Ivan ARSIE | Progetti

SVILUPPO E VALIDAZIONE SPERIMENTALE DI MODELLI DINAMICI PER LA SIMULAZIONE DI MOTORI EQUIPAGGIATI CON SISTEMA E-TURBO

La combinazione della sovralimentazione mediante turbocompressore ed il recupero di energia allo scarico attraverso il sistema E-Turbo è una tecnologia già nota e recentemente si è deciso di applicarla anche ai motori per autotrazione con l'obiettivo di favorire il downsizing. Questi nuovi sistemi richiedono l’implementazione di opportune strategie di controllo e lo sviluppo di modelli in grado di simularne il funzionamento. Il lavoro svolto si inserisce in tale ambito mediante lo sviluppo e la validazione di un modello completo di powertrain per valutare i benefici del sistema E-Turbo sia in termini di incremento di fuel-economy che di riduzione delle emissioni. Il layout di sistema prevede che la macchina elettrica (MGU – Motor Generator Unit o EM- Electrical Machine) venga calettata sull’albero del Turbocompressore potendo funzionare sia da generatore che da motore: nel primo caso la potenza recuperata può essere utilizzata per soddisfare i carichi elettrici dell’autovettura oppure può essere immagazzinata in una batteria; nel secondo caso il motore può assistere la turbina nelle manovre di accelerazione determinando così una drastica riduzione del turbo-lag. E’ chiaro che per una corretta gestione del sistema è necessario sviluppare una strategia di controllo che permetta di trarne tutti i vantaggi. Inoltre, l’assistenza elettrica al turbocompressore garantisce una migliore risposta del motore ai bassi regimi, ciò rende possibile effettuare downsizing col vantaggio di ottenere un incremento della fuel economy, ovvero una riduzione delle emissioni di CO2, e mantenendo inalterate le performance della vettura. Come già anticipato il progetto prevede lo sviluppo di un modello di simulazione della powertrain per valutare il risparmio di combustibile derivante dall’applicazione del sistema Electric Turbo su una vettura che monta un motore ad accensione comandata sovralimentato. I benefici derivanti dall’applicazione del turbocompund elettrico saranno valutati attraverso un modello di vettura sviluppato in ambiente Simulink. Le simulazioni saranno relative ai cicli di guida maggiormente impiegati: NEDC, WLTC ed i cicli FUDS e FHDS. In particolare, si prevede la possibilità di utilizzare l’energia “prelevata” allo scarico per alimentare i carichi elettrici di vettura e saranno implementate diverse strategie di controllo del sistema, valutando di volta in volta i risultati ottenuti. L'approccio modellistico da sviluppare prevede la modellazione degli attuatori, lo sviluppo delle relative logiche di controllo e l’implementazione delle equazioni che descrivono la dinamica aria-gas combusti nei collettori di aspirazione e scarico. Per quanto concerne la simulazione del blocco motopropulsore, si farà ricorso ad una serie di sottomodelli: modello black box del MCI, un modello misto black-gray-box per il sistema turbocompressore, modello a singolo stato della driveline, modello a singolo stato dell’albero del turbocompressore, modello a singolo stato della batteria. La maggior parte dei componenti considerati sono descritti mediante modelli gray-box, ciò permette di svincolare il modello stesso dalla “geometria” di partenza e di poterlo ricaratterizzare modificando soltanto determinati parametri identificativi. Tutte le simulazioni fanno riferimento ad un motore 1.4l Turbo ad accensione comandata da 170CV con sistema VVA (Variable Valve Actuation). A valle dello sviluppo dei modelli e della relativa validazione rispetto a dati sperimentali misurati al banco motore ed al banco a rulli, saranno eseguite analisi di simulazione sui cicli di guida citati in precedenza. Verranno considerate differenti geometrie di turbocompressori e di logiche di controllo dell'E-turbo, valutando l’effetto prodotto su performance, consumi ed emissioni.