Confronto tra diversi retrofit ibridi a recupero di calore di scarto di un camion diesel per impieghi gravosi

This thesis investigates on the field of retrofitted vehicles, specifically analysing the case of heavy duty vehicles for long hauling freight transportation. The moti vations behind the choice of this topic are both the precise direction taken by the automotive market which increases the importance of the practice of retrofitting, and the prominent share of the road sector transport occupied by class 8 heavy duty trucks which are one of the major source of greenhouse gases emission. The retrofit approaches deemed of interest are the electrification of the vehicle into a hybrid powertrain, with the introduction of Li-Ion battery and a traction electric machine, and the use of a waste heat recovery system, in the form of an organic Rankine cy cle. These technologies are the most promising for the case of heavy duty trucks in highway applications, because of different reasons: The big amount of waste heat of the combustion engine in the highway scenario is an attractive opportunity for ef ficiency increase, while the hybrid powertrain could strongly reduce fuel consump tion avoiding most of the drawbacks of a total electric vehicle, like low energy den sity and poor charging station network. Furthermore the big space availability in a class 8 truck allows integration of both retrofits with the goal of maximizing sys tem efficiency without compromising payload. The work is carried out by using a forward-looking simulator of the truck to model two different retrofit possibili ties: a Series full hybrid powertrain unit and a Parallel full hybrid powertrain both with and without ORC unit integration. In the results, performance in terms of fuel consumptions and CO2 emissions are compared, with consideration on the payload capability.

L’argomento di questa tesi è lo studio della pratica del retrofitting nel settore dei veicoli pesanti per il trasporto di merci su lunghe distanze. Il motivo principale di questa analisi è duplice: da una parte il settore del trasporto merci su strada è da sempre una delle maggiori sorgenti di inquinanti, in particolare di gas serra, mentre da un’altra parte i mercati mostrano un sempre maggiore interesse verso il retrofitting di veicoli già omologati, pratica che consente di contenere i costi di rinno vamento della flotta aziendale, rispettando al contempo le nuove normative sempre più stringenti in termini di efficienza e limiti di emissione. L’approccio di retrofitting preso in considerazione è quello volto a una elettrifi cazione del veicolo con l’introduzione di un pacco batteria, comunemente con tec nologia a ioni di litio, e con l’aggiunta di una o più macchine elettriche che con tribuiscono alla trazione. In questo modo il veicolo ibrido così ottenuto permette un incremento delle prestazioni e sblocca nuove funzionalità, quali il recupero di en ergia cinetica durante la frenata e la trazione totalmente elettrica per brevi periodi. Tuttavia il particolare settore dei veicoli pesanti rende interessante anche lo studio di un altro intervento di retrofit, cioè il recupero del calore contenuto nei gas di scarico. Infatti, i grossi motori normalmente utilizzati nelle motrici dei rimorchi mettono a disposizione un flusso entalpico sufficiente ad alimentare un ciclo motore a valle del ciclo diesel principale. La tecnologia presa in esame in questo studio è un ciclo di Rankine con fluido di lavoro organico, che genera potenza elettrica per mezzo di un generatore connesso alla turbina. Di particolare interesse è l’integrazione delle due tecnologie nel settore dei ve icoli pesanti. Infatti, la grande massa del veicolo minimizza l’impatto sulla capacità di carico dei nuovi dispositivi, e la presenza di un sistema ibrido consente di stabiliz zare la sorgente di calore per il ciclo Rankine, massimizzando la quantità di energia recuperata. L’analisi è portata avanti su un simulatore forward-looking prendendo in esame diverse architetture ibride e diversi cicli di guida. In particolare sono state valutate le prestazioni di retrofit ibridi con architettura serie e parallelo, con e senza il sistema di recupero di calore dai gas di scarico. Le considerazioni finali, sono basate sia sulle emissioni di CO2 che sul consumo di carburante in relazione alla capacità di carico