AUTOMAZIONE INTELLIGENTE DELLA SPERIMENTAZIONE SU MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA

Negli ultimi anni, nel settore automobilistico, si àƒ¨ assistito a continue evoluzioni nel campo della ricerca e della sperimentazione. Il doveroso rispetto per lࢠambiente, che si traduce in norme antinquinamento sempre piàƒ¹ severe, le continue richieste di un mercato con tempistiche sempre piàƒ¹ ridotte e sempre piàƒ¹ tecnologicamente competitivo generano costi di progettazione e sviluppo motore elevati. Ciàƒ² nonostante e parallelamente allo svilupparsi di software per la simulazione numerica, le prove in laboratorio restano uno strumento essenziale per lo sviluppo e la progettazione di un veicolo. Lo sviluppo dei moderni Powertrain richiede lࢠesecuzione di molte prove, svolte con differenti modalitàƒ di controllo del banco prova motore per lࢠacquisizione delle prestazioni e dei parametri motoristici di interesse. Questࢠingente quantitàƒ di dati risulta necessaria nella fase di verifica virtuale e sperimentale dei nuovi motori a combustione interna. Tali dati vengono impiegati per ottimizzare le prestazioni del motore, ad esempio in termini di emissioni inquinanti, consumo carburante e per programmare adeguatamente la centralina di controllo. Lࢠesecuzione di tali acquisizioni richiede un notevole quantitativo di tempo e risorse, riducendo di fatto la possibilitàƒ di sperimentare nuove soluzioni tecniche di tipo hardware ed incrementando il time to market. Per tali ragioni lࢠesecuzione delle prove deve essere altamente automatizzata, il sistema di automazione deve essere in grado di effettuare contemporaneamente sia il controllo e la gestione del banco prova che lࢠacquisizione dei dati. Il sistema normalmente adottato àƒ¨ Puma Open, software fornito dallࢠAVL che àƒ¨ inoltre responsabile della struttura hardware della sala prova. Lࢠobiettivo dellࢠattivitàƒ di ricerca àƒ¨ stato quello di implementare tools scritti in linguaggio di alto livello, quali Block Sequence Editor (BSQ) (linguaggio ad interfaccia grafica fornito dallࢠAVL) che attraverso appropriate applicazioni, scripts in Visual Basic, permette lࢠinterazione con i vari dispositivi e software presenti in sala al fine di rendere i test efficienti, di ridurre il numero di prove eseguendo solo quelle necessarie definite dai piani DoE, o dettate dallࢠinterazione on line con le diverse applicazioni. Le prove svolte in modalitàƒ automatico permettono di sfruttare le potenzialitàƒ dei sistemi avendo unࢠottima confidenza della qualitàƒ del risultato e tempi ridotti del time to market. Nello specifico sono state individuate tre differenti tipologie di sperimentazione, funzioni degli obiettivi imposti: ࢠ¢ Sperimentazione Full Factorial; ࢠ¢ Sperimentazione Parametrica; ࢠ¢ Sperimentazione On-Line. La sperimentazione full factorial permette di indagare lࢠintero campo di applicazione, ad esempio un piano quotato completo, una mappa delle prestazioni del motore in funzione del regime e del carico. La sperimentazione parametrica, invece, risponde alle esigenze di quelle prove eseguite per ricercare un unico parametro, ad esempio quello di ottimo o di minimo di una determinata grandezza. Lࢠutilizzo di applicazioni intelligenti permettono in real time di investigare lࢠintero campo e di acquisire solo i punti rispondenti alle esigenze con notevole riduzione dei tempi di post elaborazione. Infine, la sperimentazione on-line permette di ricercare interattivamente lࢠobiettivo di calibrazione noto lࢠandamento della grandezza in gioco. Indipendentemente dallࢠordine dellࢠequazione, àƒ¨ possibile, attraverso lࢠinterazione di un software di calcolo sofisticato quale Matlab, evitare di investigare lࢠintero campo simulando lࢠandamento della grandezza oggetto di analisi e ricercando on-line lࢠobiettivo. Nella vita reale di funzionamento un motore vedràƒ raramente punti stazionari, di fatti da sempre i test utilizzati per lࢠapplicazione delle normative sono una sequenza di funzionamento in determinati punti di carico-giri del motore, capaci di simulare, per quanto possibile, il comportamento del veicolo su strada. La seconda fase dellࢠattivitàƒ di ricerca àƒ¨ stata concentrata sulla simulazione di cicli dinamici direttamente in sala prova, attraverso lࢠutilizzo dei test automatizzati e la loro interazione con i diversi sistemi, sviluppati per le analisi in sala motore. La simulazione di tali cicli comporta la possibilitàƒ di ottenere cicli di carico fin dalle prime fasi del processo di calibrazione pur senza alcun prototipo di veicolo, essendo questࢠultimo simulato direttamente in sala prova motore, ciàƒ² permette la simulazione di svariate applicazioni del motore in oggetto senza costi aggiuntivi e con notevole riduzione dei tempi di sviluppo e calibrazione. Un ulteriore vantaggio, per nulla trascurabile, àƒ¨ la possibilitàƒ di avere cicli di carico perfettamente ripetibili a differenza di quelli ottenuti su banco a rulli o in strada che risentono di alcune variabilitàƒ , in primis della presenza di un driver umano. Da analisi condotte direttamente su grandezze di centralina motore si àƒ¨ visto come i cicli eseguiti su banco a rulli presentano, negli stazionari, differenze percentuali del 4% per il regime e 8% per il carico; mentre in sala prova si riscontrano livelli percentuali inferiori al 2% per il regime e al 4% per il carico. In particolare lࢠattenzione àƒ¨ stata focalizzata sullo studio della partenza a freddo con lo scopo di sviluppare dal punto di vista metodologico una strategia per la calibrazione del cold start dei cicli normati, ottenendo bassi livelli di emissioni e consumi. Basti pensare che tra il 50 e lࢠ80 % degli idrocarburi e monossido di carbonio sono emessi allo scarico durante la partenza a freddo essendo la conversione del catalizzatore inefficace prima del raggiungimento della temperatura di light-off. I parametri che influenzano tale fase: anticipo allࢠaccensione, rapporto aria/combustibile, angolo di apertura e chiusura valvola di aspirazione, velocitàƒ al minimo; saranno variati attraverso le opportune sperimentazioni automatiche, in particolare attraverso piani DoE. Lࢠinfluenza di ogni singolo parametro àƒ¨ apprezzata per mezzo degli indici validati direttamente su cicli normati eseguiti su banchi a rulli, essi rappresentano la variazione percentuale delle sommatorie, nellࢠistante i-esimo, tra la grandezza in esame e quella del ciclo su cui àƒ¨ stata apportata la variazione, rispetto alla somma della grandezza di riferimento, descrivendo in maniera efficace lࢠinfluenza della modifica apportata sulla grandezza cui lࢠindice fa riferimento, permettendo una rapida valutazione degli effetti della variazione apportata.