A Jasmin e Alla mia famiglia

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A Jasmin e Alla mia famiglia

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INDICE

INTRODUZIONE……….………1

CAPITOLO 1... 3

Cenni alle problematiche generali relative ai motori a combustione interna a quattro tempi e identificazione delle possibili tipologie del sistema di controllo. ... 3

1.1 Introduzione ... 3

1.2 Ciclo indicato di un motore AC a quattro tempi ... 4

1.3 Stadi del processo di combustione... 5

1.4 Anomalie del processo di combustione: la detonazione ... 7

1.5 Le irregolarità cicliche del motore... 9

1.6 Identificazione delle possibili tipologie del sistema di controllo ... 12

CAPITOLO 2... 14

Allestimento del banco di prova... 14

2.1 Realizzazione e messa in opera del banco ... 14

2.2 Descrizione delle apparecchiature utilizzate... 22

2.2.1 Il freno dinamometrico... 22

2.2.2 La centralina elettronica per la variazione dell’anticipo di accensione ... 25

2.2.3 La strumentazione elettronica per l’acquisizione dei dati... 27

2.2.4 Il sensore ottico di posizione angolare dell’albero motore ... 28

2.2.5 Il trasduttore di pressione ... 29

2.2.6 Il sistema di misurazione del titolo di miscela ... 29

2.2.7 Il sensore di detonazione ... 32

2.3 Il carburatore a controllo elettronico ... 34

Descrizione delle prove condotte e classificazione dei dati acquisiti ... 36

3.1 Piano delle prove e definizione delle funzioni statistiche di processamento dati... 36

3.2 Risultati dell’analisi statistica dei cicli acquisiti ... 38

3.2.1 Risultati a 3000 giri con carico massimo anticipo di accensione 14° ... 38

3.2.2 Risultati a 2000 giri con carico massimo anticipo di accensione 14° ... 39

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3.2.4 Risultati a 2000 giri con carico parziale anticipo di accensione 24°………41

3.3 Analisi delle irregolarità nella pressione media indicata... 43

3.4 L’analisi del segnale del sensore di detonazione ... 44

3.4.1 Prove a 3000 giri/minuto a pieno carico e a 2000 giri/minuto a pieno carico... 45

3.4.2 Analisi del segnale con il motore in detonazione ... 47

Definizione delle specifiche del sistema di controllo ... 49

4.1 Conclusioni sulle prove effettuate e specifiche del sistema di controllo da progettare .... 49

Progetto e realizzazione del sistema di controllo elettronico... 50

5.1 Classificazione ed analisi dei sistemi di accensione per i motori a combustione interna . 50 5.1.1 Sistemi convenzionali di accensione induttiva ... 50

5.1.2 Sistemi elettronici di accensione a transistori... 52

5.1.3 Sistemi elettronici di accensione a scarica capacitiva ... 53

5.1.4 Analisi e confronto di configurazioni circuitali per sistemi di accensione elettronica a scarica capacitiva... 57

5.2 Architettura generale del sistema di controllo elettronico e descrizione delle specifiche funzionali e di interfaccia ... 62

5.2.1 Architettura hardware e specifiche di interfaccia ... 62

5.2.2 Definizione degli algoritmi del sistema di controllo ... 66

5.3 Analisi e progetto di dettaglio dei blocchi costituenti il sistema ... 66

5.3.1 Pulse Rectify-Splitting Module... 66

5.3.2 Modulo di alimentazione ... 67

5.3.3 Modulo di accensione a scarica capacitiva (CDI)... 69

5.3.4 Booster di accensione ... 70

5.3.5 Circuito di pilotaggio del solenoide del carburatore ... 72

5.3.6 Pulse Rectify Module ... 73

5.3.7 Modulo di acquisizione del regime di funzionamento del motore... 74

5.3.8 Modulo di pilotaggio del sistema di accensione ... 75

5.3.9 Blocco di condizionamento del segnale del potenziometro della farfalla ... 76

5.3.10 Oscillatore ... 77

5.3.11 L’interfaccia MAX232 ... 77

5.3.12 Il circuito di reset del dsPIC ... 77

5.4 Il dsPIC 30F2010 ... 78

5.4.1 Le periferiche utilizzate ... 85

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5.4.2. Modulo Timer 1 ... 85

5.4.3 I moduli Timer2 e Timer3 ... 86

5.4.4 Il modulo Input Capture ... 89

5.4.5 Il modulo Output Compare ... 90

5.4.6 Il convertitore Analogico-Digitale ... 93

5.4.7 Cenni al DSP engine ... 96

5.4.8 Cenni all’interfaccia UART... 97

5.4.9 Watch Dog Timer... 98

5.4.10 Configurazione del clock del microcontrollore ... 99

5.5 I software utilizzati nella progettazione... 100

5.6 La realizzazione del circuito stampato... 101

5.7 La realizzazione del software di gestione ... 103

5.7.1 Descrizione del programma implementato... 106

5.7.2 Listato Assembler del programma realizzato ... 114

CAPITOLO 6... 123

Verifica sperimentale del sistema di controllo e conclusioni finali ... 123

6.1 Verifica sperimentale del sistema con ambiente motore simulato elettricamente ... 123

6.2 Verifica del sistema di controllo al banco di prova con motore funzionante ... 126

6.3 Conclusioni ... 127

Appendice 1... 129

Appendice 2... 131

Bibliografia:... 134

RINGRAZIAMENTI..……….……….………..137

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Indice delle figure

Figura 1.1 - Le quattro fasi dello stantuffo (aspirazione, compressione, espansione e scarico)

Figura 1.2 - Ciclo indicato di un motore a 4 tempi ad accensione comandata

Figura 1.3 - Andamento della pressione nel cilindro durante la combustione in funzione del tempo

Figura 1.4 - Effetti di una detonazione prolungata nel tempo sul pistone Figura 1.5 - Irregolarità nell’andamento della pressione per cicli successivi Figura 1.6 - Andamento del picco massimo di pressione in funzione della propria posizione angolare al variare della velocità di combustione

Figura 1.7 - Variazione della dispersione ciclica in funzione del titolo di miscela per due diverse velocità di rotazione

Figura 2.1 - Vista laterale del freno dinamometrico utilizzato per caricare il motore Figura 2.2 - Il Motore Tecumseh Geotec 60 OHV sul telaio di supporto realizzato dai tecnici del dipartimento.

Figura 2.3 - L’interfaccia motore-freno. Sono visibili i due elementi elastici adottati.

Figura 2.4 - Alloggiamento del trasduttore di pressione sulla testa del motore Figura 2.5 - Il sensore ottico (encoder) posizionato sul volano

Figura 2.6 - Vista della marmitta e della sonda lambda

Figura 2.7 - Posizionamento del sensore di detonazione sulla testa del motore Figura 2.8 - Il vecchio sistema di accensione

Figura 2.9 - Il pick-up magnetico per la generazione del segnale di riferimento per la centralina elettronica

Figura 2.10 - Andamento del segnale del pick-up in funzione dell’angolo di manovella Figura 2.11 - Schema a blocchi della strumentazione utilizzata

Figura 2.12 - Gli elementi principali del freno dinamometrico Figura 2.13 - Schema di funzionamento della centralina

Figura 2.15 - L’AVL 619 e la strumentazione elettronica del freno dinamometrico Figura 2.16 - Il sensore UEGO

Figura 2.17 - Andamento della IP in funzione di lambda Figura 2.18 - Andamento di VS in funzione di lambda Figura 2.19 - Caratteristica ingresso – uscita del sistema

Figura 2.20 - Confronto fra le funzioni di trasferimento dei vari sensori di detonazione Figura 2.21 - Disegno indicativo del funzionamento del carburatore elettronico

Figura 3.1 - Andamento della dispersione ciclica nella pressione media indicata per le quattro condizioni di prova.

Figura 3.2 – Andamento della pressione e del segnale del sensore di detonazione in funzione dell’angolo di manovella.

Figura 3.3 – Andamento dei segnali dei sensori di pressione e detonazione in un ciclo con detonazione rilevato a 3000 giri/minuto e pieno carico.

Figura 3.4 – Andamento degli spettri dei segnali del sensore di detonazione e di pressione filtrati fra 7 e 10 kHz in presenza di detonazione.

Figura 4.1 - Schema a blocchi del sistema di controllo da progettare Figura 5.1 – Schema di un sistema convenzionale di accensione induttiva Figura 5.2 – Schema elettrico equivalente di un sistema di accensione induttiva convenzionale

Figura 5.3 – Schema elettrico di un sistema di accensione a transistori

Figura 5.4 – Schema a blocchi di un sistema di accensione a scarica capacitiva

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Figura 5.6 – Andamento della scarica del secondario della bobina per i vari sistemi analizzati

Figura 5.7 – Prima configurazione circuitale della scarica capacitiva e relative forme d’onda

Figura 5.8 – Seconda configurazione circuitale della scarica capacitiva e relative forme d’onda

Figura 5.9 – Terza configurazione circuitale della scarica capacitiva e relative forme d’onda

Figura 5.10 – Quarta configurazione circuitale della scarica capacitiva e relative forme d’onda

Figura 5.11 – Schema a blocchi completo del sistema di controllo realizzato Figura 5.12 – Schema elettrico completo del progetto realizzato

Figura 5.13 – Pulse Rectify Splitting Module Figura 5.14 – Modulo di alimentazione Figura 5.15 – Modulo CDI

Figura 5.16 – Booster di accensione

Figura 5.17 – Circuito di pilotaggio del solenoide del carburatore Figura 5.18 – Pulse Rectify Module

Figura 5.19 – Modulo di acquisizione del regime di funzionamento del motore Figura 5.20 – Modulo di pilotaggio del sistema di accensione

Figura 5.21 – Blocco di condizionamento del segnale del potenziometro della farfalla Figura 5.22 – Circuito di reset

Figura 5.23 – Collocazione di mercato del dsPIC

Figura 5.24 – Classificazione dei dsPIC della famiglia Motor Control Figura 5.25 – Pinout del dsPIC30F2010

Figura 5.26 – Struttura a blocchi del dsPIC30F2010

Figura 5.27 – Modello software equivalente del dsPIC30F2010 Figura 5.28 – Schema a blocchi del modulo Timer1

Figura 5.29 – Schema a blocchi del modulo Timer2/3 a 32 bit Figura 5.30 – Schema a blocchi del modulo Timer2 a 16 bit Figura 5.31 – Schema a blocchi del modulo Timer3 a 16 bit Figura 5.32 – Schema a blocchi del modulo Input Capture Figura 5.33 – Struttura a blocchi del modulo Output Capture Figura 5.34 – Formula del periodo del segnale PWM generato Figura 5.35 – Temporizzazione del segnale PWM

Figura 5.36 – Schema a blocchi del convertitore A/D

Figura 5.37 – Legame tra tempo di conversione di bit e tempo di clock

Figura 5.38 – Temporizzazione della sequenza campionamento-conversione adottata nel progetto

Figura 5.39 – Struttura a blocchi del DSP

Figura 5.40 – Schema a blocchi del Watchdog timer

Figura 5.41 – Temporizzazione delle istruzioni del dsPIC30F2010 nel nostro progetto Figura 5.42 – Layer Componenti discreti (Top)

Figura 5.43 – TOP Layer Figura 5.44 – BOTTOM Layer

Figura 5.45 – Il circuito stampato realizzato con i componenti saldati ed installati Figura 5.46 – Sintassi di statement di istruzioni e di direttive

Figura 5.47 – Passi per l’implementazione ed il debug del programma Figura 5.48 – Diagramma di flusso del main

Figura 5.49 – Struttura a stati di N_Giri con le codifiche memorizzabili in PC_GIRI Figura 5.50 – La curva degli anticipi mappata nell’apposita tabella

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PC_CARICO

Figura 5.52– Struttura a stati della subroutine Accensione e codifiche memorizzate in PC_ACC

Figura 5.53 – Struttura a stati della routine Pwm e codifiche memorizzate in PC_PWM Figura 6.1 – Andamento del segnale sulla base di Q1 (1) e del pick-up simulato (2) a 600 rpm

Figura 6.2 – Andamento del segnale sulla base di Q1 (1) e del pick-up simulato (2) a 2500 rpm

Figura 6.5 – Misure effettuate a 3000 rpm con carico pari ad 1/3 del massimo