Analisi dello stile di guida veicolare e delle emissioni di CO2

(1)

POLITECNICO DI MILANO

FACOLT `A DI INGEGNERIA INDUSTRIALE E DELL’INFORMAZIONE

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Meccanica - Motori e Turbomacchine

Analisi dello stile di guida veicolare

e delle emissioni di CO

2

Candidato:

Alessandro SAFFIOTI

Matricola 823533

Relatore:

Prof. Giandomenico CARUSO

Correlatore:

Prof. Ing. Lorenzo MUSSONE

(2)

(3)

Indice

Abstract VII

Introduzione XI

1. Emissioni inquinanti legate ai trasporti 1

1.1 Emissioni di CO₂ . . . 1

1.2 Emissioni di altri inquinanti . . . 9

1.3 Normative per controllare le emissioni . . . 15

1.4 Controllo emissioni da parte di case automobilistiche . . . 17

2. Sistemi di simulazione di guida 19 2.1 Cenni sulla simulazione dinamica multibody . . . 19

2.2 Il simulatore di guida . . . 21

2.3 Software di simulazione utilizzati . . . 24

3. Elaborazione dello stile di guida ideale 31 3.1 Il veicolo . . . 31

3.2 Definizione del tracciato . . . 32

3.3 Impostazione dei parametri eco . . . 38

3.4 Risultati . . . 43

4. Obiettivi e preparazione del test 47 4.1 Scopo delle simulazioni . . . 47

4.2 Il sistema di acquisizione . . . 48

4.3 Il simulatore utilizzato per la tesi . . . 54

4.4 Modifiche apportate a CarMaker . . . 56

5. Esecuzione del test ed elaborazione dei dati acquisiti 59 5.1 Struttura del test . . . 59

5.2 Calcoli . . . 64

6. Risultati 69 6.1 Risultati dell’analisi ANOVA . . . 69

6.2 Analisi consumi e stile di guida dei due gruppi . . . 72

(4)

II INDICE

6.3 Analisi risultati fisiologici . . . 82 6.4 Discussione dei risultati . . . 86 6.5 Conclusioni sugli esperimenti svolti . . . 87

Conclusioni 89

Appendice A. Questionario sull’esperienza svolta 91

Appendice B. Risultati questionario 101

(5)

Elenco delle figure

I Mezzo di trasporto scelto dai dipendenti e dagli studenti del Politecnico. Valori espressi in punti percentuali. . . XIII

1.1 Emissioni di inquinanti per le attivit`a dell’uomo, [8] . . . 3

1.2 Emissioni di un motore Otto[9] . . . 4

1.3 Emissioni NO_x di un motore Diesel[17] . . . 12

1.4 Emissioni dei principali inquinanti funzione del rapporto aria/-combustibile [9] . . . 12

1.5 Catalizzatore trivalente. [9] . . . 14

1.6 Filtro antiparticolato [17] . . . 15

1.7 Profilo di velocit`a del NEDC [18] . . . 16

1.8 Profilo di velocit`a del WLTP [19] . . . 16

2.1 Uno dei pi`u moderni simulatori di guida, cortesia Danisi. http://www.danisieng.com/simulation-2/ . . . 23

2.2 Evoluzione della tecnologia dei simulatori presso la Daimler, azienda tedesca produttrice di simulatori di guida. [51] . . . . 23

2.3 Scenario realizzabile con IPG Road. . . 25

2.4 Scenario realizzabile con IPG Traffic. . . 26

2.5 Interfaccia grafica di CarMaker . . . 27

2.6 Strada generata con SimMechanics. [55] . . . 29

3.1 Automobile utilizzata per le simulazioni. Immagine tratta da CarMaker. . . 32

3.2 Curva di coppia e punti di consumo specifico. Nell’elenco si vedono solo i valori di consumo tra 1000 e 1500 giri per diversi valori di coppia. . . 33

3.3 Setting dell’IPG Traffic. In alto sono specificati i veicoli del traffico, i pedoni, gli edifici e le decorazioni. Sotto sono elen-cate le manovre che il veicolo deve effettuare. Infine sono presenti le condizioni iniziali: il veicolo in questione ha una ve-locit`a iniziale di 25 km/h e parte quando il veicolo dell’utente ha percorso 2890 metri. . . 34

3.4 Percorso generato con Google Earth . . . 35

(6)

IV ELENCO DELLE FIGURE

3.5 Il riquadro rosso rappresenta l’inserimento del tracciato

im-portato da Google Earth. . . 36

3.6 Percorso generato con CarMaker . . . 37

3.7 Impostazione “Long.DriveCycle Coef” e “Long.DriveCycle Tol”. 40 3.8 Impostazione dei parametri generali del Driver, guida prudente 41 3.9 Impostazione dei parametri del Driver: comportamento del veicolo nel traffico. . . 42

3.10 Profilo di velocit`a stile di guida eco. . . 44

3.11 Regime di rotazione del motore stile di guida eco. . . 44

3.12 Tempo trascorso nelle diverse fasce di regime del motore (espres-so un secondi). . . 45

3.13 Profilo di accelerazione stile di guida eco. . . 45

4.1 BVP Flex/Comp[36] . . . 50

4.2 BVP Flex/Comp [36] . . . 51

4.3 SC Flex/Pro [37] . . . 52

4.4 Strumentazione per l’acquisizione [38] . . . 52

4.5 Valutazione della low frequency e della high frequency a par-tire dalla PSD della heart rate variability. [40] . . . 54

4.6 Simulatore di guida del laboratorio i-Drive. . . 55

4.7 Seating buck. . . 56

5.1 Primo scenario . . . 60

5.2 Dettaglio del secondo scenario: attraversamento pedonale. . . 60

5.3 Dettaglio del percorso milanese: rotatoria. . . 62

5.4 Interfacciamento dei software menzionati. . . 63

6.1 Boxplot dei consumi medi del gruppo sperimentale e di con-trollo. . . 73

6.2 Cumulata dei consumi lungo il percorso. . . 74

6.3 Differenza tra il profilo di velocit`a ideale e il profilo di velocit`a medio sperimentale. . . 75

6.4 Profilo medio di velocit`a medi: confronto tra i due gruppi. . . 76

6.5 Varianza del profilo di velocit`a all’interno dei due gruppi. . . 77

6.6 Profilo medio di accelerazione medi: confronto tra i due gruppi. 78 6.7 Varianza del profilo di accelerazione: confronto tra i due gruppi. 79 6.8 Dettaglio del profilo di accelerazione. Si ricorda che il blu `e il gruppo di controllo mentre il rosso quello sperimentale. . . 79

6.9 Distribuzione di frequenze per numero di giri nel gruppo spe-rimentale, di controllo e stile di guida ideale. . . 81

6.10 Andamento dell’Heart Rate nel gruppo sperimentale e in quel-lo di controlquel-lo. . . 83

6.11 Andamento del rapporto LF/HF nei due gruppi. . . 84

(7)

Elenco delle tabelle

I Dati sul trasporto del personale del Politecnico con auto. . . XII

1.1 Dati energetici e di emissioni di alcuni idrocarburi . . . 4 1.2 Stima di massima emissioni di CO₂ al variare

dell’alimenta-zione e della cilindrata. . . 6

6.1 Consumi medi di tutti i soggetti del campione espressi in litri per 100 km. . . 70 6.2 Velocit`a medie di tutti i soggetti del campione espressi in

metri al secondo. . . 70 6.3 Accelerazioni medie di tutti i soggetti del campione espressi

in m/s2_{. . . .} ₇₀

6.4 Regime di rotazione medio espresso in RPM. . . 71 6.5 Risultati dall’analisi ANOVA, fissato un livello di

attendibi-lit`a del 95 %. . . 71 6.6 Risultati dai questionari. . . 72 6.7 Media e varianza dei consumi medi dei due gruppi. . . 73 6.8 Consumi per il veicolo in esame per cinque differenti

con-figurazioni a regime di rotazione del motore costante (1500 RPM). . . 75 6.9 Media e varianza nei due gruppi dell’energia dissipata con le

frenate. . . 80 6.10 Confronto tra la energia meccanica prodotta e dissipata nel

gruppo di controllo, sperimentale e lo stile di guida ideale. . . 80 6.11 Confronto tra i consumi specifici nel gruppo di controllo,

sperimentale e guida ideale. . . 81 6.12 Differenza nei valori tra le due baseline. . . 86

(8)

(9)

Abstract

Nel settore automobilistico assume sempre più importanza la necessità di controllare le emissioni di inquinanti. Per compren-dere pienamente questo problema, è necessario tenere presente che lo stile di guida influenza notevolmente le emissioni. I si-stemi di simulazione numerica permettono di fare una stima dei parametri che impattano maggiormente sulle emissioni e, conse-guentemente, possono suggerire per un dato percorso lo stile di guida ideale. Tuttavia, è difficile stimare quanto un guidatore si discosti nella guida reale da questo stile. Analizzare quest’ultimo aspetto è molto interessante perché permette di capire qual è il margine di miglioramento nella riduzione delle emissioni. Que-sto miglioramento può essere ottenuto indicando al conducente alcune tecniche per ridurre le emissioni. Risulta però importante capire quanto seguire uno stile di guida, diverso da quello perso-nale, porti ad un aumento del carico cognitivo, cioè a un impegno mentale più elevato. Questo fenomeno potrebbe indurre il gui-datore a non seguire i consigli proposti e potrebbe addirittura portare a disattenzioni durante la guida.

Questo lavoro di tesi, partendo dalla descrizione delle principali tecniche di simulazione virtuale, ha avuto come obiettivo l’anali-si dello stile di guida veicolare in funzione delle emisl’anali-sioni di CO₂. Inizialmente `e stato calcolato uno stile di guida ideale tramite un simulatore numerico. Successivamente i dati relativi a que-sto stile di guida sono stati confrontati statisticamente con due diversi campioni di soggetti che hanno guidato sullo stesso per-corso. Durante la guida solo ad uno dei due campioni sono stati indicati alcuni accorgimenti su come ridurre consumi ed emissio-ni.

Oltre ai dati legati alle prestazioni del veicolo, utilizzati per quan-tificare la riduzione delle emissioni, sono stati acquisiti alcuni parametri fisiologici al fine di determinare l’impatto cognitivo legato al mantenimento di uno stile di guida diverso da quello personale.

(10)

VIII ABSTRACT

Da questo lavoro si è capito che c’è una profonda influenza dello stile di guida sulle emissioni di CO₂, dimostrato dalla varianza interna al campione che ha guidato secondo il proprio stile. Inoltre, il suggerimento di uno stile di guida per ridurre le emis-sioni porta a una riduzione dei consumi. Questo fatto è accom-pagnato però da un sensibile aumento del carico cognitivo. Infine, è stato possibile quantificare il discostamento dei guida-tori rispetto al caso ideale. In particolare, si è osservato che la differenza è principalmente legata al profilo di velocità del vei-colo e al regime di rotazione del motore.

Parole chiave automotive, emissioni di inquinanti, consu-mi, simulatore di guida, stile di guida, CarMaker, workload.

(11)

Abstract (English)

In the automotive industry, the necessity to control emissions of pollutants is an aspect of increasing importance. To fully un-derstand this issue, the implication of the driving style in the CO₂ emissions should be taken in account. Numerical simula-tion systems make possible the estimasimula-tion of the parameters that most influence the emissions, and, consequently, can suggest the ideal driving style for a given track. However, the estimation of the differences between the real driver and the ideal driving style is quite hard. The analysis of this last point is very interesting because it let the reader understand the possible improvement in emission reduction. This improvement can be obtained pro-viding techniques to reduce emissions to the driver. Another important fact is to understand if following a particular driving style, which could be different from the driver’s one, leads to an increase of the mental workload. This phenomenon could make the driver not follow the suggestions and he could even bring to oversights while driving.

This thesis, starting from the description of the main virtual simulation techniques, wants to analyze the vehicular driving style as a function of CO₂ emissions.

First, an ideal driving style was evaluated by means of a nume-rical simulator. Then, the data related to this driving style are statistically compared with two different samples of drivers who drove on the same track. During the performance, information about eco driving have been provided to one of the two samples. Besides the data related to the vehicle performance, which were used to study the reduction of the emissions, some physiologi-cal parameters were acquired in order to determine the cognitive impact of the retention of a different driving style compared to the personal one.

This research demonstrates that there is a deep influence of dri-ving style on CO₂ emissions because of the inner variance in the

(12)

X ABSTRACT

drivers sample who drove according to their driving style. Furthermore, the suggestion of an eco - driving style leads to a fuel consumption reduction. However, this fact leads to a sensi-ble workload increase.

Finally, despite the suggestion of eco driving, the drivers gene-rated an emission level higher than the ideal driving style. This because the speed profile and the engine RPM were different from the ideal case.

Keywords automotive, emissions of pollutants, fuel con-sumption, driving simulator, driving style, CarMaker, workload.

(13)

Introduzione

L’obiettivo di questa tesi `e analizzare la complessa variabile Stile di guida oltre che capire la sua influenza sulle emissioni di CO₂.

Questa tesi si colloca all’interno di un progetto avviato dal Po-litecnico di Milano nel 2015. In questo progetto sono trattati argomenti come: analisi dei mezzi di trasporto per raggiungere il Politecnico, miglioramento delle emissioni e del traffico. I ri-sultati di molti di questi argomenti sono già disponibili da alcune tesi già concluse[12]. È emerso che la maggiorparte del personale del Politecnico preferisce raggiungere la sede utilizzando i mezzi pubblici: il 53% degli studenti prende il treno, il 44 % la me-tropolitana. Nelle tesi già concluse sono state riportate anche le motivazioni di questa scelta: il mezzo pubblico (ad esempio il treno) è preferito per la economicità e per la velocità. Esso infatti non deve fronteggiare i problemi del traffico, che, in certi orari, si esplicano in ritardi eccessivi e maggiori rischi di provo-care incidenti.

Tuttavia una parte non trascurabile del personale, (il 25% degli studenti e il 34 % dei lavoratori) preferisce l’auto: dai risultati dei sondaggi condotti nelle tesi precedenti è emerso che le moti-vazioni principali sono la comodità e in alcuni casi la velocità e la sicurezza.

L’uso del mezzo pubblico `e molto positivo dal punto di vi-sta delle emissioni di inquinanti: secondo quanto pubblicato sul testo letterario “Energy: A beginner guide” [27], spostarsi uti-lizzando un mezzo pubblico significa ridurre dell’80% il consumo energetico rispetto all’auto. A una riduzione del consumo energe-tico segue necessariamente una riduzione delle emissioni di CO₂, perch`e meno combustibile deve essere bruciato.

Inoltre, sempre secondo i lavori di tesi gi`a svolti, ogni au-tomobilista percorre in media circa 5600 km/anno, mentre ogni passeggero di un mezzo pubblico, 10000 km/anno. Complessi-vamente 3000 persone scelgono l’auto per venire al Politecnico. Questo significa che in un anno vengono percorsi circa 17

(14)

XII INTRODUZIONE

Dipendenti Studenti Frazione che viaggia in auto 34% 25% Frazione che parte da Milano 50% 58% Frazione che parte dall’hinterland milanese 16% 6%

Distanza media percorsa 35 km 33 km Frazione che viaggia con un’auto elettrica ibrida 2.7% 0.7% Frazione che viaggia con un’auto GPL o Metano 11.1% 10.1%

Frazione che viaggia con un’auto solo elettrica 0.2% 0.7% Frazione che viaggia con un’auto benzina (≥ 2.0 l) 1.3% ND Frazione che viaggia con un’auto benzina (≤ 1.4 l) 34% 49% Frazione che viaggia con un’auto benzina (1.4-2.0 l) 11.7% 15.5%

Frazione che viaggia con un’auto Diesel (≥ 2.0 l) 4.7% 3.4% Frazione che viaggia con un’auto Diesel (≤ 1.4 l) 7.9% 8.1% Frazione che viaggia con un’auto Diesel (1.4-2.0 l) 25.6% 11.5%

Tabella I: Dati sul trasporto del personale del Politecnico con auto.

ni di chilometri con questo mezzo. Invece i mezzi pubblici sono scelti da circa 6000 persone e vengono percorsi 60 milioni di chilo-metri. Ricordando che l’utilizzo di un mezzo pubblico comporta una riduzione delle emissioni dell’80%, si deduce che la maggior parte della produzione di inquinanti è legato alle automobili. Da una rielaborazione dei risultati delle tesi già concluse si è osservato che le automobili utilizzate sono per più dell’85 % a gasolio o a benzina. Questo fatto non è positivo perché, come si vedrà più avanti, sono quelle che emettono più inquinanti. Bi-sogna notare però che le automobili più usate per raggiungere il Politecnico hanno motori piccoli, il che significa che emettono meno gas: come si vedrà la differenza non è però poi cos`ı grande. Un altro dato poco incoraggiante è la ripartizione dei passeggeri sui veicoli: un’auto omologata per cinque posti, mediamente si trova occupata da 1.27 persone. Questo comporta più veicoli in strada, quindi più traffico e più emissioni.

Presa visione di questi dati, diventa importante capire come migliorare le emissioni da parte degli autoveicoli.

Questo problema non è nuovo: già da anni le case automobili-stiche stanno cercando di risolverlo, ad esempio equipaggiando i veicoli con sistemi che comunicano al conducente quanto virtuo-sa sia la sua guida. Purtroppo i dispositivi sulle vetture spesso non vengono seguiti perché possono indurre stress nel conducen-te. In questo lavoro di tesi si cercherà di capire anche come il suggerimento di ridurre le emissioni di CO₂ vengano recepite dal guidatore in termini di sforzo cognitivo.

(15)

XIII

Figura I: Mezzo di trasporto scelto dai dipendenti e dagli studenti del Politecnico. Valori espressi in punti percentuali.

Struttura della tesi

Le emissioni di anidride carbonica nel settore automotive so-no largamente studiate al giorso-no d’oggi. Ciò che non è piena-mente sviluppato è lo studio di questo argomento mediante un simulatore di guida. Il presente lavoro di tesi vorrebbe fornire un contributo allo sviluppo di questo argomento. Fare ciò è molto importante perché diventa possibile studiare la variabile stile di guida facendo delle prove con diversi utenti. Il simulatore forni-sce inoltre uno spunto per condurre un’altra importante ricerca: capire quanto il suggerimento di seguire un determinato stile di guida incida sullo stress del guidatore.

Questa tesi inizia con un background sulle emissioni di CO₂ legate ai trasporti, descrivendo nel dettaglio le cause e le con-seguenze. In seguito vengono elencate le principali fonti di in-quinanti, focalizzando l’attenzione sulle normative che regolano le emissioni e sui metodi per contenerle: l’utilizzo di sistemi di post-trattamento e il miglioramento del processo di combustione, ad esempio. Per contenere le emissioni, inoltre ogni casa auto-mobilistica deve eseguire dei test, che possono essere condotti in due modi: secondo un metodo sperimentale o secondo un meto-do numerico. Risulta possibile anche una combinazione dei due: utilizzare un simulatore di guida. Di questa terza soluzione si discute ampiamente nel secondo capitolo, in particolare focaliz-zandosi sulla parte hardware e software. Viene cio`e descritta la

(16)

XIV INTRODUZIONE

parte fisica del simulatore (che si compone generalmente di: vo-lante, pedaliera, cambio e sistemi di movimentazione per ricreare le forze che agiscono sul guidatore) e vengono spiegati i princi-pali software utilizzati. Per questa tesi `e stato scelto CarMaker, prodotto dalla IPG Automotive.

Nel capitolo 3 si spiega come `e stato generato lo scenario: `e una strada cittadina realmente esistente a Milano che si compo-ne di intersezioni (a raso, a livelli sfalsati e rotatorie). Questo scenario ha molti elementi realistici: oltre alla strada completa di segnaletica sono presenti edifici e decorazioni.

Sempre in questo capitolo, viene presentato un metodo svi-luppato nell’ambiente di CarMaker per impostare una guida au-tomatica, ottimizzata per ridurre le emissioni. In altre parole, assegnato un percorso, CarMaker `e in grado di fornire lo stile di guida ottimale.

Nel capitolo 4 si descrive in primo luogo lo scopo e la prepa-razione dell’esperimento: oltre a valutare l’influenza dello stile di guida sulle emissioni di CO₂, si vuole capire la variazione dello stress del guidatore legato al suggerimento di uno stile di guida ottimale. Diversi studenti hanno guidato con il simulato-re sul tracciato cittadino. Mentsimulato-re svolgevano il test, sono stati acquisiti alcuni parametri fisiologici (skin conductance, BVP e respirazione). Questo per poterli utilizzare nella stima del carico cognitivo, che è una misura dello sforzo mentale. L’acquisizio-ne è stata realizzata con un secondo software: Biograph Infiniti, prodotto dalla Thought Technology, un’azienda canadese. L’u-tilizzo combinato dei due software ha richiesto una sincronizza-zione (con un errore più basso di 0.5 - 0.8 secondi) realizzata tramite una riprogrammazione di CarMaker. Di questo si tratta nell’ultima parte del capitolo 4.

Nel capitolo 5 viene spiegata dettagliatamente la procedura seguita durante i test e si riportano le operazioni di postproces-sing dei risultati.

Nel capitolo 6, infine, vengono riportati i risultati ottenuti dagli esperimenti, separando la parte ingegneristica (calcolo dei consumi e delle emissioni, valutazione dei diversi stili di guida) dalla parte fisiologica.

(17)

Capitolo 1

Emissioni inquinanti legate

ai trasporti

1.1 Emissioni di CO

₂

Presentazione del problema

Negli ultimi decenni ci si è resi conto, con sempre maggiore preoccupazione, che l’uso dei combustibili fossili produce sostan-ze gassose nocive per la salute dell’uomo e dannose per l’ambiente e la stabilità del clima. Questo suggerisce da un lato l’uso del-la massima cautedel-la nell’introdurre materiali di rifiuto nell’aria e dall’altro, la necessità di un diffuso e continuo monitoraggio del-la situazione e di un’analisi scientifica accurata dei dati raccolti. Le nazioni sviluppate, sotto l’influenza dell’opinione pubblica e grazie al progresso tecnologico, tendono a ridurre le emissioni di sostanze nocive e vorrebbero imporre i loro standard ecologici ai Paesi in via di sviluppo. Tuttavia l’inquinamento del pianeta è destinato ad aumentare, anche perché gli stessi Paesi sviluppati a volte rifiutano di aderire a norme anti-inquinamento per non sfavorire il proprio sistema produttivo.

Circa un quarto della radiazione solare che colpisce la Terra è riflessa nello spazio dalle nubi; un altro quarto circa è assorbi-to dall’atmosfera e si trasforma in calore. La metà rimanente dell’energia solare raggiunge la superficie terrestre: la maggior parte è assorbita, una piccola parte è riflessa (per esempio dalle calotte polari).

Certi gas come la CO₂ assorbono parte dell’energia che dalla superficie terrestre ritorna verso l’atmosfera, si riscaldano e ri-mandano calore verso la Terra. I primi produttori di questo gas sono i vulcani, che cos`ı facendo hanno reso il clima terrestre

(18)

2 CAPITOLO 1. EMISSIONI INQUINANTI LEGATE AI TRASPORTI

tabile: se non ci fosse questo gas la temperatura terrestre sarebbe di circa 30 °C pi`u bassa. Quindi la CO₂ naturale ha un effetto molto positivo sul clima.

Da quando però ha iniziato a usare intensamente i combustibili fossili l’umanità riversa nell’atmosfera quantità sempre crescenti di CO₂, modificando cos`ı il clima della Terra e dando origine al problema noto come effetto serra1_{. Agli attuali ritmi l’umanit`}_a

ogni anno produce e immette nell’atmosfera circa 30 miliardi di tonnellate di anidride carbonica. In seguito all’uso dei com-bustibili fossili, dall’inizio della rivoluzione industriale a oggi la concentrazione di CO₂ è aumentata da 275 a circa 400 parti per milione e si prevede che, se non saranno presi provvedimenti opportuni, essa potrà superare 550 ppm alla fine del ventune-simo secolo. Le conseguenze dell’aumento della concentrazione di CO₂ nell’atmosfera potrebbero essere disastrose. Si sa infat-ti che la temperatura aumenta grossomodo linearmente con la concentrazione di CO₂. Se questa dovesse aumentare per più di 2°C (che corrispondono all’emissione nell’aria di CO₂ per trenta anni), le calotte polari si destabilizzerebbero e farebbero salire il livello del mare cancellando per sempre le città costiere. Questo fatto disastroso sarebbe inoltre accompagnato da una crescente frequenza di fenomeni metereologici estremi. [11]

Nell’accordo di Parigi, tenutosi a fine 2015 si `e stabilito di con-tenere l’incremento di temperatura al di sotto dei 2°C, impe-gnandosi, per quanto possibile di non superare 1.5°C. Questo evidentemente per motivi di sicurezza.[12]

Causa delle emissioni di CO₂

Come si nota dalla figura 1.1, circa un quarto delle emissioni di anidride carbonica sono legate ai trasporti. La figura riporta anche le emissioni di altri inquinanti, di cui si parla nel prossimo paragrafo.

Dalla figura 1.2, invece si osserva che il principale inquinante emesso dai mezzi di trasporto `e il diossido di carbonio (CO₂). Questo gas `e uno dei due prodotti della reazione di combustione di un generico idrocarburo:

1

Fenomeno che si produce allorch´e un certo mezzo risulta trasparente alle componenti di breve lunghezza d’onda dello spettro della radiazione solare (per es., alla parte ultravioletta e visibile) ma `e opaco rispetto a radiazioni di maggiore lunghezza d’onda come la radiazione infrarossa: un mezzo con queste caratteristiche trattiene la radiazione infrarossa emessa dai corpi riscaldati in seguito all’assorbimento della radiazione di minore lunghezza d’onda con un conseguente aumento della temperatura sottostante. (Enciclopedia Treccani, s.v. “effetto serra”.)

(19)

1.1. EMISSIONI DI CO₂ 3

Figura 1.1: Emissioni di inquinanti per le attivit`a dell’uomo, [8]

C_xH_y+ (X + 0.25 Y)O₂ −−→ XCO₂+ 0.5 YH₂O (1.1)

Dalla reazione chimica si osserva che la quantità di anidride carbonica emessa è proporzionale alla quantità di combustibile bruciato. Nel caso della reazione di combustione del metano, infatti si può dire che bruciando una mole di metano viene pro-dotta una mole di CO₂. Se si bruciano due moli di metano si producono due moli di anidride carbonica.

CH₄+ 2 O₂ −−→ CO₂+ 2H₂O (1.2) La quantità di CO₂ emessa è anche legata alla quantità di atomi di carbonio che formano la molecola dell’idrocarburo. In particolare, più sono gli atomi di carbonio, maggiore è il quanti-tativo di CO₂ prodotto per unità di massa di combustibile bru-ciato. Interessante anche il discorso energetico: aumentando il numero di atomi di carbonio, il potere calorifico diminuisce, co-me mostra la tabella 1.1. [6]:

La tabella permette di osservare che attraverso la combustio-ne di un chilogrammo di idrocarburi si emettono combustio-nell’aria circa 3 chilogrammi di anidride carbonica, che corrispondono a 1.5

(20)

Figura 1.2: Emissioni di un motore Otto[9]

Combustibile Formula PCI CO₂ emessa Metano CH₄ 55MJ/kg 2.75 kgCO₂/kgCH₄ Propano C₃H₈ 50.5MJ/kg 3.00 kgCO₂/kgC₃H₈

Butano C₄H₁₀ 49.5MJ/kg 3.03 kgCO₂/kgC₄H₁₀ Ottano C₈H₁₈ 48MJ/kg 3.09 kgCO₂/kgC₈H₁₈

Tabella 1.1: Dati energetici e di emissioni di alcuni idrocarburi

metri cubi di gas. Questo rende certo l’idea della mole di in-quinamento che si genera ogni volta che si utilizza l’automobile. Con un pieno di 50 litri di benzina (approssimabile a C₈H₁₈), si emettono ben 60 metri cubi di anidride carbonica2_.

Per contenere queste emissioni diverse strategie (non sempre ef-ficaci) sono state adottate nel corso degli anni. Una soluzione `e l’introduzione dei biocarburanti. Essi sono essenzialmente co-stituiti da atomi di carbonio, idrogeno e ossigeno. Hanno un potere calorifico nettamente pi`u basso dei combustibili appena citati (minore di 40 MJ/kg), ma consentono una riduzione di emissioni fino al 30%3_.[7]

Poiché nelle grandi città il problema delle emissioni è

maggior-2

Questi calcoli sono stati eseguiti utilizzando la legge dei gas perfetti pv=mRT suppo-nendo il gas in condizioni normali p= pressione = 1bar, T = temperatura = 273 K. La costante R per la CO2`e pari a: 189 j/kgK [10].

3

Fonte: CEN/TC 320/WG 10 Methodology for calculation and declaration of energy consumptions and GHG emissions in transport services.

(21)

mente sentito a causa dell’effetto combinato del riscaldamento e del traffico, il veicolo elettrico potrebbe essere una soluzione. L’utilizzo di questa tipologia di veicoli non eviterebbe la produ-zione di inquinanti (perché per produrre elettricità con i metodi convenzionali bisogna bruciare combustibili), ma perlomeno si evitano le emissioni in loco (salvo la produzione di particolato dovuta all’usura degli pneumatici, freni e sollevamento polveri). In altre parole, con i veicoli dotati di motore a combustione inter-na, si è obbligati a generare inquinanti nel punto in cui il veicolo si trova, mentre con i veicoli elettrici, si può scegliere il punto dove generarli: lontano dalle grandi città.

Soluzioni

Secondo quanto riportato sul testo letterario “Energia per l’astronave Terra“[11], l’automobile è il mezzo più inquinante, soprattutto sulle brevi distanze: se l’auto deve percorrere po-chi po-chilometri, si manifesta il problema delle elevate emissioni a freddo (in particolare HC, CO, NO_x, che saranno analizzate più avanti), ma soprattutto uno stile di guida cittadino è caratte-rizzato da continue accelerazioni, frenate e fermate ai semafori, condizioni che incrementano le emissioni di CO₂.

Il motivo per cui l’auto è un mezzo cos`ı inquinante è da ricercarsi principalmente nel fatto che per spostare il peso di una persona è necessario movimentare una massa almeno dieci volte superiore. Una prima soluzione potrebbe essere quella di trasportare più persone con una automobile: questo non solo incrementerebbe l’efficienza del trasporto, ma ridurrebbe un’altra causa che agisce pesantemente sulle emissioni: il traffico. [11]

Inoltre una buona parte di automobilisti preferisce muoversi con auto molto grandi: se la massa del veicolo aumenta, l’ef-ficienza del trasporto diminuisce ancora. Questo comporta un incremento delle emissioni. [11]

Infine le emissioni di CO₂dipendono anche dalla taglia e dal tipo di motore. Dalla tabella 1.2 si evince che a parit`a di cilindrata, i motori Diesel emettono meno anidride carbonica: questo `e lega-to al maggior rendimenlega-to di questi molega-tori; aumentando invece la cilindrata si verifica un incremento delle emissioni, giustificato dalla maggiore energia dissipata internamente al motore4_.

Di fronte a questo scenario per niente incoraggiante si posso-no adottare differenti soluzioni.

4

Questi dati sono stati calcolati facendo uso di un software presente sul sito www.CO2balance.it che permette di dare una stima di massima.

(22)

Cilindrata Motore a Benzina Motore Diesel ≤ 1.4 litri 16.19 kg/100km 14.05 kg/100km 1.4 - 2.0 litri 20.49 kg/100km 17.48 kg/100km ≥ 2.0 litri 29.68 kg/100km 22.94 kg/100km

Tabella 1.2: Stima di massima emissioni di CO₂al variare dell’alimentazione e della cilindrata.

Una delle più importanti, ed argomento di questa tesi, è l’ot-timizzazione dello stile di guida. Secondo una pubblicazione dal titolo “Vehicle’s energy estimation and optimization via inertial measurement” condotta presso il Politecnico di Milano [22], uno stile di guida ottimale può ridurre anche del 40% le emissioni di inquinanti.

Tuttavia non `e facile e soprattutto univoco classificare lo stile di guida. Secondo uno studio dal titolo “The multidimensional driving style inventory scale construct and validation” [1] lo stile di guida pu´o essere:

• ansioso; • rischioso; • aggressivo; • veloce;

• tale da ridurre il disagio; • calmo;

• prudente.

Un’altra sfida `e capire da quali variabili esso dipenda. Secon-do lo stesso studio, lo stile di guida dipende da:

• sesso; • et`a;

• esperienza di guida; • capacit`a di autostima;

• capacit`a di controllo delle situazioni pericolose; • quanto si ami il rischio;

• estroversione; • tipo del percorso.

Queste variabili possono essere acquisite attraverso questio-nari, ad esempio.

Esiste un altro aspetto da valutare. Secondo uno studio dal ti-tolo “Differences of drivers reaction times according to age and

(23)

mental workload”, [2] lo stile di guida (in particolare il tempo di reazione) `e influenzato dal workload. Il workload misura la concentrazione assunta quando si svolge un lavoro in un tempo prestabilito. In altre parole pu`o essere definito nel seguente mo-do:“So much work to do, so little time” (“cos`ı tanto lavoro da fare, cos`ı poco tempo”) [4]. Esso dipende da alcuni parametri fisiologici del guidatore che possono essere acquisiti durante la guida.

Una volta presentati i parametri che influenzano lo stile di guida, lo si mette in relazione con le emissioni di CO₂.

Da quanto è emerso dal “quarto incontro Expert Panel Emis-sioni da Trasporto su Strada” [3], uno stile di guida non ottimale oltre a portare a differenze di parecchi punti percentuali in termi-ni di consumi e conseguentemente di emissiotermi-ni, può deteriorare il veicolo portandolo in breve tempo a emettere molto di più rispetto alle condizioni di progetto.

Infine, il guidatore deve adattare il proprio stile di guida in funzione dei fattori esterni, come semafori, rotatorie e condizio-ni di traffico. Questo senza dubbio incide sulle emissiocondizio-ni. Una strada molto trafficata, infatti fa incrementare i consumi, poiché il veicolo si trova a trascorrere molto tempo da fermo a motore acceso. Secondo uno studio condotto dal Politecnico di Mila-no, utilizzare le rotatorie al posto dei semafori può portare fino a una riduzione del 25% sulle emissioni di CO₂ e del tempo di percorrenza. [5] Questo è valido nel caso in cui il flusso vei-colare non sia vicino alla capacità della rotatoria. Nel caso lo fosse si ricorre all’uso di rotatorie semaforizzate. Questo risolve il problema della congestione su strade molto trafficate perché si interrompe a intervalli regolari il flusso veicolare che impegna la rotonda, consentendo l’immissione ai veicoli in attesa di entrar-vi. L’introduzione di una rotatoria semaforizzata ha però effetti fortemente negativi su tempi di percorrenza ed emissioni quan-do il flusso veicolare è basso. Il problema potrebbe essere risolto accendendo i semafori solo negli orari di punta.

Ottimizzare un semaforo, invece, porta a ridurre i consumi del 15% rispetto a un impianto semaforico non ottimizzato. L’otti-mizzazione avviene secondo i flussi che si registrano nell’ora di punta e viene fatta ad esempio regolando dinamicamente la du-rata del rosso e del verde.

Accanto allo stile di guida esistono altri parametri su cui si pu`o agire per ridurre le emissioni di anidride carbonica. Questi

(24)

sono:

• Ottimizzare il rendimento del motore;

• Ottimizzare il veicolo dal punto di vista aerodinamico; • Ridurre l’attrito degli pneumatici con l’asfalto.

Questi, al contrario dello stile di guida, sono dei parametri di progetto dell’autovettura. Di seguito vengono analizzati pi`u nel dettaglio.

a) Ottimizzare il rendimento del motore. Non tutta l’energia sviluppata dalla combustione diventa energia utile per il movimento. Un motore a benzina per il trasporto stradale ha un rendimento che arriva fino al 30%, mentre in un mo-tore Diesel si pu`o arrivare anche al 40%5_{. Questo `e causato}

dai differenti cicli termodinamici con cui operano i motori. Quindi se si riesce ad alzare questo rendimento, più energia meccanica sarebbe prodotta con la stessa quantità di com-bustibile. In altre parole, più energia meccanica sarebbe prodotta con la stessa quantità di inquinanti prodotti. [23]

b) Da una ricerca dal titolo “The fuel consumption of auto-mobiles” [24] emerge che l’ottimizzazione dal punto di vista aerodinamico `e un fattore chiave per ridurre le emissioni. Un’automobile che viaggia risente degli attriti viscosi del-l’aria. Questi attriti si tramutano in una potenza persa (espressa in W) che segue la relazione:

P = 1 2ρcxv

3_A _(1.3)

con:

• ρ = densit`a dell’aria [kg/m3_]

• cx = coefficiente di Drag, indice della resistenza

aero-dinamica

• v = velocit`a del veicolo [m/s] • A = area frontale del veicolo [m2_].

5_{Questi valori di rendimento sono stati calcolati a partire dai grafici di consumo} specifi-co di motori Diesel e benzina presi dal testo “Motori a specifi-combustione interna”, G. Ferrari[13]. `

E bene notare che il rendimento varia anche in funzione di: carico, regime di rotazione del motore. Questa variazione può essere anche molto grande: assegnato un motore Otto che a pieno carico ha un rendimento del 30 % , a carico parziale può scendere anche al 15%. Meno pesante é la variazione in un motore Diesel.

(25)

1.2. EMISSIONI DI ALTRI INQUINANTI 9

Si osserva che la resistenza aerodinamica assume grande im-portanza per alte velocit`a. [24]

I parametri di progetto legati all’ottimizzazione della po-tenza dissipata per drag sono: cx e A.[14]

c) Ridurre l’attrito degli pneumatici con l’asfalto. Secondo uno studio dal titolo “Tire rolling resistance and vehicle fuel consumption” la resistenza al rotolamento ha un im-patto molto forte sui consumi di carburante. La potenza spesa (espressa in W) per mantenere in moto a velocit`a co-stante una ruota `e: [14]

P = N ∗ fv∗ v (1.4)

. con:

• N = forza di contatto verticale pneumatico - terreno [N ]

• fv = coefficiente di resistenza al rotolamento

• v = velocit`a [m/s].

Si dimostra che una riduzione del 10% del coefficiente fv

porta a una riduzione del 2% dei consumi di carburante. [25]

Infine, secondo quanto riportato da uno studio condotto da Sivak e Schoettle (2012) incidono profondamente sul con-sumo di carburante: un motore non intonato(4 - 40%), una pressione degli pneumatici errata (1.5% ogni 5 psi), un olio del motore improprio (2%), l’uso del climatizzatore (5-25%). [48]

1.2 Emissioni di altri inquinanti

Il processo di combustione genera altri inquinanti oltre alla CO₂. I principali sono: ossido di carbonio (CO), idrocarburi incombusti (HC), ossidi di azoto (NO_x), ossidi di zolfo (SO_x) e particolato (per i motori Diesel). La quantità di questi inqui-nanti generata dal processo di combustione è molto più bassa di quella della CO₂, come mostra la figura 2.2, tuttavia i loro effetti sono molto pericolosi. L’ossido di carbonio, provoca un intossi-camento che può portare nei casi più gravi fino al coma e alla morte. [15] Gli idrocarburi incombusti portano a una riduzione del rendimento di combustione poichè non tutto il carburante

(26)

viene trasformato in energia. Gli ossidi di azoto sono tossici, ir-ritanti, danno origine allo smog fotochimico e alle piogge acide. [16] Le piogge acide sono causate anche dagli ossidi di zolfo6_{. Le}

loro conseguenze sono: profonda modifica delle proprietà chimi-che del suolo e delle acque dolci con conseguenti deforestazioni e scomparsa della vita nei laghi; danneggiamento dei monumenti [11]. Il particolato infine produce irritazione di occhi e organi dell’apparato respiratorio e può avere effetti cancerogeni. Esso è prodotto solo dai motori Diesel. [17]

In questa sezione si analizzano in primo luogo i principa-li inquinanti prodotti dai motori delle automobiprincipa-li focaprincipa-lizzando l’attenzione sul fatto che non esiste un modo per evitarne la pro-duzione, anche se la reazione chimica semplificativa 1.1 afferma che gli unici prodotti della combustione sono anidride carbonica e acqua. Purtroppo, il reale processo di combustione è molto più complicato: in primo luogo l’ossidazione non è completa7_{, inoltre}

in camera di combustione non entra solo ossigeno, ma aria che, contenendo azoto, introduce ulteriori problemi. Dopo aver pre-sentato gli inquinanti, si analizzano alcuni sistemi adottati dai costruttori per ridurne le emissioni.

La formazione degli inquinanti

In questo paragrafo si vogliono presentare brevemente i mec-canismi di formazione degli inquinanti citati sopra.

a) Ossido di carbonio. Deriva da una combustione incom-pleta. La sua formazione dipende essenzialmente dal rap-porto aria/combustibile. Se questo raprap-porto scende, l’ossi-geno presente nell’aria non riesce a bruciare completamente il carburante. I motori Diesel, poich`e lavorano con abbon-danza di ossigeno non hanno questo problema. Nei motori Otto, invece, che lavorano allo stechiometrico, il CO vie-ne prodotto e deve essere abbattuto attraverso sistemi af-ter treatment (catalizzatore trivalente). [9] In altre parole si adotta uno stratagemma che spesso viene preso in con-siderazione nella progettazione dei motori a combustione interna: si consente la formazione dell’inquinante per poi abbatterlo a posteriori.

6

Gli ossidi di zolfo in realt`a sono prodotti in minima parte e solo nei motori Diesel. 7_{Secondo quanto riportato su ISPRA, Trasporto su strada, Inventario Nazionale delle} emissioni e disaggregazione provinciale, pubblicato nel 2010, al fine di stimare le emissioni di CO₂si assume che il 99% della massa del carburante segue la reazione 1.1, la restante parte produce tutti gli altri inquinanti oggetto di questo paragrafo.

(27)

b) Idrocarburi incombusti. Derivano da una combustione incompleta. La loro formazione dipende principalmente da: • Basso rapporto aria/combustibile. Questo problema, per quanto detto prima, interessa principalmente i mo-tori Otto.

• Spegnimento presso le pareti del cilindro, dove la tem-peratura `e pi`u bassa.

• Spegnimento dentro i giochi nella camera di combustio-ne.

• Miscelamento del carburante nell’olio lubrificante. • Assorbimento del carburante nei depositi.[9]

Da questo si pu`o dedurre che i motori Diesel non hanno questo problema, mentre i motori Otto s`ı.

c) Ossidi di azoto. La produzione di NO_x`e funzione di tem-peratura e rapporto aria/combustibile. La loro formazione `e legata a:

• Rapporto aria/combustibile. Questo inquinante infatti si forma dalla reazione tra ossigeno e azoto presenti nell’aria. Se nella camera di combustione c’`e tanta aria, la formazione `e favorita.

• Temperatura. Per fornire l’energia di attivazione alla sintesi di ossidi di azoto a partire da ossigeno e azoto dell’aria, la temperatura deve essere alta.

• Riciclo gas esausti nella camera di combustione. Se nella camera di combustione ci sono molti gas esausti (gi`a presenti prima della combustione, riciclati dal ci-clo precedente), la temperatura scende e si producono meno ossidi di azoto.

• Carico e regime di rotazione del motore, come mostra la figura 1.3

Gli ossidi di azoto sono un problema per i motori Diesel. Lo sono meno nei motori Otto. I motori Otto prevedono lo stesso sistemi di post-trattamento atti a ridurre le emissioni di NO_x. [9]

d) Particolato. Il particolato `e formato da particelle di di-mensione nell’ordine dei micron composte principalmente da atomi di carbonio. Deriva dalla incompleta combustione degli idrocarburi. Si forma nella parte della fiamma dove vi `e pochissimo ossigeno e la combustione procede con fiamme diffusive (quindi nei motori Diesel). [17] [13]

(28)

Figura 1.3: Emissioni NO_x di un motore Diesel[17]

Figura 1.4: Emissioni dei principali inquinanti funzione del rapporto aria/combustibile [9]

(29)

Risulta interessante ora riassumere in un grafico la quantità degli inquinanti citati funzione del rapporto aria/combustibile (Figura 1.4). Si può osservare che non esiste un punto in cui si possono evitare queste emissioni. Inoltre si deduce che per minimizzare le emissioni totali bisogna avere miscele non troppo magre per evi-tare la produzione di NO_x, ma neanche troppo ricche per evitare la formazione di HC e CO. Ne deriva che scegliere il compromesso ottimale è molto difficile. In aggiunta, posto che si riuscisse a tro-vare un punto di funzionamento ottimale, le emissioni sarebbero ancora ben al di fuori dai limiti imposti dalle normative attuali. Allora si scelto di introdurre dei sistemi after- treatment, i quali vengono analizzati nel prossimo paragrafo.

Sistemi di riduzione delle emissioni

Negli ultimi quarant’anni un maggior interesse nel rispetto dell’ambiente ha portato gli ingegneri a sviluppare dei sistemi atti a ridurre le emissioni degli inquinanti. Molto lavoro `e stato fatto: consultando le normative (dalla ECE 15/00, 1972 fino alla Euro 5, 2010[26]) si osserva che le emissioni sono state ridotte di circa due ordini di grandezza. La riduzione delle emissioni avviene attraverso le seguenti quattro metodologie:

• Agire sul carburante, la cui composizione deve essere ot-timizzata dal punto di vista dei gas esausti, ad esempio ridurre il pi`u possibile lo zolfo;

• Agire sulla preparazione della miscela, controllare cioè il rapporto aria/carburante, perché, come visto, questo è un parametro fondamentale dal punto di vista della quantità di inquinanti prodotti (figura 1.4) che vengono emessi allo scarico;

• Agire sulla combustione, per renderla più completa possi-bile (cioè più vicina possibile alla reazione 1.1). Questo si esplica ad esempio nel controllo del processo di combustione e dell’evoluzione della miscela all’interno del cilindro quindi nell’introdurre sistemi di iniezione sempre più sofisticati per avere una migliore atomizzazione del combustibile;

• Agire sui gas esausti, cio`e rimuovere gli inquinanti attraver-so opportuni sistemi di post-trattamento. [17]

In questo paragrafo si vuole trattare con maggiore attenzione l’ultimo punto. I sistemi di post-trattamento vengono collocati nel condotto di scarico del motore. Di seguito si analizzano i pi`u comuni.

(30)

Figura 1.5: Catalizzatore trivalente. [9]

• Catalizzatore trivalente. Montato sui motori Otto, permette l’ossidazione di HC e CO a CO₂ e la riduzione di NO_xa N₂ e O₂.[9] Si osserva subito che questo catalizzatore non “elimina” l’inquinante, ma offre un ripiego: trasforma cioè gli HC e il CO che sono gas molto pericolosi in CO₂che è meno pericoloso, ma comunque dannoso per l’ambiente. Inoltre a motore freddo le emissioni dei tre gas sono altissi-me. Il catalizzatore infatti lavora solo ad alte temperature. Alcuni studi hanno dimostrato la fattibilità di avvicinare il catalizzatore agli scarichi del motore, con la conseguenza di un possibile precoce invecchiamento legato agli eccessi-vi valori di temperatura normalmente raggiunti quando il motore è alla temperatura di regime. [13]

• EGR. Acronimo di “exhaust gas recirculation”, viene mon-tato sui motori Diesel al fine di limitare la produzione di ossidi di azoto. Questa tecnica consiste nel riciclare i gas combusti al fine di reintrodurli nel cilindro insieme alla ca-rica fresca. Questo riduce sensibilmente la presenza di os-sigeno nel cilindro e quindi si riduce la produzione di NO_x. Si arriva a riciclare fino al 20% dei gas combusti portando a una riduzione delle emissioni del 75%. [9]

• FAP. Acronimo di “Filtro anti-particolato”, viene montato sui motori Diesel. Questa tecnica consiste nel far passare i gas combusti attraverso un mezzo poroso. Le particelle pi`u grandi dei pori vengono bloccate, mentre i gas vi passano attraverso. Il particolato si accumula nei filtri che devono essere periodicamente rigenerati attraverso l’ossidazione del

(31)

1.3. NORMATIVE PER CONTROLLARE LE EMISSIONI 15

Figura 1.6: Filtro antiparticolato [17]

deposito carbonioso. Questa tecnica porta purtroppo alcuni svantaggi: il primo è che il filtro non “elimina” il particola-to, ma lo trasforma in un altro gas inquinante attraverso la sua combustione. Un altro svantaggio sta nel fatto che la ri-generazione non è al momento semplice perchè per ossidare il particolato è necessaria una temperatura dei gas di sca-rico molto elevata. Alcuni studi dimostrano che è possibile favorire l’ossidazione a temperature più basse impregnando i canali del filtro con dei catalizzatori ossidanti. [17] [13]

1.3 Normative per controllare le emissioni

Al giorno d’oggi esistono moltissime normative sul controllo delle emissioni suddivise per tipologia di veicolo e continente. In altre parole, viene impostato un ciclo di guida che lo specifico veicolo dovr`a effettuare, in base al quale si misurano le emissioni prodotte.

In questo paragrafo si riporta il NEDC (New european driving cycle), evidenziando i pregi e i difetti. Il ciclo vuole essere una simulazione delle strade europee (sia urbane che extraurbane). Il test viene effettuato su uno chassis dynamometer e sono mi-surati gli inquinanti emessi. In figura 1.7 `e riportato il profilo di velocit`a.

Secondo quanto pubblicato sull’articolo “Development of test cy-cle conversion factors among worldwide light-duty vehicy-cle CO₂ emissions standard” [19], il ciclo NEDC `e un ciclo poco dinamico e a volte poco reale: basti pensare che l’accelerazione media `e 1.04 m/s2_{, il che significa che per accelerare da 0 a 50km/h ci}

si dovrebbe impiegare più di 13 secondi, un valore decisamente poco realistico. Più che altro questo ciclo può essere utilizzato per confrontare le emissioni di differenti automobili. Al contra-rio il ciclo WLTP (Figura 2.6) è più dinamico e, secondo quanto pubblicato su questo articolo, dovrebbe a breve rimpiazzare il NEDC. [19]

(32)

Figura 1.7: Profilo di velocit`a del NEDC [18]

(33)

1.4. CONTROLLO EMISSIONI DA PARTE DI CASE AUTOMOBILISTICHE17

Questi test purtroppo non tengono conto in nessuna maniera dello stile di guida: ma la quantità di inquinanti emessi è forte-mente legata allo stile di guida. Come conseguenza, si ottengono al giorno d’oggi dei consumi dichiarati molto diversi da quelli ef-fettivi. Una possibile risoluzione a questo problema è di provare a “insegnare” al guidatore a contenere le emissioni, ad esempio attraverso il segnale di cambio marcia o l’indicatore dei consumi istantanei, ormai presenti sui cruscotti di tutte le automobili più moderne.

In questo modo si cerca di suggerire almeno in parte lo stile di guida ottimale e quindi il problema delle case automobilistiche diventa meno complesso perché si trasforma nel controllare le emissioni assegnato uno stile di guida già ottimizzato. Questo metodo, come già visto, ha dei difetti: il guidatore potrebbe in-fatti non rispettare le segnalazioni del computer di bordo. Oltre a questo, e sarà da dimostrare in questo lavoro, il fatto di sugge-rire uno stile di guida ottimale potrebbe aumentare lo stress nel conducente.

1.4 Controllo emissioni da parte di case

automo-bilistiche

Le case automobilistiche devono essere in grado di: soddisfare il cliente, reggere un livello altissimo di concorrenza e sottostare alle normative sulle emissioni via via pi`u stringenti. In questo paragrafo si vuole analizzare come viene assolto questo difficile compito.

Per valutare le emissioni e i consumi di un veicolo le case au-tomobilistiche si servono principalmente di due metodi: analisi sperimentali e modelli numerici.

a) L’analisi sperimentale si compone in genere di quattro fasi: studio e sviluppo del motore, prova al banco, prova al banco a rulli, prova su strada.

Attraverso queste quattro fasi il motore viene sviluppato e calibrato per il raggiungimento delle prestazioni richieste dal cliente e rientrare nei limiti imposti dalla normativa an-tinquinamento di interesse.

b) L’analisi numerica, invece, mediante l’uso di software di flui-dodinamica computazionale, simula direttamente ci`o che

(34)

avviene all’interno degli organi del motore (ad esempio il cilindro) al fine di ottimizzare i consumi di carburante e quindi le emissioni. Questo secondo metodo dà risultati precisi, però le notevoli dimensioni del dominio di un odier-no sistema motore odier-non si conciliaodier-no con i tempi di calcolo della fluidodinamica computazionale. Infatti per procedere ad un’analisi numerica dell’intero sistema motore si ricorre generalmente all’ausilio dei codici quasi unidimensionali: i condotti vengono studiati con un approccio unidimensiona-le permettendo lo studio degli effetti delunidimensiona-le onde di pressione e depressione che li attraversano mentre gli altri componenti vengono modellati con una schematizzazione zero- dimen-sionale. In questo modo i tempi di calcolo sono notevol-mente ridotti ed è possibile effettuare uno studio di tutto il sistema motore con costi esigui. [21]

Risulta infine possibile una terza strada che è una com-binazione delle due: un simulatore interattivo con il gui-datore che, presi in input tutti i parametri motoristici più importanti (rapporto di compressione, dati sul combustibi-le, posizione dell’acceleratore, freno e frizione istante per istante), dà in output le prestazioni (consumi ed emissioni, ad esempio). Non sono molte le case automobilistiche che usano quest’ultima tecnica per valutare le emissioni. Que-sta tesi, si propone quindi l’obiettivo di sviluppare questo argomento, che è molto importante poiché consente di pren-dere in considerazione la complessa variabile stile di guida.

(35)

Capitolo 2

Sistemi di simulazione di

guida

Come già introdotto, il lavoro di tesi è stato svolto median-te un simulatore di guida. In questo capitolo si vuole in primo luogo fornire uno stato dell’arte sui simulatori di guida presenti nelle principali case costruttrici e successivamente presentare i principali software utilizzati per interfacciare i simulatori con il calcolatore. Al fine di comprenderne bene il funzionamento, è necessario fare prima dei cenni sulla simulazione dinamica mul-tibody.

2.1 Cenni sulla simulazione dinamica multibody

I problemi di analisi dinamica

Noti la struttura del sistema oggetto di studio, le forze/cop-pie agenti su di esso e le condizioni iniziali del sistema, si risolve (di solito in forma numerica) il problema di analisi dinamica. I risultati del problema di analisi sono la configurazione, la velo-cit`a e l’accelerazione di tutti i corpi del sistema.

Un altro aspetto da tenere in considerazione `e il passaggio dal modello fisico al modello matematico.

Il modello fisico è una rappresentazione del sistema reale il più possibile simile ad esso nelle sue condizioni di funzionamento, considerando le caratteristiche significative ai fini dell’analisi. L’abilità del progettista consiste proprio nel realizzare modelli fi-sici semplici ma sufficientemente accurati, e nel contempo adatti ad ottenere facilmente il modello matematico per via analitica o

(36)

20 CAPITOLO 2. SISTEMI DI SIMULAZIONE DI GUIDA

con il supporto di sistemi di simulazione assistita dal calcolatore. Dato il modello fisico, il modello matematico pu`o essere ottenuto: • scrivendo le equazioni della cinematica e della dinamica del sistema, generalmente partendo dalle leggi della meccanica classica (se le equazioni sono risolte analiticamente la solu-zione esatta; se sono risolte numericamente, la solusolu-zione approssimata);

• utilizzando programmi di simulazione che ricavano auto-maticamente le equazioni del sistema e le risolvano per via numerica (soluzione approssimata).

Dato uno stesso modello fisico, i risultati analitici e numerici devono coincidere, a meno dell’errore introdotto dal programma di simulazione, che `e generalmente trascurabile se tale program-ma `e affidabile e utilizzato correttamente.

Nel passaggio dal sistema reale al modello numerico si intro-ducono quindi due tipi di approssimazioni:

• le approssimazioni introdotte nel definire il modello fisico; • gli errori dovuti ad una soluzione numerica del modello

matematico ;

Alcune delle approssimazioni che frequentemente vengono in-trodotte nel modello fisico sono:

• considerare corpi rigidi;

• assumere che il sistema non modifichi l’ambiente circostan-te;

• trascurare o gli attriti, o modellarli in maniera semplificata (attrito viscoso o coulombiano);

• sostituire caratteristiche distribuite con altre concentrate (masse, forze, ecc.);

• assumere che i parametri caratteristici di un sistema siano invarianti rispetto al tempo;

• trascurare le incertezze ed i disturbi. [28]

Come si potrà intuire più avanti, per il lavoro di tesi si è reso necessario un modello molto accurato. Alcune di queste appros-simazioni non sono state fatte. Ad esempio, trascurare gli attriti o modellarli in maniera semplificata non è stato possibile perché da questi dipendono i consumi del veicolo. Introdurre sempli-ficazioni sugli attriti significherebbe ottenere valori di consumi molto diversi da quelli reali.

(37)

2.2. IL SIMULATORE DI GUIDA 21

I sistemi multibody

I sistemi multibody sono sistemi meccanici composti di più corpi, rigidi o deformabili, suscettibili di movimenti relativi do-vuti alla deformabilità stessa dei corpi o più propriamente alla presenza di vari tipi di coppie cinematiche e di vincoli relativi. [29] Per simulare il comportamento dinamico di sistemi anche complessi (cioè analizzarne il movimento e la sensibilità alle va-riazioni dei parametri in gioco) vengono utilizzati codici di cal-colo multibody.

Classici esempi di sistemi multi-body sono i veicoli terrestri: composti di ruote, sospensioni (con i relativi meccanismi), il te-laio, modellato come rigido o deformabile, ed eventualmente i passeggeri. [29]

Lo studio di questi sistemi, inizialmente basato su tecniche ana-litiche ha recentemente avuto un grande sviluppo con l’introdu-zione di software specifici per la simulal’introdu-zione multi-body.

Alcuni programmi di simulazione, sono nati per il real time. Questo è un requisito fondamentale per svolgere il lavoro di tesi perché essi devono interagire con un simulatore di guida e pro-durre risultati istante per istante. Affinché un multibody possa rispondere real time i requisiti necessari sono: numero di gra-di gra-di libertà ridotto (cioè programma leggero dal punto di vista computazionale), scelta vincolata del timestep, scelta di un me-todo numerico che risolva velocemente le matrici in cui sono state discretizzate le equazioni di moto[30]1

2.2 Il simulatore di guida

Le ragioni per cui si utilizza un simulatore sono molteplici. Come riportato nell’articolo dal titolo “Brief history of driving simulators” (Watchel J., News T., 1995), il motivo principale consiste nel poter testare soluzioni ingegneristiche in un ambien-te sicuro e nel poambien-ter ripeambien-tere gli sambien-tessi esperimenti a un costo

1_{equazioni di moto: sono le equazioni di Lagrange per sistemi a n gradi di libert`}_a:

d dt( ∂L ∂ ˙qj) − ( ∂L ∂qj) = Q nc j (j = 1, ..., n). Con: L = T − V − (λ1ψ1+ ... + λnψn)

Dove: T =energia cinetica, V =energia potenziale, λi =moltiplicatori di Lagrange associato al vincolo. [31]

(38)

esiguo. Esempi sono il test dei sistemi di assistenza al guidato-re. Inoltre, essi vengono largamente impiegati nel settore racing. Ormai tutte le case di automobili da competizione ne hanno al-meno uno per allenare e preparare i propri piloti che scenderanno poi in pista sulle monoposto. Evidentemente allenare i piloti su un simulatore è più conveniente sia dal punto di vista della sicu-rezza che dal punto di vista delle emissioni di inquinanti. Inoltre si può leggere in letteratura che un’altra applicazione è quella di studiare come influiscono i diversi stimoli sullo stile di guida, ad esempio: come cambiano i tempi di reazione se il guidatore ha assunto medicinali e come reagisce il guidatore se parla al telefono.[58]

Un simulatore di guida è dotato di una parte hardware costituita da un volante, un cambio, una pedaliera, schermi per la visua-lizzazione e un software che permetta l’interfacciamento del pc con la consolle di guida e consenta i calcoli in tempo reale. Il software prende in input tutti i parametri motoristici più im-portanti (ad esempio: curva di coppia e di potenza, dati sul combustibile, posizione dell’acceleratore istante per istante), ma anche le masse, le inerzie del veicolo. Grazie a questi dati, in par-te inseriti dall’upar-tenpar-te, in parpar-te provenienti in par-tempo reale dalla consolle di guida, il software fa dei calcoli e restituisce in out-put le prestazioni (velocità, accelerazione, regime di rotazione del motore, potenza istantanea, consumi).

Storia dei simulatori

I primi simulatori di guida autostradale sono stati sviluppati negli anni ’50. Per vederne però uno operativo bisogna aspettare i primi anni ’60. Successivamente, ci fu un declino, legato a una troppo arretrata tecnologia dei display e dei calcolatori. Questo problema fu superato alla fine degli anni ’60. La tecnologia dei simulatori fu sviluppata per la maggior parte dalla NASA, la quale li studiava per le missioni spaziali. Questi sviluppi ebbero ovvie ripercussioni sui simulatori stradali, i quali aumentarono di numero. Successivamente, con la crescita esponenziale della potenza computazionale, essi diventarono sempre più potenti e realistici. Si incominciò a studiare anche percorsi più comples-si (strade cittadine e trafficate): questo permise di studiare il comportamento del guidatore e quindi aumentare la sicurezza stradale. [50]

(39)

2.2. IL SIMULATORE DI GUIDA 23

Figura 2.1: Uno dei pi`u moderni simulatori di guida, cortesia Danisi. http://www.danisieng.com/simulation-2/

Figura 2.2: Evoluzione della tecnologia dei simulatori presso la Daimler, azienda tedesca produttrice di simulatori di guida. [51]

(40)

Interessante anche l’introduzione del movimento dei simula-tori, avvenuta a partire dagli anni ’80. Inizialmente il movimento era garantito da un esapode attuato idraulicamente. In segui-to il movimensegui-to è stasegui-to migliorasegui-to aumentando il numero dei pistoni idraulici che governano il moto del simulatore. Poi gli attuatori idraulici sono stati sostituiti da quelli elettrici a cau-sa della loro ottima flessibilità di ragolazione. [51] Successiva-mente il miglioramento delle tecnologie di movimento accompa-gnato dal potenziamento dei sistemi hardware e software hanno portato ad ottenere simulatori estremamente realistici ai giorni d’oggi. Un esempio quello presso la Danisi engineering, un’azien-da italiana che produce soluzioni per l’ingegneria: esso consente un’esperienza di guida dove è possibile sperimentare: le accce-lerazioni, deceaccce-lerazioni, il ritorno in forza dello sterzo. Inoltre c’è uno schermo molto grande che copre interamente la visuale del guidatore. Possiede una piattaforma mobile che riproduce accuratamente la dinamica del veicolo. Questo simulatore viene utilizzato per migliorare la dinamica del veicolo, il comfort, la progettazione dei sistemi di controllo e testare l’interfaccia tra uomo e macchina.

2.3 Software di simulazione utilizzati

I principali software utilizzati sono: CarMaker, Simpack, Adams e SimMe-chanics.

CarMaker

CarMaker `e un software molto avanzato per la simulazione del sistema automobile. I modelli utilizzati per mappare le inte-razioni dinamiche tra auto, guidatore, strada, traffico e percorso sono molto realistici. Inoltre, i modelli dell’auto sono comple-tamente non lineari: questo garantisce precisione e risultati di simulazione di alta qualit`a.

CarMaker consente una molteplicit`a di funzioni:

• definire tracciati: per successione di segmenti (inserendo caratteristiche come lunghezza, larghezza, pendenza longi-tudinale e laterale) oppure importandoli dall’esterno, per esempio con Google Earth. La definizione del tracciato va oltre la semplice definizione della strada. In CarMaker `e possibile definire una strada molto dettagliata, compre-sa di segnaletica orizzontale e verticale, bumper, semafori,

(41)

2.3. SOFTWARE DI SIMULAZIONE UTILIZZATI 25

Figura 2.3: Scenario realizzabile con IPG Road.

marciapiedi e oggetti user-defined. In altre parole, è possi-bile creare uno scenario estremamente realistico, requisito fondamentale per svolgere il lavoro di tesi. Tutte queste funzionalità possono essere prodotte attraverso IPG Road. • impostare il traffico (altre automobili, autobus, pedoni, bi-ciclette, motoveicoli) ed edifici (case, uffici, stazioni di ri-fornimento carburante, ecc). Questo è reso possibile grazie alla piattaforma IPG Traffic.

• impostare un pilota automatico sul tracciato appena defini-to inserendo alcuni parametri sulla guida, tra cui le interes-santissime funzioni “guida prudente” e “guida aggressiva”. In altre parole CarMaker `e in grado di impostare uno sti-le di guida eco, per consumare poco e uno stisti-le di guida molto spericolato. Questo serve per capire teoricamente il consumo minimo e il consumo massimo, assegnato un trac-ciato. Tutte queste funzionalit`a possono essere prodotte attraverso IPG Driver.

• impostare le caratteristiche di carichi e rimorchi. Questo `e permesso dalla piattaforma IPG Trailer.

Con questo software `e poi possibile parametrizzare le parti del veicolo (motore, sospensioni, sterzo, pneumatici, freni, po-wertrain, aerodinamica, ecc) al fine di creare un modello di au-tomobile molto preciso. Sono inoltre gi`a presenti numerosi veicoli preimpostati.

(42)

Figura 2.4: Scenario realizzabile con IPG Traffic.

`

E inoltre possibile impostare le manovre2_{: esse servono al}

soft-ware in primo luogo per settare le condizioni iniziali della simu-lazione (ad esempio la marcia, la posizione di freno, frizione e acceleratore, la velocità iniziale, ecc) e in seguito per definire se la guida è automatica o manuale. Nel caso in cui la guida è automatica, l’IPG Driver prende il controllo e segue l’elenco delle manovre che l’utente ha indicato. Al contrario, se la guida impostata è manuale, CarMaker attende un input dalla consolle di guida.

Infine si pu`o impostare l’environment (ambiente), dove si pos-sono settare: temperatura, ora del giorno, irraggiamento solare, ecc. Questi sono per`o parametri meno interessanti per il presente lavoro.

Questo software `e formato da differenti parti che comunicano tra di loro. Esse sono: IPG Movie, IPG Control, Instruments, Cockpit Package Standard , SoundMaker. Le prime tre sono gi`a incluse nel pacchetto CarMaker al momento dell’installazione. La prima serve per la visualizzazione grafica della simulazione. `

E ci`o che appare sugli schermi al momento della simulazione. La seconda serve per fare un’analisi realtime dei parametri della si-mulazione. La terza permette la visualizzazione degli strumenti di bordo: tachimetro, spazio percorso, contagiri, consumi medi e istantanei.

2

L’impostazione delle manovre avviene definendo: durata (tempo o spazio), guida automatica o manuale, ecc.

(43)

2.3. SOFTWARE DI SIMULAZIONE UTILIZZATI 27

Figura 2.5: Interfaccia grafica di CarMaker

Il Cockpit Package Standard `e invece un pacchetto a parte che consente di interfacciare la consolle di guida con CarMaker. Il soundMaker, infine, consente di produrre simulazioni con au-dio, requisito fondamentale per incrementare il realismo del si-mulatore.

Numerosi altri pacchetti si possono poi acquistare: un esempio è ADAS RP. Questa estensione del software consente di importare strade in CarMaker, comprese le intersezioni. ADAS RP non è stato acquistato per il presente lavoro di tesi: le intersezioni sono state realizzate mediante alcuni stratagemmi: le strade seconda-rie, che intersecano il percorso della simulazione sono state create considerandole come dei marciapiedi ad altezza zero, mentre le rotatorie sono realizzate sovrapponendo più volte il percorso fi-no a ottenere una circonferenza. Questi stratagemmi fi-non creafi-no difetti alla simulazione, ma aumentano leggermente la difficoltà nella fase di preparazione dello scenario.

A tutti questi strumenti `e possibile accedere dalla CarMaker GUI, riportata in figura. Essa permette il coordinamento e l’in-terfacciamento di tutte le parti del software.

(44)

riprogram-28 CAPITOLO 2. SISTEMI DI SIMULAZIONE DI GUIDA

mato mediante la modifica e la compilazione del codice C, presen-te nella carpresen-tella del progetto. La riprogrammazione `e un’opera-zione molto avanzata, ma utile per permettere delle funzionalit`a del software che di default non sono presenti.

Simpack

Simpack `e un software utilizzato per la simulazione dinamica di ogni sistema meccanico o meccatronico.

Consente agli ingegneri di generare e risolvere modelli virtuali 3D al fine di predire e visualizzare il moto, le forze in gioco e gli sforzi.

Simpack `e utilizzato primariamente nei settori automotive, fer-roviario, eolico, motori e trasmissione di potenza, ma pu`o essere applicato a ogni branca dell’ingegneria meccanica.

Simpack è stato sviluppato principalmente per gestire modelli non lineari complessi con corpi flessibili. Esso è anche in grado di rispondere real-time anche per sistemi molto complessi. Può essere utilizzato per valutare i consumi nel senso dell’ottimizza-zione delle parti meccaniche del veicolo, ma non per ottimizzare il ciclo termodinamico del motore o lo stile di guida.

Il software pu`o essere inoltre integrato con modelli esterni (ad esempio Simulink o FMI). [52]

Adams

Adams supporta gli ingegneri nello studio della dinamica del-le parti in movimento e nell’analisi della distribuzione di forze e carichi attraverso i sistemi meccanici.

Riduce i costi di sviluppo prodotto consentendo una validazio-ne precoce a livello di sistema. Gli ingegvalidazio-neri possono valutare e gestire le complesse interazioni tra discipline, tra cui movimen-to, strutture, attuazione e controlli per ottimizzare al meglio il design dei prodotti a livello di prestazioni, sicurezza e comfort. Oltre alle sue estese funzionalit`a di analisi, il software `e ottimiz-zato per problemi di grandi dimensioni, e funziona al meglio in ambienti di calcolo ad alte prestazioni.

Utilizzando la tecnologia per la dinamica multibody, Adams ese-gue la dinamica non-lineare in una frazione del tempo richiesto dalle soluzioni FEM.

I moduli opzionali disponibili con questo software, consentono agli utenti di integrare componenti meccanici, pneumatici, idrau-lici, elettronici, e tecnologie di sistemi di controllo per costruire e collaudare prototipi virtuali che rappresentano con precisione