Prova di laboratorio Motori Termici per la Trazione

RELAZIONE PROVA AL BANCO DI UN MOTORE MONOCILINDRICO A CICLO OTTO

N-T: la prova è eseguita in controllo di coppia, mentre l’azione sull’attuatore

consente di mantenere costante la velocità.

T-alpha: i controllori modificano i parametri del sistemi così da mantenere fissi la

coppia e il grado d’apertura della farfalla; mentre la posizione T=0, alpha=0

corrisponde al regime di idle.

In alternativa è possibile controllare coppia (o velocità) ed un’altra grandezza significativa del

sistema, che potrebbe essere la pressione dell’olio lubrificante.

Naturalmente, come ogni organo meccanico, anche il freno a correnti parassite ha un suo

di funzionamento e due curve caratteristiche che rappresentano la coppia frenante e la

range

potenza smaltibile al variare del numero di giri del rotore. In fig. 3 si può notare come la

curva di coppia, dopo un iniziale ascendente, si attesti a un livello costante , onde ne

trend

risulta un incremento solo proporzionale della potenza. Quest’ultima poi raggiungendo un

valor costante, fa sì che la coppia decresca all’aumentare della velocità angolare secondo il

ramo di un’iperbole. Fig. 3

In base ai cosiddetti dati di targa del complesso freno - motore, ed in particolare alle loro

dimensioni, alle loro potenzialità e ai di funzionamento, si progetta e si sceglie un

range

efficiente sistema di smaltimento del calore, che nella fattispecie prevede un condizionamento

dell’acqua e dell’olio del motore, secondo lo schema di figura 4: 5

RELAZIONE PROVA AL BANCO DI UN MOTORE MONOCILINDRICO A CICLO OTTO

Fig. 4

Un sistema motore-pompa adduce l’acqua prendendola da un suo serbatoio; l’acqua

proveniente dal motore viene raffreddata fino a un valore controllato, per mezzo dei PID, da

una valvola motorizzata interna all’organo. Il controllo non è diretto ma in retroazione (linea

tratteggiata) sulla temperatura dell’acqua in entrata, captata da un’apposita termoresistenza.

Prima di rientrare nel motore l’acqua viene preriscaldata elettricamente. L’olio viaggia in un

circuito separato da quello dell’acqua, che, dovendo risultare in pressione, presenta una

valvola regolatrice. Anch’esso viene riscaldato per semplice scambio termico con l’acqua

preriscaldata.

Per l’esecuzione delle prove di laboratorio, il banco motore è equipaggiato con una

gran quantità di sensori, di trasduttori e di misuratori, tra cui ricordiamo:

sonda per l’analisi del rapporto di dosatura;

λ

trasduttore piezoelettrico affacciato sulla camera di combustione, per visualizzare

il ciclo indicato

trasduttore di posizione angolare della valvola a farfalla, per la regolazione del

carico;

encoder per la misurazione della posizione angolare dell’albero motore;

debimetro per la misurazione della portata di aria aspirata (tramite la perdita di

carico);

misuratore gravimetrico per la misura del consumo di combustibile;

acquisizione dei segnali elettrici di accensione ed iniezione del combustibile;

misure di temperature, flussi e pressioni dei flussi di raffreddamento e

lubrificazione; 6

RELAZIONE PROVA AL BANCO DI UN MOTORE MONOCILINDRICO A CICLO OTTO

sistema di acquisizione basato su LabVIEW.

Affinché tali dispositivi forniscano i segnali di cui si necessita durante una prova, è

indispensabile che essi, assieme ai sistemi di accensione e di iniezione, siano correttamente

fasati rispetto alla posizione angolare del motore, istante per istante: è questo il principale

obiettivo della ETU (Engine Timing Unit). Questa implementa una serie di mappe molto

significative, come le mappe di anticipo e durata dell’iniezione, e di anticipo dell’accensione,

modificabili da un PC collegato alla ETU.

La conoscenza del rapporto di equivalenza consente di ottimizzare la durata angolare

dell’iniezione, ossia la quantità di combustibile immesso al ciclo, così da avere miscele

all’incirca stechiometriche.

Va però registrata l’assenza di un controllo in retroazione sulla sonda l.

In conclusione, con la strumentazione a disposizione è si può intervenire su una serie di

parametri e misurarne i restanti, in particolare sono consentite:

regolazione della coppia resistente;

regolazione del numero di giri;

regolazione del grado di apertura del corpo farfallato;

regolazione dell’anticipo di accensione;

regolazione di durata e fasatura della iniezione;

regolazione di temperatura e pressione dei flussi ausiliari.

S TUDIO SUI SINGOLI CICLI

Dato il carattere didattico di tale prova, si è incentrata l’attenzione su quegli aspetti che più

influenzano le prestazioni del motore, vale a dire l’aspirazione, con le problematiche legate al

riempimento del cilindro, e la combustione, analizzata sia dal punto di vista chimico (frazione

bruciata), sia termodinamico (legge del rilascio di calore). Si è poi focalizzata l’attenzione su

una tematica strettamente connessa con la combustione, ovvero la dispersione ciclica,

calcolandone l’incidenza (per un fissato numero di giri) al variare di . Ancora, per mettere

λ

in luce l’influsso dei cosiddetti parametri di funzionamento sulle prestazioni del motore, si è

7

RELAZIONE PROVA AL BANCO DI UN MOTORE MONOCILINDRICO A CICLO OTTO

variato l’anticipo di accensione, ottenendo gli andamenti dei cicli indicati e le frazioni

bruciate.

In pratica, si proceduto in questa maniera:

1. Per lo studio, su singolo ciclo, del riempimento e della combustione, si sono effettuate

tre prove a diverse velocità, cioè 1400, 2400, 3400 rpm e con un’apertura della farfalla

del 20%, ottimizzando la durata dell’iniezione per avere miscele quasi

stechiometriche: il sistema ETU ha poi provveduto a fornire l’anticipo di accensione.

Durante queste tre prove sono stati acquisiti i segnali di pressione, i segnali elettrici di

accensione e di iniezione, il periodo di combustione e la frazione bruciata. Durante il

ciclo a 2400 rpm, sono state eseguite cinque misure gravimetriche del combustibile

consumato, a distanza di 15 secondi l’una dall’altra.

2. Per la misura della dispersione ciclica, si è scelto di eseguire la prova a 3400 rpm

acquisendo i segnali di pressione di 90 cicli consecutivi (replicazioni). Si è quindi

ripetuta la prova con un leggermente diverso onde stimarne l’incidenza

λ

sull’irregolarità di combustione.

3. Infine, si è diminuito da 15° a 0° rispetto al PMS l’anticipo di accensione per il ciclo a

N=1400 rpm, al fine di evidenziare l’influenza davvero notevole di questo parametro

motoristico sulla combustione, sul picco di pressione e quindi sulla potenza indicata.

La maggior parte dei parametri prestazionali di un motore dipendono dalla storia delle

pressioni all’interno della camera, al variare dell’angolo di manovella, che per un quattro

tempi, in un ciclo termodinamico va da 0 a 720°. È possibile, altresì visualizzare, alle tre

diverse velocità l’andamento della pressione al variare del volume disponibile per la carica;

tale diagramma è ovviamente un ciclo e prende il nome di ciclo indicato. Come si vede dalla

figura 5, il picco di pressione è più basso a velocità maggiori, quindi anche l’area del ciclo,

cioè il lavoro indicato sarà minore. 8

RELAZIONE PROVA AL BANCO DI UN MOTORE MONOCILINDRICO A CICLO OTTO

60 Ciclo indicato

50 1400 rpm

2400 rpm

3400 rpm

40

30

p [bar]

20

10

0 0 100 200 300 400 500 600

V [cm^3]

-10 Fig.5

Tale lavoro si può calcolare numericamente sostituendo all’integrale ciclico una sommatoria

ciclica: 4 π +

p p

∑

∫ 1 ( ) (1)

−

i i

= ≅ ⋅ −

L pdV V V 1

−

i i i

2

0

=

i

Noto il lavoro indicato è possibile calcolare la pressione media indicata (dividendo

semplicemente per la cilindrata) e la potenza interna. Nota la potenza (a meno del rendimento

organico), dividendo per la velocità angolare, si può calcolare la coppia motrice.

Il diagramma di fig. 6 riporta i valori di coppia e di potenza alle tra velocità, uniti da segmenti

di retta. 9

RELAZIONE PROVA AL BANCO DI UN MOTORE MONOCILINDRICO A CICLO OTTO

Curve Caratteristiche

10

9 47

8 Potenza

Coppia 42

7 C [Nm]

6

Pi [kW] 37

5

4 32

3

2 27

1 N [rpm]

0 22

1000 1500 2000 2500 3000 3500

Fig. 6

In figura 7 invece sono riportati i parametri di funzionamento del motore, plottati assieme alla

pressione per maggiore chiarezza a 1400, 2400, 3400 rpm. Si nota che l’effetto dell’aumento

della velocità, oltre che nell’abbassarsi del picco di pressione, si manifesta in un aumento del

tempo di iniezione; l’anticipo di accensione varia invece da 15°, 21°, 19° rispettivamente.

La fasatura del sistema di distribuzione del monicilindro è fissa è può essere così riassunta:

- AAA (anticipo apertura aspirazione) : 34° rispetto al PMS

- RCA (ritardo chiusura aspirazione) : 54° rispetto al PMI

- AAS (anticipo apertura scarico) : 74° rispetto al PMI

- RCS (ritardo chiusura scarico) : 14° rispetto al PMS

Note le pressioni del fluido nell’istante di chiusura e di apertura della valvola di aspirazione,

rispettivamente e , calcolata numericamente l’area sottesa dal diagramma indicato da

p p

r

y

AA a CA, si può calcolare il coefficiente di riempimento con l’equazione:

 

 

p p

y r

 

−

 

yr

( )

1

1 Ψ −

k p p

 

  (2)

a a

λ = +

 

v ( )

1

∆

T −

k k r

1 +  

T  

 

a

La (2) richiede la conoscenza del rapporto tra calori specifici e del riscaldamento subito dalla

carica fresca ad opera del collettore di aspirazione e delle pareti calde, dati non noti. 10

RELAZIONE PROVA AL BANCO DI UN MOTORE MONOCILINDRICO A CICLO OTTO

Parametri di funzionamento pressione ciclo a 3400 rpm

accensione ciclo a 3400 rpm

iniezione ciclo a 3400 rpm

pressione ciclo a 2400 rpm

accensione ciclo a 2400 rpm

iniezione ciclo a 2400 rpm

pressione ciclo a 1400 rpm

accensione ciclo a 1400 rpm

iniezione ciclo a 1400 rpm

0 100 200 300 400 500 600 700 800

teta [°] Fig. 7

Nel nostro caso, abbiamo a disposizione la massa di combustibile ottenuta attraverso un

misuratore gravimentrico. Tale dato è stato letto solo per N=2400 rpm.

Sono state fatte 5 misurazioni ogni 15 secondi, a condizioni ambiente