Ottimizzazione dell'efficienza dei veicoli a etanolo tramite test termici

Come possono gli ingegneri migliorare l'efficienza di un veicolo alimentato a etanolo ottimizzando le temperature del motore e le configurazioni di raffreddamento? Il Team H2politO del Politecnico di Torino ha affrontato questa sfida impiegando il sistema di acquisizione dati Dewesoft IOLITE e misure della temperatura. Attraverso prove su pista, il team ha valutato tre diverse configurazioni di raffreddamento del powertrain e ha sviluppato un modello termico validato per ottimizzare l'efficienza del veicolo e la strategia di gara.

Team H2politO e la Shell Eco-Marathon

Il Team H2politO è un team studentesco del Politecnico di Torino focalizzato sui veicoli a propulsione alternativa. Ciascun membro ha un profilo e un percorso accademico differenti. L'integrazione tra le diverse discipline ingegneristiche, aerospaziale, dell'autoveicolo, chimica, elettronica, energetica, informatica, meccanica e meccatronica, contribuisce alla costante crescita del progetto.

La squadra partecipa alla Shell Eco-marathon Europe-Africa, una competizione incentrata sull'efficienza dei consumi. Durante la gara, l'obiettivo è completare una distanza di 16 km in un massimo di 36 minuti, percorrendo 10 giri di pista; a ogni giro la vettura deve fermarsi sulla linea di partenza/arrivo per simulare le condizioni di guida urbana. Nel corso della prova viene misurato il combustibile impiegato e vince la squadra che registra il minor consumo complessivo.

Il team gareggia con due veicoli suddivisi nelle rispettive categorie:

• Urban Concept a combustione interna (JUNO),

• Prototype a celle a combustibile a idrogeno (IDRAzephyrus).

Test di efficienza termica del veicolo a etanolo JUNO

I nostri test di efficienza termica riguardano il veicolo Urban Concept JUNO (si vedano la Tabella 1 e la Figura 2). JUNO è un veicolo monoposto ultraleggero con monoscocca in fibra di carbonio, spinto da un motore monocilindrico da 50 cc a bioetanolo. È equipaggiato con sospensioni su tutte le ruote, freni a disco, gruppi ottici e tergicristallo, proprio come una comune vettura, ed è progettato per un impiego stradale reale improntato alla massima efficienza.

JUNO 1 - Il veicolo Urban Concept

Per ottenere i migliori risultati in gara, la vettura è dotata di un sistema di telemetria sviluppato internamente, che consente al team di sviluppare un modello di dinamica veicolo e studiare a fondo le strategie di gara.

Il powertrain gioca un ruolo chiave nei risultati. A causa delle 10 soste (obbligatorie per la categoria Urban Concept durante la competizione), JUNO è equipaggiata con una frizione centrifuga e una trasmissione monomarcia per garantire ogni volta la massima costanza in partenza. Sia la trasmissione sia il comportamento termico del motore svolgono un ruolo fondamentale per l'efficienza della vettura.

La Divisione Dinamica Veicolo & Strategia del nostro team simula il comportamento dell'auto giro dopo giro per determinare la strategia di guida più efficiente e comunicare con il pilota durante la gara per eventuali cambi di strategia. La divisione sfrutta una metodologia basata sui dati per costruire un modello completo della vettura.

Questo modello facilita l'acquisizione di informazioni cruciali, consentendo l'ulteriore affinamento e l'ottimizzazione dei vari componenti del veicolo.

Comprendere l'impatto della temperatura del powertrain sull'efficienza

Per elaborare una strategia di gara che permetta al veicolo di viaggiare nella maniera più efficiente possibile, sia in termini di componenti sia per quanto riguarda l'interazione con l'ambiente circostante, è necessario disporre di un modello che consideri sia gli aspetti energetici dei vari componenti, sia il comportamento dinamico del veicolo.

Uno dei componenti principali maggiormente sollecitati durante la gara è il powertrain. A causa del calore generato sia dall'attrito sia dal motore, il comportamento dei componenti subisce variazioni, influenzando sia l'efficienza sia la strategia.

Nel nostro caso, il limite principale consisteva nella mancanza di strumenti adeguati per l'acquisizione dei dati del veicolo, come le temperature in punti specifici del powertrain. Fino a questo momento, nei modelli teorici del team, alcuni parametri dei componenti — quali le capacità termiche e le temperature del motore a combustione e del sistema di trasmissione — non erano inclusi nel modello di simulazione.

Il nostro obiettivo era determinare la migliore configurazione del motore per la gara, raggiungendo temperature ottimali sia per il motore sia per la trasmissione al fine di massimizzare l'efficienza.

Acquisizione dati Dewesoft per i test termici del veicolo

Il progetto ha visto la collaborazione tra diversi attori, ciascuno con un ruolo chiave nel processo di misura e acquisizione dati. Il nostro team, composto da studenti del Politecnico di Torino, aveva la necessità di ottenere misure precise e affidabili per analizzare nel dettaglio il comportamento del nostro Urban Concept, JUNO.

Per supportarci in questo obiettivo, abbiamo collaborato con Dewesoft, un'azienda specializzata in sistemi di acquisizione dati.

Dewesoft ci ha fornito un sistema di acquisizione analogico-digitale ad alte prestazioni, fondamentale per raccogliere i segnali dai vari sensori installati sul veicolo. Inoltre, ci ha messo a disposizione il sistema IOLITE e le termocoppie, strumenti essenziali per ricostruire con precisione il comportamento termico del veicolo nelle reali condizioni di funzionamento.

Grazie a questa soluzione, siamo riusciti a ottenere preziose informazioni da aree altrimenti inaccessibili, come la testata del motore, la trasmissione e il vano motore posteriore, il tutto raccolto in un'unica soluzione.

Setup di misura della temperatura con Dewesoft IOLITE

Durante le prove su pista, la strumentazione avanzata di Dewesoft è stata utilizzata per raccogliere un'ampia gamma di dati. Nello specifico, il sistema IOLITE è stato impiegato per acquisire i dati provenienti da tre diverse termocoppie installate sul nostro Urban Concept JUNO.

I test sono stati pertanto progettati e condotti per costruire un database strutturato e completo. Questo database intende rappresentare una risorsa preziosa per le analisi, a supporto del continuo sviluppo e del confronto con i test futuri.

I setup sono stati allestiti su JUNO in vista delle prove su pista. In particolare, DEWESoft Italia ha fornito la seguente strumentazione:

• Un sistema di acquisizione dati (DAQ) modulare industriale IOLITE

• 3 termocoppie K-type di Classe 1. In conformità alle norme IEC 60584-1, il sistema di misura garantisce un'incertezza estesa di 1,5 °C all'interno dell'intervallo delle temperature operative.

Sono state prese in esame diverse configurazioni del veicolo per individuare la migliore e comprendere l'impatto della temperatura nelle varie condizioni di gara. Per ciascun setup sono stati effettuati 4 giri per l'acquisizione dei dati.

Sono state utilizzate tre diverse configurazioni del powertrain:

1. Ventola montata sul motore a combustione interna.

2. Ventola non montata sul motore a combustione interna.

3. Ventola non montata; presa d'aria esterna per il motore a combustione interna.

Nello specifico, per le termocoppie:

• “T_trans” temperatura della termocoppia posizionata sul carter della trasmissione

• “T_bay” temperatura della termocoppia posizionata nel vano motore

• "T_eng" temperatura della termocoppia posizionata sulla testata del motore.

Grazie a IOLITE, è stato possibile collegare tutte e tre le termocoppie direttamente allo strumento tramite semplici connettori K (si veda la Figura 3). Per facilitarne l'utilizzo, lo strumento è stato alimentato mediante un power bank.

Tutte le termocoppie sono state poi instradate attraverso la paratia parafiamma posteriore in fibra di carbonio fino al vano motore, dove sono state fissate con nastro resistente alle alte temperature (si veda la Figura 4).

È stato eseguito un semplice test preliminare per assicurarsi del corretto funzionamento del sistema (Figura 5). Per la registrazione dei dati, un PC deve rimanere costantemente collegato al sistema tramite Ethernet, pertanto sarà posizionato anch'esso all'interno della vettura durante le prove.

Una volta completata la configurazione, si è deciso di collocare la strumentazione nella zona posteriore sinistra, dietro al sedile, per evitare di intralciare i movimenti del pilota durante la marcia e non interferire con le misure (si veda la Figura 6).

Tutto è stato fissato saldamente con velcro e nastro adesivo per evitare che le vibrazioni o le forze laterali potessero causare la disconnessione dei cavi e la conseguente perdita di dati.

Misura della temperatura su pista e risultati

Prima di ogni sessione in pista, la registrazione dei dati veniva avviata manualmente tramite il computer di bordo, che era collegato direttamente al sistema di acquisizione. Contemporaneamente, veniva tenuto un rigoroso registro di pista giornaliero per documentare le condizioni ambientali, i feedback del pilota e gli eventi in pista in tempo reale, garantendo la completa tracciabilità dei dati telemetrici. I set di dati raccolti sono stati successivamente elaborati e analizzati utilizzando il software di acquisizione dati e di elaborazione dei segnali DewesoftX. Grazie al supporto tecnico e all'esperienza degli ingegneri Dewesoft, abbiamo massimizzato l'accuratezza dell'analisi dei segnali.

Per garantire la ripetibilità dei risultati, il motore a combustione veniva avviato e portato a temperatura di esercizio prima di iniziare ogni sessione di prova da 4 giri. Di conseguenza, lo stato termico iniziale del gruppo motopropulsore varia a seconda delle configurazioni, svolgendo un ruolo fondamentale nel comportamento durante il riscaldamento transitorio e influenzando il tempo necessario affinché i componenti raggiungano le condizioni di regime.

Test 1: temperatura del motore con raffreddamento attivo

Dopo aver completato circa la metà dei giri previsti, le temperature sia del motore a combustione che della trasmissione hanno iniziato ad avvicinarsi asintoticamente a un picco, stabilizzandosi attorno a un plateau termico costante. Questo comportamento è governato principalmente dalla capacità termica dei componenti strutturali durante la fase transitoria di riscaldamento e dal progressivo avvicinamento all'equilibrio termodinamico. 

Con il progredire della prova, l'energia termica cumulativa generata dalla combustione del motore e dall'attrito meccanico all'interno della frizione centrifuga si è bilanciata con la velocità di dissipazione del calore verso l'ambiente circostante. Di conseguenza, l'apporto termico netto non è più stato in grado di innalzare le temperature di massa del gruppo motopropulsore (vedere Figura 7 e Tabella 2).

Questa stabilizzazione indica che, in queste specifiche condizioni operative, è stata stabilita con successo un'affidabile base di riferimento termica a regime per il veicolo. Questa base funge da punto di riferimento fondamentale, essenziale per isolare e quantificare gli impatti termodinamici delle configurazioni alternative del motopropulsore valutate nei setup successivi.

Test 2: temperatura del motore senza la ventola di raffreddamento

Per questa seconda configurazione, la rimozione della ventola di raffreddamento isola il volume interno del vano motore, riducendo significativamente la convezione forzata e impedendo la circolazione attiva dell'aria attorno ai componenti del gruppo motopropulsore. Questi effetti sono visibili nei dati.

Nonostante il funzionamento senza raffreddamento attivo, durante la sessione di prova non sono mai state superate le soglie termiche critiche. Il mantenimento di temperature di esercizio più elevate si dimostra estremamente vantaggioso per l'efficienza complessiva del motopropulsore, offrendo due distinti vantaggi.

In primo luogo, dal punto di vista dell'efficienza meccanica, poiché la ventola è calettata direttamente sull'albero motore, la sua rimozione elimina una significativa massa rotante parassita. Questa riduzione dell'inerzia rotazionale minimizza direttamente le perdite parassite e migliora la risposta transitoria del motore. In secondo luogo, il regime termico più elevato riduce la viscosità del lubrificante, diminuendo così l'attrito meccanico da taglio.

In queste condizioni, le temperature sia del vano motore che della trasmissione mostrano una curva di riscaldamento fortemente lineare. Inoltre, la temperatura della testata si avvicina al proprio equilibrio termico significativamente prima durante la sessione rispetto al setup di riferimento. La fase di riscaldamento accelerata riduce al minimo le dispersioni termiche transitorie verso le pareti strutturali, massimizzando così il lavoro di espansione termodinamico e aumentando ulteriormente il rendimento termico del motore (vedere Figura 8 e Tabella 3).

Test 3: temperatura del motore senza la ventola e con presa d'aria esterna

Nella terza configurazione, l'introduzione di un sistema dedicato di canalizzazione esterna ha consentito al motore di aspirare aria fresca e ambiente direttamente dall'esterno della carrozzeria del veicolo.

Eliminando l'intensa convezione forzata e l'asportazione di calore fornite dalla ventola meccanica, la testata raggiunge la propria temperatura di esercizio asintotica a regime significativamente prima durante la sessione. La fase accelerata del riscaldamento transitorio riduce al minimo la durata del funzionamento a regime termico subottimale.

Contemporaneamente, questa canalizzazione alimenta la camera di combustione con aria di aspirazione più fredda e densa, massimizzando la portata massica di aria fresca, ottimizzando il rendimento volumetrico e prevenendo le perdite di densità tipiche dei vani motore operanti ad alte temperature. Sebbene un vincolo tecnico abbia prematuramente limitato questa sessione di prova a tre giri, i dati telemetrici dimostrano chiaramente un transitorio termico molto più ripido, con tutti i componenti del gruppo motopropulsore che si avvicinano alle finestre termiche target ad alta efficienza in un arco temporale significativamente compresso (vedere Figura 9 e Tabella 4).

Sviluppo e validazione di un modello termico del motopropulsore in Siemens Amesim

I set di dati empirici ad alta fedeltà raccolti in pista tramite i sistemi Dewesoft si sono rivelati fondamentali per modellare il complesso comportamento termico transitorio dei componenti del motopropulsore, aumentando in modo significativo l'accuratezza predittiva della simulazione complessiva del veicolo.

Questa correlazione è stata ottenuta sviluppando un modello termico di Juno in Amesim, il software di simulazione di sistemi meccatronici di Siemens. Il modello simula i meccanismi di scambio termico impiegando un'analogia elettro-termica, in cui i nodi termici sono interconnessi e direttamente accoppiati al blocco del motore a combustione interna.

Il modello si concentra principalmente su tre blocchi interagenti:

• La massa termica e l'accumulo energetico capacitivo del vano motore.

• La massa termica e l'accumulo energetico capacitivo del motore.

• La massa termica e l'accumulo energetico capacitivo della trasmissione.

Ciascuno di questi sottosistemi è caratterizzato da una propria specifica resistenza termica e capacità termica (Figura 10), che determinano la risposta termica transitoria, i percorsi di conduzione e i tassi di dissipazione termica rispetto al calore netto generato dalla combustione e dall'attrito meccanico.

Inoltre, il modello consente l'integrazione delle temperature iniziali sperimentali per ciascun nodo, replicando così l'esatto stato termico del veicolo all'inizio di ogni sessione in pista. Integrando questi parametri fisici nell'ambiente Amesim, la simulazione riproduce ad alta fedeltà le complesse dinamiche termiche reali del motopropulsore.

Per snellire e ottimizzare il processo di correlazione del modello, i set di dati telemetrici empirici estratti da una specifica sessione di test Dewesoft sono stati sincronizzati e sovrapposti su un grafico unificato, rispecchiando l'esatto layout generato dal modello numerico (vedere Figura 11).

La visualizzazione simultanea dei canali sincronizzati ha consentito un'immediata analisi comparativa qualitativa delle curve transitorie. Confrontando direttamente il set di dati sperimentali provenienti dalle termocoppie fisiche con i dati termici simulati dal modello Amesim, è stato possibile valutare in modo intuitivo le forme caratteristiche, le pendenze e i trend di comportamento del modello.

Sebbene le semplificazioni intrinseche di una simulazione termica 1D precludano una replica esatta, punto per punto, dell'ambiente fisico, il modello dimostra un'eccezionale fedeltà nel tracciare il comportamento transitorio. I picchi e gli avvallamenti simulati rispecchiano fedelmente i dati sperimentali, con uno scostamento massimo inferiore al 3% lungo l'intero ciclo di guida (vedere Figura 12). Questa stretta correlazione conferma che il modello cattura con precisione l'inerzia termica e la dissipazione energetica del motopropulsore, rendendolo uno strumento affidabile per ottimizzare la strategia predittiva di gara.

Miglioramento dell'efficienza del motopropulsore mediante test e modellazione termica

I test sperimentali in pista hanno fornito dati di grande valore, convalidando l'approccio di simulare intere sessioni di gara per replicare accuratamente le condizioni operative reali. Tra le configurazioni testate, il Setup 3 si è dimostrato la soluzione ottimale per massimizzare l'efficienza complessiva del motopropulsore.

Dal punto di vista termodinamico e meccanico, operare a temperature del motore più elevate è estremamente vantaggioso per l'efficienza: riduce in modo significativo l'attrito meccanico, garantendo che l'olio motore lavori all'interno della sua finestra ottimale a minore viscosità, e riduce al minimo le cessioni parassite di calore attraverso le pareti della testata, massimizzando così il lavoro utile di espansione durante la combustione. Allo stesso tempo, la presa d'aria esterna dedicata assicura un apporto continuo di aria di aspirazione fredda e densa, ottimizzando il rendimento volumetrico grazie alla massimizzazione della portata massica di aria fresca nel cilindro e prevenendo i cali prestazionali tipicamente legati all'aspirazione di aria calda dal vano motore.

Inoltre, l'eliminazione della ventola di raffreddamento, responsabile di consistenti perdite parassite, tra cui l'inerzia rotazionale sull'albero motore e la resistenza aerodinamica interna al vano motore, risulta ottimale, poiché la sua rimozione migliora direttamente la risposta transitoria del motore nelle fasi di accelerazione. Nonostante le temperature di esercizio più elevate, non si raggiunge mai una soglia limite, preservando un ambiente termicamente stabile nel vano motore ed evitando del tutto il pericoloso accumulo di calore (thermal soak) osservato nel Setup 2.

Infine, l'allineamento delle curve telemetriche sperimentali con i profili numerici potenzia notevolmente la capacità predittiva del modello, consentendo una completa integrazione dell'efficienza termica reale all'interno del framework strategico del veicolo. In uno scenario di gara, questo digital twin validato può essere impiegato dinamicamente impostando la temperatura ambiente come condizione iniziale per i nodi termici sulla griglia di partenza, rendendo la strategia di gara ancora più precisa.