Experimental determination of the performances during the extreme cold start-up of an air compressor for electric heavy vehicles

Volumetric compressors are used in the transport sector for the supply of compressed air at the braking system and at the auxiliaries. In recent years, the electrification of road transport sector has led to an increase in the use of heavy electric vehicles such as buses and trucks. Conventionally in diesel vehicles the compressor is driven by the internal combustion engine, while in electric vehicles the compressor is coupled with an electric motor powered by the batteries. In the fuel-powered vehicles the compressor is heated by the engine, this does not occur in the electrical configuration. Star-up in extremely cold conditions can lead some problems related to freezing phenomena and to the change in the physical and chemical properties of the oil, that can lead improper lubrification. Is important to investigate the filling times of the brake system reservoirs and the electricity consumption of the compressor in the start-up. The thesis is carried out in collaboration with the company Ing. Enea Mattei, a leading company in the production of rotary vane compressors and has the aim of evaluating the performance of the new XT65 compressor in extremely cold condition. The XT65 compressor has a series of advantages which makes it particularly suitable for heavy electric vehicles such as, low rotation speed, a compact and modular design, minimum weight and vibrations, competitive costs, high reliability and efficiency. At the Micro-Cogeneration Laboratory of the Politecnico of Milan, the tests are carried out at various temperatures 0, -10, -20, and -30°C, in the transient-state. The reaching of the steady-state is intended as the achievement of the temperature of 80°C in the compressor air/oil separator. The results are repeatable thanks to the overlap of the curves at the same temperature. The only exception occurs in the tests at -30°C where is observed a different trend of the curves after 70 min, in fact, the climatic chamber is unable to maintain this temperature along the test. The temperature clearly affects the performance of the compressor, the start-up time shows a considerable increase from 28.8 min in the tests at 0 °C up to 221.2 min at-30°C, with an increase of 668%. The power is in the first analysis constant around 2.7 kW, at start it has a peak of 3 kW at 0 °C and 3.5 kW at -30 °C. The flow rate increases when temperature go down with average values ranging from 198 nl/min at 0°C to 210 nl/min at -30°C. The same trend can be seen in the specific flow rate with measurements in a range from 74 nl/kW/min to 79 nl/kW/min respectively at 0 °C and -30 °C.

I compressori volumetrici sono utilizzati nel settore trasporti per l’alimentazione tramite aria compressa, degli ausiliari e del sistema frenante. Negli ultimi anni, l’elettrificazione del settore del trasporto su strada porta un incremento nell’utilizzo di veicoli elettrici pesanti quali bus e camion. Convenzionalmente nei veicoli a diesel il compressore viene trainato dal motore a combustione interna, mentre nei veicoli elettrici esso presenta un apposito motore elettrico alimentato dalle batterie. Nei veicoli a combustibile il compressore è riscaldato mediante il motore, pratica che non avviene nella configurazione elettrica. L’avviamento in condizioni estremante fredde può portare problemi relazionati a fenomeni di congelamento e al cambiamento delle proprietà fisico chimiche dell’olio, quindi problemi di lubrificazione. È rilevante indagare sui tempi di riempimento dei serbatoi del sistema frenante e sui consumi elettrici del compressore in questa fase. La tesi è svolta in collaborazione all’azienda Ing. Enea Mattei S.p.A., azienda leader nella produzione di compressori rotativi a palette, e si pone l’obiettivo di valutare le prestazioni del nuovo compressore XT65, in condizioni estremamente fredde. Il compressore XT65 presenta una serie di vantaggi che lo rende particolarmente adatto ai veicoli elettrici pesanti quali, bassa velocita di rotazione, un design compatto e modulare, minimo peso e vibrazioni, costi competitivi, alta affidabilità e rendimento. Presso il Laboratorio di Micro-Cogenerazione del Politecnico di Milano, le prove vengono svolte a varie temperature 0, -10, -20, e -30 °C, nelle condizioni di start-up. Il conseguimento dello stato stazionario viene inteso come il raggiungimento della temperatura di 80 °C nel separatore aria/olio del compressore. I risultati mostrano di essere ripetibili data la sovrapposizione delle curve a stessa temperatura; l’unica eccezione si presenta nelle prove a -30 °C, dove si nota un andamento differente delle curve dopo 70 min. La camera climatica infatti non è in grado di mantenere questa temperatura per tutta la durata della prova. La temperatura influisce nettamente sulle prestazioni del compressore, il tempo di start-up presenta un aumento considerevole passando da 28.8 min nei test a 0°C fino ad 221.2 min ad -30°C, con un incremento del 668%. La potenza risulta in prima analisi costante intorno a 2.7 kW, all’accensione presenta un picco di 3 kW a 0°C e di 3.5 kW a -30°C. La portata mostra un incremento alla diminuzione della temperatura con valori medi che vanno da 198 nl/min a 0°C a 210 nl/min a -30°C. Lo stesso andamento si nota nella portata specifica con misure in un range da 74 nl//kW/min a 79 nl//kW/min rispettivamente a 0°C e -30°C.