Analisi sperimentale del comportamento alla detonazione di carburanti per motori ad accensione comandata

POLITECNICO DI MILANO

Facoltà di Ingegneria Industriale

Corso di Laurea in

Ingegneria Meccanica

Analisi sperimentale del comportamento alla detonazione di carburanti

per motori ad accensione comandata

Relatore: Prof. Giancarlo FERRARI Co-relatore: Ing. Tarcisio CERRI

Tesi di Laurea di:

Francesco PRESTIFILIPPO Matr.709866

Analisi sperimentale del comportamento alla

detonazione di carburanti per motori ad

accensione comandata.

Francesco Presti…lippo

Anno Accademico 2010/2011

Indice

Sommario v

Abstract vii

Introduzione ix

Simboli e abbreviazioni xiii

1 La sala prove motori 1

1.1 Introduzione . . . 1

1.2 Descrizione del motore . . . 2

1.3 Freno dinamometrico . . . 4

1.4 Impianto benzina . . . 6

1.5 Sicurezza . . . 7

2 Il sistema di misura 9 2.1 Schema del sistema di misura . . . 9

2.2 Misura della pressione nel cilindro . . . 9

2.2.1 Compensazione . . . 11

2.3 Encoder angolare . . . 12

2.3.1 Misure di velocità . . . 16

2.4 Misura della pressione ambiente . . . 16

2.5 Misura delle temperature . . . 18

2.6 Misura dei consumi . . . 18

2.7 Misura dell’anticipo e della dosatura . . . 20

3 Dati da acquisire 23 3.1 Pressione indicata . . . 23

3.1.1 La dispersione ciclica . . . 24 iii

3.2 Cenni sulla combustione . . . 26

3.2.1 In‡uenza dei parametri motoristici sulla combustione . 28 3.3 MFB e modelli per il calcolo del rilascio del calore . . . 31

3.3.1 Angoli caratteristici della combustione . . . 32

3.3.2 Metodo di Rasswailer e Withrow . . . 33

3.4 Caratteristiche della detonazione . . . 36

4 Il software di acquisizione 37 4.1 Introduzione al LabVIEW . . . 37

4.2 La gestione dei segnali: Measurement & Automation . . . 38

4.3 Schema del software di acquisizione . . . 40

4.3.1 Descrizione del software: la fase di campionamento . . 40

4.4 Acquisizione . . . 43

4.5 Elaborazione in Real Time . . . 47

4.6 Visualizzazione e salvataggio dei dati . . . 51

4.7 Post-elaborazione dei dati . . . 52

5 Prove 57 5.1 Introduzione . . . 57

5.2 Piano delle prove . . . 58

5.3 Risultati . . . 62

6 Conclusioni e commenti 73 6.1 Commenti . . . 73

Sommario

Un nuovo software di acquisizione è stato realizzato per lo studio di cinque di¤erenti benzine in una sala prove per motori a combustione interna. Il proposito di questo lavoro è quello di mostrare come il software è stato re-alizzato, come sono stati a¤rontati e risolti alcuni aspetti del problema per arrivare ad un’analisi completa del processo di combustione per i diversi tipi di benzina forniti. L’obiettivo del software di acquisizione era quello di fornire un ampio spettro di dati contenenti la pressione in camera di combus-tione durante cicli di¤erenti a diversi valori di regime, dosatura ed anticipo di accensione. I dati di pressione così ottenuti sono stati successivamente analizzati utilizzando modelli noti in modo da calcolare la funzione di rilas-cio del calore in tali diverse condizioni operative. Una serie di parametri ritenuti signi…cativi è stata utilizzata per de…nire il processo di combustione, la dispersione ciclica e le prestazioni del motore utilizzando i diversi com-bustibili disponibili. Come risultato il software ha ottenuto riscontri positivi e rimarrà disponibile per studi futuri. Dopo l’analisi svolta alcune benzine hanno evidenziato piccoli miglioramenti in termini di prestazione soprattutto collegati alla loro resistenza alla detonazione e quindi permettendo anticipi di accensione maggiori con un minimo rischio di detonazione.

Parole chiave: motori a combustione interna, detonazione, anticipo di accensione, rilascio del calore, modellazione.

Abstract

A new acquisition software has been created in order to study …ve di¤er-ent blends of gasoline on a test bench for internal combustion engines. The purpose of this work is to illustrate how the software was build, how cer-tain aspect of the problem were considered and how they were solved in order to get a complete analysis of the combustion process in the di¤erent types of gasoline available. The aquisition software purpose was to provide a wide number of data containing the measurement of the combustion cham-ber pressure during di¤erent cycles in di¤erent condition of speed, air fuel ratio and spark advance. Pressure datas were later analyzed using known models in order to calculate the heat release values of those di¤erent oper-ative condition. A series of signi…cant parameters were used to de…ne the combustion process, the cycle to cycle di¤erences and the performance of the engine while using the available gasoline samples. As a result the software has been long tested and has shown signi…cant performances and it will be ready for future applications. After the analysis some gasoline has shown a small improvement in terms of performance mostly related to their resilience to knock hence allowing great spark advances while the risks of knock were minimal.

Keywords: SI engine, knock, spark advance, heat release, modeling.

Introduzione

Il proposito del presente lavoro è stato duplice: l’esigenza di approntare un sistema di misura per la sala prove motori realizzata al Politecnico di Milano e in seguito l’utilizzo dello stesso a seguito di una richiesta proveniente da un committente esterno.

Il sistema di misura, prevalentemente il software, è stato realizzato perchè fosse il più versatile possibile e perchè, secondo necessità. potesse essere ulteriormente accresciuto. Per gli scopi di questo lavoro l’attenzione maggiore è stata rivolta a funzioni che permettessero l’utilizzo della sala prove sia per le prove commissionate, sia per scopi didattici per i corsi inerenti ai motori a combustione interna. Questo lavoro si propone quindi di descrivere al meglio il software realizzato in modo da consentirne l’utilizzo e soprattutto l’implementazione qualora gli scopi delle successive acquisizioni richiedessero di¤erenti approcci. Il sistema di misura è stato quindi testato ed applicato per gli studi richiesti dal committente.

Lo studente si è occupato, in particolare, dell’analisi del rilascio di calore dei di¤erenti carburanti forniti. Sui carburanti forniti è stata e¤ettuata un’estesa campagna di prove atta ad ottenere il maggior numero possibile di condizioni di funzionamento compatibilmente con gli obiettivi pre…ssati: la stima della qualità della combustione dei diversi combustibili e le loro proprietà antidetonanti. Le prove sono state svolte, grazie all’aiuto di un consulente esterno, agendo sui classici parametri motoristici mediante una centralina ’aperta’ che ha permesso di poter analizzare altri punti di fun-zionamento oltre a quelli stabiliti dalla casa costruttrice. I cicli di pressione rilevati sono stati quindi analizzati per determinare la presenza di deton-azione e per stimare la funzione di rilascio del calore. Ci si è proposti di valutare i paramentri di combustione rilevati alle diverse condizioni di prova nel tentativo di individuare, se presenti, possibili miglioramenti nella fase di combustione dovuti alle diverse composizioni delle benzine testate. Parte

del software realizzato esegue anche un’analisi in frequenza delle curve di pressione, tuttavia, non essendo questo l’obiettivo del lavoro, e ritenendo più fruttuoso un futuro utilizzo di accelerometri per la determinazione delle condizioni di detonazione, ci si è concentrati principalmente sulla funzione di rilascio del calore e ci si è a¢dati alla diagnostica propria del motore, così come rilevata dalla centralina, per stabilire le condizioni di detonazione durante i test.

A preambolo della descrizione della prova e della discussione dei risul-tati, sarà presentata con su¢ciente dettaglio la descrizione della sala prove. Saranno poi presentati una descrizione degli strumenti di misura utilizzati e delle grandezze di interesse misurate e calcolate. Si cercherà, inoltre, di met-tere in risalto le problematiche a¤rontate per sfruttare al meglio le risorse in base ai dati richiesti. In…ne, per tutte quelle grandezze che verranno ottenute a partire dai dati misurati, si presenteranno i modelli utilizzati per i calcoli post-acquisizione. Le risorse a disposizione in sala prove sono state spesso cruciali pertanto un excursus più dettagliato sui materiali a disposizione si ritiene necessario soprattutto per giusti…care alcune scelte operate nel corso della programmazione e della scelta di quali segnali acquisire con quale ac-curatezza. Si renderanno evidenti alcune limitazioni nel campo di misura, fortunatamente non cruciali per la qualità della campagna di studi, ma che potrebbero in…ciare acquisizioni successive.

Illustrati dati, obiettivi e principali problematiche sarà più chiara la com-prensione delle parti successive: la prima dedicata nella sua interezza alla descrizione degli algoritmi codi…cati nel software, la seconda all’esposizione dei dati raccolti e dei più signi…cativi risultati delle analisi svolte a monte dell’acquisizione. Il software utilizzato per l’acquisizione è stato realizzato mediante T.I. LabVIEW, esso permette la creazione di un’interfaccia di misura, uno strumento virtuale, che appare all’utilizzatore come un pannello di con-trollo in cui è possibile monitorare e registrare quanto proviene dagli stru-menti reali. Il software creato permette di combinare i dati ottenuti, anal-izzarli e visualanal-izzarli in tempo reale. L’utilizzo di LabVIEW ha pertanto consentito di acquisire, ma anche di controllare, monitorando i parametri critici.

La descrizione degli algoritmi implementati nel LabVIEW sarà presentata partendo da un’ottica più generale, che prescinda dal software in uso, per poi esporre più in dettaglio come le problematiche esposte siano state risolte sul LabVIEW. In questo modo si spera di permettere a chi voglia ampliare o modi…care il software, o semplicemente utilizzarlo al meglio, di poterne

com-xi prendere la struttura con facilità conoscendo a priori in che punti intervenire. Il tutto è facilitato dalla struttura stessa "ad albero" del software che per-mette un parallellismo fra la logica utilizzata per suddividere le operazioni e quella utilizzata per la loro realizzazione in LabVIEW.

Si concluderà quindi con una ri‡essione sull’esperienza della sperimen-tazione. Così come il software è stato ottimizzato grazie ai feedback proveni-enti dalle prove svolte, allo stesso modo l’analisi dei dati ha suggerito nuove implementazioni che certamente si rivelerebbero utili in future campagne. Si cercherà, pertanto, di condividere queste esperienze acquisite perchè siano spunto per successivi utilizzi della sala prove motori.

Simboli e abbreviazioni

 Dosatura

st Dosatura stechiometrica

" Numero di giri per ciclo

 Lunghezza della biella mm

# Angolo di manovella Deg

#ant Anticipo di combustione rispetto al T DC Deg

#50 Angolo con M F B = 50% Deg

#b, #90 Rapid burning angle Deg

#d, #10 Flame development angle Deg

o Rendimento organico

 3; 1415926535

! Velocità angolare Rad=s

B Bore, alesaggio mm

C Coppia N m

cp Calore speci…co a pressione costante J=kg K

cv Calore speci…co a volume costante J=kg K

EV C Exaust valve close EV O Exaust valve open

 Rapporto di equivalenza A/F

fc Frequenza di campionamento s 1

Hi Potere calori…co inferiore M J=kg

IV C Intake valve close IV O Intake valve open

k heat ratio, rapporto fra i calori speci…ci

L Lavoro J

Le Lavoro e¤ettivo J

Li Lavoro indicato J

M AP Manifold absolute pressure bar

M F B Mass fraction burnt

xv ma, maria Massa d’aria contenuta nella carica Kg

mb Massa di benzina Kg

mc, mcomb Massa di combustibile nella carica Kg

mbr Massa di miscela già bruciata Kg

mf Massa di miscela fresca Kg

n Velocità di rotazione del motore rpm

P Potenza W

Pe Potenza e¤ettiva W

Pi Potenza indicata W

P M I Punto morto inferiore P M S Punto morto superiore

p Pressione bar



p Pressione media bar

pme Pressione media e¤ettiva bar

pmi Pressione media indicata bar

pm Motored pressure bar

pmis Pressione misurata bar

pmax Pressione massima del ciclo bar

Q Calore J

Qco Calore della combustione J

Qst Calore degli scambi termici J

R Costante universale dei gas J=kg K

R0

Costante del gas J=kg K

S Stroke,Corsa mm

T DC Top dead center

T Temperatura K

t Tempo s

V Volume m3

vi Virtual instrument

Elenco delle Figure

1.1 Rappresentazione del motore Alfa 2.0 TS 16 valvole utilizzato. 3 1.2 Il banco prova motori: a destra il motore strumentato, a

sin-istra il freno dinamometrico. . . 5 1.3 Schema del funzionamento della cella di carico di un freno

dinamometrico. . . 6 1.4 A sinistra: scambiatore di calore per il combustibile. A destra:

l’impianto di alimentazione benzina proprio del motore. . . 8 2.1 Schema dell’adattatore ZF42. In sezione l’alloggiamento del

sensore di pressione. . . 11 2.2 Andamento della sensibilità del sensore GU13Z-31 al variare

della temperatura . . . 12 2.3 L’encoder angolare e tutto il corredo necessario per il

collega-mento all’albero motore ed all’apparecchiatura di acquisizione. 13 2.4 L’encoder angolare correttamente posizionato sul motore

stu-diato. . . 14 2.5 L’encoder angolare correttamente posizionato sul motore

stu-diato. . . 15 2.6 Particolare del condotto di aspirazione dell’aria e del sensore

di pressione assoluta AVL PMP4070 (a sinistra) e della ter-mocoppia per la temperatura ambiente (a destra). . . 17 2.7 Particolare del motore. Sono visibili la termocoppia per la

misura della temperatura dell’acqua di ra¤reddamento (in alto a sinistra) e sui precatalizzatori le sonde lambda e la termo-coppia per la temperatura allo scarico. . . 19 2.8 Schema di funzionamento della bilancia AVL. . . 20 2.9 La bilancia per misurare i consumi così come è inserita nell’impianto

per la distribuzione del combustibile. . . 21 xvii

2.10 Sonda per misurare l’anticipo. . . 22

2.11 Etas Lambda Meter A4. . . 22

3.1 Ciclo indicato delle pressioni . . . 25

3.2 Le fasi della combustione . . . 27

3.3 In‡uenza della dosatura sulla combustione . . . 29

3.4 Andamento della frazione di massa combusta e angoli carat-teristici . . . 33

3.5 Andamento della pressione misurata e di quella espressa dalla politropica . . . 35

4.1 Lo strumento virtuale realizzato con LabVIEW . . . 41

4.2 Esempio della mappa dei parametri. Si possono facilmente osservare le variazioni di anticipo durante lo svolgimento della prova condotta. . . 42

4.3 Sezione del software. In evidenza i blocchi deputati all’acquisizione del segnale. . . 44

4.4 Lo schema mostra il contenuto del blocco per l’acquisizione. Ognuno dei blocchi in …gura comunica con la scheda di acqui-sizione ed in…ne restituisce la matrice di dati che contiene i risultati dell’acquisizione. . . 45

4.5 I blocchi di acquisizione dei segnali di temperatura e A/F . . . 46

4.6 Sezione del programma di acquisizione: i blocchi per l’analisi in Real Time . . . 48

4.7 Blocco per il passaggio da p(t) a p(#) mediante l’uso della funzione Threshold peak detector (a sinistra nell’immagine) . . 49

4.8 L’andamento nel tempo dei segnali in tensione del sensore di pressione in camera di combustione e (in basso) del sensore per l’anticipo di accensione. . . 50

4.9 Andamento della pressione, MFB e dQco di un singolo ciclo campionato. Benzina B, 4500 rpm, dosatura 0; 9, anticipo 21; 5. Prova 33=60 Ciclo 3=50. . . 53

4.10 Andamento della pressione, MFB e dQco di un ciclo medio. Benzina B, 4500 rpm, dosatura 0; 9, anticipo 21; 5. Prova 33=60. 54 5.1 Esempio dei valori di tensione rilevati dal sensore di deton-azione proprio del motore. . . 60

ELENCO DELLE FIGURE xix 5.2 Andamento della pmi normalizzata in funzione dell’anticipo

per le benzine analizzate a 1500 rpm. . . 63 5.3 Andamento della pmi normalizzata in funzione dell’anticipo

per le benzine analizzate a 3000 rpm. . . 64 5.4 Andamento della pmi normalizzata in funzione dell’anticipo

per le benzine analizzate a 4500 rpm. . . 65 5.5 Andamento della pmi normalizzata in funzione dell’anticipo.

La normalizzazione è stata realizzata considerando come val-ore di riferimento il massimo valval-ore di pmi di ciascuna benzina. Regime 1500 rpm. . . 66 5.6 Andamento della pmi normalizzata in funzione dell’anticipo.

La normalizzazione è stata realizzata considerando come val-ore di riferimento il massimo valval-ore di pmi di ciascuna benzina. Regime 3000 rpm. . . 67 5.7 Andamento della pmi normalizzata in funzione dell’anticipo.

La normalizzazione è stata realizzata considerando come val-ore di riferimento il massimo valval-ore di pmi di ciascuna benzina. Regime 4500 rpm. . . 68 5.8 Andamento dell’intervallo angolare fra MFB 10% e 50% al

variare dell’anticipo per le benzine analizzate a 1500 rpm. . . . 68 5.9 Andamento dell’intervallo angolare fra MFB 10% e 50% al

variare dell’anticipo per le benzine analizzate a 3000 rpm. . . . 69 5.10 Andamento dell’intervallo angolare fra MFB 10% e 50% al

variare dell’anticipo per le benzine analizzate a 4500 rpm. . . . 69 5.11 Andamento dell’intervallo angolare dall’anticipo rilevato a MFB

50% per le benzine analizzate a 1500 rpm. . . 70 5.12 Andamento dell’intervallo angolare dall’anticipo rilevato a MFB

50% per le benzine analizzate a 3000 rpm. . . 70 5.13 Andamento dell’intervallo angolare dall’anticipo rilevato a MFB

50% per le benzine analizzate a 4500 rpm. . . 71 5.14 Dispersione della pressione massima in camera in funzione

dell’anticipo. Regime 1500 rpm. . . 71 5.15 Dispersione della pressione massima in camera in funzione

dell’anticipo. Regime 3000 rpm. . . 72 5.16 Dispersione della pressione massima in camera in funzione

Capitolo 1

La sala prove motori

1.1

Introduzione

La sala prove motori costituisce il centro di questo lavoro, la sua progettazz-ione è essenziale ed assolutamente critica per ogni campagna di indagine che in essa viene svolta. Il motore è alloggiato e collegato in modo da simulare il più possibile il suo comportamento in vettura e contemporaneamente è soggetto a una serie di misurazioni la cui precisione non potrebbe essere ot-tenuta su strada. Lo studio dei motori su banco è una pratica fortemente con-solidata. Lo sviluppo dei motori attuali, raramente progettati ex novo, e soli-tamente modi…che di motori preesistenti, produce migliorie nelle prestazioni che sono frequentemente così piccole da richiedere le migliori strumentazioni di misura disponibili. Questo livello di misurazioni richiede che il sistema sia integrato in un ambiente che non ne comprometta il corretto funzionamento. Il prodotto …nale di una sala prove costituisce una serie di dati che sono utilizzati per identi…care, modi…care, omologare o sviluppare il motore o una sua parte. L’a¢dabilità dei dati si a¢da alla correttezza delle misurazioni eseguite che a sua volta dipende in larga misura dalla strumentazione utiliz-zata, da qui l’importanza cruciale della sala prove.

Le abilità per realizzare una sala prove che risponda a tali esigenze sono molteplici quanto la varietà di sistemi di¤erenti in essa presenti. Basti pen-sare alle normali esigenze di un motore in una vettura, l’alimentazione del combustibile e dei ‡uidi di ra¤reddamento e lubri…cazione, i circuiti elet-trici che alimentano la centralina e quelli necessari per il funzionamento dell’iniezione e dell’innesco. Tutti questi sistemi sono ancora presenti e

cora deputati allo stesso motore, devono però essere integrati da altri esterni, alcuni complementari ai primi, un impianto esterno per la benzina ad esempio sostituirà la tanica, altri totalmente assenti in vettura ma necessari in sala prove, impianti per il trattamento e la circolazione dell’aria in sala, impianti di trattamento e scarico dei fumi, servizi di sicurezza.

In questa sezione si provvederà ad una breve panoramica di tali impianti.

1.2

Descrizione del motore

Il motore utilizzato è un Alfa Romeo 2.0 Twin Spark 16 valvole, utilizzato sulle vetture Alfa Romeo 147. Le sue caratteristiche sono mostrate nella tabella seguente.

Il motore dispone di un variatore di fare idraulico che permette di antici-pare l’apertura delle valvole di aspirazione di 25 Deg. L’aspirazione avviene tramite un collettore a geometria variabile che consente due posizioni:

 Con…gurazione di coppia: presenta una lunghezza dei condotti tra la testa del motore ed il volume principale lunga per consentire un migliore sfruttamento degli e¤etti d’onda a regimi intermedi;

 Con…gurazione di potenza: interpone un volume intermedio che genera migliori e¤etti d’onda la cui migliore espressione in questa con…gu-razione favorisce i regimi elevati e quelli più bassi.

Il motore è posizionato nella stessa con…gurazione in cui si troverebbe in vettura ed è collegato tramite un giunto ad un freno dinamometrico. L’intera struttura è assemblata su una fondazione interrata costruita tenendo in con-siderazione sia la buona stabilità dell’insieme che la minimizzazione delle vibrazioni e del rumore

Speci…che del Motore Alfa 2.0 TS 16 valvole

Alesaggio [mm] 83 Corsa [mm] 91 Cilindrata [cc] 1969,46 Rapporto di compressione 10 Coppia massima [Nm] 180 a 3900 rpm Potenza massima [kW] 110 a 6300 rpm

Intervallo di attuazione del variatore di fase [rpm] [1600, 4000]

1.2. DESCRIZIONE DEL MOTORE 3

1.3

Freno dinamometrico

Il freno utilizzato in questa sala prove è un freno elettrico a correnti parassite Borghi & Saveri FE350-S con le seguenti caratteristiche:

Freno FE350-S n rotori 1 Potenza Max 257,35 kW Coppia Max 1400 N m rpm Max 8000 rpm

I freni a correnti parassite utilizzano il principio dell’induzione magnetica per generare una coppia frenante e dissipare quindi la potenza proveniente dal motore. Il principio di funzionamento è semplice: un rotore ad alta permeabilità magnetica ruota fra due pareti d’acciaio ra¤reddate. Due elet-tromagneti anulari generano un campo magnetico e la rotazione del rotore modi…ca la distribuzione del ‡usso magnetico e pertanto in esso nascono delle correnti parassite e di conseguenza una dissipazione di potenza di tipo resistivo. L’energia così sviluppata è trasferita in forma di calore all’acqua di rafreddamento che attraversa le pareti d’acciaio mentre parte del ra¤red-damento avviene a causa del ‡usso radiale dell’aria fra il rotore e le pareti. Variando la corrente fornita agli elettromagneti è possibile ottenere rapide variazioni di campo magnetico e quindi di carico.

La criticità maggiore presentata dal freno è il suo ra¤reddamento. Un’ottimale circolazione dell’acqua di ra¤reddamento e l’appropriato ra¤reddamento della stessa sono vitali per il funzionamento del freno. Un eccessivo riscaldamento può comportare danni elevati al freno ed al motore nonchè una generazione di calore eccessiva all’interno della sala prove. Nella sala prove utilizzata l’acqua di ra¤reddamento è successivamente trattata mediante degli scambiatori di calore posti all’esterno della sala prove.

Il freno è corredato da un’apparecchiatura di controllo che consente di impostare il campo magnetico degli elettromagneti in modo da realizzare opportune con…gurazioni di coppia e di regime. Sarà per tanto possibile im-postare di¤erenti comportamenti del freno in base alle necessità della speci…ca prova. Di seguito alcune delle più comuni con…gurazioni:

 Coppia costante: il motore si trova a dover lavorare con lo stesso valore di coppia qualunque sia il regime di rotazione.

1.3. FRENO DINAMOMETRICO 5

Figura 1.2: Il banco prova motori: a destra il motore strumentato, a sinistra il freno dinamometrico.

 Coppia costante impostata: il motore lavora con una coppia pari a quella regolata dall’utente mediante un apposito potenziometro.  Caratteristica quadrata: il freno regola la coppia frenante secondo la

funzione M
n2 _{= cost, questa con…gurazione simula il comportamento}

della vettura in strada, dove la resistenza dell’aria si può assumere proporzionale al quadrato della velocità del veicolo.

 Regime costante: il freno modi…ca la coppia frenante in modo tale da mantenere la velocità del motore costante.

Il freno misura anche la coppia resistente mediante una cella di carico applicata come mostrato in 1.3. La cella di carico, posta a destra nello schema, subisce secondo un braccio di lunghezza nota una una forza F1_.

1_{Tale metodologia di misura è molto comune nei freni dinamometrici tanto che nei}

Figura 1.3: Schema del funzionamento della cella di carico di un freno di-namometrico.

Il prodotto fra la forza misurata ed il braccio fornisce la coppia frenante applicata.

Il quadro del freno fornisce anche una misura della velocità angolare del motore rilevata mediante una ruota fonica applicata al rotore. Viene rilevata la distanza fra due passaggi consecutivi di un marker posto sul rotore.

1.4

Impianto benzina

Il combustibile per le prove è prelevato da dei fusti situati all’esterno della sala prove mediante una pompa esterna. Esso è inviato quindi all’impianto interno. La benzina attraversa uno scambiatore di calore ed è mandata alla bilancia AVL che misura i consumi del motore. L’alimentazione del motore parte quindi dal serbatoio di misura della bilancia e nei segmenti successivi è posizionato lo stesso impianto di alimentazione che si troverebbe in vettura.

1.5. SICUREZZA 7

1.5

Sicurezza

La sala prove è in…ne corredata di misure di sicurezza relative ai possibili rischi:

 Sistemi antincendio.

 Sistemi di controllo dell’aria all’interno della sala prove (presenza di CO)

 Cartellonistica per la sicurezza sul luogo di lavoro.

Oltre a queste misure di sicurezza, la sala prova è realizzata in modo che l’operatore si trovi sempre all’esterno. Tutti i comandi ed i sistemi di controllo si trovano all’esterno della camera in modo che l’operatore non si trovi dove le situazioni di rischio sono più probabili. Tutte le operazioni all’interno della sala prove devono essere svolte a motore spento.

Figura 1.4: A sinistra: scambiatore di calore per il combustibile. A destra: l’impianto di alimentazione benzina proprio del motore.

Capitolo 2

Il sistema di misura

2.1

Schema del sistema di misura

Il sistema di misura per lo studio del motore è costituito da una serie stru-menti di misura distribuiti all’interno della sala prove e posizionati sia sul motore che, eventualmente, su alcune sezioni degli impianti presenti.

Nello studio in corso il cuore del sistema di misura è costituito dal sensore piezoelettrico che misura la pressione in camera di combustione, l’obiettivo principale del presente lavoro. Si è provveduto ad acquisire inoltre una se-rie di segnali aggiuntivi, alcuni necessari ad una migliore comprensione dei fenomeni studiati a partire dal segnale di pressione, altri utili per corredare al segnale principale informazioni sulle condizioni ambientali in cui le prove sono state eseguite, altri ancora utilizzare per monitorare grandezze critiche il cui aumento è imputabili a situazioni di malfunzionamento che potrebbero condurre a danni gravi se non tempestivamente indirizzate. Di seguito una descrizione degli strumenti utilizzati.

2.2

Misura della pressione nel cilindro

La misura della pressione interna al cilindro è un’operazione critica in una sala prove. Il sensore utilizzato si trova a temperature elevate che costi-tuiscono un possibile pericolo per l’integrità dello strumento ed inoltre ne possono condizionare il funzionamento. Il posizionamento del sensore è poi limitato: si potrebbe scegliere di forare il cilindro stesso e creare un alloggia-mento ad hoc per lo strualloggia-mento, con conseguenti problematiche strutturali,

eccessiva complicazione e si andrebbe anche contro il proposito delle prove che auspicano che il motore si trovi il più possibile nelle stesse condizioni in cui si troverebbe nelle condizioni di normale funzionamento. Per tali ra-gioni si preferisce alloggiare il sensore in un punto di accesso alla camera di combustione che è già predisposto in ogni motore ad accensione comandata: la candela. Ricorrendo ad un adattatore che, oltre a svolgere la normale funzione di innesco, contenga anche un alloggiamento per il sensore, è possi-bile attuare la misurazione con il minimo impatto possipossi-bile. Chiaramente il limite di questa metodologia è quello di non permettere misurazioni in altri punti della camera, pertanto quando si usa questo metodo si assume un ap-proccio monozona al problema assumendo la pressione nel cilindro uguale in ogni punto della camera. Tale assunzione non è però invalidante per il grado di accuratezza richiesto dai calcoli eseguiti in questo lavoro perciò questa metodologia di misura è certamente la più consigliata. Inoltre, nel caso del motore utilizzato in questo lavoro, sarebbe possibile misurare la pressione in un secondo punto del cilindro per via della presenza di una seconda candela per ogni cilindro.

Nel caso in esame si è utilizzato:

 Sensore piezoelettrico AVL GU13Z-31;  Spark Plug adapter AVL ZF42.

Caratteristiche del sensore utilizzato: AVL GU13Z-31

Range di misurazione 0-200 bar

Sensibilità 15 pC/bar

Linearità  0; 3%

Temperatura Max di funzionamento 400

C

Massa 1,2 g

Il sensore scelto è di tipo piezoelettrico non refrigerato, l’elemento piezoelet-trico, GaP O4, possiede un’elevata stabilità …no a temperature di 400C che

lo rendono molto e¢cace per le misurazioni in campo motoristico. La sen-sibilità dello strumento, infatti, mantiene una variabilitàridotta al crescere della temperatura1_.

1_{Immagine tratta da: Beccari A., Pipitone E., Dispense del corso di motori a}

2.2. MISURA DELLA PRESSIONE NEL CILINDRO 11

Figura 2.1: Schema dell’adattatore ZF42. In sezione l’alloggiamento del sensore di pressione.

2.2.1

Compensazione

Come per tutti i sensori piezoelettrici e come mostrato anche dalla tabella, l’output del sensore è una carica. Il sistema di acquisizione richiede però che il segnale del sensore sia una tensione. Pertanto si è ricorsi ad un ampli…ca-tore AVL Piezo Ampli…er 306603. L’ampli…caampli…ca-tore ha una doppia funzione: invia al sistema di acquisizione un segnale ad esso compatibile (in tensione) e permette di svolgere misurazioni quasi-statiche, rimuovendo eventuali dis-turbi causati da interferenze sul segnale. L’ampli…catore è di fatto uno stru-mento di misura con una propria sensibilità espressa in V/pC, impostabile dall’utente. L’interezza del sistema sensore/ampli…catore equivale pertanto ad uno strumento di misura con sensibilità espressa in V/bar. Nota la sen-sibilità del sensore piezoelettrico ed impostata quella dell’ampli…catore si ricava quella complessiva. La conoscienza di tale sensibilità è importante poichè dovrà essere inserita nel software di acquisizione per convertire la lettura in tensione nell’e¤ettiva misura di pressione rilevata.

15.0 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6 15.7 15.8 15.9 16.0 100 200 300 400 temperatuta sensore [°C] 0.00% 0.20% 0.40% 0.60% 0.80% 1.00% 1.20% sens. [pC/bar] var %

Figura 2.2: Andamento della sensibilità del sensore GU13Z-31 al variare della temperatura

commercio, fra cui quello utilizzato in questo lavoro, non forniscono valori di pressione assoluta e pertanto necessitano di una compensazione. I diagrammi di pressione ottenuti sono a¤etti quindi da uno shift e pertanto quelli reali saranno traslati di un rp che sarà necessario calcolare. Esisono diversi al-goritmi di compensazione, illustriamo i due metodi che forniscono i migliori risultati:

 Si impone la pressione all’interno del cilindro, quando lo stantu¤o si trova al PMI e la valvola di scarico è aperta, pari alla MAP. Operati-vamente, nota la MAP, si e¤ettua una media di n punti campionati a partire dal PMI di …ne aspirazione e si pone rp = M AP p.

 Si impone il valore dell’esponente della politropica di compressione e si calcola il corrispondente rp. Il calcolo deve essere eseguito inter-polando un numero abbastanza signi…cativo di punti. Nel caso in esame si imporrà k = 1; 32 considerando un intervallo di punti compresi fra 95

e 45

prima del PMS.

2.3

Encoder angolare

L’acquisizione della pressione non è su¢ciente ad illustrare esaustivamente le caratteristiche termodinamiche del motore. E¤ettuando il campionamento in modo sincrono il risultato della misurazione è un array di n misure istantanee

2.3. ENCODER ANGOLARE 13 rilevate al tempo n
dt = _fn_c . Tuttavia nelle acquisizioni motoristiche è buona norma riferirsi non al tempo, bensì all’angolo di manovella # per descrivere l’andamento delle grandezze in gioco. Inoltre molte caratteristiche del mo-tore come l’anticipo, la fasatura delle valvole e molti parametri qualitativi della combustione sono espressi in angoli. La sola misura della pressione, si diceva, non è su¢ciente poichè la relazione # = !
t ha senso solo quando la velocità angolare ! si può ritenere costante ed è noto che nei motori la velocità angolare è ‡uttuante e il regime di rotazione è di fatto una velocità mediata sul giro. Serve pertanto una seconda misurazione che permetta il passaggio da p = f (t) a p = f (#) e tale misurazione si e¤ettua mediante l’encoder angolare.

Figura 2.3: L’encoder angolare e tutto il corredo necessario per il collega-mento all’albero motore ed all’apparecchiatura di acquisizione.

L’encoder angolare è uno strumento per misure di posizione costituito da un sensore solidale al motore che invia un segnale ottico che incide e si ri‡ette sulle tacche di disco rotante con l’albero del motore. Le tacche sono distribuite sul disco in modo che la distanza angolare fra di esse sia un r# pre…ssato che costituisce la risoluzione dello strumento. Il segnale ri‡esso è ricevuto nuovamente dal sensore ed è convertito in un segnale di tensione. Il risultato della misurazione è costituito da due segnali temporali: un onda

quadra i cui picchi corrispondono alle posizioni in cui il segnale ottico si ri-‡ette sulle tacche ed una seconda onda quadra il cui unico picco si presenta solo quando il segnale ottico si ri‡ette su una tacca di riferimento. Il primo segnale si utilizza per determinare la posizione istantanea dell’albero motore; misurando con la stessa frequenza di campionamento i due segnali p = f (t) e # = g(t) si può legare univocamente la pressione all’angolo di manovella indipendentemente dalle ‡uttuazioni di velocità angolare dell’albero motore. Identi…cando quindi i picchi dell’onda quadra proveniente dall’encoder e se-lezionando solo i corrispondenti valori di pressione letti dal sensore piezoelet-trico è in…ne possibile ottenere un array di n pressioni ognuna di esse cor-rispondente alla posizione angolare n
r#.

Figura 2.4: L’encoder angolare correttamente posizionato sul motore studi-ato.

Appare dunque chiaro che grazie all’utilizzo del sensore di posizione si elimina l’aleatorietà dovuta alle ‡uttuazioni di regime ed operazioni quali la determinazione della pressione in corrispondenza di precisi eventi come l’apertura e la chiusura delle valvole, l’innesco della combustione o i punti morti diventano immediate. Inoltre è possibile confrontare cicli di¤erenti sulla stessa scala angolare indipendetemente dal regime del motore.

2.3. ENCODER ANGOLARE 15

Figura 2.5: L’encoder angolare correttamente posizionato sul motore studi-ato.

E’ tuttavia indispensabile fare una precisazione su questo metodo e su come sia stato utilizzato nel presente lavoro. Avendo un mezzo di confronto così potente si è tentati, e lo si è fatto proprio in questo lavoro, di ignorare i dati ’grezzi’ subito dopo che essi sono stati utilizzati per ricavare le curve di pressione in funzione dell’angolo di manovella. Le ragioni di tale com-portamento sono chiare: minore mole di dati da analizzare, minore spazio necessario per archiviare i dati, minore peso da elaborare (gli array di pres-sione acquisiti inizialmente sono molto grandi e condizionano le prestazioni delle macchine per l’analisi), inoltre le informazioni ottenibili dai soli cicli indicati sono spesso esaustive. Nel corso di questo lavoro ci si è chiesti in che caso questi dati possano essere ancora utili a dispetto degli svantaggi com-putazionali riscontrati. Si è giunti alla conclusione che essi possono ancora essere utili qualora si decidesse eseguire analisi in frequenza. Questi dati,

infatti, contengono ancora moltissime informazioni nel caso in cui si vogliano studiare più approfonditamente i fenomeni di detonazione. I fenomeni legati alla detonazione avvengono con frequenze elevate che vengono perse utiliz-zando il proccedimento sopra illustrato. Noto tutto questo si può scegliere di archiviare in toto tutto quello che si è acquisito e individuare la presenza della detonazione utilizzando il segnale di pressione nel tempo, alternativamente si può scegliere di studiare la detonazione mediante l’utilizzo di accelerometri che misurino le vibrazioni sul cilindro utilizzando, in pratica, lo stesso metodo che la centralina del motore utilizza per controllare e scongiurare l’insorgere dei fenomeni detonanti.

2.3.1

Misure di velocità

L’encoder angolare, utilizzato con le modalità di acquisizione del presente la-voro, può essere sfruttato anche per misurare con un’ottima approssimazione il regime angolare del motore. La velocità angolare media del motore è data dal rapporto r#

rt. La frazione angolare r# è misurata mediante l’encoder

an-golare ed il tempo è facilmente deducibile dal numero di campioni acquisiti nell’intervallo r# . Noto il numero di campioni, ed acquisendo a frequenza di campionamento costante, il tempo trascorso fra gli estremi dell’intervallo r# si ottiene come:

rt = n
1 fc

(2.1)

Pertanto è possibile calcolare la velocità istantanea del motore con un’approssimazione legata alla minima distanza misurabile dall’encoder. In questo lavoro si

cal-colerà il regime del motore considerando l’intervallo r# = 2, in questo modo si avrà un’indicazione della velocità media del motore utile per rego-lare in modo ottimale la frequenza di campionamento al variare del regime del motore.

2.4

Misura della pressione ambiente

La pressione ambiente è rilevata all’interno del condotto di aspirazione che invia e tratta l’aria esterna nei condotti di aspirazione del motore. Si utilizza un sensore di pressione assoluta AVL PMP4070 con le seguenti caratteris-tiche:

2.4. MISURA DELLA PRESSIONE AMBIENTE 17 SVL PMP4070

Range 0 5 bar

Sensibilità 1 V/bar Linearità < 0; 08%

Figura 2.6: Particolare del condotto di aspirazione dell’aria e del sensore di pressione assoluta AVL PMP4070 (a sinistra) e della termocoppia per la temperatura ambiente (a destra).

La pressione ambiente è acquisita insieme alle temperature in una scheda di acquisizione USB di¤erente da quella utilizzata per campionare i dati dell’encoder e della pressione relativa in camera di combustione. Questa seconda scheda è impostata su frequenze di campionamento molto più basse ed è utilizzata per grandezze poco variabili nel tempo che non richiedono un numero elevato di acquisizioni ma che servono esclusivamente a tener conto delle condizioni a contorno di ciascuna acquisizione.

2.5

Misura delle temperature

Mediante termocoppie sono stati rilevati i valori di temperatura di:  liquido di ra¤reddamento;

 lubri…cante;

 ambiente di aspirazione  gas di scarico

come prima anticipato i loro valori sono acquisiti ad una bassa frequenza di campionamento poichè sono grandezze che variano molto lentamente nel tempo. La loro misurazione fornisce le condizioni a contorno della prova e per questo il loro valore è associato ad ogni ciclo indicato delle pressioni. In particolare, poi, la temperatura del refrigerante, che può essere ritenuta un’indicazione della temperatura del motore, e quella di scarico possono es-sere utilizzate per monitorare il comportamento del motore. In avviamento la temperatura del motore, ad esempio, può dare informazioni su quando il mo-tore raggiunge le condizioni di regime termico. In caso di malfunzionamenti del sistema di ra¤reddamento o condizioni di elevato stress tali temperature possono anche avvertire l’operatore in tempo per evitare danneggiamenti strutturali.

2.6

Misura dei consumi

Per misurare i consumi si ricorre all’uso uno strumento di misura apposito: la AVL Fuel Balance 733s.

La bilancia consente la misura del consumo di combustibile con una fre-quenza di campionamento di 10 Hz con una precisione dello 0; 12%. La sua interfaccia permette di visualizzare, mediante un apposito software:

 il consumo di combustibile istantaneo in kg=h;  il consumo medio, minimo e massimo;

2.6. MISURA DEI CONSUMI 19

Figura 2.7: Particolare del motore. Sono visibili la termocoppia per la misura della temperatura dell’acqua di ra¤reddamento (in alto a sinistra) e sui precatalizzatori le sonde lambda e la termocoppia per la temperatura allo scarico.

Il principio di funzionamento è simile a quello di una vera e propria bi-lancia: un contenitore di misura (measuring vessel) collegata tramite un’asta (measuring beam) ad un sensore capacitivo di spostamento (capacitive sen-sor). La massa del combustibile consumato è quindi determinata da un’analisi gravimetrica col grande vantaggio di non dover tenere conto della densità del combustibile che si sta utilizzando.

La bilancia AVL è uno strumento di misura discontinuo, infatti per il suo principio di funzionamento essa deve essere riempita prima di ogni mis-urazione, tale limitazione non si è dimostrata critica nel presente lavoro. In-fatti …no al regime 4500 rpm, il massimo studiato nella campagna di prove, si è osservato che la quantità di benzina contenuta nel recipiente di misura all’inizio della prova è su¢ciente a condurre un’intera prova senza dover sud-dividere la prova in più parti.

Figura 2.8: Schema di funzionamento della bilancia AVL.

2.7

Misura dell’anticipo e della dosatura

Le misure dell’anticipo e della dosatura sono state rilevate con degli strumenti dedicati:

 TECPEL Di¤erential probe 25 MHz: sonda ad alta frequenza collegata alla bobina di alimentazione della candela. La sonda rileva ed invia alla scheda di acquisizione mediante un cavo coassiale la tensione ai capi del circuito permettendo di identi…care quando avviene la scarica e quindi l’innesco della candela.

 ETAS Lambda Meter A4 (LA4): strumento di misura di alta precisione per rilevare un alto campo di variazioni del rapporto aria combustibile con un’ottima risposta alle minime variazioni.

2.7. MISURA DELL’ANTICIPO E DELLA DOSATURA 21

Figura 2.9: La bilancia per misurare i consumi così come è inserita nell’impianto per la distribuzione del combustibile.

Figura 2.10: Sonda per misurare l’anticipo.

Capitolo 3

Dati da acquisire

3.1

Pressione indicata

Con il termine pressione indicata storicamente si intende la pressione rilevata all’interno di uno dei cilindri del motore e rappresentata in un diagramma p; V . I diagrammi indicati permettono di visualizzare chiaramente i cicli di pressione e ne consentano il confronto in modo semplice e immediato. L’acquisizione della pressione indicata permette di e¤ettuare numerose valu-tazioni utili per lo studio del motore. Dall’acquisizione dei diagrammi indicati è possibile calcolare la pmi, pressione media indicata, valutabile come:

pmi = Z

cycle

p
dV

V (3.1)

La pmi è calcolata come area del ciclo indicato ed è infatti un’indicatore del lavoro compiuto dal ciclo:

Li =

Z

cycle

p
dV = pmi
V (3.2)

può essere quindi de…nita come un indice del lavoro al ciclo per unità di cilindrata.

Facendo un ulteriore passo avanti, si calcola anche la potenza indicata, che corrisponde alla potenza erogata dal motore a meno delle perdite meccaniche:

Pi = pmi
V

n

" (3.3)

dove n è il regime del motore ed " è un intero che tiene conto del fatto che il lavoro utile nei motori a quattro tempi è ottenuto ogni due rivoluzioni complete e pertanto per questi motori è " = 2.

Nelle sale prove motori, come già anticipato, la potenza e¤ettiva è nota in quanto sono noti regime e coppia (quest’ultima misurata dalla cella di carico presente nel freno dinamometrico). E’ pertanto possibile determinare anche il rendimento organico ₀.

Introducendo la grandezza speci…ca pme, pressione media e¤ettiva, de…nita a partire dalla potenza misurata dal freno Pe allo stesso modo della pmi si

ha: pme = ₀
pmi (3.4) Pe = pme
V
n " = 0
pmi
V
n " = 0
Pi (3.5) pme = 2
"
C V =) pme[bar] = 125; 66
C[N m] V[cc] (3.6) l’ultima relazione mostra una formula rapida per risalire alla pme che tiene conto delle unità di misura utilizzate generalmente dai quadri dei freni dinamometrici utilizzati nei banchi prova.

Entrando nel merito del presente lavoro, l’andamento della pressione in funzione dell’angolo di manovella permette di confrontare i cicli acquisiti al variare dei parametri motoristici, si ha così una stima immediata di come varia il comportamento termodinamico del motore in funzione, ad esempio, dell’anticipo o della dosatura.

Inoltre, dai cicli è possibile stimare, mediante l’uso di modelli termodi-namici, l’andamento degli scambi termici e l’evolversi della combustione.

3.1.1

La dispersione ciclica

Bisogna però tenere presente che, pur rimanendo inalterati tutti i parametri del motore, non sarà possibile ottenere due cicli consecutivi identici. Questa

3.1. PRESSIONE INDICATA 25

Figura 3.1: Ciclo indicato delle pressioni

cosiddetta dispersione ciclica dipende principalmente dall’andamento della combustione. Si veri…ca sperimentalmente che la …amma non si propaga mai in modo identico da ciclo a ciclo, e questo dipende principalmente da tre fattori:

 la carica nel cilindro si muove in modo casuale e quindi le condizioni di moto non sono mai le stesse;

 il miscelamento fra la carica fresca ed i gas residui dal ciclo precedente avviene in modo sempre variabile;

 la quantità di aria e combustibile inviati nel cilindro possono essere di¤erenti fra un ciclo ed il successivo.

Questi fattori in‡uenzano soprattutto il primo stadio di propagazione della …amma, il quale ovviamente in‡uisce su tutto lo sviluppo della com-bustione.

Determinazione del ciclo medio

A fronte di questo problema, è opportuno raccogliere i dati sperimentali provenienti da un certo numero di cicli consecutivi, e mediare questi valori per arrivare ad un ciclo medio cui riferirsi quando si analizza il comportamento del motore.

In questo modo i parametri ottimali del motore verranno ottenuti con-siderando questo ciclo medio piuttosto che i singoli cicli. Questo comporta però conseguenze negative in termini di prestazione, in quanto la condizione di ottimo sarà sempre meno veri…cata per quei cicli che si discostano mag-giormente dalla media. Inoltre, in alcuni casi è necessario riferirsi ai cicli estremi, per esempio per impedire la detonazione, e questo implicherà tut-tavia condizioni troppo restrittive per tutti gli altri casi.

Ciononostante, sarebbe impossibile uno studio sperimentale del motore ciclo per ciclo, pertanto si rende sempre necessario campionare dei cicli medi, in modo da ottenere un dato globale più signi…cativo.

3.2

Cenni sulla combustione

La combustione è un processo …sico e chimico mediante il quale il com-bustibile si ossida liberando calore. Il suo inizio, sviluppo e completamento dipendono da molteplici fattori: prima di tutto dalla natura del combustibile e dalla velocità delle reazioni chimiche, dalle condizioni di trasporto di massa e di energia che si veri…cano nella zona di reazione e dagli scambi di calore con l’ambiente circostante. Nello studio della combustione il processo viene sintetizzato da un unico parametro: la velocità di combustione, intesa come la rapidità con cui, attraverso le reazioni chimiche che avvengono nel ‡uido, viene liberato il calore.

Nei motori ad accensione comandata la combustione interessa una miscela gassosa praticamente omogenea; se il funzionamento è regolare, la combus-tione viene innescata dalla scintilla generata fra gli elettrodi della candela. La scintilla provoca un repentino aumento di temperatura nella zona adia-cente e genera la …amma. Questa inizierà a propagarsi normalmente, ossia in modo graduale, dal punto in cui viene generata …no alla parte più estrema della camera di combustione.

Nel momento in cui la combustione viene innescata sarà possibile indi-viduare una stretta zona di separazione fra prodotti della combustione e la

3.2. CENNI SULLA COMBUSTIONE 27 miscela fresca, in cui le reazioni sono in grado di sostenersi autonomamente. Questo sottile strato viene chiamato fronte di …amma.

Il fronte di …amma può considerarsi diviso in due parti: una prima parte detta zona di combustione in cui avvengono le reazioni di combustione e una seconda, detta di preriscaldamento, la cui super…cie è rivolta alla mis-cela fresca, in cui quest’ultima viene scaldata dal calore generato dalla prima zona. Questa schematizzazione ben rappresenta la parte iniziale della com-bustione in quanto essa avviene con moto laminare: questo è possibile perché la zona di innesco è contenuta all’interno dello strato limite e quindi è possi-bile trascurare il moto turbolento della carica.

Man mano che il fronte di …amma si allontana dalla zona di innesco, interviene l’e¤etto del moto turbolento posseduto dalla carica. I moti vor-ticosi modi…cano la struttura del fronte di …amma in modo bene…co per la combustione, infatti ne distorcono la super…cie, facendo aumentare quindi la quantità di miscela fresca nella zona di preriscaldamento e inoltre aumen-tano gli scambi di massa ed energia all’interno del fronte aumentandone lo spessore.

Figura 3.2: Le fasi della combustione

Schematicamente la combustione può considerarsi costituita dalle tre fasi mostrate in …gura 3.2:

 fase di sviluppo di …amma, durante la quale il primo nucleo di miscela inizia a bruciare gradualmente cominciando a far sì che si abbia un primo incremento di pressione.

 fase di combustione turbolenta o rapida, in cui il fronte di …amma si propaga rapidamente per gran parte della camera di combustione. Questa fase avviene a cavallo del PMS per cui le variazioni di volume sono minime.

 fase di completamento, in cui il fronte di …amma raggiunge la parete estrema della camera di combustione per poi arrestarsi

3.2.1

In‡uenza dei parametri motoristici sulla

combus-tione

Dosatura

Un importante parametro di cui si dovrà tenere conto nel controllo del mo-tore è la dosatura. Sperimentalmente si osserva che la velocità di combustione raggiunge il suo massimo per miscele leggermente ricche e che, arricchendo ancora la miscela, la velocità si riduce lentamente. E’ chiaro che la ragione di questo sta nel fatto che una maggiore quantità di combustibile diluito nella miscela porta ad una maggiore probabilità che avvengano collisioni fra le molecole di combustibile e di ossigeno. Passando invece dalla miscela ste-chiometrica ed impoverendo, la riduzione di velocità è più accentuata poiché una minore concentrazione di combustibile comporta una maggiore parte di calore spesa per la riscaldare l’inerte. Continuando ad aumentare l’eccesso d’aria e quindi impoverendo ulteriormente, si ha un’irregolarità del motore troppo accentuata per poter essere consentita anche se certamente si avrebbe una minore quantità di emissioni allo scarico (minori quantità di HC e CO ma maggiore NOx).

Di norma per motivi di stabilità è necessario limitare i possibili valori di dosatura ad un range di , inoltre sarebbe opportuno che tali valori fossero ristretti ad un piccolo intervallo centrato attorno al valore di l unitario, in questo campo di dosatura infatti si avrà una maggiore e¢cienza nello smalti-mento degli inquinanti da parte del catalizzatore trivalente, e quindi il campo di possibile variazione dovrà restringersi ulteriormente.

3.2. CENNI SULLA COMBUSTIONE 29 Regime di rotazione

Misurazioni e¤ettuate mostrano come l’andamento della pressione all’interno del cilindro abbia variazioni minime in un ampia gamma di velocità di ro-tazione. Questo non vuol dire che la velocità di rotazione non in‡uenzi la combustione, al contrario, il fatto che non ci siano variazioni apprezzabili nel ciclo delle pressioni è dovuto al fatto che al crescere della velocità di rotazione l’andamento della combustione varia in modo che si ottenga un adeguamento dei tempi di reazione.

Figura 3.3: In‡uenza della dosatura sulla combustione

Un aumento del regime di rotazione, infatti, si traduce in un incremento dell’intensità della turbolenza generata durante la fase di aspirazione, inoltre la corsa di compressione sarà e¤ettuata in un tempo minore e quindi si riduce il tempo in cui si ha il decadimento della turbolenza. Un maggiore trasporto di massa porterà quindi ad una maggiore rapidità della combustione.

Questa proprietà è tipica dei soli motori ad accensione comandata che conseguentemente avranno un buon funzionamento per un’ampia gamma di regimi di velocità.

Carico

Una riduzione del carico cambia in modo sensibile diversi fattori che fanno sì che si riduca in modo molto pesante la velocità del fronte di …amma.

I osservi infatti come cambino in modo signi…cativo sia l’andamento che il valore massimo della velocità di combustione che tende a spostarsi in ritardo rispetto al punto morto superiore man mano che il carico si riduce.

Questo causa un maggiore estensione angolare della fase di combustione che si prolunga anche durante l’espansione con conseguente calo delle prestazioni.

Nel dettaglio l’in‡uenza del carico si manifesta nei seguenti modi:

 un carico inferiore implica che la carica aspirata si riduca in densità, visto che a parità di volume disponibile è ridotta la massa che vi entra;  le perdite per scambio termico si fanno sentire in modo superiore al nor-male, condizionando la temperatura del ‡uido, che si riduce, e questo ha una diretta in‡uenza sulla velocità della combustione;

 i gas residui occuperanno una percentuale maggiore della massa comp-lessiva contenuta nella camera, diluendo maggiormente la carica fresca aspirata.

Turbolenza

In quanto detto precedentemente si è già sottolineata l’importanza della pre-senza di un moto turbolento all’interno della camera di combustione. Le tur-bolenze hanno il duplice e¤etto positivo di distorcere il fronte di …amma (au-mentando il rapporto super…cie volume) e di accrescerne lo spessore. Questo ovviamente accade soltanto se la turbolenza ha un andamento coerente, come un vortice con asse parallelo all’asse del cilindro (swirl) o ortogonale ad esso (tumble). Questo tipo di turbolenze, dovute a quello che accade durante l’aspirazione si riducono drasticamente durante la fase di compressione, per-ciò l’e¤etto bene…co apportato alla combustione è senz’altro inferiore a quello auspicabile. Per le suddette ragioni è possibile e consigliabile indurre delle turbolenze in prossimità della …ne della compressione, in modo che esse non abbiano il tempo di estinguersi. Questo è possibile sagomando opportuna-mente lo stantu¤o e la testa in modo che una parte delle loro super…ci si trovi quasi a contatto alla …ne della corsa di compressione. In questo modo il ‡uido verrà spinto verso la parte libera della camera innescando un moto (detto di squish) che si svilupperà contemporaneamente alla combustione.

3.3. MFB E MODELLI PER IL CALCOLO DEL RILASCIO DEL CALORE31 Le turbolenze portano anche ad un incremento degli scambi termici fra il ‡uido e le pareti, ed inoltre se troppo elevate possono portare a fenomeni di mancata accensione (mis…re).

In‡uenza dell’anticipo

Il processo di combustione non è istantaneo. Come si è detto la fase iniziale della combustione interessa una percentuale minima della carica (e quindi il calore che si sviluppa è una piccola parte di quello complessivamente lib-erabile) ed inoltre occupa un arco di manovella considerevole. Per queste ragioni è bene distribuire l’arco della combustione a cavallo del PMS, in modo che la fase di combustione rapida possa iniziare prima che lo stantu¤o lo abbia raggiunto. In tal modo si cercherà di far sì che la parte più im-portante dello sviluppo di calore avvenga in corrispondenza di un volume minimo e poco variabile. Occorrerà pertanto stabilire un angolo di anticipo, talvolta cospicuo, che permetta di realizzare quanto detto. Nella scelta di tale anticipo dovranno considerarsi due e¤etti contrastanti: un anticipo el-evato implica che il pistone dovrà compiere un lavoro maggiore durante la fase di compressione, in questo modo però la pressione massima si andrà avvicinando sempre più al PMS superiore aumentando il lavoro raccolto in espansione. Bisognerà tener conto di questi due fattori in modo da bilanciare i loro e¤etti ottenendo un buon compromesso. L’anticipo ottimo viene de-terminato in maniera sperimentale, si intuisce che dovrà essere tanto grande quanto più lenta è la combustione. Solitamente è ottimale l’anticipo che po-siziona il picco di pressione 15-20 gradi di manovella dopo il PMS ed il 50% del combustibile bruciato a 10

dopo il PMS.

3.3

MFB e modelli per il calcolo del rilascio

del calore

La frazione di massa combusta, MFB1_{, è, per de…nizione, il rapporto fra la}

massa di miscela già bruciata in un certo istante della combustione e la massa complessiva della miscela:

xb = mbr m = mbr mbr + mf (3.7)

dove mbr2 è la massa già bruciata e mf è la massa di miscela fresca, non

ancora investita dal fronte di …amma.

La frazione di massa combusta fornisce indicazioni sulla percentuale di calore già sviluppato, in corrispondenza di un certo angolo di manovella, rispetto a tutto il calore che la massa di combustibile inserita nella miscela può generare.

Il suo andamento in funzione dell’angolo di manovella ha la caratteris-tica forma ad S; data la de…nizione, xb avrà valore nullo …no all’inizio della

combustione e valore unitario in corrispondenza della …ne della fase di com-bustione, anche se in realtà non tutta la miscela riuscirà a bruciare e quindi la funzione vi tenderà soltanto.

3.3.1

Angoli caratteristici della combustione

Per la caratterizzazione della curva di rilascio del calore si de…niscono le seguenti grandezze:

 Flame development angle r#d, l’intervallo angolare fra l’innesco della

combustione e il momento in cui una frazione della massa nel cilin-dro ha bruciato. Si sceglie questo angolo considerando una frazione di riferimento del 10%.

 Rapid burning angle r#b, l’intervallo angolare in cui si ha una rapida

propagazione del fronte di …amma. Durante questa fase della combus-tione il fronte è turbolento ed il pistone si muove a cavallo del TDC, e il volume può quindi ritenersi costante. Generalmente questo intervallo va dalla …ne della fase di sviluppo della …amma (intervallo precedente) e l’angolo di manovella corrispondente al 90% di massa bruciata. Dopo questo intervallo si veri…ca la cosiddetta fase di completamento della combustione in cui la …amma raggiunge il fondo della camera esauren-dosi.3

2_{Si può confondere tale rapporto con il quello fra il solo combustibile bruciato e quello}

che ancora non ha preso parte alla combustione; la massa della miscela e della benzina sono infatti direttamente legate dalla dosatura :

mmiscela= maria+ mcomb= mcomb(1 + ) 3_{In bibliogra…a i due angoli caratteristici sono spesso de…niti come #}

10e #90, riferendosi

3.3. MFB E MODELLI PER IL CALCOLO DEL RILASCIO DEL CALORE33 Nella …gura in basso è mostrato un tipico andamento della MFB nel quale sono indicati gli intervalli caratteristici prima descritti.

Figura 3.4: Andamento della frazione di massa combusta e angoli caratter-istici

3.3.2

Metodo di Rasswailer e Withrow

Il metodo di Rasswailer e Withrow calcola la frazione di massa combusta attraverso considerazioni zerodimensionali del primo principio della termodi-namica considerando la combustione come una successione di scambi di calore a volume costante (dV = 0).

dQst+ dQco pdV = m
cv
dT (3.8)

Ponendo tutto in funzione delle costanti del gas si ottiene: dQst+ dQco pdV =

1

k 1m
R

0

dT (3.9)

Di¤erenziando l’equazione dei gas perfetti: m
R0

Sostituendo: dQst+ dQco= k k 1pdV + 1 k 1V dp (3.11)

Gli scambi termici vengono tenuti in considerazione solo nel calcolo dell’esponente della politropica di compressione m, e del resto essi hanno una in‡uenza

mar-ginale a fronte del calore sviluppato dall’innesco della …amma.

I due studiosi dimostrarono come la politropica di compressione possa essere utilizzata con buoni risultati per determinare la frazione di massa combusta.

Applicando il primo principio della termodinamica come nella 3.11 ed eliminando i termini dV e dQst, esplicitando il calore della combustione in

funzione della massa bruciata si avrà: dQco= mb
Hi
dxb =

1

k 1V dp (3.12)

Si ricava quindi la seguente relazione che esprime la quantità di calore nell’intervallo d#:

dQco=

1

k 1V dp (3.13)

Trattandosi di un metodo approssimato quello che in realtà di ottiene è una stima del calore rQco nell’intervallo …nito r#; pertanto si intenderà con

V il volume medio nell’intervallo considerato V = Vi+ Vi 1

2 (3.14)

Il fattore dp è calcolato come di¤erenza fra la pressione misurata e quella che si avrebbe se il motore fosse trascinato e quindi coincide, con le dovute approssimazioni, con l’incremento di pressione dovuto alla combustione

dp = pmis ppolitr = pi pi 1

 Vi 1

Vi

m

(3.15)

Il termine k varierà con la temperatura e non potrà ritenersi costante, per esso potrà utilizzarsi la seguente correlazione valida per le miscele aria-benzina:

3.3. MFB E MODELLI PER IL CALCOLO DEL RILASCIO DEL CALORE35

Figura 3.5: Andamento della pressione misurata e di quella espressa dalla politropica

kbenzina = 1; 338 6
10 5
T + 10 8
T2 (3.16)

che nella presente simulazione servirà a calcolare k in relazione alla tem-peratura nel cilindro.

L’esponente m della politropica di compressione o di espansione (l’uno per le pressioni registrate per angoli di manovella precedenti il PMS, l’altro per i successivi), necessario per calcolare dp, si ottiene calcolando il coe¢ciente angolare delle due rette che sul gra…co, nel piano bilogaritmico, del ciclo indicato rappresentano le due fasi.

Inoltre, esplicitando la 3.12 e la 3.13 rispetto ad xb e ricordando che in

base a quanto detto il prodotto mb
Hi può considerarsi come la sommatoria

dei calori elementari rQco fra l’inizio e la …ne della combustione si potrà

xb = # X #i 1 k 1V
dp
#f X #i 1 k 1V
dp
(3.17)

Questo metodo è largamente utilizzato, tuttavia bisogna tenere ben pre-senti le diverse approssimazioni che introduce: l’esponente della politrop-ica di confronto non si mantiene costante durante la combustione e inoltre l’incremento di pressione dovuto alla combustione è proporzionale alla quan-tità di energia chimica rilasciata piuttosto che alla massa di miscela bruciata.

3.4

Caratteristiche della detonazione

La detonazione avviene quando parte della miscela brucia prima che sia stata raggiunta dal fronte di …amma poiché si trova in condizioni tali da autoaccen-dersi. Questo determina bruschi incrementi locali di pressione e vibrazioni che si propagano lungo la struttura del motore, si manifesta all’esterno con un caratteristico rumore metallico simile ad un martellamento.

La detonazione limita fortemente le prestazioni dei motori, poiché im-pedisce di lavorare con rapporti di compressione ed anticipi elevati, ed in più rende necessario l’utilizzo di carburanti con una composizione che inibisca tale fenomeno.

La detonazione è causata da tutte le condizioni che provocano un innalza-mento della temperatura della miscela come ad esempio un elevato rapporto di compressione.

Un elevato anticipo di accensione determina invece una maggiore rapidità nell’aumentare della pressione ed un incremento della pressione massima in camera determinando l’insorgere della detonazione.

Quando si veri…ca la detonazione sul diagramma indicato sono evidenti delle oscillazioni ad una frequenza di 515 kHz. Sfruttando questa sua carat-teristica la detonazione può essere evitata inserendo all’interno del motore un sensore di tipo accelerometrico che rilevi la presenza di queste caratteristiche vibrazioni, in questo modo la centralina del motore interverrà diminuendo l’anticipo di accensione o arricchendo la miscela.

Capitolo 4

Il

software di acquisizione

4.1

Introduzione al

LabVIEW

Tutte le informazioni di possibile utilità rilevate al banco motori sono state ottenute mediante un software realizzato in LabVIEW. Ai …ni della speri-mentazione il software proposto realizza, interfacciandosi con gli strumenti di misura che corredano il banco prova, il campionamento, la registrazione e la visualizzazione dei dati più rilevanti.

L’output primario è la pressione indicata all’interno del cilindro prescelto per la prova. Esso dovrà essere corredato da tutti i dati concernenti le variabili motoristiche a cui tale pressione è stata rilevata quali il regime, l’anticipo, il rapporto aria combustibile e i dati ambientali quali le tempera-ture di aspirazione e scarico.

I valori della pressione sono campionati in modo sincrono con una fre-quenza di campionamento fc prestabilita e successivamente processati in

modo da passare dalla variabile tempo a quella angolare più interessante ai …ni motoristici. Il passaggio, come già anticipato nel capitolo che intro-duce gli strumenti di misura utilizzati, avviene confrontando tutti i segnali acquisiti con quello proveniente dall’encoder angolare mediante un algoritmo che verrà spiegato successivamente in questo capitolo.

Una prima analisi del sofware permette di individuare tre parti distinte:  Fase di preparazione e campionamento;

 Fase di analisi e …ltraggio dei dati essenziali;  Fase di registrazione e visualizzazione dei dati.

Mediante queste tre parti il software processa i segnali provenienti dall’intero sistema di misura presentando al termine del calcolo un …le di dati comp-lessivo che riassume la prova eseguita.

E’ essenziale ricordare che il software considera al suo interno tutta una serie di costanti legate alla tipologia del motore che dovranno essere con-siderate nel caso in cui si decida di utilizzare lo stesso software su motori di¤erenti.

Nel corso dell’analisi approfondita del software si osserverà inoltre come la suddivisione in parti non sia casuale ma derivi direttamente dall’impostazione del linguaggio di programmazione LabVIEW che permette ed incoraggia la creazione di blocchi indipendenti. Tale impostazione permette una facile individuazione degli errori nonchè la possibilità di sostituire o aggiungere singoli blocchi senza intaccare il funzionamento dell’intero software. Si ritiene importante sottolineare questo aspetto generale soprattutto in prospettiva di futuri utilizzi di questo software: la necessità di ricorrere, ad esempio, ad algoritmi di analisi di¤erenti o l’aggiunta di interi blocchi per nuove analisi non ritenute necessarie in questa sede, si traduce nella semplice realizzazione di singoli blocchi che sostituiranno o si aggiungeranno a quelli già esistenti, il tutto con un notevole risparmio di tempo.

4.2

La gestione dei segnali:

Measurement &

Automation

Il software realizzato costituisce un virtual instrument unico che condensa tutte le grandezze misurate dagli strumenti reali in un unico ‡usso che di fatto costituisce la grandezza misurata dallo strumento virtuale. Fornisce poi un output costituito da tutte le grandezze misurate o indirettamente ricavate dalle prime. Ancora prima di creare il virtual instrument è necessario quindi creare la sua grandezza misurata o, come essa è chiamata in LabVIEW, una task.

La task viene creata mediante un apposito software proprietario, Measure-ment & Automation, che costituisce l’interfaccia fra le schede di acquisizione e il virtual instrument. Se la scheda di acquisizione si occupa di tradurre i segnali analogici in digitali, M&A si occupa di identi…carli e canalizzarli all’interno di un insieme di ‡ussi, la task appunto, che il virtual instrument campionerà e acquisirà secondo le necessità richieste dall’utente.