OP3Trucks: Prototyping, Protection and Potential Transfer of Optimized Aerodynamic Enhancement Devices for Heavy On-Highway Vehicles (PDC2021-121288-I00)
Duration
12/2021 - 11/2023
Summary
El presente proyecto de Prueba de Concepto posee como objetivo el desarrollo de acciones encaminadas a aumentar el valor y el potencial de transferencia de sistemas óptimos reductores del arrastre implementados en la base de vehículos pesados, y diseñados en el proyecto anterior DPI2017-89746-R mediante un enfoque mixto de metodologías de estabilidad, sensibilidad y optimización topológica, e interacción fluido-estructura. Los resultados planteados para la prueba son:
- (a) R1 – sistema pasivo de cavidad trasera optimizada,
- (b) R2 – sistema de forzado óptimo por soplado trasero, de consumo energético nulo,
- (c) R3 – sistema pasivo trasero de paneles flexibles.
Las estimaciones realizadas en ensayos en túnel de viento sugieren reducciones del arrastre de hasta 15% para modelos simplificados y geometrías de camión a escala 1:5 que implementan los sistemas óptimos. Estas reducciones se mantienen incluso para condiciones de flujo cruzado o transitorias, algo que no ocurre cuando se usan sistemas convencionales como cavidades rectas rígidas. La presente prueba de concepto plantea en primer lugar ensayos en túnel de viento a escala industrial para validar los resultados en un entorno relevante; y posteriormente, el diseño y desarrollo de prototipos operacionales a escala real implementados en camiones, para su prueba en ensayos en circuito y carretera con medidas de combustible y presión en la base; asegurando así un avance en el nivel de madurez tecnológica TRL4 a TRL7. La validación de los resultados del proyecto DPI2017-89746-R podría traducirse en ahorros de combustible cercanos al 10%, y por tanto de miles de euros anuales por camión y en reducciones considerables de emisiones de CO2. Lo anterior contribuiría sustancialmente al objetivo medioambiental de mitigación del cambio climático, y se alinea con el Pilar II de Retos globales y Competitividad industrial europea del Programa Horizonte Europa, en su Área de intervención Transporte y movilidad limpios, seguros y accesibles. Como segundo objetivo, se contempla la solicitud de patentes de invención o modelo de utilidad de sistemas de control R2 y R3, incluyendo su protección vía el Tratado de Cooperación en materia de Patentes (PCT), y extensión de la protección de la solución técnica que inspira el sistema R1, como diseño industrial comunitario de la solución final. En tercer lugar, se plantea el desarrollo de un modelo de transferencia ajustado a la explotación de sistemas reductores del arrastre de vehículos pesados, con la posible firma de acuerdos formales de licitación y explotación, o cooperación tecnológica con las empresas interesadas en la propuesta del sector de transporte pesado y fabricantes de carrocerías de camiones; así como de acciones formativas, diseñadas en colaboración con la Oficina de Transferencia de Resultados de Investigación de la Universidad de Jaén, para desarrollar las competencias en transferencia tecnológica y emprendimiento para el equipo proponente.
Goals
Los objetivos de este proyecto de prueba de concepto, que serán divididos en objetivos específicos, pretenden avanzar en el desarrollo de los resultados fundamentales anteriores, desde un estado de validación en laboratorio, hasta la prueba de prototipos en ambiente operacional, e incluso evaluando en colaboración con posibles empresas interesadas, aspectos claves de fabricación, costes y ciclo de vida, y opciones de explotación. Los objetivos generales y específicos de los mismos son los siguientes.
O1 – Diseño, fabricación y prueba de prototipos piloto y operacionales a escala real.
- Caracterización controlada del coeficiente de arrastre en un entorno relevante, generados por los sistemas de forzado por soplado de base (R2) y sistema de lamas flexibles (R3), mediante ensayos en túnel de viento industrial con geometría realista de camión a escala.
- Caracterización y medida de la dinámica vibratoria de caja de camión y estimación del recurso energético disponible, y posibles opciones de recuperación.
- Diseño detallado del sistema de control pasivo curvo y fabricación del sistema de paneles flexibles, y adaptación a camión de 3500 kg
- Diseño detallado del sistema de inyección y reaprovechamiento de los gases de escape y ventilación pasiva, de consumo energético externo nulo, para adaptación a camión de 3500 kg.
- Diseño detallado del sistema de control pasivo y fabricación del sistema de paneles flexibles, y adaptación a camión de 3500 kg
- Prueba en circuito cerrado y carretera de camión con medidas de consumo de combustible y balance energético para los prototipos a escala real.
O2 – Obtención de protección de la innovación y los desarrollos del proyecto
- Protección de sistemas mediante solicitud de patente de invención.
O3 – Definición y desarrollo de acciones de valorización de los resultados
- Análisis de la viabilidad técnico-económica de los resultados en el mercado.
- Elaboración de modelo de negocio de transferencia para la valorización de los resultados.
- Implicación de usuarios finales y búsqueda de financiación adicional para desarrollos futuros.
- Diseño del plan de formación del equipo y acciones formativas.
Tasks
Para la consecución de los distintos objetivos se plantea la siguiente metodología disgregada por objetivos específicos y tareas asociadas, cuyo diseño está basado en la duración del proyecto y miembros del equipo investigador.
Objetivo 1 Diseño, fabricación y prueba de prototipos a escala real:
Tarea1-a: Diseño y fabricación, a escala 1:5 de dimensiones de un camión de 3500kg (ya construido en madera), para su prueba en túnel de viento industrial.
Tarea1-b: Diseño e implementación del sistema de soplado para la prueba del R2 en la base de la geometría del camión a escala.
Tarea1-c: Realización de ensayos experimentales en túnel de viento de escala industrial, con condiciones realistas de flujo y geometría de camión a escala 1:5, para evaluar mejoras del coeficiente de arrastre en condiciones de flujo alineado y cruzado en un entorno relevante, generados por los sistemas de forzado por soplado de base (R2) y sistema de lamas flexibles (R3) fabricados al efecto.
Tarea2-a: De cara a obtener una fuente aprovechable de energía residual del vehículo real para poder implementar el sistema activo de forzado de consumo energético nulo, se realizará una caracterización y medida de la dinámica vibratoria de caja de camión y estimación del recurso energético disponible mediante técnicas de dinámica inversa, y recuperación mediante el diseño de mecanismos de desplazamiento lineal y captadores piezoeléctricos.
Tarea2-b: Una vez caracterizada la energía de vibración disponible, y para aprovechar ésta, se planteará un sistema de recuperación con mecanismo piñón-cremallera y transductores de piezoeléctricos cerámicos cerámicos (PZT) y poliméricos de alta flexibilidad (PVDF).
Tarea3-a: Diseño de detalle del sistema pasivo de paneles curvos y fabricación para instalar en caja de camión de 3500kg. Para ello se fabricarán dichos paneles en fibra de poliéster reforzado, que permite su fácil moldeado.
Tarea3-b: Diseño detallado del sistema de inyección y reaprovechamiento de los gases de escape y de captación por ventilación pasiva de flujo lateral, para adaptación a camión de 3500 kg, usado en la anterior tarea.
Tarea3-c: Diseño detallado del sistema de control pasivo y fabricación del sistema de paneles flexibles, tras cuidadosa selección del material, y adaptación a camión de menos de 7500 kg, usado en las tareas anteriores.
Tarea4-a: Tras el diseño y fabricación de los prototipos, se realizarán distintas pruebas de su rendimiento en carretera y en circuito controlado.
Tarea4-b: Finalmente, siguiendo la metodología anterior, se realizarán diversos ensayos en condiciones reales de circulación en carretera, comparando el consumo de combustible para camiones de las empresas colaboradoras, con los dispositivos reductores operacionales y sin ellos, en un trayecto en autovía.
Objetivo 2 Protección de la innovación y los desarrollos del proyecto:
Tarea5a: Los resultados derivados de la tarea 1 correspondientes a los sistemas de control de lamas flexibles (R3) y soplado trasero perimetral de consumo energético nulo (R2) serán protegidos por medio de patentes de invención con examen previo, tanto del sistema como del procedimiento.
Objetivo 3 Definición y desarrollo de acciones de valorización de los resultados:
Tarea6a: En paralelo con el desarrollo de trabajos tecnológicos de validación y demostración, se realizarán diversas acciones de valorización, encaminadas a la consecución de acuerdos de licitación o comercialización de las invenciones.
Tarea6b: A continuación del análisis inicial, se planteará un modelo inicial de la posible transferencia en base a los sistemas desarrollados.
Tarea6c: Además, se emprenderán acciones de comunicación y contactos con potenciales usuarios finales a través de gestiones realizadas por la OTRI de la UJA para la negociación de posibles acuerdos de licitación o de cooperación tecnológica con empresas interesadas del sector de transporte pesado.
Tarea6d: En paralelo, el equipo recibirá acciones formativas planificadas por parte de la OTRI-UJA, como taller de transferencia, contempladas en el Plan Operativo de Apoyo a la Transferencia del Conocimiento, Empleabilidad y Emprendimiento, en sus líneas de Fomento de la Transferencia del Conocimiento y Protección y comercialización de la innovación.
Results
- Wind tunnel tests on an industrial scale (IISTA). Characterisation of the effect of rotating blades and redirection of detached flow (passive blowing).
- Road tests and optimised and mobile slat circuit.
- Study of the use of energy from vehicle vibrations.
- Patenting
- Attendance at fairs or exhibitions
- Actions to increase the valorisation of results: design of a transfer, communication and commercialisation strategy.
Technical or international scientific impact
El objetivo de este proyecto de Prueba de Concepto (PDC) es el desarrollo, prueba y protección de sistemas óptimos reductores del arrastre diseñados en el proyecto anterior DPI2017-89746-R, mediante un enfoque mixto de metodologías de estabilidad, sensibilidad y optimización topológica, e interacción fluido-estructura, dando lugar a sistemas óptimos pasivos (cavidad curva rígida y sistema de paneles flexible) y de forzado perimetral, cuya eficacia respecto a la reducción del arrastre, frente a condiciones cambiantes de flujo (cruzado y transitorio) es claramente superior a otros sistemas convencionales, en vista de los ensayos realizados en laboratorio. Este enfoque innovador, apenas usado para transporte pesado, permitiría conseguir mejoras importantes de la aerodinámica de vehículos pesados, y así reducciones elevadas del consumo de combustible y de las emisiones de gases de efecto invernadero. Esto contribuiría a la mitigación del cambio climático y a la producción de un transporte y movilidad más limpios, en línea con los retos del Programa Horizonte Europa. Además, la exploración de vías de recuperación de energía residual del camión para activar sistemas de forzado por soplado, supondría una mejora muy sustancial en el balance energético global.
Por todo ello, el proyecto constituiría un avance en el desarrollo de la tecnología actual, con soluciones de bajo coste y carácter compacto, que evitarían una costosa inversión adicional para su homologación en virtud de la directiva EU 2015/719, aumentando su atractivo para la adopción en flotas de vehículos de empresas de distinto tamaño y capacidad económica. Por otro lado, la PDC pretende poner en valor y proteger los resultados derivados del proyecto anterior vía solicitud de patentes nacionales, y extensión internacional a través del protocolo PCT. La experiencia del equipo con tres patentes constituye una garantía en este proceso de protección de resultados. Además, el grupo cuenta con el apoyo de dos empresas líderes nacionales del sector de fabricantes de carrocerías, que asesorarán y colaborarán con la parte de pruebas y desarrollo, reduciendo el tiempo de transferencia y permitiendo el avance en el grado de madurez de estos sistemas no protegidos a niveles TRL8 o TRL9, ya que el TRL7 estaría garantizado con las actividades de este proyecto PDC. Finalmente, en términos científicos, el Grupo de Mecánica de Fluidos de Jaén posee una sólida trayectoria a nivel nacional e internacional, y un amplio bagaje en control de estelas, que han dado lugar a numerosas publicaciones y activas colaboraciones con investigadores de Universidades extranjeras. Precisamente, esta propuesta deriva del proyecto DPI2017-89746-R donde colaboran los Profesores Olivier Cadot, de la Universidad de Liverpool y Luc Pastur, del ENSTA París, cuya dilatada trayectoria en el control de estelas en vehículos comerciales, al amparo de financiación de multinacionales del sector, servirá como punto de partida para la adaptación de los resultados fundamentales a la aplicación. Esta relación ha propiciado la creación del Grupo de Interés Especial en estelas tridimensionales, SIG47-3D-Wakes, de la ERCOFTAC, a cuyo Comité Director pertenecen José Ignacio Jiménez y Olivier Cadot, junto a otros investigadores europeos, y cuyo objeto es establecer un marco de colaboración más amplio para estimular ideas relacionadas con el control de estelas 3D, y desarrollar sinergias con grupos industriales.