Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Dipartimento di Sistemi Elettrici e

Sistemi Elettrici di Autoveicoli
Sistemi di avviamento
del motore a combustione interna
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Perché uno starter distinto dall’alternatore
coppia di avviamento: circa 80 Nm/litro coppia di spunto: circa 250 Nm / litro =>
Per un 2000 cc: 160Nm, 500Nm
Un alternatore che dovesse fare da starter dovrebbe avere coppie molto elevate, ottenibili con:
1. elevati rapporti di trasmissione (es. 1/10)
2. rapporti più ridotti (al limite unitari) ma macchine di coppia e potenza molto più abbondanti
delle attuali
La soluzione 1 è quella adottata oggi per lo starter, ma un utilizzo anche come generatore
comporterebbe a regime velocità elevatissime (50-60krpm) con conseguenti costi, rumore,
perdite
La soluzione 2 può risultare fattibile se la potenza di generazione è di alcuni kW; fino a 6 kW è
ancora utilizzabile la presa di potenza a cinghia; oltre risulta conveniente l’accoppiamento
diretto con l’albero motore => ISA o ISG (Honda Civic IMA, ora Hybrid)
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Tipi di motori normalmente adottati (1)
Eccitazione a MP e derivata:
Eccitazione serie:
C = kΦI

U = E + RI = kΦΩ + RI
C = kΦI = k k Φ I I = k1 I 2

U = E + RI = kΦΩ + RI = (k1Ω + R ) I
U − kΦΩ
C = kΦ
R
k1U 2
C=
( k1 Ω + R ) 2
Ecc-serie
Note:
• La macchina viene dimensionata per
avviarsi senza “reostato di avviamento”
• Con eccitazione MP e derivata la macchina
lineare ha una coppia linearmente
decrescente
• L’eccitazione compound ha una quota di
eccitazione derivata e una di eccitazione
serie e bilancia i due comportamenti
Ecc.deriv
20,00
10,00
0,00
0
100
200
300
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Tipi di motori normalmente adottati (2)
Se si considera il motore
• l’avvolgimento derivato è
alimentato da una batteria reale,
composto da molte spire di
si ha all’avviamento una caduta
piccola sezione, quello serie da
di tensione che nel caso
poche di grande sezione
di eccitazione derivata provoca un
• L’eccitazione shunt è poco usata
deflussaggio che riduce la coppia rispetto
(preferita la PM)
al caso di macchina MP
• Nel caso di eccitazione compound
in una prima fase quando la
macchina deve ingranare è
necessaria una coppia piccola
l’avvolgimento derivato spesso
viene messo in serie in modo da
limitare fortemente corrente e
coppia; dopo l’ingranamento si ha
la vera eccitazione compound.
Coppia
U − kΦΩ
C = kΦ
R
Velocità
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Il problema della temperatura
Tengono conto di batteria
e motore elettrico
Tiene conto di:
- batteria
- motore elettrico
- resistenze ICE
Tengono conto di ICE
a) Cranking speed
b) Minimum required initial engine speed
(drop due to decreased cranking resistance)
Ms: Starting torque Mm: torque required
Starting torque is referred to 20%
discharged 55 Ah battery
The intersections determine cranking speed
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Il problema della temperatura
Il grafico a DX consente di determinare la curva a a SX
(da confrontare con la b per verificare l’avviamento)
a) Cranking speed
b) Minimum required initial engine speed
(drop due to decreased cranking resistance)
Ms: Starting torque Mm: torque required
Starting torque is referred to 20%
discharged 55 Ah battery
The intersections determine cranking speed
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Valutazione delle prestazioni di batteria-avviatore
(autovettura leggera)
Le caratteristiche consentono di
seguire il meccanismo
dell’avviamento:
• All’inizio si ha il punto destro delle
caratteristiche, a velocità e
potenza nulla e coppia massima.
La tensione è particolarmente
bassa.
• Man mano che la velocità
aumenta la coppia diminuisce: la
potenza contempera entrambi i
fenomeni in modo che prima
aumenta (prevale l’aumento di
velocità) poi diminuisce (prevale
la riduzione della coppia
• Oltre 2-3000 rpm il motore deve
essere disconnesso per evitare
danneggiamenti
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Valutazione delle prestazioni di batteria-avviatore
(motocicletta)
Batteria considerata: 12 V, 7Ah
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Ingranamento a inerzia
Funzionamento:
Un piccolo pignone con scanalatura interna, si impegna in analoga scanalatura presente sull’albero
dello starter.
Quando esso viene alimentato, il rotore inizia a ruotare ma il pignone, per la sua inerzia rotazionale e la
scanalatura elicoidale, oltre che iniziare a ruotare, trasla assialmente e si impegna sulla dentatura sul
volano del MCI vincendo anche la reazione di una molla di contrasto.
Quando il MCI si avvia, esso tende ad accelerare, la coppia fra pignone e corona dentata si inverte e
l’azione di tale coppia, unita a quella della molla di contrasto, disimpegna il pignone dalla dentatura del
volano e lo riporta in posizione di riposo.
Questo sistema, molto semplice, è stato utilizzato a lungo.
Svantaggi:
• l’ingranamento è particolarmente violento, e tende a consumare gli ingranaggi del pignone e della
dentatura del volano
• in taluni casi poteva capitare che il pignone si disimpegnasse ai primi scoppi del motore, quando il
motore non è ancora in grado di autosostentarsi.
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Ingranamento a solenoide
macchina a magneti permanenti (1)
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Ingranamento a solenoide
macchina a magneti permanenti (1)
tasto
avviamento
veicolo
avvolgim.
di spinta
avvolgim.
di tenut a
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Ingranamento a solenoide
macchina a magneti permanenti (3)
L’alimentazione dei due avvolgimenti causa la nascita di una forza assiale sul pistone
parzialmente posto al suo interno che, attraverso la leva di ingranamento lo spinge e lo forza ad
ingranare nell’anello dentato del volano. Contemporaneamente il motore elettrico, attraversato da
una corrente ridotta rispetto a quella di spunto a piena tensione, ruota a velocità ridotta, in tal
modo facilitando l’ingranamento.
Al termine dell’ingranamento il pignone chiude un interruttore di fine-corsa che bypassa
l’avvolgimento di spinta; così facendo tale avvolgimento ovviamente cessa di esercitare una
spinta sul pignone, il quale rimane in posizione per la forza esercitata dall’avvolgimento di
tenuta, che contrasta la forza resistente dovuta ad una molla di contrasto.
Contemporaneamente si attiva l’alimentazione del motore elettrico alla piena tensione. Il motore
può quindi iniziare a porre in rotazione il MCI a piena coppia.
Quando il MCI si è avviato, e la chiave di avviamento viene rilasciata, la molla di contrasto
agisce sul pignone che si sgancia dalla ruota del volano e ritorna nella posizione di riposo.
Nel caso di eccitazione compound invece che l’avvolgimento di spinta è spesso messa in serie la
parte derivata dell’avvolgimento di eccitazione
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Ruota libera (overrunning clutch)
La conchiglia è solidale all’albero dello starter,
l’interno porta il pignone
Quando la conchiglia trascina il pignone le piste
aiutano le molle a serrare i rulli nelle piste e il
sistema è solidale
Quando il motore si avvia la coppia si inverte, i
rulli tornano indietro sulle piste e ci può essere
strisciamento fra rulli e piste, e scorrimento fra
pignone e conchiglia
T
∆Ω
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Meccanismo dell’avviamento
Coppia al motorino DC
Se il motore di avviamento porta a 200 giri si
evitano gas incombusti (soluzione con ISA)
1 coppia generata dal MCI nell’ipotesi di
combustione regolare (riportata al motorino
d’avviamento, ρ=10)
2 coppia teorica del motore elettrico
3 coppia motrice teorica totale (somma delle
curve 1 e 2)
In A (80-100 giri/min) inizia una combustione
irregolare del motore;
in B, (150-180 giri/min) la combustione si
regolarizza ed il contributo del motore
Giri riportati al MCI
A partire da questo punto il motore di avviamento può essere disinserito (C).
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Avviamento con controllo digitale
La disponibilità di centraline di controllo
elettronico a basso costo rende oggi conveniente
sottoporre a controllo digitale anche
l’avviamento.
In tal modo il pilota semplicemente invia un bit
alla centralina (accanto lo schema, con la
numerazione reale dei terminali)
La centralina effettua vari controlli:
• il pilota è autorizzato all’avviamento (verifica
anti intrusione)?
• il MCI è fermo?
• la coppia SOC/temperatura della batteria sono
compatibili con l’avviamento?
• sono premuti i pedali previsti? (spesso freno o
frizione)
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