Specifica per la calibrazione dei modelli polmone e farfalla

Come detto in precedenza, la definizione delle mappature del modello polmone è una delle fasi più critiche del progetto. Sbagliare la mappa del carico in funzione della

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pressione e dei giri motore e procedere con la calibrazione delle mappe di coppia significherebbe aver buttato via tantissime ore di lavoro al banco e dover ripetere non solo la mappa del modello polmone, ma anche tutte quelle successive.

Figura 4.1 – Effetti di una erronea calibrazione del modello polmone

Per questa prova vengono utilizzati due strumenti non disponibili in vettura: il “lambda scanner” e la bilancia gravimetrica. Il primo sostituisce le sonde lambda per stabilire con precisione il valore del rapporto aria/combustibile reale: viene montato lungo il condotto di scarico e può essere accompagnato da un sensore di pressione per la compensazione del valore misurato. Nel nostro caso, il modulo di lettura del lambda scanner non dispone dello spazio per montare il sensore di pressione ma, dato che dopo la turbina non sono installati dispositivi (ad esempio il catalizzatore) che possano causare cadute di pressione, si suppone che nel punto di misura la pressione sia pari a quella ambiente. La bilancia gravimetrica è fondamentale per il calcolo del carico a partire dal consumo di combustibile. In molte vetture stradali la portata d’aria effettiva è misurata dal debimetro, uno strumento che viene posizionato prima del filtro. Nel motore trattato questo dispositivo non viene montato, principalmente per i costi e perché non vi è l’esigenza di utilizzare uno strumento estremamente accurato. In

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vettura la portata d’aria viene stimata con una mappa a partire dalla pressione del collettore di aspirazione. Per calibrare questo parametro, a banco la portata d’aria reale viene misurata a partire dalla portata in massa di benzina iniettata:

𝑚̇𝑎𝑟𝑖𝑎= 𝑚̇𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑖𝑙𝑒∙ 𝛼𝑠𝑡∙ 𝜆

dove 𝛼_𝑠𝑡 è il rapporto stechiometrico tra aria e combustibile e 𝜆 è il rapporto tra aria e combustibile reale rispetto al rapporto stechiometrico.

L’utilizzo della bilancia presenta comunque alcuni problemi. Dato che la portata viene misurata in base alla variazione di massa del serbatoio della bilancia in un intervallo di tempo consistente (decine di secondi), la sua precisione è garantita solo per i funzionamenti in stazionario, perché viene misurata la portata media. L’impossibilità di misurare la portata in intervalli di tempo più piccoli (portata istantanea) è dovuta principalmente alla sensibilità della bilancia, che non è in grado di misurare variazioni di massa dell’ordine dei milligrammi. Una vaschetta di misura più piccola, d’altro canto, permetterebbe certo una sensibilità maggiore ma si svuoterebbe in pochi istanti; ogni volta che il serbatoio della bilancia viene riempito però è necessario interrompere la misura, perché la differenza di massa pesata viene influenzata dal rifornimento. Per questo un’indicazione molto importante per queste prove è quella di effettuare le acquisizioni solo dopo un consumo di massa di 50 g, dopo i quali il valore di portata misurata risulta affidabile.

A livello di disabilitazioni è stato necessario disattivare la catena di autoapprendimento dell’iniezione per poter risalire più facilmente al valore di massa di carburante iniettato. Infatti con il controllo in retroazione attivo il valore di massa relativa di benzina viene corretto per permettere la realizzazione del lambda nominale nel caso di deviazioni. Per evitare di dover correggere per ogni punto di misura il valore dell’iniezione, i coefficienti di moltiplicazione vengono impostati ad 1 e gli offset a 0. Le mappe necessarie in questa fase sono le calibrazioni “base”, cioè quelle che vengono stabilite dalla sala prove per garantire la protezione componenti (ad esempio anticipo massimo per evitare detonazione, anticipo minimo per non surriscaldare troppo lo scarico), quelle fissate da regolamento (ad esempio coppia massima, pressione iniezione) e quelle fissate a priori in seguito alla definizione di alcune strategie (ad esempio fase di iniezione, tempi di iniezione, fasatura valvole).

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Per la definizione dei punti motore in cui effettuare le misure ci si è basati in parte sul know-how Ferrari e in parte su raccolte di dati relativi alla versione da competizione per stabilire i limiti minimi e massimi dei valori di velocità di rotazione del motore, pressione del collettore di aspirazione e massa d’aria aspirata relativa. Il motore ha il minimo a 2250 giri/min e non va oltre i 7000 giri/min; in gara sfrutta i regimi tra 4000 e 6500 giri/min e in questo intervallo sono stati quindi presi valori ogni 250 giri/min. Le capacità in termini di pressione vanno da un minimo poco superiore a 100 mbar ad un massimo di 1900 mbar, ottenibile grazie alla sovralimentazione; la discretizzazione è pressoché uniforme con salti di 100 o 150 mbar tra un punto e l’altro. Per mantenere le stesse dimensioni delle calibrazioni già presenti nel software Bosch, si avranno in definitiva 18 breakpoint di giri motore e 14 di pressione, per un totale di 252 punti di misura richiesti. GIRI MOTORE 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4250 4500 4750 5000 5250 5500 5750 6000 6250 6500 6750 7000 P R E S S IO N E P O L M O N E 150 350 600 800 1000 1100 1200 1350 1500 1650 1700 1750 1800 1950

Tabella 1 - Piano di prova per la calibrazione del modello polmone e del modello farfalla

I canali di acquisizione che è necessario registrare sono due: la pressione del polmone media, per tenere conto di eventuali sbilanciamenti tra le due bancate, e il carico calcolato a partire dal consumo di combustibile, definito come

𝑐𝑎𝑟𝑖𝑐𝑜 = 𝑚̇𝑓𝑢𝑒𝑙∙ 𝜆 ∙ 𝛼𝑠𝑡 𝑛𝑚𝑜𝑡 ∙ 𝑚_{𝑎𝑟𝑖𝑎,𝑠𝑡𝑑}

che indica quindi il rapporto tra la portata d’aria effettivamente aspirata dal motore e la portata d’aria che si avrebbe in condizioni di pressione e temperatura di riferimento (0°C e 1013 mbar).

Per effettuare le prove bisogna rispettare due condizioni: acquisire i dati dopo un consumo di combustibile di 50 g e a una temperatura dell’aria aspirata pari a 50 °C. L’imposizione sulla temperatura di riferimento serve perché in centralina è presente un vettore di correzione del carico in funzione della temperatura: dato che per il nostro

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motore è stato scelto come riferimento il valore di 50 °C (temperatura di equilibrio a regime), in corrispondenza del quale il fattore di correzione è pari a 1, risulta più conveniente acquisire i dati a questa temperatura.