Fuel consumption and engine-out emissions under real driving vehicle conditions

The prediction capability of fuel consumption and emissions of a simulation method has been investigated in this work. It has been compared to a reference simulation one becuase of its accuracy. The former is the Quasi-Static method, that models the entire vehicle describing components as static maps and, using algebraic equations, solving system dynamics. The latter is a 1D gasdynamic, crank angle resolution simulation of the engine alone, deeply described and experimentally verified, leading to very accurate and reliable simulation results. Simulations have been performed under two standardized driving cycles, one accounting of more transients situations rather than the other, obtaining a general behaviour of the error produced by the approach objective of the thesis, i.e. the Quasi Static. The first driving cycle is the European standardized homologative cycle also called NEDC; it has been chosen because of the slow transient conditions included, hence it would be an ideal driving cycle for the simulation approach in question. A small error is expected because of this. The second driving cycle is the new worldwide homologative cycle, called WLTP. It was introduced in 2017 to have a driving cycle closer to real on-road conditions, accouting of more transient situations typical of those. Hence it has been selected because of presence of higher number and steeper trasient conditions than the previuos driving cycle, showing the real capabilities of the method in object. It could be expected a relatively large error from this last simulation. Results show that the method in object is suitable for those driving cycle accounting of slow transient conditions, as the first driving cycle here described. The error is generally lower than the 5% for both fuel consumption and emissions compared to the gasdynamic simulation; only the NOx (Nitrogen Oxides) error is higher, about 10%. However results of the second driving cycle show a situation in contrast with expectations: the error is even lower than the previous case in some parts and always lower than 5% with the exception of the NOx that in this case reaches the 12% compared to the gasdynamic simulation. Final remarks and comments about this unexpected results are provided in the last section of the present work as well as possible future improvements and suggestions.

Con il presente elaborato si vogliono verificare le prestazioni (in termini di accuratezza dei risultati e tempi di calcolo necessari) di un particolare metodo di simulazione, prendendo come riferimento un secondo metodo di provata affidabilità: il primo approccio modellizza il veicolo nella sua interezza ed utilizza una descrizione approssimata del componente motore mediante mappe di coppia, consumo ed emissioni generate con un software gasdinamico in condizioni stazionarie; l'approccio è denominato Quasi Statico. Esso è caratterizzato da un basso costo computazionale, il che lo rende un metodo ideale in fasi di progetto avanzate, in cui si hanno a disposizione dati sperimentali e prototipi. Il secondo metodo, quello utilizzato come riferimento, modellizza il solo componente motore nelle stesse condizioni operative a cui è stato sottoposto il veicolo con il metodo da testare, mediante un software gasdinamico 1D; esso è denominato 1D gasdinamico ad alta risoluzione angolare (pari a quella del singolo ciclo motore). Quest'ultimo è caratterizzato da ottime prestazioni in termini di predittibilità e fedeltà dei risultati ma elevati costi computazionali. Il modello motore utilizzato è stato sottoposto a verifiche sperimentali, per ottenere la massima fedeltà. Poichè il metodo in oggetto, il Quasi Statico, è basato sull'utilizzo di mappe stazionarie (cioè a punti motore fissi garantendo condizioni termo-fluidodinamiche a regime), per verificare le reali prestazioni del metodo si è scelto di testarlo in due cicli di guida differenti tra loro in termini di condizioni di non-stazionarietà, condizioni cioè in cui si hanno transitori più o meno rapidi di velocità. Il primo ciclo preso in esame è il ciclo omologativo Europeo NEDC; questo non è stato scelto a caso. In primo luogo è il ciclo che fino ad ora è stato utilizzato per l'omologazione (in termini di emissioni) delle auto circolanti in Europa; in secondo luogo, in relazione al tipo di analisi, esso è il ciclo che meglio si adatta al metodo da testare. Il secondo ciclo è il nuovo ciclo omologativo a livello mondiale, il WLTP. Esso è caratterizzato dalla presenza di maggiori condizioni di non-stazionarietà della velocità, avvicinandosi alle condizioni reali di funzionamento di un veicolo su strada. A causa di ciò quindi, si è scelto di paragonare i risultati ottenuti dal precedente ciclo con il presente per mostrare i pro ed i limiti del metodo di simulazione in oggetto. I risultati comparativi tra i due metodi mostrano che il metodo Quasi Statico, nonostante l'utilizzo di mappe stazionarie, modellizza in maniera generalmente corretta gli inquinanti ed il consumo carburante. Nella simulazione del ciclo NEDC l'errore medio cumulato del consumo carburante e degli inquinanti è inferiore al 5%, eccetto per il NOx (Ossidi di Azoto) il cui errore è di circa il 10%; nella simulazione del ciclo WLTP l'errore medio cumulato è ancora al di sotto del 5% e persino più basso in alcuni casi rispetto al ciclo NEDC, mentre l'errore del NOx sale al 12%. I risultati qui descritti saranno discussi ed argomentati nel seguito dell'elaborato, tuttavia è intuibile quanto essi rispecchino il vasto utilizzo ed interesse nel mondo industriale.