Per un corretto funzionamento del carburatore elettronico, è importante che il sistema di variazione e controllo del titolo sia efficiente, robusto e permetta di soddisfare le normative sulle emissioni inquinanti nelle varie condizioni di funzionamento del motore.
Un sistema di controllo ad anello aperto è in grado di garantire una gestione elettronica dell’alimentazione del motore solo in base a dei criteri prestabiliti e non verificabili né correggibili durante il funzionamento. Questa caratteristica lo rende più debole nei confronti dell’invecchiamento del motore e del funzionamento in condizioni straordinarie. Un controllo ad anello chiuso consente invece, di correggere il titolo fornito dal carburatore in base alla risposta del motore ed è perciò preferibile.
Come accennato nel paragrafo 4.3, per realizzare un controllo ad anello chiuso, occorre un segnale correlato al titolo della miscela e chiaramente interpretabile, robusto e preciso con un margine di errore accettabile. In motori per uso stazionario come quello adoperato in questo studio sperimentale, un
sensore sofisticato quale la sonda lambda proporzionale, sebbene costoso è ideale per qualità del segnale.
Tenendo conto dei risultati di precedenti lavori di tesi riguardante lo studio sperimentale del controllo in retroazione del titolo di miscela in un motore AC [1, 2, 3, 34] si è deciso di utilizzare, come descritto nel precedente paragrafo, il segnale proveniente dalla sonda lambda, perché molto preciso, veloce e affidabile. L’utilizzo di altri segnali, anch’essi legati alla dispersione ciclica potrebbe comportare un margine di errore non accettabile [3].
Un tale scelta implica il problema del costo di tale sensore se si pensa di utilizzarlo in una produzione di serie correlato al motore. Si stima che il costo della sonda lambda è pari a quello del motore, il che rende alquanto discutibile da questo punto di vista, la scelta di tale sensore. Tuttavia, in fase sperimentale, l’adozione di tale sensore è del tutto giustificata al fine di avere dei risultati quanto più attendibili e precisi.
Se si pensa ad una applicazione del sistema di controllo elettronico proposto in questo lavoro di tesi, è necessario ricercare un sensore altrettanto valido e preciso per la misura del titolo della miscela. A riguardo, una possibile soluzione potrebbe essere l’utilizzo del sensore a flusso ionico di cui si accenna nel capitolo 9.
La centralina elettronica utilizzata nella sperimentazione, realizzata in collaborazione con la ditta SEI snc3, fa parte anch’essa di un lavoro di tesi parallelo [1]. Essa è stata progettata per eseguire due funzioni fondamentali: pilotare i solenoidi del carburatore e variare l’anticipo del sistema di accensione in base al numero di giri del motore ed all’entità del carico applicato.
Il fulcro di tutto il sistema è rappresentato da un dispositivo programmabile (microcontrollore) capace di ricevere, mediante circuiti di interfaccia a basso costo, le informazioni necessarie per effettuare le funzioni esposte. Tale microcontrollore è gia predisposto per effettuare il controllo in retroazione del titolo della miscela. Il grande pregio di una soluzione di questo genere, rispetto ad una puramente analogica a componenti discreti, risiede nella sua flessibilità; visto che il controllo è realizzato mediante l’esecuzione di un programma caricato nella memoria del dispositivo, è possibile modificarlo al variare dei parametri di configurazione del motore.
L’utilizzo di un componente programmabile permette inoltre di realizzare una struttura circuitale estremamente affidabile ed adattabile alle più varie esigenze.
Osservando lo schema a blocchi di figura 4.8, si nota oltre al solenoide del carburatore, il microcontrollore dsPIC 30F6010, la bobina di pick-up ed il potenziometro sulla valvola a farfalla4 i quali forniscono i segnali di input sul numero di giri e del carico applicato al motore.
Menzioniamo poi le sezioni Power Supply Module e Pulse Rectify-Splitting Module finalizzate alla possibilità di permettere alla centralina di autoalimentarsi dalla bobina principale presente sul volano motore. Queste sono rimaste inutilizzate, perchè la centralina viene alimentata direttamente da un accumulatore chimico5, necessario anche per il sistema di accensione.
Figura 4.8:Schema a blocchi della centralina elettronica.
Tra i segnali in uscita dalla centralina, quello relativo alla percentuale di apertura dei solenoidi, ovvero la percentuale di duty-cycle viene visualizzata a mezzo di un apposito p.c. Tramite un porta seriale
4 Il segnale del potenziometro sulla valvola a farfalla non è stato utilizzato, avendo eseguito le prove sperimentali a potenza costante e non ad apertura della valvola a farfalla costante.
collegata alla centralina, è infatti possibile visualizzare in tempo reale, ossia durante il funzionamento del motore, la percentuale di duty cycle. Il programma di visualizzazione e l’interfaccia su p.c. (visibile in figura 4.9) sono stati sviluppati in collaborazione con l’azienda S.E.I.
In ultimo accenniamo al modulo CDI per l’accensione elettronica a scarica capacitiva, anch’esso mantenuto inattivo poiché si dispone già di un sistema separato di accensione ad anticipo variabile. La figura 4.10, mostra il circuito stampato con i componenti saldati ed installati. Si nota anche la presenza di una pulsantiera che permette di effettuare un controllo manuale sulla percentuale del duty- cycle a passi del 5%, come sarà spiegato più dettagliatamente nel capitolo dedicato alle prove compiute.
Figura 4.10:Circuito stampato della centralina con in evidenza i componenti principali: (1) Il microcontrollore dsPIC 30F6010, (2) Connettore di collegamento al solenoide, (3) Pulsantiera per la variazione manuale della percentuale di duty-cycle, (4) Connettore di collegamento al pick-up, (5) Connettore di collegamento al potenziometro per l'acquisizione del carico del motore (inattivo).
Capitolo V
Allestimento della sala prove
5.1 Introduzione
Le prove sperimentali condotte nell’ambito di questa tesi hanno lo scopo di dimostrare l’effettiva capacità del carburatore elettronico di poter variare e controllare il titolo della miscela grazie ad un sistema elettronico retroazionato. Il carburatore fornito da Dell’Orto, modello FHC 20 - 16, è stato montato su un piccolo motore monocilindrico a 4 tempi fornito da Tecumseh, per usi stazionari, appartenente alla categoria SH3 (vedi appendice A) per la quale è previsto un inasprimento della normativa contro le emissioni a partire dal 1 Agosto 2008.
Il motore è stato installato su un banco prova equipaggiato con una strumentazione idonea al rilevamento e all’acquisizione dei parametri ritenuti essenziali ai fini dello studio. In particolare, oltre ai valori di coppia e potenza, sono stati monitorati, in diverse condizioni operative, la pressione istantanea in camera di combustione ed il valore dell’indice d’aria, nonché il consumo specifico di combustibile e la portata d’aria in ingresso al motore.
In questo capitolo si vuole descrivere brevemente il motore equipaggiato con il carburatore elettronico, il freno dinamometrico a correnti parassite, la bilancia gravimetrica utilizzata per la rilevazione del consumo del combustibile, il sistema di acquisizione dei dati ed i vari sensori montati sul motore. Tutte le sperimentazioni sono state svolte presso l’officina del Dipartimento di Energetica “L. Poggi” della Facoltà di Ingegneria dell’Università degli studi di Pisa, in collaborazione con i tecnici di laboratorio e con l’ausilio dell’attrezzatura appartenente all’officina stessa.