8. METODOLOGIE DI SPERIMENTAZIONE
8.1 Introduzione
In questo capitolo verranno esposte le fasi sperimentali che hanno contraddistinto la nostra ricerca. La preparazione di tali prove è stata lunga e complicata con una prolungata fase di affinamento fatta di perfezionamenti successivi e piazzamenti macchina diversi, derivante dalla necessità di acquisire un’adeguata esperienza di studio su motori diesel tale da garantire il corretto funzionamento dell’intero impianto di analisi e sperimentazione. Le caratteristiche di funzionamento di questo tipo di motori (coppia elevata a basso numero di giri, grandi inerzie, ecc.) ha spesso causato problemi di tipo strutturale, portando a rotture occasionali ed inaspettate che hanno più volte messo alla prova la nostra perizia e fantasia.
8.2 Linee guida e scelte di base
Della scelta dell’olio da usare per la nostra sperimentazione già si è parlato. Qui ci limiteremo ad esporre le scelte effettuate nelle procedure di sperimentazione in campo di percentuali di miscela da utilizzare e le temperature di preriscaldamento del carburante. Come anticipato, si è scelto di limitare le percentuali di miscela del carburante dell’olio vegetale nel carburante finale per limitare i problemi di incompatibilità dello stesso con il motore (sviluppato e prodotto dalla casa costruttrice per utilizzare unicamente il gasolio combustibile reperibile nella normale distribuzione) e con l’impianto d’iniezione, dato che un presupposto irrinunciabile per i propositi della nostra indagine era quello di lasciare il motore in una configurazione il più possibile originale ed inalterata. Di fatto, il nostro intervento si è limitato unicamente all’aggiunta, nell’impianto di alimentazione del motore, di un preriscaldatore per
innalzare a temperatura del carburante, un dispositivo piuttosto semplice ed economico realizzato appositamente per questi test da un nostro tecnico.
La sessione sperimentale vera e propria, dunque, è stata quindi divisa e articolata in cinque fasi, ciascuna delle quali si contraddistingue dalle altre o per il carburante utilizzato o per la temperatura di preriscaldamento:
1) Gasolio puro T=Ambiente
2) Olio di girasole al 25% e gasolio al 75% a tre temperature: ambiente,60°C e 80°C. 3) Olio di girasole al 50% e gasolio al 50% a tre temperature: ambiente,60°C e 80°C. 4) Olio di girasole al 75% e gasolio al 25% a tre temperature: ambiente, 60°C e 80°C 5) Olio di girasole puro a tre temperature: ambiente,60°C e 80°C.
La prima fase è servita principalmente per un lavoro di set-up del sistema. È stata anche utile per raccogliere dati importanti: per il nostro studio risultava infatti di notevole interesse avere uno “zero” del sistema, costituito dalle condizioni standard di esercizio del motore alimentato con gasolio tradizionale (normalmente disponibile alla pompa) e a temperatura ambiente, ossia con il nostro dispositivo di preriscaldamento disinserito, così da costituire quella base di dati indispensabile per i successivi raffronti.
Oltretutto il nostro motore sapevamo essere usato in prove precedenti: questo, se da un lato costituiva un vantaggio nel quadro del nostro studio (un motore usato e ben rodato è la condizione che più si avvicina al contesto di una possibile ricaduta o applicazione della nostra indagine), dall’altro costituiva senz’altro un problema riguardo l’attendibilità di tali dati.
Per quanto riguarda le due fasi successive, la seconda e terza, queste sono servite, insieme con la prima, a dare le prime indicazioni riguardo alle risposte del sistema rispetto le variazioni introdotte (percentuale di miscela) sulla base delle quali sono state effettuate le scelte successive su quale indirizzo fosse meglio dare alle indagini seguenti.
Mantenendo fisso il rapporto di miscela, abbiamo fatto uso dell’apparecchiatura da noi sviluppata per innalzare la temperatura della stessa prima di immetterla nella camera di combustione, così da evidenziare gli andamenti di efficienza del motore e di consumo specifico al variare di questo parametro.
Abbiamo scelto di farlo passando, attraverso salti di temperatura costanti (Δ = 20°C) , dalla temperatura “ambiente” di 40°C fino al la temperatura massima di 80°C. Riguardo la temperatura definita “ambiente” bisogna specificare che, per come era già costruito l’impianto standard di alimentazione del motore, i normali riflussi di carburante (rifiuti) dall’iniettore posto sulla testa calda del motore al serbatoio del sistema, bastavano ad innalzare la temperatura del carburante racchiuso nel volume confinato del serbatoio termo-controllato dalla temperatura ambiente ai reali 40°C rilevati dallo strumento di controllo.
Due salti di temperatura sono dunque stati sufficienti al raggiungimento della temperatura di 80°C, da noi ritenuta un massimo (con il dovuto margine di sicurezza) per la tenuta dell’impianto di preriscaldamento della miscela messo a punto.
Tornando a parlare delle singole fasi è bene specificare che ciascuna di esse si compone di molteplici letture dei dati di coppia e potenza erogate dal motore, nonché di consumo e consumo specifico, eseguite a regime di giri costante. In ogni fase abbiamo deciso di cadenzare tali letture, nell’arco di giri motore disponibili (l’arco di utilizzo del motore va dai 1500 ai circa 3000 giri al minuto), distanziandole inizialmente di 250 giri al minuto le une dalle altre e successivamente di 500 giri al minuto in modo da avere alla fine più o meno 4 letture per ogni fase attraverso le quali siamo stati in grado di caratterizzare in modo preciso e dettagliato le prestazioni del motore.
8.3 Accorgimenti e rimedi in fase sperimentale
Prima di effettuare ogni ciclo di lettura dei dati, si procedeva alla preparazione della miscela di carburanti ed all’eventuale suo riscaldamento.
La preparazione del carburante avveniva direttamente in un cilindro graduato, esterno al sistema, semplicemente versando all’interno di esso, in due momenti successivi, prima l’olio di semi di girasole, e poi il diesel, rispettando le proporzioni volute per la data fase di sperimentazione. Una volta agitata bene la miscela, la si inseriva nel circuito di alimentazione del motore dalla sommità dell’ampolla principale, serbatoio del sistema. L’operazione doveva essere eseguita più volte per riempire il volume totale dell’intero impianto di alimentazione da noi costruito e costituire la riserva di carburante necessaria alla fase di test. Un volume fisso non trascurabile infatti era costituito sia dai lunghi tubi di collegamento tra il motore, posto all’interno della camera di prova, e l’apparato per la misurazione del consumo, posto invece all’esterno, sia dal volume del serbatoio termo-controllato stesso, posto all’interno della camera di prova nelle immediate vicinanze del motore (proprio per meglio asservire al suo scopo di controllo della temperatura del carburante realmente usato dal motore). Tra una fase e la successiva, quando la concentrazione della miscela doveva essere variata, l’intero impianto di alimentazione del carburante doveva essere svuotato. Un rubinetto di scarico, inserito alla base del serbatoio termo-controllato (fig.6.6.1 ), serviva specificatamente a questo scopo.
Per il preriscaldamento della miscela, una volta riempito l’impianto, e decisa la temperatura di esercizio del sistema per la data fase, era sufficiente avviare l’unità di controllo della temperatura e programmare tramite gli appositi comandi presenti sotto al display la temperatura desiderata. A questo punto era necessario quindi attendere il giusto tempo di assestamento affinché la resistenza portasse a termine il proprio compito e la temperatura visualizzata sul display dello strumento risultasse uguale a quella voluta.
Successivamente il motore veniva avviato e fatto girare per alcuni minuti a vuoto, a basso carico e a basso numero di giri.
Questo serviva a portare in temperatura i fluidi e tutte le parti interne, così da minimizzare le differenze di comportamento del motore stesso durante l’intera durata del test, dalle prime letture fino alle ultime letture, e non influenzare o alterare così i dati rilevati. Una breve sosta, con spegnimento momentaneo del motore, consentiva quindi una rapida ispezione agli organi di trasmissione del moto, sempre molto sollecitati in fase di sperimentazione a pieno carico. L’intera
procedura è stata sempre eseguita per ogni fase di sperimentazione, e soprattutto ad ogni nuova accensione che seguisse prolungati periodi di inutilizzo del motore.
Passando ad esporre i procedimenti che caratterizzavano le fasi di lettura vera e propria, è bene dire che ciascuna di esse è stata suddivisa anch’essa in due turni: il motivo era sempre quello di non far surriscaldare gli organi di trasmissione e di prevenire altri inconvenienti relativi alla sicurezza.
Tra i due turni infatti venivano intervallati controlli alle parti meccaniche atte alla trasmissione del moto e effettuavano anche ispezioni sul serraggio di tutti i collegamenti bullonati, tanto quelli della trasmissione quanto quelli di collegamento tra il basamento del motore, il telaio ausiliario e il telaio del banco-freno. A questo punto eseguite le verifiche, non sussistono altri impedimenti all’inizio della sperimentazione.
I turni di test del motore, e relativa lettura dei dati rilevati, erano organizzati nel seguente modo. L’unità di controllo del banco-freno veniva accesa ed impostata in modo tale che il banco-freno stesso non frenasse in alcun modo il motore. Quest’ultimo veniva avviato e portato a pieni giri aumentando gradualmente la portata della pompa di iniezione attraverso l’apposito comando situato sul lato del motore. Quindi, una volta chiusa la sala prove, si procedeva tramite il controllo del banco-freno, posto al sicuro all’esterno della sala insieme agli altri strumenti di lettura, all’instaurazione delle forze frenanti nel banco freno, e quindi sull’albero motore. Queste forze venivano di volta in volta incrementate, tramite il potenziometro di regolazione dell’unità di controllo, in
modo da frenare il motore fino a farlo assestare sul numero di giri prefissato per i vari step di lettura che ci eravamo preposti.
Quindi dopo una prima fase di assestamento con continue regolazioni sul controllore per garantire l’effettiva corrispondenza della lettura al determinato step di numero di giri, era comunque necessario attendere un ulteriore lasso di tempo per raggiungere la stabilità anche sui dati di coppia potenza e temperatura espressi dal motore e visualizzati sul display. Abbiamo deciso quindi di eseguire la lettura di tali dati in un secondo momento. Infatti prima si stabilizzava il numero di giri del motore, quindi si portava avanti la procedura di lettura dei dati relativi al consumo, e solo dopo si prendeva nota dei dati di coppia, potenza e temperatura espressi dal motore e rilevati dallo strumento di controllo.
Del resto, anche se in modo minore, anche la lettura del consumo ha sempre richiesto attenzioni in termini di tempo soprattutto per le prove con alta percentuale di olio di girasole; infatti il raggiungimento di una velocità costante, e quindi quello di un consumo costante, era quindi la condizione senza la quale l’attendibilità dei dati stessi sarebbe risultata incerta.
Per quanto riguarda il consumo specifico di carburante, il BSFC, bisogna dire che questo è in realtà ottenuto con una misurazione indiretta e quindi veniva calcolato solo in un secondo momento, necessitando di entrambe le letture di potenza e di consumo. In un foglio di lavoro di file Excel, sempre disponibile nelle fasi di sperimentazione nei PC posti nella postazione di controllo, era stata implementata la funzione per la sua determinazione direttamente nella griglia dei dati così da eliminare ulteriori tempi morti. I dati venivano poi comunque controllati in un secondo tempo alla fine dei test. Da quanto esposto fino adesso ci si dovrebbe rendere facilmente conto della durata temporale delle fasi di sperimentazione, e della esigenza e opportunità delle continue pause per le ispezioni di routine prima descritte.
