Corso di Sistemi di Trazione Lezione 11: Il moto degli autoveicoli, misura di consumi ed emissioni dei veicoli al banco e su strada. Ing. F. Ortenzi (Ph.D) – ENEA (Centro Ricerche Casaccia) A. Alessandrini – F. Cignini – C. Holguin – D. Stam AA 2014-2015

Obiettivi Caratterizzazione Cicli di marcia Analisi energetico-ambientale del veicolo nel suo reale utilizzo (Potenze, consumi emissioni ecc.) Analisi dello stile di guida del conducente Gestione remota di Flotte di Veicoli (prevenzione guasti, localizzazione ecc.)

Metodologia Costruzione di una strumentazione: Lettura dei parametri caratterizzanti il comportamento del veicolo dalla centralina Acquisizione della posizione dal ricevitore GPS Elaborazione (validazione e calibrazione) dei dati acquisiti per il calcolo delle potenze, consumi ed emissioni

Presa Diagnostica OBD

Acquisizione dati da connettore OBD Lettura di 5 parametri ogni secondo (se OBD) o 15 ogni 0.1 s. (se CAN) con la seguente modalità: Ogni 10-30s o se per 3s consecutivi V=0 lettura dati relativi al V=0 altrimenti Lettura dati relativi a V>0 Scrittura nel file di testo

Dati GPS Lettura posizione da GPS Calibrazione dei dati Latitudine, Longitudine, Altitudine (per il calcolo della pendenza stradale) Velocità (utilizzata qualora la comunicazione tra centralina e interfaccia fosse interrotta) Calibrazione dei dati Se si usa la velocità, questa può avere degli errori, che devono essere filtrati. All’aumentare della velocità l’errore tra velocità misurata via CAN e quella del GPS cresce linearmente

Analisi Cicli di marcia: Analisi energetico-ambientale: Post-Processing Analisi Cicli di marcia: Velocità media, percorrenza, tempi… Analisi energetico-ambientale: Potenza, Coppia, consumi, emissioni; Analisi stile di guida: Posizione pedale dell’acceleratore, freno, frizione, marcia innestata…. Gestione flotte Diagnostica, trasporto a chiamata, localizzazione …

Esempio Honda Civic IMA 2003

Emissioni (La Strumentazione) Horiba OBS 1300 Sistema di misura on board: NOx CO CO2 HC Rapporto A/F Portata gas di scarico Pressione gas di scarico Temperature gas di scarico Pressione, Temperatura e Umidità ambientale

Condizioni di massime emissioni: Cold Start

Condizioni di massime emissioni: Pieno carico

Condizioni di massime emissioni: Transitori Honda Civic 2000 cc. 160 cv

NEDC: emissioni istantanee di CO (Honda Hybrid)‏ Ciclo molto leggero con emissioni solo a freddo 13

Confronto ibrido/convenzionale sul ciclo di omologazione Prove eseguite all’Istituto Motori di Napoli su una Honda Hybrid e una Alfa Romeo 147

Confronto ibrido/convenzionale sui cicli ARTEMIS Prove eseguite all’Istituto Motori di Napoli su una Honda Hybrid e una Alfa Romeo 147

Misure su strada: il percorso di prova Lunghezza: 4.6 km Presenza di pendenze, intersezioni semaforiche e tratti a velocità elevata Percorso da 20 guidatori 2 volte ciascuno 3 veicoli testati: Honda Hybrid, IMA e 2.0 16v START

Confronto Energetico-Emissivo (1/3) 5 10 15 20 25 30 35 40 150-170 170-190 190-210 210-230 230-250 250-270 270-290 290-310 CO 2 [g/Km] % Missions Hybrid IMA 2000 16v CO2 prodotta in g/km dai tre veicoli testati: Honda Civic Hybrid, IMA e 2000 16v

Confronto Energetico-Emissivo (2/3) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0.0-0.25 0.25-0.5 0.5-0.75 0.75-1 1-1.25 1.25-1.5 1.5-1.75 1.75-2 2-2.25 2.25-2.5 2.5-2.75 2.75-3 3-3.25 >3.25 CO [g/Km] % Missions Hybrid IMA 2000 16v EURO 4 limit for CO [g/Km] CO prodotto in g/km per Homda Civic Hybrid, IMA e 2000 16v (Limite EURO 4: 1.0 [g/km])

Confronto Energetico-Emissivo (3/3) 10 20 30 40 50 60 70 0-0.02 0.02-0.04 0.04-0.06 0.06-0.08 0.08-0.1 0.1-0.12 0.12-0.14 0.14-0.16 0.16-0.18 0.18-0.2 0.2-0.22 0.22-0.24 >0.24 NOx [g/Km] % Missions Hybrid IMA 2000 16v EURO 4 limit for NOx [g/Km] NOx prodotti in g/km per Hybrid, IMA e 2000 16v (Limite EURO 4: 0.08 [g/km])

Confronto sui consumi 10 20 30 40 50 60 6.5-7.5 7.5-8.5 8.5-9.5 9.5-10.5 10.5-11.5 11.5-12.5 12.5-13.5 13.5-14.5 >14.5 Consumption [Km/litre] % Missions Hybrid IMA 2000 16v Consumo di combustibile in km/l per Hybrid, IMA e 2000 16v

Sviluppo di modelli di calcolo delle emissioni Identificare gli agenti inquinanti Per veicoli ad accensione comandata Per veicoli diesel Identificare i parametri motoristici (disponibili da OBD/CAN) che influenzano le emissioni Sviluppo di relazioni che le quantificano Sviluppo di una procedura di calibrazione

Quali modelli per calcolare gli inquinanti Benzina Consumo – calcolato moltiplicando la portata d’aria per il rapporto aria combustibile CO2 e CO – calcolato con un modello di equilibrio chimico e dissociazzione/riassociazione in funzione della temperatura usando portata d’aria, rapporto aria combustibile, temperatura del catalizzatore HC e NOx – modelli empirici ottenuti da regressioni sui dati sperimentali in funzione della derivata del pedale dell’acceleratore Diesel Consumo – calcolato moltiplicando la portata d’aria per il rapporto aria combustibile (o carico) CO2 – in funzione del consumo HC e CO (trascurabili nei moderni motori Diesel) Nox,PM (modello in funzione del carico ottenuto per regressione da dati sperimentali)

Esempio di modelli: la produzione degli NOx nel Diesel Ossidazione dell’azoto presente nell’aria alle elevate temperature (oltre 2000 °K) raggiunte in camera di combustione In letteratura la temperatura in camera di combustione dipende principalmente da: carico motore: per un veicolo Diesel, è il rapporto tra la portata di gasolio iniettata e quella iniettabile ad un certo numero di giri in condizioni standard (SAE J1979) regime di rotazione EGR: dispositivo per il ricircolo dei gas di scarico raffreddati in aspirazione

NOx al variare del carico motore misurati al banco su un ciclo ARTEMIS Motorway

NOx al variare del numero di giri misurati al banco su un ciclo ARTEMIS Motorway

NOx al variare del grado di EGR misurati al banco su un ciclo ARTEMIS Motorway

Il modello di calcolo degli NOx per il motore Diesel Gli NOx hanno mostrato una relazione più evidente con il carico motore che con il regime di rotazione e l’EGR Il modello ipotizza di far dipendere la concentrazione degli NOx nei gas di scarico solo dal carico motore con una legge di tipo esponenziale: La calibrazione del modello è stata poi ripetuta con prove sperimentali in condizioni stazionarie (a carico costante) al banco a rulli ENEA, essendo queste prove più affidabili dei valori istantanei delle emissioni di NOx misurati nei cicli Artemis

FIAT 500 al banco ENEA con Horiba OBS 1300

Calibrazione del modello mediante prove a carico costante

Procedura di calibrazione con due prove Semplificazione della procedura di calibrazione Determinare le due costanti di calibrazione (C e D) richiede la misura degli NOx per almeno 2 livelli di carico Si effettuano 2 sole prove , una a carico minimo ed una a pieno carico per rappresentare le condizioni estreme del motore semplicità di esecuzione

Confronto tra le due calibrazioni

Confronto del modello con le prove sperimentali UDC (Ripetiz. 1) (Ripetiz. 2) Regime variabile Correlazione istantanea 0.776 0.782 0.868 Correlazione integrali 0.999 0.998 1 NOx modello (mg/km) 333 328 695 NOx Horiba (mg/km) 336 331 686 Errore (%) -0.95 -0.91 0.93

Grazie per l’attenzione!