Sviluppo di metodologie per la simulazione "real time" e la progettazione di sistemi e strategie per il controllo dei motori a combustione interna automobilistici

Abstract

L’attività sviluppata negli anni del Dottorato è stata finalizzata all’utilizzazione, allo sviluppo ed all’applicazione di metodologie evolute per la modellazione di componenti e sotto-assiemi dei sistemi di aspirazione e scarico di motori a combustione interna (MCI). Lo scopo di tale attività, che ha portato alla realizzazione di una libreria, (denominata Acme, acronimo di Engine Modeling for Automatic Control) presso l’area Macchine e Sistemi Energetici del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Parma, è lo sviluppo di modelli in grado di simulare in real-time il comportamento dinamico dei sistemi di propulsione degli autoveicoli. I modelli presenti all’interno della libreria sono quindi rivolti a descrivere matematicamente il comportamento dei principali componenti e sottosistemi che costituiscono i moderni MCI destinati alla propulsione automobilistica. A tale scopo è stata seguita una metodologia a parametri concentrati e ai valori medi (Mean Value Models, MVM) in modo tale che il “prodotto” finale, ovvero il modello completo del sistema (non solo finalizzato a descrivere i soli processi termodinamici, ma anche a descrivere il “carico-strada”, determinato dal veicolo) sia in grado non solo di simulare in tempo reale il comportamento del sistema, ma anche di inserirsi agevolmente all’interno di piattaforme hardware più o meno complesse. Questo è il caso dei sistemi Hardware-in-the-Loop (HiL), dove il modello completo costruito utilizzando gli elementi della libreria deve essere in grado di interagire con il sistema di controllo (ovvero la centralina elettronica, o ECU) emulando in real-time l’andamento delle grandezze fisiche in uscita dai sensori presenti sul MCI in relazione ai segnali di controllo della ECU in ingresso agli attuatori che gestiscono il motore stesso. Lo scopo di una tecnica siffatta è quello di effettuare una verifica in fase progettuale (ovvero ancor prima che esista un prototipo reale del sistema) degli effetti di una particolare configurazione riferita ad uno specifico dispositivo o sistema di controllo, ovvero di una determinata strategia di gestione sulle prestazioni del MCI (in genere la riduzione dei consumi di combustibile e delle emissioni ritenute dannose per l’ambiente). In particolare essa consente di studiare gli effetti delle strategie di controllo che governano i componenti e quindi il comportamento del motore stesso, in modo tale da fornire previsioni attendibili che forniscano linee guida per la realizzazione del sistema, tali per raggiungere gli obiettivi previsti in fase di progetto. Sono evidenti i vantaggi in termini di tempi e di costi derivanti dall’uso di queste soluzioni. Le metodologie proposte, e con esse i modelli che sono stati realizzati, sono state poi applicate alla realizzazione di due piattaforme HiL presso Aziende del settore (in particolare Fiat Powertrain Tecnology, FPT-R&T, e Magneti Marelli Powertrain), che sono brevemente descritte nell’ambito della tesi.

The activities performed over the years of the PhD were focused on the improvement, development and application of advanced methodologies for modeling the components and subassemblies of intake and exhaust systems of internal combustion engines (ICE). The purpose of this activity, which led to the creation of a library (called Acme, which stands for Engine Modeling for Automatic Control) in the area of Machinery and Energy Systems of the Department of Industrial Engineering, University of Parma, is the development of models able to simulate real-time dynamic behavior of the propulsion systems of vehicles. The models in the library are therefore aimed to mathematically describe the behavior of the main components and subsystems that constitute modern ICEs for automotive applications. For this purpose, a lumped parameter and mean value methodology was followed (Mean Value Models, MVM) so that the final "product", which is the complete model of the system (which not only aims to describe the thermodynamic processes, but also the "road-load" as function of the vehicle) is not only able to simulate real-time system behavior, but can also easily fit into more or less complex hardware platforms. This is the case of hardware-in-the-Loop (HIL) platforms, where the complete model, built with elements of the library, must be able to interact with the control system (the electronic control unit or ECU) emulating in real-time the physical outputs from the sensors of the ICE in relation to the ECU control signals to the ICE actuators. The purpose of this technique is validation in the design stage (even before there is a real prototype of the system) of the effects of a particular configuration, a specific device or control system or of a particular ICE management strategy (usually the reduction of fuel consumption and emissions considered harmful to the environment). In particular, it allows studying the effects of the control strategies which govern the behavior of the components and thus of the engine itself, so as to provide reliable forecasts which become guidelines for the realization of the system, in order to achieve the targets set for the project. These solutions provide obvious advantages in terms of timing and costs. The proposed methodologies, and the models that were made, were then applied in the construction of two HIL platforms in companies which operate in the automotive sector (in particular Fiat Powertrain Technology, FPT-R & T, and Magneti Marelli Powertrain), which are briefly described in this work.