Analisi dei punti di funzionamento motore più battuti durante i cicli omologat

Le prime considerazioni per le quali ci si è avvalsi del modello di calcolo messo a punto, riguardano l’indagine dei punti di funzionamento maggiormente percorsi dal motore durante l’esecuzione dei cicli di consumo/emissioni. Più in dettaglio, ciò che è stato fatto è ricavare le zone del piano quotato più battute, in termini di pressione media effettiva e regime, al fine di valutare da un lato quali fossero i punti da analizzare ed ottimizzare con più cura su banco prova, dall’altro il livello di impegno del propulsore durante le missioni.

A partire dai dati di uscita del programma Simuwin, si è ricavato con un semplice algoritmo di elaborazione in Matlab, il numero di rilievi per determinati punti di funzionamento e li si è espressi

48 in termini percentuali, onde avere una sorta di mappa statistica delle zone di funzionamento motore. Indicheremo d’ora in avanti con il termine “pallogrammi” tali tipi di diagrammi, dato che questo è il termine con il quale vengono convenzionalmente definiti all’interno di Ferrari S.p.A.

A seguire vengono riportati i pallogrammi relativi al ciclo ECE, eseguito con vettura in configurazione europea e “shift pattern” caratteristico di tale tipo di prova, ovvero:

Cambiata Velocità [km/h] IÆII 15 IIÆIII 35 IIIÆIV 50 IVÆV 70 VÆVI 100

Tabella 3.1: Velocità di cambio marcia per ogni coppia di rapporti ( “Shift pattern” )

Si è voluto riportare nuovamente le soglie di cambio marcia, per sottolineare che esse sono estremamente importanti nella determinazione del funzionamento motore. Infatti, è decisamente intuitivo capire che, fissata la velocità vettura, l’utilizzo di un rapporto più lungo comporta un regime di rotazione inferiore per il propulsore e, a parità di potenza richiesta, un maggior livello di coppia impiegata.

Figura 3.1: Pallogrammi ciclo ECE con cambi marcia standard

Le immagine allegate, mostrano in maniera molto chiara che l’impegno del motore durante la missione cittadina europea è veramente irrisorio, tanto da avere la maggior parte dei rilievi nell’intorno di 0,3 bar di pressione media effettiva e 2300 rpm di regime. In generale, si può osservare come siano pochissime le zone di stazionamento su valori di pme maggiori di un bar, cosa che comporta inevitabilmente un utilizzo in condizione di forte parzializzazione del motore. Di fatto si può dire che tutto il ciclo viene eseguito con l’aspirazione quasi completamente strozzata, per controllare l’esubero di potenza di un propulsore decisamente sovradimensionato per tale tipo di

49 funzionamento. Ciò ha chiaramente ripercussioni molto negative sul rendimento indicato, dato che aumenta la quota parte di lavoro di pompaggio in ciascun ciclo motore, al quale consegue un netto calo dell’efficienza ed un aumento dei consumi specifici. Per maggior dovizia di particolari, si osserva che il massimo valore di pme registrato dal calcolatore nell’esecuzione del ciclo ECE è di circa 3 bar, mentre la massima potenza richiesta al motore è di 31 Cv, ben poca cosa rispetto ai circa 400 erogabili dal V8 Maserati.

Procediamo l’indagine esaminando la parte extra-urbana delle missioni europee:

Figura 3.2: Pallogrammi ciclo EUDC con cambi marcia standard

I pallogrammi della figura 3.2 mostrano senza dubbio un miglioramento in termini di potenza impiegata da parte del motore, ma rimangono a livelli estremamente bassi, dato che anche in questo caso il punto di funzionamento più incontrato non supera il bar di pressione media effettiva. Inoltre, in conformità al profilo di velocità di questa missione, si ha pochissima variazione delle condizioni operative del propulsore, che si trova per la più parte del tempo tra i 2500 ed i 3000 rpm e con valori di pme compresi tra 0,5 ed 1 bar. In questo caso i massimi di potenza e pressione media effettiva rilevati sono, rispettivamente, di 68 Cv e 4,3 bar.

Prima di procedere nell’analisi delle missioni statunitensi, sottolineiamo ancora una volta che il genere di prove fin qui esaminate è estremamente penalizzante per una vettura dal carattere marcatamente sportivo come quella oggetto del nostro studio, che risulta ottimizzata per tutt’altri valori di potenze in gioco. Ciò appare evidente se si vanno ad osservare le curve di consumo specifico al variare della pme, per quelle velocità tipiche dei cicli omologativi.

50 La prima cosa che appare dalla figura 3.3, è la quasi indipendenza del consumo specifico dal regime di rotazione del motore, almeno per quei valori di velocità riportati nel diagramma ( fino a 2750 giri al minuto ). Per le basse velocità, infatti, il rendimento che domina è decisamente quello legato agli aspetti termo-fluidodinamici, mentre ha un peso percentualmente minore quello afferente alle perdite per attrito. Queste ultime, dipendendo fortemente dal regime di rotazione, diventano importanti al crescere dello stesso. Da qui si spiega la sostanziale insensibilità a tale parametro osservata nel diagramma, in cui le curve relative a regimi diversi sono praticamente sovrapposte. L’altro elemento che risulta evidente, è l’andamento fortemente iperbolico con il quale il consumo specifico cresce al ridursi della pressione media effettiva, con un gradiente di variazione veramente elevato. Tanto per quantificare il concetto, si osservi che nel passare da 1 a 2 bar di pme, si dimezza letteralmente il consumo specifico, cosa che lascia capire l’importanza del punto di funzionamento e che è in linea con la teoria dei motori ad accensione comandata. Infine, l’ultimo aspetto che si vuole sottolineare, è il carattere marcatamente asintotico delle curve al crescere della pme, tanto che al di sopra dei 5 bar il consumo specifico si attesta nell’intorno di 200 g/Cvh, ottimo valore per motori benzina in base alle indicazioni di letteratura [ 10 ]. In altre parole, il propulsore è tutt’altro che inefficiente, cosa che peraltro sarebbe in contrasto con la necessità di erogare elevate potenze specifiche. Tuttavia, la necessità di utilizzarlo in condizioni di estrema parzializzazione ne compromette il rendimento e causa gli elevati valori di consumo durante le prove su banco a rulli. Prendiamo ora in considerazione i pallogrammi dei cicli statunitensi partendo da quello cittadino, ovvero l’Ftp 75. L’immagine a seguire mostra chiaramente una maggiore variabilità dei punti di funzionamento rispetto alle missioni europee, fattore sintomatico di un profilo di velocità decisamente più articolato. Anche in questo caso, però, lo sfruttamento del motore è limitato a bassissimi valori di pressione media effettiva. La più parte dei rilevamenti rimane nell’intorno di un bar per un regime di circa 2500 rpm e solo di rado il propulsore staziona tra 1,5 e 2 bar di pme. In particolare, al di sopra dei 4 bar i rilevamenti diventano pochissimi ed i massimi registrati sono di circa 6 bar per quanto riguarda la pressione media effettiva e di 70 Cv per la potenza. Valori

0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 pme [bar] g/ cv h 800 1000 1250 2000 2250 2750

51 sicuramente più favorevoli di quelli trovati per i cicli ECE ed EUDC, ma ancora troppo bassi per avere un rendimento adeguato.

Figura 3.4: Pallogramma ciclo FTP 75 con cambi marcia standard

I ragionamenti fatti per il ciclo Ftp 75 valgono sostanzialmente anche per la parte extra-urbana Highway, come si evince dai grafici a seguire:

Figura 3.5: Pallogramma ciclo HIGHWAY con cambi marcia standard

In essi si nota una quasi totalità dei rilevamenti attorno a 1,8 bar per un regime di circa 3000 rpm. L’altro punto ricorrente è nell’intorno di 1,2 bar, sempre al regime di 3000 giri al minuto. Per completezza riportiamo anche per questo ciclo i valori massimi di pressione media effettiva e potenza, rispettivamente di 5,6 bar e 85 Cv.

Abbiamo così completato la panoramica delle missioni di consumo/emissione, mettendo in luce il bassissimo impegno in termini di coppia e carico termico a cui è sottoposto il motore della nostra

52 vettura durante l’esecuzione degli stessi. Ciò, come avremo modo di ripetere nel corso del lavoro, è uno degli aspetti che maggiormente contribuisce all’elevato consumo registrato durante le prove di omologazione .