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MECCANICA ED ELETTRONICA
I MOTORI DEL FUTURO

UN PUNTO FOCALE DELLE POLITICHE DI SVILUPPO
DALL’INNOVAZIONE ALL’APPLICAZIONE

MECCANICA ED ELETTRONICA
I MOTORI DEL FUTURO
La meccatronica è alla base della progettazione dei propulsori automobilistici

Cesare Pianese
Professore Ordinario di Motori a Combustione Interna
DIMEC - Università degli Studi di Salerno pianese@unisa.it

In una fase di crisi economica risulta spesso difficile promuovere lo sviluppo e la crescita della ricerca universitaria che, per la propria natura di processo a medio-lungo termine, non viene considerata tra le attività prioritarie per far fronte alla congiuntura del momento. Tuttavia, è sempre più inderogabile rafforzare la ricerca in un contesto che abbia come obiettivo lo sviluppo del Paese, affiancando in un percorso comune Università e Industria. Inoltre, è ancora più strategica, ai fini dello sviluppo, la tipologia di ricerca che si svolge e quali implicazioni essa ha nella crescita del Paese. Tali premesse assumono una valenza ulteriormente amplificata se riferite al Mezzogiorno d'Italia. La collaborazione tra Università e Industria in un ambito fortemente innovativo e interdisciplinare è il tema fondamentale al quale si ispira l'attività del gruppo di ricerca che opera nel campo dei Sistemi Energetici e delle Macchine a Fluido dell'Università di Salerno. Nel corso degli anni sono state intensificate le collaborazioni con aziende e centri di ricerca, che hanno contribuito ad una rilevante crescita scientifica e didattica del gruppo. Le ricerche si svolgono in contesti di grande attualità, prevalentemente nel settore energetico, affrontando argomenti fortemente innovativi in ambito automobilistico, come i sistemi di controllo elettronico dei motori, la trazione ibrida e le celle a combustibile. Oltre agli obiettivi specifici, strettamente legati ai risultati delle ricerche, le attività di studio portano al conseguimento di obiettivi "trasversali", relativi all'impatto scientifico, tecnologico ed economico indotto sulla realtà industriale locale e nazionale. In particolare, l'applicazione di conoscenze teoriche ed applicative contribuisce alla realizzazione di curricula formativi di interesse per lo sviluppo tecnologico della regione. In tale contesto territoriale l'industria automobilistica rappresenta una rilevante fonte di crescita economica, attesa l'elevata presenza di aziende operanti nel settore. Le ricerche svolte in collaborazione con l'industria automobilistica sono inquadrate nell'ambito di convenzioni con le principali aziende impegnate nel settore, quali la Élasis, la Magneti Marelli Powertrain Control Division ed il Centro Ricerche Fiat. Nel corso dell'ultimo decennio, il gruppo Macchine a Fluido del Dipartimento di Ingegneria Meccanica ha sviluppato, in collaborazione con le aziende citate, un'intensa attività di ricerca nel settore della modellistica e della sperimentazione dei motori a combustione interna per uso automobilistico, con particolare riferimento alle applicazioni inerenti il controllo del motore. L'attività è caratterizzata da contenuti innovativi finalizzati a soddisfare le future esigenze di controllo dei motori, per la riduzione dei consumi e delle emissioni inquinanti. È interessante sottolineare che il successo degli studi e il raggiungimento degli obiettivi si siano caratterizzati per la particolare scelta metodologica di coniugare conoscenze peculiari della meccanica (motori a combustione interna) e dei controlli automatici con aspetti tipicamente teorici (modellistica matematica). L'insieme delle competenze citate si colloca in un contesto scientifico fortemente trasversale che si avvia ad avere anche in Italia un ruolo potenzialmente importante e che trova la propria sintesi nella meccatronica. Quest'ultima riunisce competenze complementari tra meccanica ed elettronica, e può contribuire a migliorare le prestazioni dei sistemi attraverso un'analisi globale piuttosto che affrontare il problema del controllo dei singoli sottosistemi senza una visione d'insieme. Essa non rappresenta un consolidato strumento tecnico solo per l'industria automobilistica ma individua un ambito di sviluppo al quale si può ispirare l'industria locale e nazionale per alimentare e sostenere la propria crescita. Infatti, la meccatronica, per dimensioni e flessibilità richiesta, si configura come un'attività particolarmente adeguata al tessuto industriale campano e italiano. Il gruppo di ricerca, grazie alle esperienze maturate a partire dagli anni 80 nell'integrazione tra elettronica e meccanica, ha svolto nell'ambito di una convenzione triennale con Élasis un'attività finalizzata al miglioramento delle prestazioni dei motori Diesel a controllo elettronico. L'obiettivo della ricerca riguarda lo sviluppo sia delle nuove strategie di controllo del motore sia delle metodologie adottate per la relativa progettazione. Infatti, l'attuale architettura di controllo si basa su una struttura molto empirica con il massiccio ricorso a singoli "sotto controllori", basati su metodologie prevalentemente di tipo euristico. Le prestazioni di tali sistemi, sebbene ragguardevoli, sono ancora lontane da quelle potenzialmente ottenibili con approcci sistematici e basati su un maggiore ricorso alla modellistica matematica. La crescente integrazione dei sistemi di controllo del gruppo motore-cambio-veicolo necessita di tecniche di gestione ottimale della coppia erogata dal motore, che attualmente viene demandata all'utente o a semplici sistemi di controllo, lontani dal garantire le potenziali prestazioni del sistema. Parallelamente al controllo in coppia del motore Diesel, vi è l'esigenza di ottimizzare i consumi e le emissioni, anche con l'introduzione di tecnologie non ancora adottate per tale tipo di propulsore; tra queste, i sistemi a fasatura variabile rappresentano una delle strade più promettenti, anche in relazione al controllo del ricircolo dei gas di scarico. I problemi citati sono stati affrontati con il ricorso ad una integrazione spinta tra modelli di calcolo, tecniche di controllo avanzate ed attività sperimentale, sia per la fase di identificazione, sia per la verifica dei modelli e delle strategie di controllo. Si sono impiegate metodologie modellistiche ad approccio gerarchico per la definizione di un modello globale per la simulazione dinamica dell'intero sistema con il calcolo dei consumi e delle emissioni. In tale modello convergono le attività di modellistica fenomenologica, che consentono la sintesi di una classe di modelli veloci mediante approcci semplificati, e i modelli dei diversi sotto-sistemi. Nell'ambito della collaborazione con la Élasis si sono utilizzate tecniche Hardware-In-the-Loop (HIL) e di Virtual Prototyping (VP), prima della verifica sperimentale diretta sul motore. Tali metodologie sono implementate nelle apparecchiature disponibili presso la sala prova motori del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e inserite in un processo di Rapid Prototyping (RP) riportato nella figura. L'approccio metodologico seguito nello sviluppo delle tecniche citate (HIL, VP e RP) può portare alla realizzazione più veloce, più accurata e più economica dei sistemi di controllo anche per applicazioni non automobilistiche.