AUTOMAZIONE INTELLIGENTE DELLA SPERIMENTAZIONE SU MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA
Creators: name: Di Mattia, Annunziata
Publisher: name: Università degli Studi di Napoli Federico II
Year: 2011

description: Negli ultimi anni, nel settore automobilistico, si è assistito a continue evoluzioni nel campo della ricerca e della sperimentazione.
Il doveroso rispetto per l’ambiente, che si traduce in norme antinquinamento sempre più severe, le continue richieste di un mercato con tempistiche sempre più ridotte e sempre più tecnologicamente competitivo generano costi di progettazione e sviluppo motore elevati. Ciò 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 l’esecuzione di molte prove, svolte con differenti modalità di controllo del banco prova motore per l’acquisizione delle prestazioni e dei parametri motoristici di interesse. Quest’ingente quantità 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. L’esecuzione di tali acquisizioni richiede un notevole quantitativo di tempo e risorse, riducendo di fatto la possibilità di sperimentare nuove soluzioni tecniche di tipo hardware ed incrementando il time to market.
Per tali ragioni l’esecuzione 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 l’acquisizione dei dati. Il sistema normalmente adottato è Puma Open, software fornito dall’AVL che è inoltre responsabile della struttura hardware della sala prova. 
L’obiettivo dell’attività di ricerca è stato quello di implementare tools scritti in linguaggio di alto livello, quali Block Sequence Editor (BSQ) (linguaggio ad interfaccia grafica fornito dall’AVL) che attraverso appropriate applicazioni, scripts in Visual Basic, permette l’interazione 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 dall’interazione on line con le diverse applicazioni. Le prove svolte in modalità automatico permettono di sfruttare le potenzialità dei sistemi avendo un’ottima confidenza della qualità del risultato e tempi ridotti del time to market. 
Nello specifico sono state individuate tre differenti tipologie di sperimentazione, funzioni degli obiettivi imposti:
•	Sperimentazione Full Factorial;
•	Sperimentazione Parametrica;
•	Sperimentazione On-Line.
La sperimentazione full factorial permette di indagare l’intero 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. L’utilizzo di applicazioni intelligenti permettono in real time di investigare l’intero 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 l’obiettivo di calibrazione noto l’andamento della grandezza in gioco. Indipendentemente dall’ordine dell’equazione, è possibile, attraverso l’interazione di un software di calcolo sofisticato quale Matlab, evitare di investigare l’intero campo simulando l’andamento della grandezza oggetto di analisi e ricercando on-line l’obiettivo.
Nella vita reale di funzionamento un motore vedrà raramente punti stazionari, di fatti da sempre i test utilizzati per l’applicazione 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 dell’attività di ricerca è stata concentrata sulla simulazione di cicli dinamici direttamente in sala prova, attraverso l’utilizzo 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 possibilità di ottenere cicli di carico fin dalle prime fasi del processo di calibrazione pur senza alcun prototipo di veicolo, essendo quest’ultimo simulato direttamente in sala prova motore, ciò 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, è la possibilità di avere cicli di carico perfettamente ripetibili a differenza di quelli ottenuti su banco a rulli o in strada che risentono di alcune variabilità, in primis della presenza di un driver umano. Da analisi condotte direttamente su grandezze di centralina motore si è 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 l’attenzione è 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 l’80 % 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 all’accensione, rapporto aria/combustibile, angolo di apertura e chiusura valvola di aspirazione, velocità al minimo; saranno variati attraverso le opportune sperimentazioni automatiche, in particolare attraverso piani DoE. L’influenza di ogni singolo parametro è apprezzata per mezzo degli indici validati direttamente su cicli normati eseguiti su banchi a rulli, essi rappresentano la variazione percentuale delle sommatorie, nell’istante i-esimo, tra la grandezza in esame e quella del ciclo su cui è stata apportata la variazione, rispetto alla somma della grandezza di riferimento, descrivendo in maniera efficace l’influenza della modifica apportata sulla grandezza cui l’indice fa riferimento, permettendo una rapida valutazione degli effetti della variazione apportata.