In base a quanto visto nel primo capitolo, l’esecuzione di un ciclo emissioni/consumi su banco a rulli richiede parecchio tempo di preparazione, nonché l’impegno di più addetti e di una vettura appositamente dedicata. Ciò rende le prove costose ed è necessario, quindi, ridurle al minimo. Per far ciò si è fatto ricorso nell’ambito di questa ricerca ad un opportuno modello di calcolo, la valutazione della cui affidabilità e la cui messa a punto sono stati obiettivi importanti del lavoro. Il codice di calcolo che si è utilizzato prevalentemente è Simuwin, un prodotto sviluppato in ambiente Windows dal Centro Ricerche Fiat e utilizzato all’interno di tutto il gruppo Fiat per calcoli di prestazioni e consumi. E’ importante sottolineare subito che, oltre all’utilizzo di questo programma, sono stati messi a punto diversi codici in linguaggio Matlab utili ad implementare alcune funzionalità non previste dal programma stesso e che sono serviti per ottenere alcune delle informazioni e dei risultati discussi nel proseguo. La maggior parte delle simulazioni, tuttavia, sono state eseguite con l’ausilio di Simuwin, pertanto pare opportuno descrivere il principio di funzionamento del programma, anche al fine di inquadrare alcuni aspetti teorici che stanno alla base dei calcoli eseguiti.
25 Come già accennato, Simuwin è un software che permette di eseguire sia simulazioni di consumo che calcoli di prestazioni. In particolare, si possono ricavare i consumi sia nei principali cicli omologativi, che in un qualunque percorso stradale definito dall’utente, nonché per le condizioni di velocità costante. Per quel che riguarda la parte prestazioni, invece, si effettuano simulazioni di riprese, sia da fermo che per valori di velocità e marcia imposti.
Entrambi i moduli fanno riferimento ad un database comune per quanto concerne le caratteristiche tecniche della vettura, mentre possiedono un’interfaccia distinta per le specifiche peculiari del tipo di calcolo a cui sono dedicati. Il codice fornisce all’utente la possibilità di definire una struttura omogenea di informazioni tramite la quale gestire le varie simulazioni. Tale struttura dati accoppia il motore al veicolo ed è chiamata “Progetto” (files .prj). I dati che identificano il progetto sono:
- Vettura (file .vet ) - Motore (file .mot ) - Pneumatici (file .pnm )
- Missioni da simulare (cicli guida standard, cicli sperimentali acquisiti su strada files .mss) - Riprese da simulare nel calcolo prestazioni
- Tempi di cambio marcia - Regime di limitatore - Regime di spunto - Pendenza da simulare - Piano quotato (file .stz)
- Modalità di calcolo delle resistenze all’avanzamento - Regime di cut-off
- Regime e consumo al minimo ( opzionali )
- Cilindrata del piano quotato ( per simulazione con diverse cilindrate ) - Scala potenza ( per simulazione con diverse cilindrate )
- Peso specifico del combustibile
- Indicazioni delle velocità dei cambi marcia nei cicli
- Velocità e marcia a cui calcolare i consumi in condizioni stazionarie
All’interno del file vettura sono presenti le principali indicazioni relative al veicolo in esame. In particolare, viene fornito il coefficiente di penetrazione aerodinamica, il quale può essere espresso
26 in funzione della velocità semplicemente immettendo una curva per punti. E’ poi richiesta la superficie frontale a cui l’efficienza aerodinamica fa riferimento, in modo da poter calcolare la resistenza all’avanzamento prodotta dall’aria. Altre importanti informazioni contenute in tale documento sono il tipo di trazione, il passo e l’altezza del baricentro e la ripartizione di carico, in base alle quali viene calcolata l’accelerazione limite durante le riprese. Importante è anche il peso in ordine di marcia e l’eventuale presenza di fattori aggiuntivi, quali possono essere i passeggeri o eventuali bagagli. Da notare la possibilità di inserire nello stesso file vettura diversi valori di massa da utilizzarsi rispettivamente per il calcolo prestazioni e per quello consumi. Per quest’ultimo, è prevista anche la possibilità di inserire il momento del volano equivalente in luogo della massa, per simulare il banco a rulli. Sono inoltre richiesti i rapporti del cambio, ciascuno con il proprio rendimento, nonché la curva di resistenza all’avanzamento. Essa può essere fornita sia per punti, tramite due vettori di ugual lunghezza, che attraverso i tre coefficienti di un polinomio di terzo grado privo di termine noto. Entrambe queste informazioni devono essere presenti nel file .vet, in quanto è attraverso il file di progetto che si decide con quale modalità stimare la potenza resistente. Per completare le informazioni sul veicolo, è associato a ciascun progetto anche un file relativo agli pneumatici. In esso si trovano il raggio di rotolamento delle ruote motrici ed il loro momento d’inerzia polare rispetto all’asse di rotazione. Si tratta di grandezze necessarie al calcolo della massa traslante equivalente che, come vedremo, serve in tutte le fasi del calcolo per determinare la potenza richiesta ad accelerare la vettura.
In questo file devono essere precisati anche i coefficienti di resistenza al rotolamento ( “roll” ), forniti di solito dal produttore degli pneumatici e ricavati su un opportuno banco di prova dotato di pedana e dinamometro. Anche in questo caso si tratta di una curva data per punti, nella quale ad ogni valore di velocità fa riferimento una forza resistente per tonnellata di peso applicato. In altre parole, ciò che ciascun coefficiente “roll” esprime è la forza resistente all’avanzamento in kg forza, per ogni tonnellata di carico verticale gravante. Sempre all’interno del .pnm deve essere definito anche il coefficiente di aderenza longitudinale tra pneumatici e strada, utile per avere il valore dell’accelerazione limite nel calcolo prestazioni.
Gli altri due files indicati nel progetto riguardano il motopropulsore. Essi, come precedentemente accennato, sono rispettivamente il “motore.mot” ed il “piano quotato.stz”. Nel primo sono contenute la curva di potenza erogata, il tipo di combustibile utilizzato ed il numero di tempi, nonché l’inerzia equivalente delle diverse masse in moto dei manovellismi, ridotte all’albero motore. Il piano quotato, invece, descrive il funzionamento termodinamico del motore, in quanto presenta il consumo istantaneo per ogni coppia di valori di regime e pressione media effettiva. Esso viene implementato come tabella strutturata, in cui la prima colonna contiene i valori di regime in ordine crescente, mentre la seconda reca i valori di pme, anch’essi in ordine crescente per ciascun regime. La terza colonna contiene l’indicazione della potenza sviluppata ed è, ovviamente, legata alle prime due dalla nota formula:
2 * * τ V n pme P= dove:
pme = pressione media effettiva; V = cilindrata;
τ = numero di tempi del motore; n = regime motore.
La quarta e la quinta colonna, infine, forniscono rispettivamente il consumo orario ed il consumo specifico con riferimento alla condizione di funzionamento descritta dai corrispondenti valori di
27 regime e potenza. E’ chiaro che anche i valori delle ultime due colonne sono tra loro dipendenti, essendo vera la seguente formula:
s h P c C = * nella quale: Ch = consumo orario; cs = cosnumo specifico; P = potenza erogata.
In realtà, il file .stz prevede nel suo formato originale, anche un’ulteriore colonna, anteposta a tutte le altre, nella quale sono contenuti i valori di riferimento del regime motore, ovvero i valori obiettivo durante la sperimentazione, ai quali dovrebbe corrispondere nella seconda colonna il valore effettivamente realizzato sul banco di prova.
Nelle pagine precedenti è stata fornita una breve descrizione dei files che costituiscono il data base del codice di calcolo, cercando per ognuno di soffermarsi sui parametri salienti o, comunque, su quelli che sono stati utilizzati e modificati nel corso di questo studio. Non si è fatto menzione, invece, di altri parametri effettivamente presenti nei files succitati e che servono al calcolo di indici di prestazione e consumo secondo standard Fiat, perché non sfruttati durante il nostro lavoro. Allo stesso modo, non verrà fatto riferimento ad un’applicazione di Simuwin espressamente dedicata all’analisi statistica delle zone di funzionamento motore più battute durante i cicli omologativi. Infatti, in luogo di tale strumento si è preferito utilizzare uno script Matlab appositamente realizzato ed adattato alle nostre esigenze.
Tornando alle informazioni necessarie all’esecuzione dei calcoli, prevalentemente quelli di consumo, i files .mss contengono il profilo di velocità da seguire e la marcia da utilizzare per ogni tratto. Sono presenti in database quattro files principali, ovvero quelli relativi alle missioni statunitensi e a quelle europee:
Ftp75.mss Highway.mss Ece.mss Eudc.mss
Si sottolinea che tutti i files citati fino ad ora sono documenti di testo e, pertanto, apribili e modificabili direttamente tramite un qualunque editor. Nel caso dei files missione sono da impostare tre vettori, rispettivamente relativi all’istante di calcolo, la corrispondente velocità vettura e la marcia inserita. Da ciò si desume immediatamente come sia possibile inserire un qualunque profilo di velocità e di cambio marcia, eventualmente derivante da una reale acquisizione su strada o su banco.
Per quanto riguarda i risultati dei calcoli, essi sono espressi all’interno dei files .cns e .pre, rispettivamente per i consumi e per le prestazioni. Si tratta di un formato compatibile con excel, ed in ciascuno di questi files si ha, innanzitutto, una sintesi dei dati di input, molto utile per verificare di non aver sbagliato nell’immissione di qualche parametro. Successivamente sono presenti nel .cns l’andamento del consumo istantaneo per ognuna delle missioni analizzate, nonché una tabella finale di sintesi contenente il consumo complessivo, sia sotto forma di autonomia ( km/l, l/100km ), che di combustibile per km ( g/km ). E’ anche riportato il bilancio energetico relativo a ciascuna missione, nonché il consumo nelle velocità costanti richieste all’interno del progetto. Nel .pre, invece, si hanno per ciascun rapporto l’andamento della potenza disponibile alle ruote, la potenza esuberante e la pendenza superabile per ogni regime dal minimo al limitatore. Ciò rende possibile anche la visualizzazione della velocità massima raggiungibile e della marcia in cui la si realizza.
28 Successivamente, sono riportati gli andamenti istante per istante di accelerazione, velocità e spazio percorso durante le riprese richieste. Da tali informazioni è immediato risalire ai tempi di percorrenza sullo 0-100 km/h, sullo 0-200 km/h o i tempi impiegati a percorrere 1000 m o altre distanze significative.
Terminata questa fase di descrizione generale del programma e dei principali files che ne permettono la gestione, si entrerà nei prossimi due paragrafi nel dettaglio di quelle che sono le operazioni eseguite dal codice per effettuare le simulazioni. Concludiamo questa sezione con la seguente schematizzazione del database appena illustrato: