alle figure allegate (in cui elementi corrispondenti sono indicati con riferimenti uguali o simili e la loro spiegazione non è ripetuta per brevità). A tale riguardo, è espressamente inteso che le figure non sono necessariamente in scala (con alcuni particolari che possono essere esagerati e/o semplificati) e che, a meno di indicazione contraria, esse sono semplicemente utilizzate per illustrare concettualmente le strutture e le procedure descritte. In particolare:

la FIG.l è una vista laterale schematizzata di un veicolo in movimento equipaggiato con una forma di realizzazione in accordo con la presente invenzione;

la FIG.2 è una vista laterale schematizzata del veicolo di FIG. 1 durante una fase di frenatura;

la FIG.3 è una vista laterale schematizzata del veicolo di FIG.l in una fase di ripartenza.

Facendo riferimento alla FIG.l, essa illustra una vista laterale schematizzata di un veicolo 100 in movimento, equipaggiato con una forma di realizzazione in accordo con la presente invenzione.

In particolare, il veicolo 100 illustrato è un autoveicolo e comprende un motore 110, il quale può appartenere sia ad una tipologia sia a combustione interna sia di altra tipologia ad esempio, elettrica, un sistema di trasmissione 115, per trasferire un movimento meccanico generato dal motore 110 ad una o più ruote 120 (generalmente, a due o a quattro) in modo che il loro rotolamento su una superficie 122 (ad esempio, una strada) imponga movimento al veicolo 100. Il veicolo 100 comprende inoltre un impianto frenante 125, per consentire l’arresto dello stesso da parte di un guidatore.

II veicolo 100 comprende ulteriormente un dispositivo di recupero di energia in accordo con una forma di realizzazione della presente invenzione. In maggiore dettaglio, il motore 110 è impegnato con opportuni mezzi di guida (non mostrati in figura) ed è formato in modo da essere in grado di compiere un movimento lungo una direzione a avente almeno una componente verticale y senza interrompere il proprio funzionamento. Ad esempio, la direzione a, può avere un angolo di inclinazione di 45° rispetto alla componente verticale y, in modo che un’estremità superiore delle guide sia diretta verso la parte anteriore del veicolo 100.

In questo modo il motore è libero di muoversi lungo la direzione a ed il dispositivo di recupero di energia è in grado di sfruttare la sua massa elevata come massa mobile per operare una conversione di energia come sarà descritto in maggiore dettaglio nel seguito.

Durante un percorso, il veicolo 100 si muove ad una velocità v che può variare secondo condizioni ambientali (ad esempio, condizioni stradali e di viabilità). Questa velocità v è inoltre associata ad ogni componente del veicolo 100, nonché ad ogni oggetto o persona trasportato a bordo del veicolo 100. Di conseguenza, il veicolo 100, ogni sua componente, ogni oggetto e/o persona trasportata possiede un’energia cinetica proporzionale ad una propria massa m e quadraticamente proporzionale alla velocità v stessa. In particolare, anche il motore 110 ha un’energia cinetica proporzionale ad una propria massa m e quadraticamente proporzionale alla velocità del veicolo 100.

Passando ora alla FIG.2 in essa è illustrata una vista laterale schematizzata del veicolo 100 di FIG.l durante una fase di frenatura. In maggiore dettaglio, quando un guidatore aziona l’impianto frenante 125 il rotolamento delle ruote 120 viene bloccato, provocando una forza di attrito tra una superficie 122 su cui poggiano le ruote 120 e le ruote 120 stesse. Tale forza di attrito riduce o annulla la velocità del veicolo 100 (secondo che il veicolo 100 sia rallentato o fermato) e, di conseguenza, riduce o annulla l’energia cinetica associata allo stesso.

Nella forma di realizzazione in accordo con la presente invenzione, durante la fase di frenatura il motore non è vincolato rigidamente al resto del veicolo 100 come accade nell’arte nota. Pertanto, i mezzi di guida guidano il motore 110 verso l’alto lungo la direzione a, da una posizione di riposo avente componente verticale yO ad una prima posizione di lavoro con componente verticale yl, raggiunta la quale la velocità v del motore 110 precedente alla fase di frenatura si annulla. In questo modo, una porzione dell’energia cinetica del motore è convertita in un’energia potenziale - direttamente proporzionale alla massa del motore 110 ed alla differenza tra la componente verticale yl e la componente verticale yO -, anziché andare dispersa come accade nella tecnica attuale.

In maggiore dettaglio, in accordo con i principi della termodinamica una porzione dell’energia verrà ineluttabilmente dispersa come entropia durante il processo di conversione, solitamente in forma di calore non utilizzabile, ad esempio generato da forze di attrito generate durante il movimento verso l’alto e verso il basso del motore 110 lungo le guide.

Inoltre, il dispositivo di recupero di energia comprende mezzi di bloccaggio (non mostrati in figura), ad esempio una disposizione a cremagliera, adatti ad arrestare il motore 110 nella prima posizione di lavoro yl, preferibilmente non appena la velocità v del motore 110 si annulla. In questo modo, i mezzi di bloccaggio consentono di conservare l’energia potenziale del motore 110, per un qualsiasi periodo di tempo.

Passando ora alla FIG.3, la quale illustra una vista laterale schematizzata del veicolo 100 di FIG.l in una fase di ripartenza.

In una forma di realizzazione in accordo con la presente invenzione, quando il guidatore intraprende una fase di ripartenza (ad esempio, premendo un pedale acceleratore, non mostrato in figura) i mezzi di bloccaggio liberano il motore 110 il quale è guidato verso il basso dai mezzi guida, per effetto della forza di gravità, fino a tornare alla condizione di riposo convertendo la sua energia potenziale in un’ulteriore energia cinetica. Vantaggiosamente, mezzi di recupero di energia (non mostrati in figura), ad esempio un assemblaggio di ingranaggi interconnesso al sistema di trasmissione 115, convertono il movimento lungo la direzione a - e quindi una porzione l’ulteriore energia cinetica del motore 110 - in forza motrice che viene trasferita al sistema di trasmissione 115 e di conseguenza alle ruote 120, imprimendo un rotolamento in grado di fare ripartire il veicolo 100, senza che il funzionamento noto del motore 110 fornisca forza motrice, o assistendo il funzionamento del motore 110 durante la fase di ripartenza riducendone un consumo, secondo la quantità dell’ulteriore energia cinetica convertita in forza motrice dai mezzi di recupero.

Considerando il caso in cui un percorso del veicolo 100 sia caratterizzato da una successione di fasi di frenatura e ripartenza ravvicinate nel tempo (ad esempio, nel caso di un percorso attraverso un’area congestionata da traffico) il funzionamento del dispositivo di recupero di energia sarà il seguente. Durante una prima fase di frenatura il motore 110 viene guidato verso l’alto lungo la direzione a dalla condizione di riposo (con componente verticale yO) ad una prima posizione di lavoro (con componente verticale yl) e bloccato dai mezzi di bloccaggio. Ad una prima fase di ripartenza, il motore 110 viene guidato verso il basso ed i mezzi di conversione convertono il movimento del motore 110 in forza motrice trasmessa alle ruote 120 come precedentemente descritto, ma prima di raggiungere la posizione di riposo, ad una prima posizione intermedia - con una componente verticale yl’ -, è intrapresa una seconda fase di frenatura. Di conseguenza, il motore 110 è guidato nuovamente verso l’alto dai mezzi guida dalla prima posizione intermedia ad una seconda posizione di lavoro - con una componente verticale y2 -, in cui è nuovamente bloccata per conservare una seconda energia potenziale, proporzionale alla differenza tra la seconda componente verticale y2 e la componente verticale yO. Ad una seconda fase di ripartenza, il motore 110 viene guidato nuovamente verso il basso ed i mezzi di conversione convertono il movimento del motore 110 in forza motrice trasmessa alle ruote 120 come precedentemente descritto, ma prima di raggiungere la condizione di riposo è intrapresa una terza fase di frenatura. Di conseguenza, il motore 110 è guidato nuovamente verso l’alto dai mezzi guida da una seconda posizione intermedia - con un componente verticale y2’ - (raggiunta durante la seconda fase di ripartenza) ad una terza posizione di lavoro - con una componente verticale y3 -, in cui è nuovamente bloccato per conservare una terza energia potenziale, proporzionale alla differenza tra la terza componente verticale y3 e la componente verticale yO. Il dispositivo di recupero di energia continuerà ad operare nella maniera sopra descritta fino a quando si avrà una fase di ripartenza di durata sufficiente perché i mezzi di guida guidino il motore 110 verso il basso fino alla condizione di riposo (annullando l’energia potenziale conservata), o finché i mezzi di guida non guideranno il motore 1 10 ad una posizione terminale (con una componente verticale yt), corrispondente ad un’estremità superiore dei mezzi guida stessi. In tale posizione il dispositivo di recupero di energia conserva un massimo valore di energia potenziale.

E importante osservare che i mezzi di bloccaggio mantengono bloccato il motore 110 in una posizione di lavoro anche quando il veicolo 100 è mantenuto in una condizione stazionaria per un periodo prolungato (ad esempio, quando il veicolo 100 è parcheggiato). Pertanto, l’energia potenziale del motore 110 sarà conservata inalterata fino alla successiva fase di partenza, qualsiasi periodo di tempo sia intercorso tra la fase di frenatura e la fase di ripartenza successiva.

Il dispositivo di recupero di energia permette di recuperare una porzione di dell’energia cinetica del motore 110 che andrebbe dispersa durante una fase di frenatura e, vantaggiosamente, permette di riutilizzare una porzione di tale energia (a meno di inevitabili perdite termodinamiche) durante la successiva fase di ripartenza, ovvero quando è necessaria una forza motrice maggiore al caso di moto del veicolo già avviato (come precedentemente descritto), pertanto fornendo una riduzione dei consumi.

In un’ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione (non illustrata nelle figure) i mezzi di conversione sono adatti a convertire energia cinetica associata al movimento del motore del veicolo in un’energia elettrica utilizzata per ricaricare una batteria del veicolo, piuttosto che in forza motrice. In particolare, in tale forma di realizzazione i mezzi di recupero adatti a convertire in energia elettrica una porzione dell’energia cinetica del movimento verso l’alto del motore durante la fase di frenatura, convertire in un’ulteriore energia elettrica una porzione dell’ulteriore energia cinetica del movimento verso il basso del motore durante la fase di ripartenza o entrambe l’energia e l’ulteriore energia cinetica dei movimenti verso l’alto e verso il basso. Tali energia elettrica ed ulteriore energia elettrica possono essere immagazzinate in una o più batterie e quindi utilizzate per il funzionamento del veicolo stesso

In un’ancora ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione i mezzi di conversione sono adatti a convertire una prima porzione dell’ulteriore energia cinetica del motore del veicolo in forza motrice per il movimento del veicolo ed una seconda porzione dell’ulteriore energia cinetica o una porzione dell’energia cinetica del motore in energia elettrica da immagazzinare nell’una o più batterie del veicolo.

In altre forme di realizzazione (non illustrate nelle figure) è utilizzato un differente elemento del veicolo come elemento mobile per recuperare energia. In maggiore dettaglio, l’elemento mobile è impegnato a opportune guide in modo da essere guidato verso l’alto durante una fase di frenatura del veicolo e verso il basso durante una fase di ripartenza del veicolo lungo una direzione avente una componente verticale quando il veicolo è in uso, come precedentemente descritto in relazione al motore. L’elemento mobile ha una massa tale da immagazzinare un’energia potenziale sufficiente a coadiuvare almeno parzialmente la fase di ripartenza del veicolo, e può comprendere una componente del veicolo (ad esempio, il telaio) oppure un elemento appositamente equipaggiato a bordo per tale scopo (ad esempio, una zavorra). In questo caso, sarà un’energia cinetica dell’elemento mobile ad essere convertita in forza motrice o energia elettrica dai mezzi di conversione.

Naturalmente, al fine di soddisfare esigenze contingenti e specifiche, un tecnico del ramo potrà apportare alla soluzione sopra descritta numerose modifiche e varianti logiche e/o fisiche. Più specificamente, sebbene tale soluzione sia stata descritta con un certo livello di dettaglio con riferimento ad una o più sue forme di realizzazione, è chiaro che varie omissioni, sostituzioni e cambiamenti nella forma e nei dettagli così come altre forme di realizzazione sono possibili. In particolare, diverse forme di realizzazione dell’invenzione possono essere messe in pratica anche senza gli specifici dettagli (come gli esempi numerici) esposti nella precedente descrizione per fornire una loro più completa comprensione; al contrario, caratteristiche ben note possono essere state omesse o semplificate al fine di non oscurare la descrizione con particolari non necessari. Inoltre, è espressamente inteso che specifici elementi e/o passi di metodo descritti in relazione ad ogni forma di realizzazione della soluzione esposta possono essere incorporati in qualsiasi altra forma di realizzazione come una normale scelta di disegno.

Ad esempio considerazioni analoghe si applicano se il dispositivo di recupero di energia ha una diversa struttura o include componenti equivalenti (sia separati tra loro sia combinati insieme, in tutto o in parte). Inoltre, la porzione dell’ulteriore energia cinetica recuperata può essere utilizzata per un funzionamento di strumentazioni ancillari equipaggiate sul veicolo.

Nulla vieta di utilizzare altri elementi del veicolo diversi dal motore o di disporre un elemento mobile dedicato da utilizzare come massa mobile per il recupero di energia.

I mezzi di bloccaggio possono essere adatti a bloccare e/o sbloccare una massa in accordo con comando da parte di un’unità di controllo del veicolo.

Nulla vieta di utilizzare il dispositivo di recupero di energia per convertire l’ulteriore energia cinetica della massa mobile in una forma diversa da una forza motrice, come ad esempio in calore per riscaldare un abitacolo del veicolo.

L’energia elettrica e l’ulteriore energia elettrica ottenute dalla conversione dell’ulteriore energia cinetica e dell’energia cinetica possono essere utilizzate direttamente anziché essere immagazzinate in batterie.

Nulla vieta di implementare il dispositivo di recupero di energia su un veicolo diverso da un autoveicolo, ad esempio una moto o un mezzo cingolato.

La soluzione proposta si presta ad essere implementa con un metodo equivalente (usando passi simili, rimovendo alcuni passi non essenziali, o aggiungendo ulteriori passi opzionali); inoltre, i passi possono essere eseguiti in ordine diverso, in parallelo o sovrapposti (almeno in parte).

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Un dispositivo di recupero di energia per recuperare energia in un veicolo (100), il dispositivo di recupero di energia comprendendo una massa mobile (110), mezzi di guida per guidare la massa mobile lungo una direzione di movimento (a) avente almeno una componente verticale (y) quando il veicolo è in uso, la massa mobile durante una fase di frenatura del veicolo essendo guidata verso l’alto lungo la direzione di movimento con ciò convertendo una porzione di un’energia cinetica della massa mobile in un’energia potenziale della massa mobile, e la massa mobile dopo la fase di frenatura del veicolo essendo guidata verso il basso lungo la direzione di movimento con ciò convertendo una porzione dell’energia potenziale della massa mobile in un’ulteriore energia cinetica della massa mobile, e mezzi di recupero per recuperare una porzione dell’ulteriore energia cinetica della massa mobile per un funzionamento del veicolo.
2. Il dispositivo di recupero di energia in accordo con la rivendicazione 1, in cui la massa mobile è un motore (110) del veicolo.
3. Il dispositivo di recupero di energia in accordo con la rivendicazione 1 o 2, ulteriormente comprendendo mezzi di bloccaggio per bloccare la massa mobile in una posizione sollevata al termine della fase di frenatura, e per sbloccare la massa mobile all’inizio di una successiva fase di ripartenza del veicolo.
4. Il dispositivo di recupero di energia in accordo con la rivendicazione 3, in cui i mezzi di recupero sono adatti a convertire una porzione dell’ulteriore energia cinetica della massa mobile in una forza motrice del veicolo per facilitare la ripartenza del veicolo.
5. Il dispositivo di recupero di energia in accordo con una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i mezzi di recupero sono adatti a convertire una porzione dell’ulteriore energia cinetica della massa mobile in un’energia elettrica per ricaricare una batteria del veicolo.
6. Il dispositivo di recupero di energia in accordo con una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5, in cui i mezzi di recupero sono adatti a convertire una porzione dell’energia cinetica della massa mobile in un’ulteriore energia elettrica per ricaricare la batteria del veicolo, quando la massa mobile è guidata verso l’alto lungo la direzione di movimento durante una fase di frenatura del veicolo.
7. Un veicolo (100) comprendente il dispositivo di recupero di energia in accordo con una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
8. Il veicolo in accordo con la rivendicazione 7, in cui detto veicolo è un autoveicolo (100).
9. Un metodo di recupero energia per recuperare energia in un veicolo, il metodo comprendendo i passi di: guidare una massa mobile (110) durante una fase di frenatura del veicolo verso l’alto lungo una direzione di movimento (a) avente almeno una componente verticale (y) quando il veicolo è in uso con ciò convertendo una porzione di un’energia cinetica della massa mobile in un’energia potenziale della massa mobile, guidare la massa mobile dopo la fase di frenatura del veicolo verso il basso lungo la direzione di movimento con ciò convertendo porzione dell’energia potenziale della massa mobile in un’ulteriore energia cinetica della massa mobile, e recuperare una porzione dell’ulteriore energia cinetica della massa mobile per un funzionamento del veicolo.
10. Il metodo di recupero energia in accordo con la rivendicazione 9, ulteriormente comprendente i passi di: bloccare la massa mobile in una posizione sollevata al termine della fase di frenatura, sbloccare la massa mobile all’inizio di una successiva fase di ripartenza del veicolo, e convertire una porzione dell’ulteriore energia cinetica della massa mobile in una forza motrice del veicolo per facilitare la ripartenza del veicolo.