I
Prefazione
Questa tesi di laurea è la relazione finale dello stage svolto nel reparto Applicazione Motopropulsore di Ferrari S.p.A., lavorando allo sviluppo del sistema di simulazione elettronica HIL (Hardware In the Loop).
Obiettivo del reparto Applicazione Motopropulsore è lo sviluppo e l’ottimizzazione del propulsore installato sui veicoli alla ricerca delle migliori prestazioni nel rispetto delle normative vigenti in termini di emissioni e sicurezza; per raggiungere lo scopo, all’interno del reparto ci si avvale anche del sistema HIL, il quale ha il compito principale di verificare e validare il software delle ECU (Engine Control Unit) prima che entri in produzione. Alla fine della fase di sviluppo (effettuata anch’essa all’interno del reparto), ogni nuovo software viene “congelato” ed inviato successivamente al co-designer BOSCH, che provvede alla sua “chiusura”, consistente nella riscrittura e nell’attivazione di procedure di sicurezza e di autodiagnosi, dopodiché il software viene rispedito a Ferrari in vista della produzione in serie. Il sistema Hardware In the Loop verifica che il software consegnato corrisponda all’originale e non sia stato modificato.
Il sistema Hardware In the Loop viene utilizzato da Ferrari per simulare il comportamento dei nuovi motori durante la loro fase di sviluppo e prima della loro entrata in produzione: si tratta di un avanzato strumento di analisi e diagnostica che ha il grande vantaggio di poter controllare esaustivamente le varie funzioni presenti nel software di centralina senza che questa sia fisicamente collegata al veicolo in prova. Il sistema di simulazione ha una complessa struttura nella quale si interfacciano componenti meccaniche, elettroniche, informatiche ed ovviamente l’uomo; si tratta perciò di un sistema estremamente delicato, per il quale è necessaria una completa coordinazione tra le varie parti: il suo sviluppo è quindi costante, così come è costante l’aggiornamento del simulatore con l’implementazione di nuovi motori o nuovi modelli di sottosistemi del motore per far sì che i propulsori simulati siano i più fedeli possibile alla loro controparte reale.
II
Una delle attività principali dello stage svolto è stata lo sviluppo del modello del sistema di scarico dei propulsori implementati sulla piattaforma HIL ed ha riguardato in particolar modo la realizzazione di un modello di catalizzatore. Oltre a questo, il lavoro ha riguardato la rivisitazione completa del modello di motore alla ricerca di eventuali migliorie e risoluzione di errori emersi durante la simulazione.
Nel capitolo 1 sono brevemente descritte le normative vigenti in materia di emissioni per gli autoveicoli, con riferimento, in particolare, al mercato europeo e statunitense. Inoltre, viene illustrato il sistema di controllo Torque Based della centralina BOSCH Motronic ME7.
Nel capitolo 2 viene presentato il sistema di simulazione HIL (Hardware In the Loop) in dotazione al reparto Applicazione Motopropulsore.
Nel capitolo 3 viene descritto in dettaglio il modello sviluppato in ambiente Simulink presente sul simulatore: tale descrizione approfondita è giustificata dal fatto che il lavoro ha riguardato essenzialmente lo sviluppo del suddetto modello.
Nel capitolo 4 viene descritto lo sviluppo del sistema di scarico, con particolare riferimento al modello di catalizzatore sviluppato.
Nel capitolo 5 sono brevemente descritte le ulteriori modifiche compiute al modello di propulsore.
Nel capitolo 6 sono raccolte le considerazioni conclusive del lavoro di stage compiuto.
III
Abstract
This graduation thesis is the final report of the training done at Ferrari S.p.a., where I worked in the Applicazione Motopropulsore department developing the HIL (Hardware In the Loop) electronic simulator.
The HIL electronic laboratory has the task to test and validate the ECU (Engine Control Unit) software before its mass production. HIL electronic simulator is capable to replicate dynamic behaviour of the complete vehicle in straight motion or the engine behaviour on the dynamometric cell. The HIL simulator can real-time solve the equation of the analytical model implemented on its electronic cards and constantly communicate with the ECUs and the control PC.
HIL simulation is a very useful tool to replicate the real engine for ECU testing purposes, but the physical models that run inside it need to be continuously developed to better represent the real engine behaviour.
The main objective of this work has regarded the simulation of the exhaust gas system by modelling an automotive catalyst for exhaust aftertreatment. The model has been realized with Matlab-Simulink platform and it can be used by all the engine models implemented on HIL simulator.
In addition some corrections have been made for developing and improving the engine model to better replicate what actually happens during engine life.
IV
Indice generale
1 Introduzione 1
1.1 Storia dei marchi 1
1.1.1 Breve storia del marchio Ferrari 1
1.1.2 Breve storia del marchio Maserati 2
1.2 I regolamenti sulle emissioni 3
1.2.1 Le emissioni di un motore a combustione interna 4
1.2.2 Le normative anti-inquinamento europee 6
1.2.3 Le normative anti-inquinamento statunitensi 8
1.3 Il sistema di controllo BOSCH Motronic ME7 13
1.3.1 I sistemi di controllo Torque Based 16
1.3.2 Struttura del sistema BOSCH Motronic ME7 18 1.3.3 Architettura del sistema BOSCH Motronic ME7 19
1.3.4 La gestione degli attuatori 21
1.3.4.1 La valvola a farfalla motorizzata (ETC) 23
1.3.4.2 I variatori di fase 23
1.3.4.3 Gli elettroiniettori 25
1.3.4.4 L'impianto di accensione 26
1.3.5 Comunicazione con i sensori 27
1.3.5.1 Sensore di portata aria 28
1.3.5.2 Sensori di giri e fase 29
1.3.5.3 Sonde lambda 31
1.3.5.4 Sensori di detonazione 34
1.4 Il protocollo di comunicazione CAN 35
2 Il sistema Hardware In the Loop 39
2.1 La simulazione Hardware In the Loop (HIL) 39
2.2 Esempio di loop di controllo 41
2.3 Vantaggi della simulazione HIL 43
2.4 Open Loop Tests & Closed Loop Tests 44
2.5 Applicazioni del simulatore Ferrari 45
V
2.5.2 Applicazione F136E 50
2.5.3 Applicazione F140C 51
2.6 La struttura hardware del simulatore Ferrari 53
2.6.1 Il simulatore dSPACE 55
2.6.2 Il Break-Out box 56
2.6.3 I componenti reali 57
2.7 La struttura software del simulatore Ferrari 58
2.7.1 Il modello matematico Simulink 59
2.8 Prestazioni del simulatore HIL Ferrari 61
3 Il modello Simulink 63
3.1 HIL I/O harness 65
3.1.1 dSPACE Inputs 67 3.1.2 dSPACE Outputs 67 3.2 Supervisor 68 3.3 Engine model 73 3.3.1 Blocco aspirazione 75 3.3.1.1 Valvola a farfalla 75 3.3.1.2 Polmone aspirazione 78
3.3.2 Blocco iniezione carburante 80
3.3.3 Blocco cilindri 82 3.3.3.1 Combustion Banks 83 3.3.3.2 Torque 86 3.3.4 Blocco scarico 87 3.3.5 Blocco Warm-up 88 3.3.6 Blocco VVT 90
3.4 Transmission & Vehicle model 91
3.4.1 Vehicle model 92 3.4.1.1 TCU harness 92 3.4.1.2 AMT 93 3.4.1.3 Ferrari/Maserati Vehicle 93 3.5 Environment 95 3.6 Auxiliaries 95
VI
4 Il modello di catalizzatore 97
4.1 Il catalizzatore trivalente 97
4.1.1 Tipologie di catalizzatore 98
4.1.2 Le reazioni chimiche 100
4.1.3 Il meccanismo dello stoccaggio di ossigeno 103
4.1.4 Invecchiamento del catalizzatore 106
4.1.5 Riscaldamento rapido del catalizzatore 107
4.1.5.1 Catalizzatore posizionato più vicino al motore 108
4.1.5.2 Pre-catalizzatore 108
4.1.5.3 Catalizzatori riscaldati elettricamente 109 4.1.5.4 Iniezione di aria secondaria con miscela "ricca" 109 4.1.6 Diagnostica di bordo per convertitori catalitici 110 4.1.7 La diagnosi catalizzatore per il sistema BOSCH Motronic ME7 113
4.2 Il modello di catalizzatore trivalente 119
4.2.1 I modelli presenti in letteratura 119
4.2.2 Il sottomodello OSC 121
4.2.3 Il sottomodello termico 128
4.2.4 Le perdite di carico 130
5 Lo sviluppo del modello di motore 133
5.1 Introduzione 133
5.2 Il nuovo modello di coppia 134
5.3 La dinamica termica 135
5.4 I variatori di fase 136
5.5 Sviluppo dei modelli delle sonde lambda 137
5.6 Modifiche al blocco Fuel 137
6 Risultati e conclusioni 139
Bibliografia generale 145
