AFEKA PROJECT ME SD TL1-4050
(Hebrew Follows)
Submitted by:
Stanislav Devikov Final Project at the Department of Mechanical and System Engineering, AFEKA - Tel Aviv Academic College of Engineering
Advisor:
Mr. Itamar Orian, i_orian@012.net.il
Abstract:
The project is built on one of the existing methods for recuperation of vehicle’s kinetic energy which usually wasted on a break appliance as a heat. The designed system is partial solution for a problem which is an intensive consumption of the fuel in vehicles where non optimal work conditions of internal combustion engine is function of missions which it has to carry out.
The goal of the project is to design a recuperation system which uses the concept of regenerative braking for vehicles which operate in stop and go mode for example: city buses, garbage tracks, postal service vehicles and all kinds of delivery vehicles. Usually these vehicles equipped with high power combustion engines consuming lots of fuel, but because of their applications only the small part of power resources is used. As a result of installation such system on the vehicle, we expect lower fuel consumption and increased brake life of the vehicle.
According to today there are three different principles to design the system. In this project the hydro pneumatic concept was chosen as a problem solution. The system uses the concept of regenerative braking, which takes energy off the drive shaft when braking and stores the energy. The energy is then used to assist the engine during acceleration by providing torque to the drive shaft.
In general system is built of three basic components: special unit which called Hydrostat (hydraulic pump/motor), hydro pneumatic accumulators and control system. Hydrostat is attached to the vehicle’s drive train. At the braking mode it works as a pump consuming power from drive shaft, converting it in hydraulic energy which is stored in accumulators. At acceleration mode Hydrostat works as hydraulic motor taking hydraulic stored energy and converting it to rotary – mechanical energy applied on the drive shaft of the vehicle. Control system provides integration between recuperation system and dynamics of the vehicle.
There are all the necessary components on the market to build the system, but not all the vehicles are suitable for this kind of system due to heavy equipment. The next stage was to choose a vehicle for the system. As the matter of fact it was a difficult task to do because of the variety of automobile market. In order to systemize the search were defined a number of basic criterions according to the demands. After intensive search over the Internet, phone calls, meetings and email correspondence with some automobile agencies in Israel and abroad, Mercedes Sprinter was chosen. The chosen vehicle was examined and photographed.
The next stage was to calculate system’s work parameters and to choose main components of the system. It turns to be also a difficult task due to luck of cooperation from manufacturers and their representatives in Israel.
Control system was designed as part of detailed design including components and algorithm performance and at the final stage system cost analysis was done.
The project proves that such system is possible to build. There are remarkable results: fuel savings 15[L/day] (according to assumptions that were made in calculations), investment return with in a half a year and as additional bonus, extension of the life brakes of the vehicle.
In the light of such positive results we may say that there is a future for such system in the market, especially when all the necessary parts are on the market.
Because of the complicity of the subject the present project is actually the stone base for more detailed and complex work including building of the prototype and checking interactions between the system and the vehicle in the real time.
Keywords:
סטניסלב דביקוב, עבודת גמר במחלקה להנדסת מכונות ומערכות במכללת אפקה - המכללה האקדמית להנדסה בתל אביב
מנחה:
מר איתמר אוריין, i_orian@012.net.il
הפרויקט עוסק באחת השיטות הקיימות למחזור אנרגיה קינטית של רכב אשר מתבזבזת כחום בלימה. מערכת המתוכננת מהווה פתרון חלקי לבעיית צריכת דלק מוגברת ברכבים שאופן שימוש בהם מכתיב את תנאי עבודה לא אופטימאליים למנוע שריפה פנימית.
מטרת הפרויקט לתכנן מערכת למיחזור של אנרגית בלימה ברכבים העוצרים לעתים דחופות כגון אוטובוסים עירוניים, משאיות לאיסוף השפה, רכבי דואר, רכבי משלוח למיניהם. רכבים האלה מצוידים (בדרך כלל) במנועי שריפה פנימית בעלי הספקים גבוהים ועקב זה צורכים דלק רב, אך מנצלים רק חלק קטן של ההספק בגלל אופי של השימוש ברכבים אלה, ועקב זה האנרגיה מתבזבזת על חום בלימה דחופה. מערכת תשמש ככלי עזר למנוע שריפה פנימית.
על ידי מיחזור אנרגית בלימה אפשר להגדיל את נצילות הרכב כמערכת ולקבל חיסכון משמעותי בדלק. חיסכון כספי נוסף מושג כתוצאה משחיקה מואטת של מערכת בלימה.
נכון להיום קיימות שלוש שיטות למיחזור של אנרגית בלימה. כפתרון נבחר נלקחה שיטה הידרופנאומטית (הנעה הידרוסטאטית) שזה בעצם שילוב של מנוע שריפה פנימית עם מערכת הידרופנאומטית כמקור ההספק נוסף.
מערכת כזאת, באופן עקרוני,בנויה משלושה חלקים עיקריים: מיחידה מיוחדת שנקראת Hydrostat (משאבה/מנוע הידראולי), מצבר הידרו-פניאומאטי או הידרו- מכני ומערכת בקרה.
הידרוסטט מחובר למערכת הנעה של רכב בעזרת מערכת צימוד. באת הבלימה הידרוסטט עובד כמשאבה הקולטת אנרגית הבלימה וממיר אותה לאנרגיה הידראולית אשר נשמרת בתוך מצבר לשימוש חוזר בעת הצורך (האצה).
בזמן ההאצה הידרוסטט עובד כמנוע הידראולי, כלומר הוא הופך להיות מקור ההספק נוסף ברכב, אומנם לזמן קצר (בין 15-10 שניות), אך מספיק טוב בכדי להוריד ממנוע שריפה פנימית חלק מהעומס. בסופו של דבר האנרגיה האגורה בנוזל הידראולי מומרת ע''י הידרוסטט לאנרגיה סיבובית מכאנית אשר מועברת דרך מערכת הנעה לגלגלי הרכב. מערכת בקרה אחראית על שילוב שבין מערכת מיחזור ודינאמיקה של רכב.
נעשה סקר שוק של החלקים דרושים לבניית המערכת אך מכוון שמדובר על חלקים כבדים בעלי נפחים גדולים, לא כל רכב יתאים כבסיס ליישום המערכת לכן כפרק נוסף בפרויקט נעשה סקר שוק של רכבים והוצגו קריטריונים בסיסיים לבחירת רכב המתאים. קריטריונים נבחרו כך שהרכב ישקף דרישות כללויות ליישום הפרויקט. לאחר בחירתו נעשתה בחינה פיזית של הרכב כולל סקיצות וצילומים.
בוצעו חישובים להגדרת פרמטרי העבודה של המערכת ונבחרו חלקים עיקריים. התברר שזו משימה קשה ומייגעת עקב חוסר שטוף פעולה של רוב היצרנים או נציגיהם בארץ. תוכננה מערכת בקרה כולל אלגוריתם פעולתה ורכיבים. כמו כן נעשה חישוב החזר השקעה כפונקציה של כמות הדלק הנחסך.
פרויקט מוכיח שבנית מערכת כזאת אפשרית. הושג חיסכון רב בצריכת דלק כ- 15[L/day] (בכפוף להנחות שנעשו בחישובים) ,זמן החזר השקעה תוך חצי שנה (בכפוף להנחות שנעשו בחישובים) וחיסכון כספי נוסף הושג כתוצאה משחיקה מואטת של מערכת בלימה.
לאור התוצאות החיוביות של הפרויקט צפוי שיהיה ביקוש רב למערכות כאלה בשוק. מכוון שמערכת שייכת לתחום הנדסי מפותח ומוכר היטב כל הרכיבים הדרושים ליישומה נמצאים בשוק.
בשל מורכבות הנושא, בפרויקט נוכחי הוצג רק בסיס לעבודה מורכבת ופרטנית , בנית אב טיפוס ובדיקות אינטראקציה בין רכב למערכת בזמן אמת.
מילות מפתח:
רקופרציה, אנרגית בלימה, הידרוסטט, רכב היברידי.
