Riassunto analitico
L’attuale ricerca del compromesso tra mobilità intelligente, consumi e prestazioni, ha reso sempre più necessaria la transizione a un nuovo scenario multietnico, caratterizzato da differenti soluzioni: motorizzazioni alimentate a benzina, a gasolio, metano, GPL, bio-combustibili (biogas, bio-diesel), scenari ibridi ed elettrici. Definire un unico scenario futuro risulta poco realistico e privo di fondatezza scientifica. In questi termini un’attività di ricerca e fattibilità progettuale è stata proposta al laboratorio di ricerca del gruppo motori del Dief da parte di Ducati Motor Holding. Per quanto le normative stiano diventando maggiormente stringenti nel mondo delle quattro, piuttosto che nelle due ruote, Ducati ha scelto di attivarsi immediatamente in ottica delle normative future. L’attività per quanto segretata da NDA, è stato spunto di riflessione e punto di partenza per un’attività di tesi, la quale ha come scopo quello di sviluppare e validare uno strumento per ottenere delle stime sulla possibilità di ibridizzare un attuale Powertrain motociclistico ad elevate prestazioni. Lo strumento adottato per tale obiettivo è MATLAB e le sue declinazioni interne come Simulink e Stateflow. Il lavoro di tesi dovendo pubblicare dei risultati basati su informazioni segretate, ha seguito inizialmente un iter progettuale per ricavare eventuali mappe prestazionali e dati riguardanti la parte puramente motoristica del veicolo. A questo proposito si è adottato un ulteriore software CAE in ambito CFD-1D: GT-Power di Gamma Technologies. Partendo da conoscenze empiriche di laboratorio e dati di dominio pubblico, si è generata una Power unit aspirata, andando a considerare tutti i fattori limitanti alle massime prestazioni, derivanti dall’omologazione stradale. La Mission della tesi è quello di ottenere dati di simulazione con buona approssimazione vicini alle prestazioni richieste in ottica delle normative e limitazioni future. La Vision è quella di garantire l’ibridizzazione, fissando un target di prestazioni obiettivo, riducendo la parte termica e compensando con quella elettrica. Il Value di tutto ciò è farlo garantendo attenzione a tutti gli aspetti interessati: consumi, prestazioni, dimensioni e ingombri, pesi e bilanciamento, nonché omologazione per emissioni acustiche e inquinanti. Dopo una prima calibrazione e validazione senza dati ufficiali sperimentali, si è passati alla fase vera e propria della collaborazione; partendo da un attuale Powertrain motociclistico, e definendo su di essa l’ibridizzazione in funzione dei target richiesti dall’attività e dalla fattibilità tecnica del processo stesso. Sono state analizzate nel dettaglio più soluzioni e layout dello stesso fino a giungere ad un confronto morfologico di idee, nella fase di Conceptual Design, per poi ottenere una soluzione alla base del Model Based design. La validazione del modello è avvenuta su datasheet aziendali basati sul ciclo di omologazione motociclistico: il WMTC. Lo strumento creato è in grado di riprodurre e caratterizzare le prestazioni e le emissioni riferiti allo stato dell’arte della normativa WMTC per motori motociclistici aspirati a benzina nell’intorno delle features adottate, in modo da poter restituire, con pochi input, parecchi output interessanti per comprendere il trend di sviluppo. Gli aspetti osservati spaziano dalla dinamica, al driver, motore termico, elettrico e ancora batteria, inverter, strategie di controllo per il Power-split delle due unità, logica di cambiata e gestione del software. In ogni aspetto si è cercato un confronto pratico con soluzioni già corroborate, attendibili e sovrastimando, per tener conto di tutti gli incerti di progetto, mantenendo un certo grado di conservatività ed evitando propagazione di errore in aspetti critici per l’analisi.
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Abstract
The current search for a compromise between intelligent mobility, consumption and performance, has made it increasingly necessary to transition to a new multi-ethnic scenario, characterized by different solutions: gasoline, diesel, methane, LPG, bio-fuels (biogas, bio-diesel), hybrid and electric scenarios. Defining a single future scenario is unrealistic and lacks scientific basis. In these terms, a research and feasibility project has been proposed to the research laboratory of the Dief engine group by Ducati Motor Holding. Although regulations are becoming more stringent in the world of four-wheelers rather than two-wheelers, Ducati has chosen to take immediate action in view of future regulations.
The activity, as far as segregated by NDA, has been the starting point for a MSc thesis activity, which has the aim to develop and validate a tool to obtain estimates on the possibility to hybridize a current motorcycle high performance Powertrain.
The tool used for this purpose is MATLAB and its internal declinations such as Simulink and Stateflow. The thesis work, having to publish results based on secret information, has initially followed a design process to obtain any performance maps and data regarding the purely engine part of the vehicle. In this regard, an additional CFD-1D CAE software was adopted: GT-Power by Gamma Technologies.
Starting from empirical knowledge of laboratory and public domain data, we generated an aspired Power-unit, going to consider all the limiting factors to the maximum performance, resulting from the road homologation.
The Mission of the thesis is to obtain simulation data with good approximation close to the required performance in view of future regulations and limitations.
The Vision is to ensure the hybridization, setting a target performance, reducing the thermal part and compensating with the electric one.
The Value of all this is to do so by ensuring attention to all aspects involved: consumption, performance, size and dimensions, weight and balance, as well as approval for noise and pollutant emissions.
After an initial calibration and validation without official experimental datasheet, we moved on to the real phase of the collaboration; starting from a current motorcycle Powertrain, the thesis defines on it the hybridization according to the targets required by the activity and the technical feasibility of the process itself. Several solutions and layouts have been analyzed in detail until reaching a morphological comparison of ideas, in the Conceptual Design phase, to then obtain a solution at the base of the “Model Based design”.
The active research, supported by scientific articles, professional manuals, empirical laboratory experiences, has allowed us to develop input data, layout of the individual parts making up a powertrain, strategies that can control and manage them in the best way according to various "philosophies" of driving. The validation took place on company datasheets based on the motorcycle homologation cycle: the WMTC.
The tool created is able to reproduce and characterize the performance and emissions referred to the state of the art of the WMTC regulations for aspirated gasoline motorcycle engines around the adopted displacement, in order to return, with few inputs, several interesting outputs to understand the development trend.
The observed aspects range from dynamics, driver, thermal motor, electric motor, battery, inverter, control strategies for the power-split of the two units, shifting logic and software management. In each aspect a practical comparison with already corroborated, reliable and overestimated solutions was sought, in order to take into account all the uncertainties of the project, maintaining a certain degree of conservatism and avoiding error propagation in critical aspects for the analysis.
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