Sperimentazione e calibrazione powertrain

Dinamometri e applicazione ai test motoristici

Tre metodi principali

• Test motore con dinamometro (freno)
• Test intero veicolo con banco a rulli
• Test su pista o strada (ad esempio per normative sulle emissioni)

Un dinamometro è un dispositivo per misurare coppia o potenza disponibili a un albero rotante. In particolare, si misurano coppia e potenza misurando la forza.

Dinamometro idraulico (water brake)

Il dinamometro assorbe la potenza meccanica del motore collegato ad un albero.

• C: cuscinetti tra statore e rotore
• Ce: cuscinetti tra statore (o carcassa) e supporti. Abbiamo quindi 1 gdl di rotazione.
• S: smorzatore

Si basa sul principio della carcassa oscillante: il rotore si muove, ma essendoci un fluido anche la carcassa cercherà di muoversi. Per tenerla ferma si applica una forza esterna F attraverso un braccio. Forza x braccio = Momento frenante. Si misura F con un dinamometro o cella di carico. Il fluido solitamente è acqua; sono dinamometri semplici ed economici e con una buona forza frenante. Ma hanno lo svantaggio di dover avere un circuito esterno di raffreddamento dell’acqua poiché attraverso l’acqua si dissipa la potenza del motore in calore. Si hanno anche problemi sulla regolazione del freno idraulico e zone in cui non funziona.

Il momento è proporzionale al quadrato della velocità. Per variare la curva di frenata si regola il livello dell’acqua così da poter testare diversi punti di funzionamento del motore. La regolazione è di tipo meccanico ed è lenta, quindi solitamente si fanno prove stazionarie. Non si possono frenare grandi coppie a basse velocità o piccole coppie a velocità elevate. C’è anche un impianto di raffreddamento poiché tutta la forza frenante si dissipa in calore.

Metodi per il controllo del carico

Nel primo si regolano i livelli in modo continuo con una “saracinesca”. Il range utilizzabile è tutto quello tratteggiato. Nel secondo si hanno dei gusci che cambiando l’interasse variano la coppia.

Curve di coppia e potenza

Le parabole che partono dallo zero sono le curve di minimo e massimo del range di funzionamento mentre la parabola in alto a destra è una curva isopotenza. La retta verticale indica la velocità massima (dovuta alla resistenza strutturale). Quella orizzontale invece è la massima coppia e dipende dal fondo scala della cella di carico; potrei utilizzare anche celle di carico con fondoscala maggiore prolungando la parabola del massimo (a sinistra) e quella isopotenza, ma si avrebbe un range più piccolo (larghezza minore tra le due curve) e aumenterebbe l’incertezza (circa 1% del fondoscala). La massima potenza è invece limitata dal calore che si può dissipare attraverso il circuito di raffreddamento.

Dinamometro a correnti parassite

Stesso principio: carcassa oscillante. Le correnti parassite sono correnti elettriche indotte nei conduttori quando un conduttore è esposto a un campo magnetico mutevole a causa del movimento relativo della sorgente di campo e del conduttore. Questo provoca un flusso di elettroni (correnti) all'interno del conduttore. Questi vortici di corrente inducono campi magnetici e generano forze elettromagnetiche (CEM) e calore. I campi elettromagnetici vengono utilizzati per ottenere un forte effetto frenante nei dinamometri a correnti parassite.

Il vantaggio è sulla regolazione poiché dipende dalla corrente che è facilmente regolabile. Cambia lo scambio di coppia tra statore e rotore poiché avviene attraverso un campo elettromagnetico. Il rotore è in materiale ferromagnetico. La bobina (B nel disegno) nello statore genera un campo elettromagnetico da cui nascono le correnti parassite. Queste correnti scaldano il rotore quindi si ha necessità di un impianto di raffreddamento (limite range di utilizzo). Il calore dissipato è indicativamente pari alla potenza frenante (95%).

Curve di coppia e potenza

Si può facilmente notare il range di utilizzo più esteso rispetto ai dinamometri ad acqua poiché la potenza frenante è proporzionale alla potenza elettrica. Si ha anche un migliore regolazione del freno, ma è un sistema più costoso.

Dinamometri AC e DC

Motori elettrici utilizzati come freni. Hanno un' elevata inerzia.

Vantaggi

• La coppia non dipende dalla velocità quindi si ha un campo di funzionamento più esteso e una regolazione molto rapida (transitori veloci)
• Motoring mode: il motore termico è trascinato dal freno. Per test cicli guida in cui il motore non da potenza, ma la assorbe o per misurare attriti e perdite di pompaggio (FMEP e PMEP)
• Sono raffreddati ad aria quindi non si ha un circuito di raffreddamento dedicato
• Linee rigenerative: la potenza non si dissipa in calore, ma viene recuperata in energia elettrica. Anche per questo necessita di meno raffreddamento. Il recupero è difficile perché ci sono dei picchi di corrente molto alti

Svantaggi

• Costo molto alto
• Necessità di una linea elettrica ad alto amperaggio, quindi di un impianto elettrico apposito
• Necessità di trasduttori di coppia molto costosi

Curve coppia e potenza

Metodi di controllo

Controllo motore termico e elettrico (dinamometro):

• Open loop (%): regolazione diretta
• Speed constant (N) e Torque constant (M): misurazioni indirette in retroazione con controller PID per avere coppia o velocità obiettivo

In speed constant si ha sempre un equilibrio stabile. In torque constant l’equilibrio è stabile solo se la coppia del motore diminuisce con l’aumentare dei giri.

Per il controllo del dinamometro oltre alle stesse regolazioni del motore termico abbiamo:

• 2 = ∗ Power law (Mn²): la coppia è proporzionale al quadrato della velocità. Utilizzata per simulare gli attriti dell’elica in motori nautici e aeronautici

Abbiamo diverse combinazioni stabili

• Freno in velocità (N) e motore in % : per prove prestazionali. Fisso la velocità di rotazione e testo il motore, ad esempio, al 100% della coppia
• Freno in velocità (N) e motore in coppia (M): per mappe BSFC, emissioni ecc… dove dobbiamo testare tutto il campo di funzionamento
• Freno in coppia (M) e motore in velocità (N)

Layout sala prova e sistema di raffreddamento

Ci sono diversi sistemi ausiliari a cui viene collegato il motore tra cui:

• Soundproof cell: cella che isola il rumore e protegge da eventuali incendi e da eventuali oggetti provenienti da rotture.
• Cooling tower: torre di evaporazione/raffreddamento
• Coupling joint: giunto che collega il freno con l’albero motore. Esso assorbe le vibrazioni del motore (cardano con elemento elastico) e può sopperire a eventuali disallineamenti tra gli alberi (solo elementi elastici). Semplice, economica e molto efficiente. Serve a raffreddare acqua, olio (raffredda il 10% rispetto al liquido) e aria comburente attraverso degli scambiatori di calore.

Ci sono delle valvole a 3 vie con controller PID. Quest’ultimo misura la temperatura in uscita con quella obiettivo così da regolare la valvola per avere la portata che serve. Se T_out < T_target si effettua un bypass poiché non si deve raffreddare. Se T_out > T_target la valvola si apre e viene mandata acqua fredda nello scambiatore. Il PID varia l’ampiezza e la velocità di apertura.

4 ventilatori di grandi dimensioni per:

• Immissione aria comburente: se presente regola temperatura, pressione e umidità dell’aria
• Estrazione gas di scarico: sempre presente. Oltre a estrarre i gas, li raffredda aspirando anche parte dell’aria nella cella (circa 1/5 rispetto ai gas) così da evitare fenomeni di post-combustione.
• 2 per ventilazione cella: uno immette aria e uno la aspira poiché l’aria nella cella si scalda per convezione e irraggiamento con il motore. Inoltre, il motore può avere perdite di vapori o oli combustibili ed è quindi importante avere un costante ricircolo di aria all’interno della cella.

La cella va tenuta leggermente in depressione per mantenere all’interno i vapori nocivi che si potrebbero formare durante un test.

Sistema di alimentazione combustibili

Formata da grandi serbatoi esterni e da un serbatoio interno più piccolo che va mantenuto sempre pieno per avere sempre una certa quantità di combustibile disponibile. È presente anche una pompa (cerchiata) che è la pompa di alimentazione del motore a bassa pressione. La pompa di alta (più di 1000 bar) sta già nel motore diesel common rail.

Per dimensionare il sistema di raffreddamento si parte da un bilancio energetico: l’energia contenuta nel combustibile si divide come possiamo vedere nel grafico. La tabella è normalizzata rispetto all’energia meccanica.

Per dimensionare la torre si utilizza una formula: facendo un semplice calcolo si può vedere come la torre evaporativa deve garantire una potenza e una portata elevate. Nella torre c’è il circuito chiuso di raffreddamento. In basso c’è un circuito che prende acqua dal basso e la nebulizza sui tubi caldi. Il vapore sottrae calore latente di vaporizzazione raffreddando i tubi. Migliorando la vaporizzazione migliora il raffreddamento. La torre ha lo svantaggio che non raffredda l’acqua se è a temperatura più bassa di quella ambiente e quindi funziona solo con acqua calda.

Sistema di ventilazione

Esso deve avere diverse funzioni strettamente collegate tra loro:

• Raffreddare la cella
• Rimuovere potenziali vapori combustibili
• Evitare l’uscita di fumi e vapori dalla cella
• Garantire il ricircolo d’aria e una minima depressione

Scambio di calore per convezione

Il sistema di ventilazione accelera l’aria per farle avere una velocità 10 volte superiore (CN=0.3 m/s, CF=3 m/s) per avere uno scambio termico maggiore. Raddoppiando la velocità dell’aria si ha uno scambio termico maggiore del 50% circa.

Scambio di calore per irradiazione

Scambio di calore con il sistema di scarico Qr = calore scambiato per irradiamento Qc: calore scambiato per convezione. Se non devo valutare i gas di scarico nel banco prova si può anche sostituire lo scarico con una valvola che regola la giusta contropressione.

Scambio di calore totale

Il calore per irradiamento non va a scaldare direttamente l’aria poiché essa è “trasparente” alle radiazioni, ma scalda le pareti della cella. 10 è il coefficiente di scambio convettivo, A l’area della cella e deltaT è la differenza di temperatura tra cella e ambiente esterno.

Calcolo del carico di ventilazione

Si stima la portata d’aria come se la cella fosse uno scambiatore di calore. 0.1 sulla prima riga prima colonna si riferisce al 10% della potenza erogata dal motore che va nel sistema di ventilazione. P=40 è la somma di 10 kW sulla prima riga e 30 kW sulla terza riga.

Design dei condotti di ventilazione

Si calcola la caduta di pressione nei condotti e il rumore del flusso poiché esso per normativa deve stare sotto un certo valore. Attraverso il diagramma di Moody si calcolano anche le perdite distribuite che però solitamente sono trascurabili. Infine, per ogni sezione si calcolano le perdite concentrate che sono tabulate.

Layout

Aspirazione gas di scarico ERRORE: non è 1.65 ma 0.65, poiché è la massa di aria moltiplicata per 6 (5 parti di gas e 1 di aria). Si aspira anche una parte di aria dalla cella per abbassare la temperatura dei gas di scarico così da evitare eventuali post-combustioni.

Trattamenti aria comburente

• Asse y: umidità assoluta
• Raffreddo per aumentare umidità relativa
• Raffreddo per togliere Curve umidità relativa. diminuire umidità assoluta
• Quella in rosso è quella di saturazione
• Riscaldo per tornare alla temperatura iniziale, ma con umidità assoluta minore
• Asse x: dry bulb temp (umidità 0)

Ci si muove lungo le curve nere a entalpia costante. L’aria comburente deve avere determinate caratteristiche poiché esse influenzano la combustione e quindi anche le emissioni.

Fattori correttivi della potenza per variazione delle condizioni atmosferiche (ISO 1585)

C diesel TC > 1 se la temperatura reale è maggiore di quella di riferimento.

Control System EACS (Engine Altitude Conditions Simulator)

Strumentazione

Misuratore per il consumo di combustibile di tipo volumetrico

Sono molto economici, ma misurano la portata media in un certo periodo e non la portata istantanea, quindi non è molto accurato. Misurano la portata attraverso la variazione di volume che si misura attraverso dei volumi calibrati nel misuratore.

Misuratore per il consumo di combustibile di tipo gravimetrico

Misura la media ed è abbastanza economico. Si basa su una cella di carico sotto il serbatoio che misura la variazione di peso e da cui si ricava la portata media.

Misuratore per il consumo di combustibile ad effetto coriolis

Al passaggio di flusso il tubo si flette e si hanno due rotazioni lungo i due assi. Due sensori misurano le oscillazioni e dalla frequenza e ampiezza di queste si misura la portata istantanea di combustibile.

Schema semplificato di un sistema per il carburante

Combustion air flow rate

Nel primo (ASME orifice) si ha un foro calibrato (diaframma) e si misurano P1 e P2 (cambia pressione e velocità per il cambio di sezione e si trova la portata con la formula. Per flussi turbolenti. Nel laminare l’aria in entrata è costretta ad entrare nei condotti ed avere regime laminare. Si ha una deltaP più alta a parità di portata, quindi, è più preciso poiché la misurazione sarà vicina al fondoscala.

Turbine meter: poco preciso. Hot wire meter: molto utilizzato. Misura la portata istantanea in modo accurato. Si ha un passaggio di corrente costante all’interno di un cavo. Il cavo ha una temperatura costante, finché per convezione non si abbassa (quando passa il flusso d’aria) e cambia quindi la resistenza e la tensione. Attraverso questa variazione si misura la portata. Misura la portata totale e quella statica. Si ricava la velocità cinetica e poi la portata.

T, R: ricevitori e emettitori ultrasuoni. Se l’aria è ferma la quantità e la frequenza emesse e misurate sono le stesse. Quando l’aria si muove il flusso 1 sarà favorito dalla componente orizzontale e il 2 sfavorito. La variazione temporale è proporzionale alla portata. La portata d’aria non è stazionaria. Per le misurazioni a regime si può usare un serbatoio per smorzare le fluttuazioni sul sensore. Per le misurazioni nei transitori si usa l’hot wire e l’ultrasonico.

Due fonti di imprecisione

• Accuratezza della strumentazione: 1 % circa.
• L’aria può fuoriuscire dentro e fuori dal cilindro, ad esempio dalle guide delle valvole, poiché il gas è comprimibile e i flussi non sono stazionari (onde di pressione)

La portata d’aria può essere anche misurata indirettamente attraverso l’analisi dei gas di scarico.

Hybrid electric drivetrain

Architetture

• Ibrido serie: il motore termico fornisce