Metodologie numerico-sperimentali per lo sviluppo di motori ad alta efficienza per veicoli a due ruote

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3.3.3. Taratura dei carichi parziali

Nel momento in cui si ha la necessità di studiare il comportamento del motore accoppiato al veicolo in quello che sarà il suo reale campo di utilizzo, nasce l’esigenza di avere un modello numerico del propulsore predittivo non solo del funzionamento a pieno carico ma anche ai carichi parziali. Difatti, è quest’ultima condizione di utilizzo quella in cui il motore si trova maggiormente a lavorare nel proprio ciclo di vita, mentre la piena apertura è sfruttata per un tempo relativamente limitato.

Nell’ottica quindi di voler simulare il comportamento del veicolo su profili missione quali ad esempio i cicli di omologazione (UDC‐EUDC e WMTC8), è fondamentale avere a disposizione un modello capace di prevedere correttamente le prestazioni del motore su tutto il suo campo di funzionamento. Una taratura del modello effettuata nella sola condizione di pieno carico non è però sufficiente a rendere il modello stesso predittivo anche delle condizioni di funzionamento ai parzializzati. Si rende quindi necessaria una sua messa a punto anche in tali condizioni di utilizzo, confrontandosi con i dati sperimentali raccolti in varie posizioni angolari della valvola a farfalla.

È proprio la caratterizzazione dell’elemento che in Wave® e GT‐Suite® rappresenta numericamente il funzionamento della valvola a farfalla il primo passo per la calibrazione dei carichi parziali. Una riduzione del suo angolo di apertura comporta una riduzione della portata d’aria aspirata dal motore e di conseguenza, in base alla dosatura, che è un dato sperimentale di input dei modelli, varia anche la quantità di combustibile iniettato, influendo sul processo di combustione. La taratura dei modelli ai carichi parziali è stata quindi svolta essenzialmente andando ad agire dapprima sulla configurazione dell’apposita giunzione rappresentativa della valvola a farfalla e successivamente sulla calibrazione del processo di combustione. Difatti seguendo la medesima procedura di calibrazione della condizione di pieno carico, anche nella taratura dei carichi parziali il primo passo è stato cercare di ottenere una buona corrispondenza tra risultati sperimentali e numerici relativamente all’andamento del coefficiente di riempimento. In questa prima fase si sono nuovamente utilizzati i

8

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sottomode imponendo parziali; ciò combustion taratura de Rispetto all determinat Per la mess GT‐Suite®, • Are dal con geo nell • Ang • Coe Figura

lli di comb o quindi la ò è stato f ne, ancora ella fase di r la condizion ta dalla prog sa a punto si richiede l a geometric diametro d to della p metrico è s a condizion golo di aper efficiente di 3.37 ‐ Schema bustione no curva di ri fatto per ev non calib icambio de ne di pieno gressiva chi della relati la definizion ca di passag del corpo fa resenza de stato già de ne di pieno c tura farfalla efflusso. atizzazione de on‐predittiva ilascio del c vitare che brato ai ca lla carica. carico, l’un iusura della va giunzion ne dei segue ggio a piena arfallato so ell’alberino efinito dura carico); a; ella valvola a

a messi a d calore misu le reciproc richi parzia ica nuova p a valvola a fa ne (Figura 3 enti parame a apertura, ottratta dell che supp ante la cost farfalla al CA disposizione urata sperim che interazi ali, influenz perdita di ca arfalla. 3.37) presen etri: determinat la frazione orta il pia ruzione e c

D 3D (sinistra

e dai codic mentalmen ioni con il zino negat arico introdo nte sia in W ta dalla sezi di superfic ttello (tale calibrazione a) e in Wave®

ci di calcolo te ai carich processo d ivamente l

otta è quell

Wave® che i

ione definit cie che tien e parametr e dei model (destra) o, hi di la la n ta e ro lli

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C v t N c p r s I m l q 9 Figura 3.38 ‐ Configurata valvola a fa tenere cont Non avend coefficiente piattello si riempiment stessa porta l coefficien moltiplicativ ’area effica quindi conto 9 Andamenti d apertura fa dunque d rfalla, in en to delle rela do a dispo e di efflusso

è procedut to, in modo ata d’aria as nte di efflu vo dell’area ace9 di pass o anche del = del diametro e arfalla sperim

da un punto ntrambi i co ative perdite osizione un o della valv to ad una s

da ottener spirata. usso è utili a geometric aggio del fl lle perdite f = ∙ equivalente v mentale (TPS) v

o di vista s dici è neces e fluidodina na misura vola a farfa

ua determi re, a parità zzato nei a definita d usso per og fluidodinam = vs angolo di fa vs angolo di f strettament ssario defin amiche. speriment alla al varia inazione su di area geo modelli Wa dal diametro gni angolo d miche: ∙ ∙ arfalla modell farfalla model te geometr nire un coef

ale al ban re dell’ang ulla base de ometrica di ave® e GT‐ o del corpo di apertura i numerici e d lli numerici

rico la giun fficiente di e

nco di flus olo di incli ei dati speri passaggio d ‐Suite® com farfallato, p della farfal (3.2 dell’angolo di nzione della efflusso pe ssaggio de nazione de imentali de del flusso, la me termine per ricavare lla, tenendo 24) a r el el el a e e o

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dove Cd è i (Figura 3.39 Come per l pieno caric efficace di rimane qui Figura In Figura 3. rispettivam variare del prova. L’ott di taratura l valore del 9). le valvole re o, l’alberino passaggio ndi circa co 3.39 ‐ Andam 40 ed in Fig mente delle carico del tima corrisp fin qui segu coefficient eali, anche o di support non varia stante. mento del coef gura 3.41 si curve di po l motore n pondenza t uito. te di effluss nei modell to del piatt sensibilme fficiente di ef riporta il co ortata d’aria ella prima tra i due set so ad un dat i si tiene co ello, “oscur nte e il coe

fflusso ricavat onfronto tra a aspirata e configurazi t di curve a to angolo d onto che pe ra” il piattel efficiente d to a calcolo pe a i risultati s del coeffici ione di svil attesta la co di apertura er aperture llo stesso, p di efflusso er la valvola a sperimenta iente di riem luppo testa onsistenza d della farfall prossime a per cui l’are oltre gli 80 a farfalla li e numeric mpimento a ata al banc

del process la al ea 0° ci al co o

(5)

I c s t Figura 3.40 Figura 3.4 n entramb condizione scarico (si temperatur – Confronto t 41 ‐ Confronto

i i modelli di pieno c ricorda che a a paret

tra le curve d ca

o tra le curve

numerici d carico le te

e in GT‐Su e) e i rel

i portata d’ar rico (Versione di riempimen (Versione 1 del motore mperature ite® si trat ativi coeff

ria aspirata sp e 1 del motor

nto speriment del motore)

e, sono stat di parete tta di cond ficienti di perimentali e re) tali e numeric te lasciate dei condot dizioni inizia scambio te numeriche al che al variare invariate r tti di aspira ali per il ri ermico ed l variare del del carico rispetto alla azione e d isolutore d attrito: la a di di a

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corrisponde condotti, a assegnati e Per brevità della valvol carico per rispettivam buco di cop Per quanto corrisponde Figura 3. pressi enza tra g nche ai cari e dell’attend à di trattazi la a farfalla i soli regim mente al reg ppia (da Figu o riguarda g enza tra risu .42 ‐ Confront ione nel cond li andamen ichi parziali, dibilità dei m

one si ripo e sul collet i di rotazio ime a pieno ura 3.42 a F li altri regim ultati sperim to dati model otto di aspira

nti di pres , è quindi u modelli. ortano gli a ttore di sca ne di 7500 o carico di p Figura 3.45) mi e gli altri mentali e nu lli (Wave® ‐ G azione al 40% sione dina n’ulteriore ndamenti d arico in pros e 4500 rpm potenza ma . carichi, è s umerici. T‐Suite®)/dat del carico a 4 mica sperim riprova del di pressione ssimità dell m, che, rico ssima e a q tata comun ti sperimental 4500 rpm (Ve mentali e la correttez

e in aspiraz ’uscita test ordiamo, co uello dove nque verific li dell’andam rsione 1 del m simulati ne zza dei valo

zione a vall ta al 40% de rrispondon è presente ata la buon ento della motore) ei ri e el o il na

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Figura 3.4 pressio Figura 3.4 press 43 – Confront one nel condo 44 – Confront sione nel coll o dati modell otto di aspiraz o dati modell ettore di scar li (Wave® ‐ GT zione al 40% d li (Wave® ‐ GT rico al 40% de T‐Suite®)/dat del carico a 7 T‐Suite®)/dat el carico a 450 i sperimental 500 rpm (Ver i sperimental 00 rpm (Versio i dell’andame sione 1 del m i dell’andame one 1 del mot ento della motore) ento della tore)

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Figura 3. pres Dopo aver riempimen del regime quindi attiv predittiva, punto dei s sviluppo de Si ricorda c aria/combu regime. Lasciando i che, all’aum .45 ‐ Confront ssione nel col calibrato e to e delle p di rotazion vato nuovam messi a pu soli tre coeff el fronte di f che al mode ustibile e l’a nvariati risp mentare de to dati model lettore di sca e validato pressioni di ne e del ca mente in en unto per la

ficienti mol fiamma all’i ello, come anticipo di a

petto al pie el grado di

lli (Wave® ‐ G arico al 40% de i modelli p namiche ne rico, è stat ntrambi i co condizione tiplicativi, i interno del parametri s accensione, eno carico, parzializzaz T‐Suite®)/dat el carico a 750

per la corre ei condotti o analizzato odici di calc di pieno c ntrodotti ne la camera d sperimenta , ambedue i tre coeffic zione, entra ti sperimental 00 rpm (Versi etta previsio di aspirazio o il process colo i sottom

arico, e si è el Sotto‐Par di combustio

li di input, variabili sia

cienti moltip ambi i mod

li dell’andam ione 1 del mo

one del co one e scaric so di comb modelli di c è agito su u ragrafo 3.2. one. sono fornit a con il caric plicativi si è delli numeri ento della otore) efficiente d co al variar ustione; si combustion una messa .1, legati all ti il rapport co che con è riscontrat ici (Wave® di re è e a o o il to e

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L t ( g c r c c f P a c g c 1 L’andament traslato10 e (Figura 3.46 grosse varia correttamen riflettono q correttamen combustion fronte di fia Figura 3.4 Per quanto anch’essi ri comprovata già stato ca combustion 10 Nei due cod to assunto d è interes 6). Tale ten azioni di ca

nte la vari uindi sul so nte e in com ne e necessi mma. 6 ‐ Andamen condiz riguarda le masti invar a dai confro alibrato il c ne e dello sc dici di calcolo, da CS nei d ssante nota ndenza si sp rico il sotto iazione di ottomodello mpleta auto ita quindi d to del moltip zione di minim e temperatu riati rispett onti relativi coefficiente cambio term , le equazioni ue softwar re poi com piega perch omodello pe

turbolenza o di combu onomia l’inf

i una calibra

licatore dell'i mo fino alla c

ure e i coeff o al pieno

alle curve di riempim mico con le

implementat

e al variare me resti cost hé, come gi

er il calcolo a in camer ustione che fluenza del azione dei c intensità di tu condizione di ficienti di s carico: la c di pression mento, son pareti. te nei sottomo e del carico tante dal 6 ià evidenzia o del flusso, ra di comb

non è quin la parzializz coefficienti urbolenza al v i piena ammi cambio ter correttezza ne nel cilind no funzione odelli di comb è il medes 0% al 100% ato in prece , non riesce bustione; g ndi in grado zazione sul legati allo s variare del ca issione mico nel cil dei valori dro, dato ch dell’andam bustione sono simo seppu % del carico edenza, pe e a valutare gli errori s

o di predire processo d sviluppo de arico: dalla lindro, sono assegnati è he, essendo mento della praticamente r o r e si e di el o è o a e

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Si riportan processo d Figura 3.49 6000 rpm carico. Com Figura 3.50 Il non perfe dovuto al sovrapposiz trovare dei ecc.) che, funzioname Figura 3.47 – o quindi, a i combustio 9) e la legge e a 7500 r me precede 0) è significa etto accord fatto che zione delle parametri lasciati in ento del mo – Confronto da e

a titolo di e one, le curv e di rilascio rpm, entram entemente s ativo solo fin do, riscontra non si è e curve pe di taratura nvariati, fo otore. ati modelli/da al 100% del c esempio e ve di pressio del calore ( mbe confro sottolineato no a circa il abile in alcu ritenuto r ogni pun del modell ossero il p ati speriment carico a 6000 a dimostra one in cam (Figura 3.48 ontate con o il confron 60% di mas uni casi, tra

opportuno nto di funz o (riguarda più possibi tali dell’andam rpm (Version azione della era di com 8 e Figura 3 i relativi v nto tra le “S

ssa bruciata i valori nu andare a zionamento nti tempera le validi s mento della p ne 1 del moto a corretta bustione (F .50) al 40% valori otten S‐curve” (F a (vedi Para merici e sp a ricercare o, quanto ature, scam su tutto i pressione nel re) taratura de Figura 3.47 % del carico

nuti al pien Figura 3.48 grafo 2.2). perimentali la perfett piuttosto d mbio termico l campo d cilindro al 40% el e a o e è ta di o, di %

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F Figura 3.48 Figura 3.49 – C – Confronto d 40% Confronto da e dati modelli/d e al 100% de ti modelli/da al 100% del ca dati sperimen l carico a 600 ti sperimenta arico a 7500 r ntali della fraz 00 rpm (Versio ali dell’andam rpm (Versione zione in mass one 1 del mot mento della pr e 1 del motor sa di miscela c tore) ressione nel c re) combusta al cilindro al 40%%

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Figura 3.50 Si riportano sperimenta bruciato pe (Figura 3.51 0 – Confronto 40% o inoltre, si ale relativi a er tre regim 1 e Figura 3 dati modelli/ % e al 100% de milmente a alla posizion mi di rotazio .52). /dati sperime el carico a 750 alla condizio ne angolare one (4500 rp entali della fra 00 rpm (Versi one di pieno e del 10% e pm ‐ 6000 r azione in mass one 1 del mo o carico, i co del 50% di rpm ‐ 7500 sa di miscela otore) onfronti fra i massa di c rpm) al 40 combusta al a numerico combustibil 0% del caric e e co

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I d m Figura 3.52 ‐ C del 50% di n Figura 3. delle pressio manovella, Figura 3.53 Confronto da massa di com .53 e Figura oni massim per due gra 3 ‐ Andamenti modelli ati modelli/da mbustibile bru a 3.54, com me al variare adi di parzia i della pressio i Wave® e GT ati sperimenta uciato al 40% mot me grafici r e del regime alizzazione ( one massima n ‐Suite® e sper ali della posiz del carico a tr tore) riassuntivi, e e la relati (60% e 20% nel cilindro al rimentali (Ve ione, in term re regimi di ro si riportano iva posizion del carico) l 60% e al 20% rsione 1 del m ini di angolo d otazione (Ver

o anche gli ne sul ciclo i . % del carico, c motore) di manovella, rsione 1 del andament in angolo d calcolati dai , ti di

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Figura 3. rotazi A conclusio Suite® perm all’interno taratura “D coefficiente carica con questo par camera di attività son stessi risult tendenza a quest’ultim PMS 54 ‐ Posizione one, calcolato one della ca mette di co del cilindro Diluition Exp e DEM si ri

i gas residu rametro, so combustio no state con tati numeri al variare d mo invariato e del picco di o dai modelli alibrazione onsiderare g

o di gas re ponent Mu duce il lavo ui. È quindi oprattutto a one potreb ndotte anal ci finora pr del carico t o rispetto pressione ne Wave® e GT‐ della comb gli effetti s sidui dal ci ltiplier” (DE oro di ciclo possibile c ai bassi ca bbe crescer lisi di sensi resentati as trovata per alla piena l cilindro al 60 ‐Suite® e sper bustione ai sulla combu iclo preced EM) (Sotto‐ per effetto alibrare la richi, in cu re sensibilm bilità in me ssegnando a r il coefficie a apertura. 0% del carico imentale (Ve carichi par ustione stes ente, attra ‐Paragrafo o di una ma

combustion i la percen mente. Nel erito: è pos al DEM (Fig ente CS (Fig Ciò potre al variare de rsione 1 del m

rziali si rico ssa legati a averso il co 3.2.1): al d aggiore dilu ne anche in ntuale di ga l corso de ssibile otten gura 3.55) l gura 3.46) ebbe signif l regime di motore) orda che GT alla presenz oefficiente d iminuire de uizione dell n funzione d as residui i lla present nere circa g a medesim e lasciand ficare che T‐ za di el la di n te gli ma o il

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t f C s d c tarando al v fiamma. Figura 3.55 diluizione de ottenere i m Come più v sostituzione di verifica d con cui le cu variare del c 5 – Tendenza lla carica con edesimi risult volte sotto e della caric del processo urve simula carico uno o al variare de gas residui d tati numerici, olineato, la ca che la co o di taratura te ricalcano o più dei tre l carico asseg al ciclo prece , si deve impo parzializ pmi è la ombustione a fin qui seg o quelle spe e coefficien gnata in GT‐Su dente (impon orre costante zzazione) grandezza e può quin guito. Si fa erimentali a ti legati allo uite® al moltip nendo il DEM il coefficiente che sinteti ndi essere s notare la b l variare de o sviluppo d plicatore degl variabile con e CS al variare

izza sia il p scelta come buona appro el carico (Fig del fronte d li effetti di n il carico, per e del grado di processo d e parametro ossimazione gura 3.56). di r di o e

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Figura 3.56 ‐ Al fine di o pma indice questo cas effettuati c CVT bloccat Confronto da ottenere le e delle perd so, come p considerand to in marcia ati modelli/da corrette cu dite organic per il pieno do anche g a lunga.

ati sperimenta

urve di copp che del mo o carico, i gli assorbim

ali della press

pia e poten tore e dell’ confronti ( menti di pot

sione media in nza è stata ’eventuale (Figura 3.5 tenza dell’in ndicata al var imposta ne trasmission 7 e Figura ntera trasm riare del caric el modello l ne. Anche i 3.58) son missione co co la n o n

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S 6 R f Figura 3.58 Si riportano 60% e al 20% Figura 3.59 ‐ Relativamen funzioname ‐ Confronto d o quindi i co % del carico Confronto da 20% del ca nte alla ca ento del m dati modelli/d ruota al vari onfronti fra o (Figura 3.5 ati modelli/da rico rilevando librazione otore Piagg dati sperimen iare del carico a dati sperim 59). ati sperimenta o la potenza a dei modell gio 125cc ntali dell’anda o (Versione 1 mentali e n ali dell’andam all’asse ruota li Wave® e nella sua p amento della del motore) numerici de mento del con (Versione 1 d e GT‐Suite® prima conf potenza rilev el consumo sumo specific del motore) ® sull’intero igurazione vata all’asse specifico a co al 60% e al o campo d di sviluppo al l di o

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testata al riferiscono catalizzator chiarezza d 60% ed il 2 risultati spe Per quant corrisponde portata d’a la dosatura Il dato sim accettabile riguarda le

Figura 3.60

banco prov alla porta re (da Figu delle stesse 20% del car erimentali e to concern enza tra da aria aspirata a. mulato rela , si allonta emissioni d – Confronto d

va, gli ultim ata di com ura 3.61 a

e brevità d rico, ma è e numerici a ne il cons ato sperime a (Figura 3.4 tivo alle e na maggior di HC. dati modelli/d mi risultati mbustibile Figura 3.6 di trattazion stata comu anche agli a sumo di c entale e nu 40) ed esse emissioni g rmente dal dati sperimen mostrati (Figura 3.6 63); nelle f ne, a due so unque verif ltri gradi di combustibi merico, ess endo fissata rezze, pur dato sper ntali dell’anda nel present 60) e alle figure segu oli gradi di p

icata la buo apertura d le (Figura sendo corre a come dato continuand imentale, s amento della te elaborat emissioni uenti ci rif parzializzaz ona corrisp ella valvola 3.60) c’è ettamente r o di input s

do ad esse soprattutto

portata di co

to di tesi s grezze pr feriamo, pe ione, ossia pondenza tr a farfalla. è un’ottim riprodotta l sperimental ere più ch per quant ombustibile al si re er il ra ma la e e o l

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Figura 3.61 – Figura 3.62 – – Confronto d – Confronto d ati modelli/d 60% e al 20 dati modelli/d 60% e al 20 ati speriment 0% del carico dati sperimen 0% del carico tali delle emis (Versione 1 d ntali delle emi (Versione 1 d ssioni grezze p del motore) issioni grezze del motore) pre catalizzat pre catalizzat tore di NOx al tore di CO al

(20)

Figura 3.63

3.3.4.

Al termine elaborato, sperimenta apertura d calibrata si un punto d parametri d validi sull’in Entrando n partire dai 3 ‐ Confronto d

Mappa

del process si è in pos ali relativi a della valvola ngolarment i vista del p di taratura ( ntero camp nel dettaglio dati sperim dati modelli/d 60% e al 2

motore s

so di taratu sesso di m a cinque co

a a farfalla te, sia da u processo di (relativi a te o di funzion o, variano s mentali racc dati sperimen 20% del carico

simulata

ura descritto odelli calib ondizioni di a. Ognuno n punto di combustio emperature namento de sia con il ca colti, quali l’

ntali delle em o (Versione 1 d

a

o nei sotto‐ brati in Wav i carico com

di questi vista della f ne, cercand e, scambio t el motore. arico che co ’anticipo di issioni grezze del motore) ‐paragrafi p ve® e GT‐Su mprese tra

step di ap fase di ricam do però al c

ermico, att

on il regime accensione e pre catalizza precedenti d uite® sulla il 20% fin pertura farf mbio della contempo d triti, ecc.) il

e i paramet e e la dosat

atore di HC al

del present base di da o alla pien falla è stat carica sia d i trovare de più possibil tri imposti tura, mentr te ti na ta da ei e a re

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modello unico rappresentativo di tutto il campo di funzionamento del propulsore in esame.

La discretizzazione delle suddette mappe, scelta e ritenuta sufficiente perché fosse correttamente rappresentativa dell’intero campo di utilizzo del motore, consta di 160 punti totali, ossia dieci step di apertura farfalla (dal minimo alla piena apertura), per ognuno dei quali si hanno 16 regimi di rotazione (dal regime di minimo a 9000 rpm, intervallati di 500 giri).

Mentre sei condizioni di carico sono state calibrate e confrontate direttamente con il dato sperimentale11, per le restanti quattro sono stati imposti ai sopraelencati parametri di input sperimentali e di taratura valori intermedi tra quelli assegnati ai sei tarati (Tabella 3.1).

Caso: Carico:

1 minimo Tarato sullo sperimentale

2 10% Interpolato

3 20% Tarato sullo sperimentale

4 30% Interpolato

6 50% Interpolato

8 70% Interpolato

Tabella 3.1 – Discretizzazione delle condizioni di carico simulate nei modelli unici del motore creati in Wave® e GT‐Suite®

Per ogni punto motore il codice fornisce grandezze quali coppia, consumo, emissioni, ecc., utili, come sarà spiegato nel seguito, nell’ambito della realizzazione del modello dinamico rappresentativo del funzionamento dell’intero veicolo (Figura 3.64). Si evidenzia che le mappe utilizzate nel seguito dell’attività sono riferite alla potenza all’albero motore: più precisamente nei modelli unici è stata imposta la sola pma del

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motore e n direttamen sperimenta Figura 3.6

3.3.5.

Una volta c dati sperim predittività elaborato, non quella d nte nel mo ali. 64 ‐ Mappa d

Verifica

che i mode mentali rela dei sudde confrontan della trasmi odello veico i coppia del m motore) (

a della pr

lli costruiti ativi alla pr etti modell ndosi con ssione, dell olo attrave motore nella s (nello specific

redittivit

in Wave® e ima version i è stata v le prestazio le cui perdit erso delle s sua prima ver co simulata co

tà dei m

e GT‐Suite® ne di svilup verificata, c oni della s te organich specifiche rsione di svilu on Wave®)

odelli nu

® sono stati ppo del mo come già a seconda ve he si potrà t mappe di uppo (potenza

umerici

calibrati su otore Piagg anticipato n ersione di s tenere cont rendiment a all’albero ulla base de gio 125cc, l nel present sviluppo de o o ei la te el

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T o c a i F S s e c F C c m m m 8 s

Tutti i par ovviamente component albero moto nvariati e le Figura 3.65 ‐ M Suite Si riporta sperimental effettuate c conto delle Figura 3.71) Come si oss con un’ottim motore dov maggiore a maggior allu 8000 rpm d si alza anch’ ametri di e lasciati inv i che gener ore, alterna e differenze Modelli mono e® (sono evid quindi, nel li e numeri collegando perdite or ). serva dalle ma appross vute alle mo ppiattimen ungo del m ella prima v ’esso di circ taratura, f variati, com ano le mag tore, CVT, r e di pma son odimensional denziate le pa lla condizio che riferite l’asse del f rganiche de figure ripo imazione le odifiche ad e to della cu otore, la cu versione ag ca 1000 giri fissati per mpresa la pr giori perdit riduttore fin no quindi tr i della second rti che hanno

one di pie e, per coere reno dinam el motore e

ortate di seg e variazioni

esso apport urva di copp

ui potenza m gli 8500 rpm motore). la Version ressione me e organiche nale, ecc. so rascurabili. da versione d o subito le ma eno carico, enza con qu mometrico c e dell’inter guito entra degli andam tate: i mode pia ai med massima è m della seco ne 1 del p edia di attr e, come il gr ono rimasti i motore 125c aggiori modific le curve uanto finor con l’asse r ra trasmissi

mbi i mode menti delle

elli simulan io alti regim incrementa onda (il regi propulsore, ito, tenuto ruppo cilind costruttiva cc costruiti in che geometri di coppia a mostrato uota e tene one (da Fig

elli riescono curve prest o correttam mi che il c ata e sposta me di copp sono stat conto che dro‐pistone mente circa n Wave® e GT‐ iche) e potenza o, alle prove endo quind gura 3.66 a

o a cogliere tazionali de mente sia un onseguente ata dai circa pia massimo ti i ‐ a ‐ a e di a e el n e a o

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Figura 3.66 versione di 6 – Curve di co motore Piagg oppia sperime gio 125cc 4T t entali nella co testate al ban ru ondizione pie nco prova (ass ota) no carico rela se freno dinam ative alla prim mometrico fis ma e seconda ssato all’asse

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Figura 3.68 seconda vers Figura 3.69 seconda vers 8 – Curve di co sione di moto 9 – Curve di po sione di moto oppia simulat ore Piaggio 12 otenza simula ore Piaggio 12 te da Wave® n 25cc 4T testat all’asse ate da Wave® 25cc 4T testat all’asse nella condizio te al banco pr e ruota) nella condizi te al banco pr e ruota) one pieno car rova (asse fren ione pieno ca rova (asse fren ico relative al no dinamome rico relative a no dinamome lla prima e etrico fissato alla prima e etrico fissato

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Figura 3.70 seconda ver 0 – Curve di co rsione di mot oppia simulate ore Piaggio 1 e da GT‐Suite 25cc 4T testa all’ass e® nella condi te al banco p e ruota) zione pieno c rova (asse fre carico relative eno dinamom e alla prima e metrico fissatoo

(27)

n m A n p T c v r d c 1 numerico e motore nell Figura 3.72 – A questo pu nella sua se precedente Tali mappe, campo di ut veicolo, co rappresenta dei modelli con il mode 12 I risultati n e sperimen a sua secon – Confronto da unto sono st econda vers . , insieme d tilizzo (dal m ome desc ative del pr monodime llo veicolo e umerici per m

tale in ter nda version ati modello W tate quindi sione di svil dei punti d minimo al p ritto dett ropulsore. U nsionali fin e confronta maggiore chia rmini di pm e. Wave®/dati sp del ca generate le uppo, analo i funzionam ieno carico agliatamen Ulteriore pr ora descritt ati anch’essi arezza della fi mi sull’inter perimentali de arico12 e mappe di oghe a que mento a re ), sono imp te nel p rova della b to saranno i con i relat igura fanno rif ro campo ella pressione funzioname lle presenta egime del m plementate prossimo c bontà del pr quindi i risu ivi dati sper iferimento sol di funziona e media indica ento del mo ate nel sott motore su t all’interno d capitolo, p rocesso di c ultati nume rimentali. lo al modello amento de ata al variare otore anche o‐paragrafo

tutto il suo del modello per essere calibrazione rici ottenut Wave®, ma è el e o o o e e ti è

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4. Modellazione numerica del veicolo

Nel corso degli anni si è fatta sempre più forte la necessità di aumentare l'efficienza globale del veicolo al fine di ridurre consumi ed emissioni inquinanti. Una delle strade principali per perseguire questo obiettivo è quella di andare a ricercare il miglior accoppiamento tra il veicolo e il motore che lo equipaggia.

In quest’ottica è stato quindi sviluppato, nell’ambito di tre progetti europei finanziati (EUREKAONE, MID2R e MUSS), uno strumento di calcolo che permette di combinare la simulazione 1‐D del motore con la simulazione dinamica del veicolo su cui il motore è installato: lo scopo è quello di prevedere le condizioni operative del motore accoppiato al proprio veicolo e di conseguenza anche i suoi consumi e le sue emissioni inquinanti lungo un qualunque profilo velocità‐tempo assegnato dall’utente.

E’ stato quindi calibrato in primo luogo, come presentato nel capitolo precedente, un modello numerico del motore, che fosse rappresentativo del suo intero campo di funzionamento. L’importanza del modello motore così ottenuto si inserisce nell’ottica più ampia di un accoppiamento con il modello veicolo realizzato in ambiente MatLab‐ Simulink®, in modo da poter simulare, ad esempio, i cicli di omologazione previsti dalle normative europee e mondiali. Tale modello è stato sviluppato e perfezionato a partire da una prima versione realizzata nel corso di una precedente attività di dottorato anch’essa interna al Dipartimento di Energetica “S. Stecco” [Bellissima A.].

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4.1. MatLab/Simulink

®

MatLab® (abbreviazione di MATrix LABoratory) è un ambiente per il calcolo numerico e l’analisi statistica che comprende anche l’omonimo linguaggio di programmazione creato dalla software house MathWorks. MatLab® consente di manipolare matrici, visualizzare in modo semplice ed immediato i risultati, implementare algoritmi e funzioni e interfacciarsi con altri programmi; si tratta quindi di uno strumento matematico molto flessibile e potente.

MatLab® al suo interno contiene diversi sottoambienti e toolbox e soprattutto un ambiente grafico per la simulazione dei sistemi complessi, Simulink®, ampiamento sfruttato nel corso della presente attività di dottorato [Cavallo A., Setola R., Vasca F.]. Simulink® è fornito di un’interfaccia grafica per la costruzione di modelli tramite diagrammi a blocchi, che è possibile realizzare attingendo da un’ampia libreria di blocchi predefiniti, che descrivono elementi statici e dinamici elementari. L’utente ha la possibilità di comporre a proprio piacimento mediante interconnessioni questi blocchi elementari allo scopo di creare il proprio schema logico di calcolo. Simulink® permette di modellare un sistema rapidamente, con ordine e senza dover necessariamente ricorrere alla scrittura di complesse stringhe di codice, al fine ultimo di risolvere tutte le equazioni del proprio problema numerico. Si tratta quindi di un valido supporto a MatLab® nei casi in cui è necessario simulare: • Sistemi complessi, composti da numerosi blocchi interconnessi tra loro; • Sistemi in cui i singoli blocchi sono non‐lineari e tempo‐varianti; • Sistemi che comprendono sia blocchi tempo‐discreti che tempo‐continui.

4.2. Principi di funzionamento del modello

veicolo

Lo scopo del modello dinamico veicolo è quello di ricevere in ingresso un qualunque profilo missione velocità‐tempo e di calcolare, per ogni passo temporale del percorso assegnato, la coppia che deve essere fornita dal motore affinché il veicolo segua il profilo assegnato ed il numero di giri a cui questa deve essere fornita. Accoppiando poi al suo

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(31)

La simulazione dinamica di uno scooter per un ciclo di funzionamento articolato come ad esempio i cicli di omologazione europea UDC‐EUDC e mondiale WMTC, comporta numerose difficoltà che impediscono di fatto di apportare estese semplificazioni. Le difficoltà maggiori risiedono nel fatto che cicli di omologazione o cicli urbani in genere prevedono ampie variazioni di velocità e trattandosi di uno scooter con frizione centrifuga e trasmissione automatica (CVT, Continuously Variable Transmission) non è possibile fissare a priori il rapporto tra il numero di giri del motore e la velocità del veicolo [Anderson B. D., Maten J. R.] [Mantriota G.]. Difatti, differentemente da un mezzo di trasporto dotato di cambio meccanico a marce, in cui il rapporto di trasmissione è deciso ed imposto dal pilota, che vincola quindi secondo scelta propria velocità e numero di giri, in uno scooter con CVT il rapporto di trasmissione varia in modo automatico in funzione delle sue caratteristiche costruttive e delle svariate condizioni di funzionamento a cui è sottoposto lo scooter stesso.

Questo comporta di dover simulare il funzionamento dei vari componenti che nello scooter reale assolvono al compito di far variare il rapporto di trasmissione, vale a dire la frizione centrifuga e il variatore automatico di velocità, comprensivo dell’asservitore di coppia.

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Data la sua complessità ed approfittando di uno dei punti di forza di Simulink®, il modello veicolo in questione è stato costruito in maniera modulare, ossia è stato suddiviso in blocchi, ognuno dei quali implementabile e testabile nel suo funzionamento in modo quasi del tutto indipendente dal resto del modello (Figura 4.2). Nel modello, lo scooter è considerato come un corpo rigido, sottoposto principalmente all’azione di tre forze: • Forza motrice (fornita dal motore); • Resistenza al rotolamento; • Resistenza aerodinamica all’avanzamento. A queste tre forze si va eventualmente a sommare la forza esercitata, quando richiesto, dai freni del veicolo. Il modello veicolo è realizzato in modo da ricevere in ingresso i seguenti dati: • Profilo di velocità imposto dall’utente (velocità vs tempo); • Caratteristiche del veicolo: o Massa; o Coefficienti di attrito e di resistenza aerodinamica;

o Caratteristiche geometriche della trasmissione automatica (lunghezze, masse, momenti di inerzia, ecc.).

I dati di output forniti dal modello sono invece:

• Coppia motrice richiesta al veicolo in esame per seguire il profilo di velocità imposto;

• Profilo di velocità del veicolo calcolato dal modello; • Numero di giri del motore;

• Rapporto di trasmissione del CVT.

Conoscendo il numero di giri del motore e la coppia motrice richiesta, si entra nella mappa di funzionamento generata dal modello monodimensionale del motore (Figura 3.64) e si ottiene il corrispondente angolo di apertura farfalla, determinando così univocamente il punto motore con tutte le grandezze ad esso correlate, quali ad esempio consumi ed emissioni inquinanti.

Un approccio di questo tipo, completamente “virtuale”, una volta tarato, consente di ridurre notevolmente le prove sperimentali da effettuare sia al banco motori che al

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banco a rulli, permettendo sia di fare “a calcolo” una prima scrematura di possibili soluzioni migliorative o comunque alternative alla configurazione base di motore e/o veicolo che di andare a ricercare i migliori settaggi per raggiungere un determinato obiettivo (ad esempio la riduzione dei consumi sul ciclo di omologazione).

4.3. Stabilità di calcolo del modello veicolo

Un aspetto fondamentale nella realizzazione del modello veicolo in MatLab® è stato assicurare la stabilità del calcolo: il modello, a prescindere dai dati in ingresso, deve poter garantire di riuscire a portare a termine il calcolo, indipendentemente dalla qualità della taratura e quindi dei risultati in uscita.

Il presente modello deve simulare il funzionamento di uno scooter dotato di frizione centrifuga e variatore automatico di velocità (CVT); quest’ultimo componente varia in funzione delle condizioni di funzionamento il rapporto di trasmissione in modo continuo ed automatico e non secondo esplicita volontà del pilota; come precedentemente sottolineato, non è quindi possibile conoscere a priori il numero di giri del motore nota esclusivamente la velocità del veicolo o viceversa. Ad esempio il rapporto di trasmissione al CVT è determinato tra le altre cose anche dal regime di rotazione del motore, che a sua volta nel modello di simulazione è calcolato a partire dalla velocità del veicolo e dal carico richiesto noto il rapporto di trasmissione stesso; si ha quindi un loop che può creare problemi di instabilità fino ad arrestare il calcolo prematuramente.

Per assicurare tale stabilità di calcolo sono quindi necessari alcuni accorgimenti nella creazione del modello in Simulink®, che ricordiamo lavora in modo continuo e non iterativo:

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• Utilizzare in casi particolari, anziché blocchi predefiniti, S‐function scritte in MatLab® opportunamente inizializzate dall’utente per rendere il modello meno sensibile alle discontinuità di calcolo che possono fare incorrere in errori.

4.4. Funzioni scritte in MatLab

®

per il

modello veicolo

Una volta effettuata la simulazione del funzionamento del motore nel suo intero campo di funzionamento (ad esempio utilizzando un codice di calcolo monodimensionale) (si veda il Capitolo 3), il passo successivo è importare in ambiente MatLab‐Simulink® le mappe tridimensionale della coppia motrice e degli altri parametri di funzionamento del motore di interesse in funzione del numero di giri e dell’angolo di apertura della valvola a farfalla.

Si sottolinea come tali mappe sono rappresentative di stati di funzionamento a regime del motore, per cui non sarebbero propriamente adatte alla simulazione di transitori, quali quelli simulati dal modello dinamico del veicolo.

Per quel che riguarda però i transitori termodinamici del motore, che hanno una scala di tempo molto piccola se rapportata all’inerzia meccanica del veicolo, è possibile approssimare le condizioni operative del propulsore come una successione di stati di equilibrio (commettendo un errore tanto maggiore quanto maggiori sono le variazioni di velocità richieste al veicolo). I transitori termici del catalizzatore sono invece più lunghi, e il suo funzionamento è fortemente influenzato dalla temperatura a cui va a lavorare: per cui nel qual caso si voglia simulare anche il funzionamento del catalizzatore (si sottolinea che ciò non è stato argomento del presente lavoro di tesi) sarà probabilmente necessario considerare una variazione della temperatura di lavoro nell’arco di tempo del ciclo imposto, ossia considerare che inizialmente il catalizzatore lavorerà a basse temperature e che queste aumenteranno nel tempo con una certa inerzia fino a stabilizzarsi ad un certo valore; in alternativa potrebbero essere effettuate delle misure di emissioni post catalizzatore in condizioni stazionarie, sulle quali tarare il modello di simulazione e pesare poi la differenza tra i risultati sperimentali ottenuti lungo il ciclo di omologazione e quelli ricavati dalle simulazioni sullo stesso ciclo, cercando quindi di ricavare un fattore

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Resta inoltre valido il principio per cui un’analisi “virtuale” del motore ed una sua ottimizzazione a partire da mappe rappresentative di stati di funzionamento a regime è pur sempre corretta in termini comparativi e quindi utile nel qual caso si ricerchino soluzioni ottimali, in termini di prestazioni, consumo di combustibile e rendimento (una messa a punto del motore in condizioni di regime avrà ripercussioni positive anche nel suo funzionamento in transitorio). Quanto scritto sarà dimostrato nel seguito dell’elaborato dai risultati ottenuti sia nella fase di calibrazione del modello che di ottimizzazione del motore.

Per la creazione della mappa motore a partire dai dati del modello monodimensionale si è implementato in MatLab® una apposita funzione (o meglio una per ciascun codice 1D utilizzato nel corso dell’attività: “genmaps_Wave.m” e “genmaps_GT.m”) che genera una matrice “map” a partire dal file *.sum di Wave® o *.rlt di GT‐Suite® (files di testo contenenti tutti i parametri di funzionamento del motore calcolati dalla simulazione monodimensionale) (si veda Appendice B per maggiori dettagli sulla suddetta funzione e sulle altre ad essa annesse).

Per far interagire invece la mappa motore con il modello Simulink®, è stata formulata la S‐function “maps.m” (si veda sempre Appendice B), richiamata dal blocco maps del modello veicolo.

A tale blocco arrivano le seguenti due variabili, entrambe calcolate dal modello veicolo: u(1), ossia la coppia motrice necessaria per seguire il profilo di velocità imposto ed u(2) che è la velocità di rotazione del motore. Si ricorda nuovamente che la prima è ottenuta a partire dalla differenze di velocità, ad ogni time step del calcolo, tra quella imposta al veicolo e quella simulata (il legame tra la differenza di velocità e la coppia richiesta è semplicemente proporzionale o secondo le preferenze di tipo PID, ossia Proporzionale‐ Integrale‐Derivativo).

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La resistenza all’avanzamento (Figura 4.4) è invece funzione della velocità dello scooter e dell’attrito tra pneumatici e strada (ed eventualmente anche della pendenza della strada). A seconda di ciò che interessa simulare, sono stati prodotti diversi sottoblocchi per il calcolo della stessa.

Nel caso si voglia simulare un ciclo di omologazione, dove la coppia resistente è imposta dai rulli, questa è data dalla somma di due componenti:

• F0: termine costante, rappresentativo della resistenza al rotolamento dei pneumatici;

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(40)

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(42)

sola velocità imposta e della sua derivata (accelerazione attesa); il valore di coppia richiesta ipotizzato dal modello è poi corretto sulla base della differenza di velocità tra imposta e calcolata. Difatti questa differenza in termini numerici altro non è che un errore rispetto alla funzione obiettivo, ossia il profilo velocità‐tempo imposto, da emulare attraverso il modello numerico del veicolo, che per MatLab‐Simulink® è un insieme di equazioni da risolvere. Il modello deve essere infatti in grado di seguire il suddetto profilo più o meno bene indipendentemente da un controllo retroattivo sull’errore (differenza di velocità); la retroazione deve quindi contribuire a dare una migliore precisione sulla velocità calcolata rispetto a quella imposta.

Il controllo retroattivo anche in questo caso può essere di due tipi: • Semplicemente Proporzionale

• PID

Il controllo PID è ovviamente in grado di ridurre maggiormente ed in modo più immediato l’errore rispetto alla funzione obiettivo (differenza di velocità); del resto è anche più difficile da tarare correttamente rispetto al semplice Proporzionale, in quanto si deve agire su tre parametri anziché uno solo.

Inoltre la differenza tra la velocità simulata e quella imposta, sia utilizzando il semplice controllo Proporzionale che il controllo PID, resta comunque dello stesso ordine di grandezza e lo scooter in entrambi i casi segue correttamente il profilo missione. Le differenze tra i due tipi di controllo (Proporzionale o PID) rientrano nel grado di incertezza intrinseca del modello stesso introdotta dalle approssimazioni fatte per simulare in modo snello il funzionamento di motore e veicolo: i punti e le condizioni di funzionamento previsti dal modello restano quindi circa inalterati ed in entrambi i casi, come vedremo nel seguito dell’elaborato, molto simili a quelli reali; è quindi sufficiente utilizzare il controllo retroattivo di tipo solo Proporzionale.

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4.5.3.

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(44)

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• Frizione completamente disinnestata: non viene trasmessa nessuna coppia alle ruote; il motore vede come resistenze al moto solo le proprie perdite organiche e quelle del variatore automatico di velocità e come inerzie solo quelle dei corrispettivi organi meccanici (disco frizione incluso essendo solidale alla puleggia condotta del CVT);

• Fase di innesto: la frizione è in fase di slittamento ed ancora non è completamente attaccata; per effetto dell’attrito tra i ceppi (vincolati al disco frizione) e la campana (vincolata alla ruota) viene però trasmessa coppia alla campana stessa e quindi alla ruota; lo scooter inizia quindi a muoversi;

• Innesto completo: la campana e il disco frizione ruotano alla stessa velocità ed è possibile in prima approssimazione considerare la frizione al pari di un collegamento rigido.

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