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Motori a combustione interna

 

Responsabile scientifico:
 
Prof. Ing. Carlo Maria Bartolini      (professore ordinario – Dip. Energetica)
Gruppo di lavoro:
 
Prof. Ing. Flavio Caresana             (professore associato – Dip. Energetica)
Prof. Ing. Leonardo Pelagalli         (professore associato – Dip. Energetica)
Prof. Ing. Giorgio Tombari            (dottorando di ricerca – Dip. Energetica)
Ing. Michele Bilancia                     (dottorando di ricerca – Dip. Energetica)
Ing. Sandro Vagni                         (assegnista – Dip. Energetica)
Giuliano Giuliani                           (tecnico – Dip. Energetica)
Gabriele Gabrielli                          (tecnico – Dip. Energetica)
Ing. Petro Feliciotti                       (dottorando di ricerca – Dip. Ing. Informatica,
Gestionale e dell'Automazione)
Collaborazioni:
 
FAAM SPA    – Monterubbiano (AP)
 
Links utili
 
http://www.avl.com/
http://www.ni.com/
 
Descrizione della ricerca:
 
Laboratori
 
Sala Prova Motori (presso i capannoni per attrezzature pesanti del polo di Monte Dago )
 

 

 
 
 
Principali attrezzature a disposizione in Sala Prova Motori
 
 
Cabinato insonorizzato (con abbattimento acustico GARANTITO 40 dB(A) +/-2 dB) realizzato con pannelli prefabbricati e struttura metallica di sostegno di dimensioni approssimative: 7.2 m x 5.0 m x h3.0 mm. 
 
 
Attrezzature a disposizione:
  •  Freno elettrico dinamico APICOM da 100 kW: Macchina sincrona da 380 trifase – 380 A nom. / 450 A max – Max. velocità 7500 rpm (Raffreddamento ad aria forzata)
  • Unità Trattamento Aria comburente da 1000 m3/h con temperatura controllabile tra 20 e 25°C e umidità controllabile tra il 45 e il 60 %.
  • Ventilazione forzata della cella con ventilatori di immissione ed estrazione con portate fino a 15.000 m3/h
  • Banco di analisi dei gas combusti grezzi dotato di:
  •       Analizzatore HC – F.I.D. (Flame Ionization Detector) con linea   riscaldata per il campione di gas da analizzare
  •       Analizzatore NOx – CLD (Chemiluminescent Detector)
  •       Analizzatore O2 – paramagnetico PMD (Paramagnetic Detector)
  •       Analizzatore CO e CO2 – NDIR (Non Dispersive InfraRed Detector)
  •       Sistema di rilevazione del ciclo indicato di tipo AVL Indimiter 619
  •       Sistema di acquisizione e controllo in tempo reale basata su piattaforma NI PXI-1042Q con controller Pentium 4 PXI 8196 dotata in particolare di
  •       scheda FPGA (Field Programmable Gate Array) PXI7833 (Utilizzabile per il monitoraggio ed il controllo in tempo reale del motore)
  •       scheda AI PXI6133 per il campionamento simultaneo su 8 canali di segnali analogici ad alta frequenza, media risoluzione

 

 Panoramica della sala prova motori
 
 
 
 Modulo di controllo
 
 
  
Principali ambienti di sviluppo software utilizzati
 
Le attività di simulazione sono attualmente svolte utilizzando il software AVL-Boost.
Si tratta di un “Virtual Engine Simulation Tool” che integra numerosi modelli di calcolo avanzati per la predizione delle performance del motore, delle sue emissioni acustiche e del comportamento dei sistemi di trattamento dei gas di scarico. Questo software permette di testare qualsiasi configurazione desiderata dall’utente ed include alcuni tool specializzati per l’interazione con numerosi programmi esterni, come Matlab-Simulink o programmi di simulazione fluidodinamica multidimensionali.
 
Per la progettazione e la realizzazione di sistemi di acquisizioni e salvataggio personalizzato di dati, nonché per la realizzazione di sistemi di controllo, si utilizza prevalentemente l’ambiente di sviluppo LabView della National Instruments.

 
 
 
Attuali argomenti di ricerca
 
  • PROGETTO E SVILUPPO DI SISTEMI DI CONTROLLO PER M.C.I.
  • ALIMENTAZIONE DI MOTORI DIESEL D.I. CON MISCELE DIESEL-BIODIESEL
  • STUDIO DI SISTEMI DI RAFFREDDAMENTO EVOLUTI PER M.C.I. (THERMOMANAGEMENT)
 
PROGETTO E SVILUPPO DI SISTEMI DI CONTROLLO PER M.C.I.
 
L’applicazione riguarda la realizzazione di una piattaforma per la regolazione dei principali parametri di funzionamento di un motore a combustione interna. La caratteristica fondamentale ricercata nella soluzione implementata è la flessibilità di impiego sia in ambito didattico che di ricerca. La piattaforma è infatti stata pensata per permettere l’implementazione di logiche di controllo con diverse configurazioni sensori-attuatori (in particolare sensori e componentistica di carattere non commerciale o attuazione di sistemi pluri-iniettore per ogni cilindro). L’applicazione è stata sviluppata ricalcando, per quanto possibile, lo schema di funzionamento classico di una ECU automobilistica e di tutta la sua sensoristica.
Si è scelto di utilizzare una configurazione hardware basata su di un sistema PXI dotato di scheda FPGA, ricreando le funzionalità del microcontrollore e della TPU interne ad una centralina. In questa maniera si è realizzato un sistema adatto agli scopi preposti, in grado di sfruttare tutte le potenzialità offerte dal software LabView, dando così la possibilità di implementare e testare logiche di controllo tradizionali e non. Per il monitoraggio del funzionamento dell’apparato è stata adottata una scheda DAQ multifunzione montata su di un PC esterno.
Il sistema PXI gira su LabViw Real-time, mentre il pc di monitoraggio (Windows) funge anche da Host per il sistema RT.
I prodotti hardware e software National Instruments utilizzati sono i seguenti: NI PXI-1042Q, NI PXI-8187, NI PXI-6251, NI PXI-7833R, NI PCI-6036E, NI SCB 68, NI BNC 2110, LabView 8.5.
In fig. 1 è possibile osservare la configurazione hardware attualmente implementata ed i relativi cablaggi. L’unità motrice utilizzata è un monocilindro 4T ad accensione comandata collegato all’albero di un generatore di corrente, il carico è imposto mediante una serie di reostati.
Il motore è strumentato con: sensore di giri, sensore di fase, sensore posizione farfalla, sensore integrato di pressione e temperatura sul collettore aspirazione, sonda lambda switch-type. Sono inoltre presenti sensori aggiuntivi per il monitoraggio del motore, in particolare: sensore di temperatura allo scarico, sensore di corrente ad effetto Hall su cavo candela, voltmetro ed amperometro sulla linea della corrente generata, trasduttore piezometrico di pressione affacciato alla camera di combustione ed encoder per il rilievo del ciclo indicato.
Per l’attuazione dei controlli, sono stati scelti un iniettore, una bobina ed una farfalla motorizzata che, attraverso gli stadi di potenza appositamente realizzati, sono gestibili dal software approntato.
Per quanto riguarda la parte software, le funzionalità di calcolo e controllo svolte tipicamente dal processore della CPU, sono demandate al microcontrollore PXI-8187 (programma Host su target real-time), mentre le funzioni di polling della TPU sono svolte dall’FPGA (programma Target FPGA). La comunicazione tra i due programmi è gestita utilizzando un FIFO DMA e alcune strutture read & write. L’FPGA acquisisce i segnali provenienti da:
–          sensore di giri, che utilizza in particolare per calcolare e trasmettere all’Host il periodo tra i fori presenti sulla ruota fonica calettata all’albero motore
–          sensore di fase, che utilizza per la sincronizzazione degli eventi in combinazione col segnale proveniente dal sensore di giri
–          sensore posizione farfalla
 
 

 

 
 Configurazione del Sistema di Controllo
 
 
All’Host giungono anche i segnali di pressione e temperatura collettore aspirazione e rapporto di miscela allo scarico acquisiti dalla scheda PXI 6251. In base ai dati ottenuti, l’Host calcola l’entità dei segnali di attuazione per l’iniezione, l’accensione e la movimentazione della farfalla e li comunica all’FPGA che, utilizzando delle sequenze, genera i segnali fisici di per gli stadi di potenza.
Utilizzando la scheda PCI-6036E, è stato realizzato uno strumento di monitoraggio per verificare la corretta generazione dei segnali di attuazione del motore, in base ai segnali di sincronizzazione provenienti dai sensori di giri e fase.
Allo stato attuale, la generazione dei segnali di attuazione dell’iniettore può essere ottenuta utilizzando due diverse modalità. La prima prevede l’utilizzo di una mappatura dei tempi di iniezione (e quindi della massa di combustibile iniettato) in funzione della velocità di rotazione del motore e dell’angolo di apertura della farfalla (sistema speed-throttle). La seconda modalità è invece di tipo automatico in feedback e prevede l’utilizzo di un controllore PI che interviene sul tempo di iniezione per mantenere il valore di setpoint imposto a lambda. Per la valutazione dei parametri del controllore, si è utilizzato l’algoritmo di autotune offerto da LabView. La fase dell’iniezione è gestibile dall’utente.
L’anticipo di accensione viene controllato utilizzatando una mappa di tipo speed-throttle.
L’attuazione della farfalla motorizzata può essere realizzata secondo due modalità. La prima prevede l’impostazione manuale della farfalla specificando l’angolo di apertura desiderato. La seconda comprende un sistema automatico in feedback che regola, con un controllore PID, l’apertura della farfalla ottenendo il valore di set-point del numero di giri richiesto. La posizione della farfalla è restituita al sistema per mezzo del sensore di posizione angolare. Per la valutazione dei parametri del controllore è stata utilizzata anche in questo caso la funzionalità “PID autotune” di LabView.
In base alle peculiarità con le quali il programma è stato realizzato, è possibile inserire, al suo interno logiche di controllo di ogni tipo.
 
 
ALIMENTAZIONE DI MOTORI DIESEL D.I. CON MISCELE DIESEL-BIODIESEL
 
La ricerca in tale ambito riguarda l’utilizzo su motori diesel di piccola potenza (<18KW), di combustibili alternativi. Attualmente il banco di prova è stato allestito con un motore Ruggerini RF91 monocilindrico diesel ad iniezione diretta (Pmax= 8Kw a 3600 rpm) raffreddato ad aria. Si è scelta tale tipologia di motore in virtù della sua semplicità e robustezza di costruzione che permettono di utilizzare senza inconvenienti il biodiesel in qualsiasi percentuale .
 
 
 
 
  
              Circuito dell'EGR                 Istallazione sensore di pressione in c.c
 

Il funzionamento del motore è monitorato mediante sensori che permettono il controllo di temperatura e pressione nei punti di interesse. Tramite i banchi analisi a disposizione si possono misurare le concentrazioni di CO2, CO, HC, NOX.
L’acquisizione dei segnali dai trasduttori avviene in modo automatico e continuo permettendo cosi un’agevole controllo in tempo reale dell’impianto e un’agevole elaborazione dei dati ottenuti nel corso delle prove.
Una serie di prove è già stata effettuata utilizzando come combustibile sia il gasolio tradizionale che il biodiesel (FOXPETROLI) in diverse percentuali di miscelazione e adottando rispetto allo SOI (Start-of-Injection) di serie anche due diverse fasature , una anticipata –2° ed una ritardata +2°.
Si è inoltre provato l’effetto dell’ EGR sulle prestazioni ed emissioni
Per le prove si è utilizzato il freno elettrico dinamico APICOM installato nella sala prova motori del Dipartimento di Energetica.
 
 
Principali grandezze rilevate:
T aria di alimentazione
T aria di raffreddamento sulla testata
T olio motore
T aria cella
T ingresso EGR nel condotto di alimentazione
T ingresso aria nella testata
Pressione aria di alimentazione
Pressione olio motore
Pressione in camera di combustione
Pressione combustibile in prossimità dell’iniettore
Umidità relativa aria alimentazione
   Allestimento motore su banco prova
 
 
 
 
 
 

Schema della catena di misura
 
La misura della coppia, assorbita o sviluppata dal freno è effettuata tramite un torsiometro posto sull’albero di collegamento, la misura della velocità (max 7500rpm) è eseguita tramite un pickup magnetico posto sotto la flangia di collegamento dell’alternatore/motore. Il consumo di combustibile viene rilevato mediante una bilancia della “Assing” mod.SM3C.
Per le emissioni inquinanti gassose quali CO2, CO, HC, NOx, si è utilizzato in questa prima serie di rilievi un analizzatore per gas di scarico di tipo automobilistico Muller 8691 che utilizza un IR bench della Siemens per CO2, CO, HC e una cella elettrolitica per l’ NOx.
Il funzionamento del motore è costantemente monitorato mediante i rilievi di temperature e pressioni: L’EGR permette di integrare con l’aria in aspirazione parte dei gas di scarico( in genere fino ad un max del 20%). L’apparato è realizzato per abbassare le emissioni di ossidi di azoto. L’EGR è munito di scambiatore di calore aria-acqua, valvola on-off comandata e distanza tramite depressore e valvola a farfalla nel condotto di aspirazione, la cui apertura è comandata da un motorino elettrico, pilotabile esternamente, per regolare la portata di gas ricircolati (incrementando o diminuendo la depressione nel condotto di aspirazione).
Per il rilievo della pressione nel cilindro si utilizza un sensore di pressione piezoelettrico mod.GU12P prodotto dalla AVL con range di misura 0-200bar e per associare il rilievo di pressione con la posizione angolare dell’albero motore abbiamo usato un encoder AVL accoppiato direttamente all’albero motore. L’onda quadra proveniente dall’encoder e il segnale di pressione vengono acquisiti dall’AVL 619 Indimeter il quale genera tutti i segnali richiesti per un sistema di misure indicate in una prova motore e li invia al PC (tramite bus PCI) dove vengono processati mediante il SW 619 Indiwin AVL che permette; un rapido e semplice accesso ai dati della combustione, il loro monitoring continuo, una loro rapida registrazione ed analisi.
Alcuni esempi delle informazioni ricavabili mediante l’analisi dei dati rilevati sono riportate a titolo di esempio nei grafici seguenti per alcune condizioni di alimentazione e di timing.
 
 

Andamenti della temperatura in c.c con EGR (curva celeste) e senza (curva blu).
 
 

Pressioni in camera di combustione e di iniezione al variare della velocità.

 

Confronto rendimenti WOT

 

 
 
 
 

In parallelo all’analisi sperimentale si procede alla simulazione del motore in prova mediante il codice 1D BOOST nel quale grazie alla conoscenza dei dati specifici di combustione si possono ottenere migliori risultati anche tenendo in conto le diverse caratteristiche fisiche delle miscele Diesel-BioDiesel utilizzate.
 
 

 

Modello in motore in AVL-BOOST
 
 
 

 

Simulazione in AVL- Boost del motore
 
 
STUDIO DI SISTEMI DI RAFFREDDAMENTO EVOLUTI PER M.C.I. (THERMOMANAGEMENT)
 
Uno dei principali problemi che affligge il sistema di raffreddamento tradizionale (pompa condotta dall’albero motore, termostatica, elettroventola) consiste nel non poter assicurare temperature di funzionamento ottimali in ogni condizione di funzionamento del motore. Infatti il sistema di raffreddamento è dimensionato in modo da garantire che, nelle condizioni più gravose di funzionamento (massima temperatura ambiente, minima velocità di avanzamento, massimo carico), la temperatura del liquido di raffreddamento non superi quella di ebollizione. Ciò implica che, quando il motore non funziona in tali condizioni, il sistema di raffreddamento risulta sovradimensionato, imponendo delle temperature di funzionamento più basse di quelle ottimali e causando un aumento sia delle emissioni che del consumo. In questo quadro si inseriscono i sistemi di gestione intelligente del circuito di raffreddamento che hanno come scopo quello di innalzare la temperatura del liquido di raffreddamento anche ai carichi parziali ottimizzando quindi il rendimento del motore.
In tale ambito si è sviluppato un modello del sistema di raffreddamento di un motore a combustione interna che è in grado di valutare l’incidenza della temperatura di esercizio del motore sul consumo specifico dello stesso.
Il modello realizzato considera ogni componente del circuito di raffreddamento e l’interazione dinamica che intercorre tra di essi, simulando quindi l’evoluzione delle temperature dei liquidi e delle masse metalliche che costituiscono le varie parti del motore.
Il valore del flusso termico scambiato tra camera di combustione e circuito di raffreddamento e il valore del consumo specifico vengono ricavati da mappature ottenute tramite il software di simulazione motoristico AVL-Boost.

 

 
 
 
 
 Modello in AVL-Boost del motore e relative prestazioni
 
Si è considerato di avere a disposizione un motore quattro cilindri alimentato a benzina della cilindrata di due litri. Il motore simulato ricalca le caratteristiche indicative di una berlina di classe media. Facendo girare il modello del motore in AVL-Boost per diverse condizioni di funzionamento e rielaborando i dati si sono ottenute sia la mappa del flusso di calore tra camera di combustione e circuito di raffreddamento, sia quella del consumo di combustibile, entrambe funzione del numero di giri e pressione media effettiva. Le mappe sono state poi ottenute anche per differenti livelli termici del motore (freddo, temperatura intermedia, caldo) per tenere conto dell’influenza della temperatura di funzionamento sulle prestazioni.
 
Mappature del flusso di calore al refrigerante
 
 
 
 
 
Mappature del consumo di combustibile
 
 Flusso di dati all’interno del programma (=flusso di calore dalla camera di combustione alle pareti del cilindro; =temperatura media del liner).

 
Il motore segue quindi quella che è la reale evoluzione della condizione termica imposta dal carico richiesto dal ciclo normalizzato di prova scelto, in funzione dei dati del veicolo su cui il motore stesso è provato. Al fine di valutare le prospettive di miglioramento ottenibili mediante l’adozione di un sistema di gestione intelligente del raffreddamento, si è ritenuto opportuno effettuare una serie di simulazioni nelle quali è stata imposta che il motore si trovi costantemente in condizioni di regime termico ottimale.

Il consumo ottenuto seguendo questa metodologia di simulazione è, in prima approssimazione, il minore ottenibile se si considera di poter agire sulle sole condizioni termiche del motore. Questo può essere considerato come il massimo obiettivo “ideale” a cui il sistema di controllo del raffreddamento potrebbe tendere se fosse in grado di portare sempre la temperatura del liquido di raffreddamento al suo valore massimo, senza alcun ritardo nella risposta

 
 
 
 

Esempio di risultati della simulazione per ciclo ECE – NEDC