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
–
–
•
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
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
600
8
HC
NOx
CO
550
500
7
6
400
5
350
300
4
250
3
200
150
2
100
1
50
0
0
0
20
40
60
80
Time s.
100
120
140
CO [%Vol]
NOx & HC [ppm]
450
Condizioni di massime emissioni:
Pieno carico
100
30
90
Load %
70
20
60
50
15
40
10
30
20
5
10
0
692
712
732
Load
752
[s]
AFR
772
CO %Vol
0
792
CO [%vol], AFR
25
80
Condizioni di massime emissioni: Transitori
0.4
120
Speed
NOx
CO
0.3
100
80
0.2
60
40
0.1
20
0
655
0
680
705
730
755
Time [s]
780
Honda Civic 2000 cc. 160 cv
805
CO [%vol]
Speed [Km/h], NOx [ppm]
140
140
3.5
120
3
100
2.5
80
2
60
1.5
40
1
20
0.5
0
0
0
200
Velocità
400
600
Time s.
Acceleratore
800
1000
CO % Vol
Ciclo molto leggero con emissioni solo a freddo
CO % Vol
Speed km/h & Pedale acc. %
NEDC: emissioni istantanee di CO (Honda Hybrid)
Confronto ibrido/convenzionale sul ciclo di omologazione
1.0
1.0
0.9
Honda Civic Hybrid
0.636
Alfa Romeo 147
0.9
0.723
0.8
0.8
CO
0.7
HC
CO
NOx
0.6
NOx
0.6
g/km
g/km
HC
0.7
0.5
0.4
0.5
0.4
0.250
0.288
0.3
0.3
0.196
0.2
0.177
0.2
0.074
0.032
0.1
0.018 0.002
0.0
0.067
0.058
0.1
n.d.
0.036
0.012
0.044
0.035
0.003
0.0
UDC
EUDC
NEDC
UDC
EUDC
NEDC
Prove eseguite all’Istituto Motori di Napoli su una Honda Hybrid e una Alfa Romeo 147
Confronto ibrido/convenzionale sui cicli
ARTEMIS
2.2
2.2
Honda Civic Hybrid
2
1.8
2.10
1.83
1.8
1.6
1.6
1.4
1.4
1.2
1.2
1
1
0.8
0.8
0.60
0.4
0.31
0.4
0.02
0.005
0.004 0.003
0.2
0.000
0.003
0.000
0
Artemis Urban
Artemis Road
CO g/km
0.78
0.6
0.6
0.2
Alfa Romeo 147 1.6
2
HC g/km
Artemis Motorway
Nox g/km
0.013
0.081
0.013 0.044
0.018
0.115
0
Artemis Urban
Artemis Road
CO g/km
HC g/km
Artemis Motorway
Nox g/km
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
% Missions
Confronto Energetico-Emissivo (1/3)
40
35
30
25
20
15
10
5
0
CO 2 [g/Km]
Hybrid
IMA
2000 16v
CO2 prodotta in g/km dai tre veicoli testati: Honda Civic Hybrid, IMA e
2000 16v
% Missions
Confronto Energetico-Emissivo (2/3)
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
EURO 4 limit
for CO [g/Km]
CO [g/Km]
Hybrid IMA
2000 16v
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)
70
% Missions
60
50
40
EURO 4 limit
for NOx [g/Km]
30
20
10
0
NOx [g/Km]
Hybrid
IMA
2000 16v
NOx prodotti in g/km per Hybrid, IMA e 2000 16v (Limite EURO 4: 0.08 [g/km])
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:
NO x  Ce Dcarico
• 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
UDC
Regime
(Ripetiz. 1)
(Ripetiz. 2)
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!