File esame Laboratorio di motori a combustione interna

Laboratorio MCI

Che ruolo ha il motore a combustione interna oggi? Vale la pena continuare ad investire e

sviluppare su MCI?

Auto trazione, Produzione di energia elettrica e termica insieme, purtroppo o per fortuna si deve

continuare a sviluppare e investire su questo strumento, il MCI è uno strumento che consente di

convertire energia chimica proveniente da un combustibile in energia meccanica su un albero in

potenza meccanica (caratteristica comune a tutti i motori).

CO₂ footprint (impronta di carbonio)

Indicatore che rappresenta la quantità di anidride carbonica (CO₂) emessa in atmosfera da un

sistema, un prodotto o un’attività, riferita a una specifica unità funzionale (ad esempio gCO₂/km,

gCO₂/kWh). Quando si afferma che i veicoli elettrici hanno emissioni zero, è necessario considerare

anche l’origine dell’energia elettrica utilizzata per la loro alimentazione.

Applicazioni MCI

- Motorsport

- Ambito industriale (gestione di processi produttivi)

- Mezzi di trasporto (costo relativamente basso)

in tutte le applicazioni dobbiamo essere in grado di controllare le emissioni di CO2, vivendo

comunque in modo dignitoso e con comodità.

Ibridizzazione

L’ibridizzazione consente di avvicinarsi alla CO₂ neutrality e, per garantire un range di percorrenza

Tutte le principali soluzioni

significativo, si continua a utilizzare il MCI (Motore a Combustione Interna).

ibride (mild hybrid, full hybrid e plug-in hybrid) rappresentano soluzioni valide che rispondono alla

necessità di ridurre le emissioni di CO₂ del veicolo, pur senza prescindere dall’impiego del MCI.

E-fuels

Un ulteriore motivo per continuare a investire nei motori a combustione interna è rappresentato

dagli e-fuels, ovvero combustibili liquidi sintetici utilizzabili nei MCI.

Gli e-fuels, a differenza degli HVO e dei bio-fuels, non derivano da biomasse o materie prime

agricole. Gli HVO possono essere utilizzati come alternativa al diesel, mentre i bio-fuels sono

ottenuti da alghe o da materia organica. Il principale limite di queste due soluzioni è la disponibilità

limitata delle materie prime, che rende il loro impiego su larga scala non pienamente sostenibile,

poiché non è possibile destinare grandi superfici agricole alla produzione di combustibili.

Per superare questo problema, sono stati sviluppati i combustibili totalmente sintetici (e-fuels),

prodotti in laboratorio a partire da molecole di sintesi. Essendo idrocarburi, il carbonio necessario

alla loro produzione viene ottenuto tramite processi di carbon capture, catturando CO₂ da processi

industriali o dall’atmosfera.

Gli e-fuels rappresentano quindi una soluzione potenzialmente sostenibile nel medio periodo,

poiché permettono di mantenere l’attuale piattaforma tecnologica dei veicoli e realizzare un

bilancio di CO₂ quasi neutro, in quanto la CO₂ emessa durante la combustione è la stessa utilizzata

per produrre il combustibile.

Idrogeno

La combustione dell’idrogeno è CO₂-neutral. La criticità dell’idrogeno è che esso deriva dalla

scissione della molecola dell’acqua, un processo fortemente energivoro che oggi sfrutta la

combustione del metano. L’idrogeno utilizzato attualmente è quasi interamente a produzione

grigia. L’obiettivo è riuscire a produrre idrogeno tramite un processo a zero emissioni.

Attività di testing nell’industria automotive

Nonostante il costo elevato, il testing consente di familiarizzare con i componenti e di ridurre i costi

futuri, poiché permette di identificare possibili danni e intervenire in vista di futuri sviluppi e

implementazioni.

I test consentono anche di migliorare i processi di costruzione e di effettuare controllo e qualità. La

maggior parte dei test non è finalizzata alla verifica delle prestazioni, ma alla durata e alla qualità

dei componenti. Le prove di durata possono essere molto lunghe, da 30 fino a 200 ore.

Un altro motivo per cui i test sono fondamentali riguarda le certificazioni: un motore non può

essere immesso sul mercato se non è stato sottoposto a una serie di test, distruttivi (come i crash

test per le automobili) o non distruttivi. Senza questa fase di testing, non è possibile

commercializzare il prodotto.

Tutti i diversi tipi di test possono essere utilizzati per definire le caratteristiche finali del prodotto,

sia in termini di performance sia di requisiti di sicurezza.

Modello a “V” (V-Model) usato nelle attività di R&D / sviluppo di sistemi e prodotti

Il modello a curva a V, derivato da Toyota, è un sistema che integra in maniera sinergica

simulazione e test sperimentale a diversi livelli di complessità. Questo approccio permette di

essere rapidi, efficaci e competitivi nello sviluppo di un nuovo prodotto o nella modifica di

funzionalità su un prodotto già esistente.

Le simulazioni da sole non sono sufficienti e nemmeno i test sperimentali; la curva a V combina i

punti di forza di entrambe le metodologie. È un modello utilizzato per la ricerca e lo sviluppo,

applicabile, ad esempio, allo sviluppo di un veicolo.

La curva a V si legge da sinistra verso destra, con una prima fase discendente che rappresenta

analisi, progettazione e sviluppo, e una fase ascendente che rappresenta integrazione, verifica e

validazione. Ogni fase prevede verifiche periodiche, e il processo viene ripetuto ciclicamente fino a

ottenere un prodotto in linea con i requisiti iniziali.

Ogni parte della curva è connessa alle altre tramite un sistema di verifica e valutazione incrociate.

Si possono individuare tre grandi sezioni:

- Parte sinistra: riguarda il design, la definizione dei requisiti e le simulazioni dei concetti ad

alto livello.

- Parte centrale: riguarda lo sviluppo dei sottosistemi, il design dettagliato e la realizzazione

di software di controllo, con forte uso di elettronica.

- Parte destra: riguarda l’implementazione, l’assemblaggio dei sistemi (ad esempio il

powertrain) e la loro integrazione nel veicolo, fino alla realizzazione di un prototipo.

Durante tutto il processo vengono eseguiti diversi tipi di test e ottimizzazioni in varie tipologie di

ambienti di prova, finalizzati non solo alla verifica delle prestazioni, ma anche alla durata, qualità e

sicurezza dei componenti.

Il modello a V può essere declinato in sottoclassi, ma la logica rimane la stessa: ogni fase è

interconnessa alle altre tramite processi di validazione e verifica, e le metodologie di test associate

sono differenziate in base alla fase e al livello del sistema considerato.

1- System analysis

Fase iniziale in cui vengono definiti i requisiti di alto livello del sistema, In questa fase si

identificano le esigenze del mercato e gli obiettivi generali del prodotto. La definizione dei requisiti

non viene effettuata dagli ingegneri, ma dalle unità di Design e Business, che considerano diversi

elementi come:

- Identità del brand

- Analisi di mercato

- Analisi dei competitor

- Re-branding

L’obiettivo è stabilire le linee guida generali per lo sviluppo del prodotto, fornendo una base

coerente per le fasi successive di progettazione e sviluppo tecnico.

2- System Design

Fase in cui vengono definiti i requisiti tecnici del sistema sulla base dei requisiti di alto livello

identificati nella fase di System Analysis.

Una volta definite le caratteristiche fisiche del veicolo dal team di design, si passa alla parte più

tecnica. In questa fase si esegue un’analisi delle piattaforme esistenti, poiché lo sviluppo non parte

da zero. L’uso di piattaforme esistenti consente di essere rapidi nell’arrivare sul mercato e efficienti

dal punto di vista economico, assicurando un margine di guadagno adeguato.

Durante questa fase vengono valutati:

Le piattaforme esistenti

- Il processo produttivo esistente

- L’impatto delle modifiche sui costi e sui processi di produzione

-

L’obiettivo è garantire che le soluzioni tecniche siano realizzabili, efficienti e compatibili con i

processi industriali già disponibili.

Concetto di “Software-in-the-Loop (SIL)”

Metodo di test e validazione del software in un ambiente di simulazione, che permette di

individuare rapidamente e in modo economico bug e problemi, migliorando la qualità del codice.

Il SIL è particolarmente importante nell’industria automotive, dove i produttori puntano a veicoli

definiti dal software, con funzionalità e caratteristiche implementate principalmente tramite

software.

L’efficacia del SIL dipende dalla qualità del software di modellazione e dai casi di test e script scritti

per simulare condizioni stradali specifiche e scenari di guida.

I test SIL vengono generalmente eseguiti nelle prime fasi dello sviluppo software.

3- Software Analysis

Fase in cui vengono definiti i requisiti software necessari per implementare le modifiche richieste,

in questa fase si considerano:

- Piattaforme esistenti

- Impatto delle modifiche sugli strumenti e sulle piattaforme già disponibili

- Stima dei benefici derivanti dalle modifiche

L’obiettivo è stabilire in modo chiaro cosa deve essere modificato o aggiunto al software, fornendo

una base solida per le fasi successive di progettazione e sviluppo.

Concetto di “Hardware-in-the-Loop (HIL)”

Tipologia di ambiente di test che integra software e hardware. In questa fase si realizza un

elemento fisico prototipale che viene pilotato secondo una strategia di controllo implementata

sull’hardware, mentre il resto del sistema è simulato.

Gli ambienti HIL permettono di combinare:

- Simulazione dell’ambiente

- Collegamento fisico del componente reale

Questo differisce dal SIL, dove sia il componente che l’ambiente sono completamente simulati.

L’HIL consente di testare e iterare il design come se i dispositivi fossero operativi sul campo insieme

ad altri componenti, permettendo di:

- Aggiornare rapidamente software di ECU o motore

- Testare un’ampia gamma di scenari realistici

- Espandere la copertura dei test senza rischi per sistemi fisici costosi

L’accesso alla sala prova motori avviene solo dopo aver raggiunto un livello medio-alto di

consapevolezza sul sistema, per motivi di tempi e costi.

4- Software Design

Fase in cui vengono implementati il software e le funzionalità aggiuntive necessarie per realizzare

le modifiche richieste, in questa fase si considerano:

- Impatto delle modifiche sugli strumenti e sulle piattaforme esistenti

- Stima dei benefici derivanti dalle modifiche sull’hardware reale

L’obiettivo è tradurre i requisiti software definiti nella fase di Software Analysis in una realizzazione

concreta, pronta per l’integrazione e i test successivi.

5- Implementation

Fase in cui vengono implementate le nuove funzionalità e integrate su hardware pronto all’uso e

facilmente integrabile. L’obiettivo è preparare il sistema affinché sia pronto per i test fisici,

garantendo che il software e l’hardware funzionino insieme in maniera coerente prima delle

verifiche su sistemi più complessi o sul veicolo completo.

Concetto di “rapid Control Prototyping (RCP) Systems”

Fase in cui le nuove funzionalità vengono implementate e integrate su hardware pronto all’uso, con

particolare attenzione al Rapid Control Prototyping (RCP).

L’RCP è una metodologia di test e sviluppo utilizzata per accelerare il processo di progettazione,

sfruttando il model-based design per testare strategie di controllo su hardware fisico già nelle

prime fasi del progetto.

L’hardware RCP è tipicamente compatto e portatile, può essere eseguito nello stesso ambiente del

controller finale, ha potenza di calcolo sufficiente per eseguire il modello auto-codificato e dispone

di tutti gli I/O necessari per interfacciarsi con il sistema da testare.

L’obiettivo è consentire verifiche rapide e iterative sul controllo del sistema prima dell’integrazione

completa, riducendo tempi e rischi di sviluppo.

6- Software Integration

Fase in cui le nuove funzionalità vengono implementate sulla piattaforma hardware finale, che è

generalmente più rigida e dispone di risorse computazionali limitate.

L’obiettivo è trasferire il software sviluppato e testato nelle fasi precedenti sull’hardware definitivo,

garantendo che tutte le funzionalità siano integrate correttamente e pronte per i test su sistema

completo o sul veicolo.

7- Software Testing

Fase in cui le nuove funzionalità vengono testate utilizzando strumenti HIL (Hardware-in-the-Loop)

insieme all’hardware fisico. L’obiettivo è verificare che il software sviluppato nelle fasi precedenti

funzioni correttamente sul componente reale, simulando scenari realistici e condizioni operative

senza rischi per sistemi fisici costosi.

8- Integration Testing

Fase in cui il nuovo hardware e le funzionalità vengono testati utilizzando diversi strumenti HIL in

condizioni ambientali realistiche.

L’obiettivo è verificare il corretto funzionamento dell’hardware e del software integrati,

assicurando che tutti i componenti lavorino insieme in scenari realistici prima della messa in

servizio o dei test su veicolo completo.

Condetto di “Cluster-HIL”

Più sistemi HIL possono essere collegati tra loro per testare diversi componenti

contemporaneamente. Ogni HIL è in grado di replicare il comportamento di un sistema fisico

specifico, consentendo di collegare l’hardware e testarlo come se fosse parte di un sistema reale.

9- Final System Testing

Fase in cui il nuovo hardware e le funzionalità vengono testati utilizzando la piattaforma finale del

prodotto, in condizioni ambientali realistiche.

L’obiettivo è verificare che l’intero sistema funzioni correttamente nel suo contesto finale,

garantendo prestazioni, affidabilità e sicurezza prima della messa in produzione o dell’immissione

sul mercato.

Concetto di “Engine Testing Prototype”

Motori speciali dotati di sensori aggiuntivi e strumentazione, utilizzati per monitorare le prestazioni

e il comportamento dell’intero sistema.

Questi motori servono a raccogliere dati dettagliati sul funzionamento, utili durante le fasi di HIL

testing o di Final System Testing, prima dell’integrazione completa nel veicolo o nella piattaforma

finale.

Concetto di “Vehicle Prototype”

Veicoli speciali dotati di sensori aggiuntivi e strumentazione di bordo, utilizzati per monitorare le

prestazioni e il comportamento dell’intero sistema.

Questi veicoli servono a raccogliere dati dettagliati sul funzionamento, utili durante le fasi di

Integration Testing o di Final System Testing, prima della produzione o della messa in commercio.

Sala prova motori

Def: “Ambiente confinato e sicuro per l’osservazione e la caratterizzazione di sistemi MCI, e dei suoi

sottosistemi, grazie alla misurazione di grandezze fisiche di funzionamento in condizioni controllate

e ripetibili”

Nella sala prova motori si testano le prestazioni e le capacità dei motori. Un motore

semplicemente prelevato e posizionato su un banco di prova, senza un ambiente controllato, non

permette di identificare in modo univoco il punto di funzionamento.

La sala prova motori consente di testare il motore in maniera controllata, cioè in condizioni note. Il

controllo dell’ambiente riguarda in particolare le condizioni ambientali, come temperatura e

umidità.

Per questo motivo, per testare un motore si utilizza una stanza di dimensioni ridotte, poiché la

spesa energetica richiesta dagli impianti per il controllo dell’ambiente è molto elevata. Di

conseguenza, le sale prova sono tanto più piccole quanto più limitato è il sistema che si deve

testare.

Funzioni principali della sala prove motori:

- Possibilità di controllare il funzionamento del motore in condizioni “ideali”

- Sviluppo e validazione di strategie di diagnosi e di controllo in RT

- Induzione controllata di particolari condizioni di (mal)funzionamento (es. misfuel, misfire)

per identificare i parametri diagnostici e validare i corrispondenti algoritmi

- Possibilità di strumentare il motore con sensori non disponibili on-board

- Verifiche di base in ottica di omologazione per normative antinquinamento

- Caratterizzazione delle curve di coppia e di potenza

- Supportare lo sviluppo e la validazione di (nuove) strategie di controllo e diagnosi motore

- Prove di durata

- Simulazione condizioni di funzionamento su veicolo

- Sviluppo di nuovi materiali, modifiche progettuali e componenti

Elementi caratteristici di una sala prova

- Freno

- Impianto di raffreddamento (fluidi: acqua/olio)

- Impianto di condizionamento aria comburente

- Impianto di scarico (gas esausti)

- Impianto di lavaggio (aria di cella)

- Impianto di estinzione

- Sistema di controllo e automazione

- Sistemi e impianti per la misurazione di grandezze fisiche

Air Measurement & Conditioning

“impianto per la misurazione e il condizionamento dell’aria”, sottosistema che si occupa della

misurazione e del condizionamento dell’aria fornita al motore o al comburente. L’aria è

fondamentale per garantire che avvenga la combustione all’interno del motore in modo efficiente

e controllato.

In una sala prova motori è fondamentale poter simulare le condizioni atmosferiche. Questo

avviene tramite proboscidi collegate a ventilatori, che generano un flusso d’aria indirizzato verso il

motore.

Oltre alla simulazione delle condizioni esterne, è possibile controllare l’aria in aspirazione al

motore, imponendo le condizioni di prova desiderate.

All’interno della sala prova sono presenti due diverse tipologie di aria:

- Aria comburente: è l’aria necessaria alla combustione e viene aspirata direttamente dal

motore.

- Aria di lavaggio: serve a rinnovare l’ambiente della cella, rimuoven