Riassunto analitico
In questo lavoro di tesi sono stati valutati gli effetti sui consumi e sulle emissioni dell’Alfa Romeo Giulia QV dovuti all’introduzione di tecnologie innovative nell’ambito del thermal management, in particolare, per quanto concerne la fase di warm-up. Infatti, come si evince anche dalla letteratura, è proprio in questa fase che si stanno concentrando i maggiori sforzi poiché è quella più critica sia lato consumi sia lato emissioni (in particolare quelle di particolato).
Per raggiungere il target di riduzione consumi ed emissioni, sono stati sfruttati due sistemi atti ad accelerare la fase di warm-up: Exhaust Heat Recovery System (EHRS) e Switchable Water Pump (SWP). Questi sistemi non sono pensati per lavorare insieme dato che propongono di raggiungere i medesimi obiettivi ma attraverso vie differenti: l’EHRS è un sistema che consta di uno scambiatore gas-coolant (miscela di acqua e glicole), utilizzato per riscaldare il liquido refrigerante tramite il calore prodotto dai gas di scarico in modo tale che sia il coolant sia l’olio arrivino prima in temperatura; mentre la SWP è una pompa dell’acqua, trascinata dal motore, dotata di una frizione elettromagnetica utilizzata per disaccoppiare la girante della pompa dalla puleggia accoppiata al motore, ovvero per non far girare la pompa, e quindi il coolant attraverso testa e basamento del motore negli avviamenti a freddo, così da scaldarlo prima e accelerare la fase fredda.
È stato quindi creato un modello di calcolo e calibrato per matchare gli effetti dati dall’utilizzo della SWP e del sistema EHRS al fine di trovare l’ottimo, in termini di minimizzazione dei consumi, in cui far lavorare la vettura. Quindi, si è fatto uno sforzo importante per lo sviluppo e la calibrazione del controllo via software dei due sistemi, pensati per lavorare, almeno in ottica produzione, con logica ON / OFF piuttosto che con un Pulse-Width Modulation (PWM), sfruttando dei programmi che hanno permesso di comandare i componenti in tempo reale con codici di calcolo buildati “ad hoc” fatti poi girare su moduli per l’attuazione di hardware di centralina prototipale.
Per potere stimare il contributo lato consumi ed emissioni dato dalla SWP e dall’EHRS sono stati eseguiti dei cicli sul banco a rulli nelle varie configurazioni; una volta ottenuti gli output di interesse dei cicli, è stato fatto il post-processing dei risultati, monitorando tutta una serie di variabili, per distinguere i cicli confrontabili da quelli che è stato necessario escludere a causa di grandezze di disturbo che sono andate a ledere la bontà delle misure.
Dai risultati ottenuti si è potuto riscontrare un risparmio, seppur esiguo, lato consumi e un vantaggio sensibile sulle emissioni di particolato grazie ad un miglioramento della combustione già a partire dalle fasi iniziali nelle quali il motore è freddo. Occorre infine precisare che i risultati ottenuti nei cicli guida sono stati normalizzati rispetto a un parametro generico “x” affinché non siano diffusi all’esterno dati sensibili dell’azienda.
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Abstract
In this dissertation work, te effects on Alfa Romeo Giulia QV consumption and emissions, due to the introduction of innovative technologiesh in thermal management, have been evaluated, particularly with regard to the warm-up phase. Indeed, as also shown in literature, it is just at this stage that the greatest efforts are made nowadays, since warm-up phase is the most critical both consumption side and emission one (especially those of particulate matter).
To achieve the target of reducing fuel consumption and emissions, two systems were used to speed up the warm-up phase: Exhaust Heat Recovery System (EHRS) and Switchable Water Pump (SWP). These systems are not designed to work together since they propose to achieve the same goals but through different ways: the EHRS is a system consisting of a gas-coolant (mixture of water and glycol) heat exchanger used to transfer the heat of the exhaust gas to the coolant so that the latter and the oil first reach the desired temperatures; while the SWP is a water pump, driven by the engine, endowed of an electromagnetic clutch used to decouple the pump impeller from the pulley coupled to the motor, i.e. to turn off the pump, and hence the coolant through the engine head and block in cold starts, so that it will heat up first and accelerate the cold phase.
A computational and calibrated model was then created to match the effects of using the SWP and the EHRS system in order to find the best configuration, in terms of minimizing fuel consumption, in which let the car work. Henceforth, an important effort has been made to develop and calibrate the software control of the two systems, designed to work, at least from a production point of view, with ON / OFF logic rather than with a Pulse-Width Modulation (PWM), exploiting programs that have allowed the components to be managed in real time with built-in "ad hoc" calculation codes and then turned on modules for the implementation of prototype ECU.
In order to estimate contribution in consumption and emission sides provided by SWP and EHRS, roller bench cycles have been performed in the various configurations; once the desired outputs of the cycles were obtained, post-processing of the results was done, monitoring a particular series of variables, to distinguish cycles comparable to each other from the ones that had to be excluded because of the magnitudes of disturbance that went to damage the goodness of the measures.
From the results obtained, there is a saving, even though is slender, in consumption side and a sensible advantage about particulate emissions thanks to the improved combustion from the initial phases where the engine is cold and begins to warm-up. At last, it should be pointed out that the results obtained in the driving cycles have been normalized with respect to a generic "x" parameter so that the company's sensitive data are not spread outside.
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