Cap.1:Introduzione

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Capitolo 1

Introduzione

1.0 Introduzione

Un banco di flussaggio è una strumentazione sperimentale mediante la quale si

determina il coefficiente d’efflusso del sistema di aspirazione o scarico, al fine di

valutare l’efficienza di differenti soluzioni geometriche e costruttive. L’analisi dei

coefficienti d’efflusso permette di valutare l’efficienza di differenti geometrie del

sistema di aspirazione[1].Oltre all’efficienza dei sistemi di aspirazione e scarico,

definita in termini di coefficiente di efflusso,l’utilizzo dei banchi di flussaggio

permette di mettere in luce anche aspetti “qualitativi”, legati alla direzione del flusso

entrante nella camera di combustione, sia con misure globali dei coefficienti di swirl

e tumble sia con misure puntuali della velocità in corrispondenza delle valvole di

aspirazione.L’utilizzo di motori plurivalvole, con l’obiettivo di ottenere elevate

prestazioni nel rispetto delle sempre più stringenti normative antinquinamento, ha

portato all’esigenza di conoscere con maggiore dettaglio gli aspetti caratteristici delle

fasi di aspirazione e scarico,e in tali prospettive,l’impiego dei banchi di flussaggio ha

un ruolo importante accanto allo sviluppo di metodiche di studio sia sperimentali e

sia numeriche più avanzate[7,8,9,10].

1.1 Risultati ottenibili con i banchi di flussaggio

I banchi di flussaggio pur riproducendo condizioni molto differenti dalle reali

condizioni di funzionamento di un motore,possono tuttavia fornire risultati che sono

utili per la determinazione delle effettive modalità operative del motore[7,8]. Da un

lato l’utilizzazione di cilindri sperimentali ha consentito la validazione di codici di

simulazione numerica,in grado di riprodurre,in modo affidabile,le fenomenologia

caratteristica dei motori a combustione interna alternativi.Dall’altreo l’impiego dei

medesimi codici di calcolo per lo sviluppo di motori di reale produzione richiede la

calibrazione di alcune prestazioni intermedie ,relative alla fase di ricambio della

carica ,proprie della particolare configurazione in esame,per la quale l’impiego dei

banchi di flussaggio risulta utili e di limitato onere.In letteratura sono disponibili

numerosi studi che hanno evidenziato le possibilità offerte dai banchi di flussaggio

nel campo della misura delle caratteristiche fluidodinamiche dell’efflusso nelle

Cap.1:Introduzione

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valvole(scale di turbolenza)e hanno mostrato come implementare l’architettura base

del sistema di flussaggio con ulteriori dispositivi atti ad una diagnosi dei moti

organizzati(ad esempio di tumble)nel cilindro.

1.2 Struttura dei banchi di flussaggio

Fig.1.1 Struttura rappresentativa del banco di flussaggio.

Il banco di flussaggio viene chiamato stazionario quando l’alzata delle è fissata di

volta in volta, ad un particolare valore. Vengono chiamati banchi di flussaggio non

stazionari quei banchi di flussaggio in cui le valvole sono tenute in movimento da

particolari meccanismi opportunamente comandati.In ambedue i casi manca

completamente il moto del pistone ed il flusso attraverso le valvole viene imposto da

un ventilatore.Il banco di flussaggio su cui sono state eseguite le prove ha una

schema del tipo riportata in figura1.1.

Si può osservare che il banco è costituito,nella versione presente presso il

dipartimento,da:

• Un ventilatore Siemens a canali laterali alimentato da un motore asincrono

trifase(1);

• Un convertitore(7) il cui compito è di alimentare opportunamente il motore;

• Una valvola di inversione che permette di lavorare in aspirazione e

soffiaggio(8);

• Un volume(plenum) che ha il compito di smorzare le oscillazioni di pressione

e portata(2);

• Un misuratore di portata a film caldo(3)

• Una scatola di misura(4) a cui possono essere collegati tramite flangie

universali i vari dispositivi da collegare, in cui vengono rilevate pressione e

temperatura;

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• Un cilindro(6) di dimensioni congruenti a quelle del cilindro di cui si

vogliono effettivamente conoscere le prestazioni fluidodinamiche;

• Una testa su cui sono montate le valvole(9)la cui alzata può essere variata da

un opportuno sistema vite-molla;

• Un manometro differenziale(5) che fornisce la differenza di pressione tra la

scatola e l’ambiente;

• Sono inoltre presenti due termometri per la rilevazione della temperatura

interna alla scatola e ambiente;

In fig.1.2 possiamo osservare la struttura del banco di flussaggio di proprietà del

dipartimento.

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Fig.1.2. Schema del banco presente ne laboratorio della facoltà.

Tutto il sistema è poi gestito da un software,il “Labview”,che permette di

visualizzare tutte le informazioni provenienti dai vari trasduttori ,e di salvarle su

un’unità fissa,quando ritenute rappresentative delle effettive condizioni di

efflusso,poiché stazionarie.Vi saranno quindi dei parametri, che quando

presenteranno un’oscillazione di valori contenuta in un certo range,permetteranno al

software di dichiarare il flusso stazionario.Per un approfondimento del

Labview,rimandiamo ai successivi capitoli.

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1.3 Grandezze rilevabili con i banchi di flussaggio

I banchi di flussaggio, come precedentemente anticipato, sono realizzati ”anche” per

rilevare ,oltre ai coefficienti di efflusso, le caratteristiche del moto indotto nel

cilindro:

-coefficiente di swirl;

-coefficiente di tumble;

-rilievi puntuali di velocità;

Per quanto riguarda il coefficiente di swirl e tumble (swirl ratio and tumble ratio)

esistono differenti definizioni tuttavia quelle più largamente utilizzate nell’industria

automobilistica sono i sistemi della Ricardo e della AVL [17].Lo swirl è

caratterizzato dal momento angolare intorno ad un dato asse. In un motore reale il

momento angolare del flusso nel cilindro è una funzione dell’angolo di manovella

durante il processo di aspirazione. Nei test in flusso stazionario è invece una

funzione dell’alzata della valvola ad una determinata portata o caduta di pressione. Il

rapporto fra il momento angolare del flusso ed in numero di giri fittizio del motore,

determinato in funzione della portat a di prova, è chiamato rispettivamente “Rig

Swirl Number” per la Ricardo e “Stationary Swirl Number” per la AVL. Le due

tecniche utilizzano una differente definizione della velocità fittizia del motore, per

cui i dati non sono direttamente confrontabili, per ulteriori approfondimenti si

rimanda alla [17]. Per quanto riguarda la misura del momento angolare del flusso,

per la determinazione dello swirl, i metodi più utilizzati sono la “paddle wheel” e lo

“swirl torque meter”. Le tecniche per la misura del tumble si rifanno alla misura del

momento angolare come per lo swirl, per cui vengono utilizzati particolari adattatori

ad (L) o a (T), riportati in figura 1.3, che permettono di misurare il momento

angolare del flusso di tumble nei convenzionali misuratori per swirl [18].

Sia lo swirl che il tumble possono essere valutati con rilievi puntuali di velocita.

L’AVL, ad esempio, considerando che il flusso assiale sia uniforme, determina il

tumble mediante l’integrazione delle velocità rilevate con la tecnica LDV all’interno

dell’adattatore.

La Jaguar ha messo a punto un procedimento LDV che permette di ottenere un

valore del numero di swirl comparabile con quello ottenuto con uno swirl torque

meter (Fig.1.4).

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Fig.1.3 – Esempi di adattatori utilizzati per la misura dell’intensità dei moti di tumble:

(a) tipo a”T”; (b) tipo a “L”.

Per quanto riguarda il sistema di misura puntuale della velocità, per i banchi di

flussaggio sia stazionari sia non stazionari, una delle tecniche più frequentemente

utilizzata è quella LDV.

Fig.1.4 Sistema di misura del tumble mediante misure LDV (Jaguar Car)

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1.4 Esempi di banchi di flussaggio

Le migliorie introdotte nelle tecniche di analisi dei flussi hanno spinto verso un

utilizzo sempre più ampio dei banchi di flussaggio, sia stazionari che non stazionari,

concentrando l’attenzione della ricerca sui moti turbolenti che particolari geometrie

dei condotti possono generare all’interno del cilindro.Un valido esempio di banco di

flussaggio in moto stazionario è costituito da un lavoro condotto alla Michigan State

University su una testa 4 cilindri da 2,2 litri di produzione Chrysler. In questo studio

è stato preso in considerazione uno solo dei cilindri componenti la testa e dopo

opportune modifiche, l’albero a camme è stato sostituito con una vite micrometrica

in modo da garantire un alzo valvola costante. Le misure sono state effettuate durante

la sola fase di aspirazione, mantenendo, durante l’intero lavoro, chiuse le valvole di

scarico. Il cilindro realizzato in plexiglass è stato collegato ad una camera di calma

ed il moto stazionario è stato garantito mediante l’utilizzo di un ventilatore

centrifugo. Il flusso d’aria generato è stato inseminato con diversi tipi di

particelle,verificando quali fra quelle prese in esame potessero garantire un

miglioramento nel contrasto ottico e, quindi, nella comprensione dei moti all’interno

del cilindro. I risultati migliori sono stati ottenuti con particelle fenoliche (BJO-

0930,densità 0,23 g/cm3 ) di produzione della Union Carbide. La tecnica ottica

utilizzata per il rilievo delle misure è del tipo fotografico ad alta velocità,anche se in

una fase successiva dello stesso lavoro i risultati sono stati integrati con quelli

ottenuti con la tecnica dell’LDV [4].

1.5 Oggetto del presente lavoro

Il presente lavoro di tesi,ha lo scopo di automatizzare il banco di flussaggio presente

nel laboratorio del dipartimento di ingegneria meccanica e industriale di questo

ateneo.Pertanto nei successivi capitoli verrano date informazioni relative all’attuale

stato del banco ed ai suoi utilizzi,andando via via ,a partire dal capitolo 5 ,ad entrare

nel merito della questione in modo più approfondito.

I primi capitoli del presente lavoro andranno a descrivere gli strumenti di misura

utilizzati e motiveranno le scelte effettuate,il capitolo 4 invece è dedicato interamente

a descrivere analiticamente su quali parametri motoristici il banco di flussaggio

fornisce informazioni rilevanti.Il capitolo 5 riguarda le possibili soluzioni

dell’automazione,mentre i capitoli 6,7 ed 8 riguardano le scelte dei componenti che

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hanno portato a progettare l’automazione del banco di flussaggio e le loro

caratterizzazione.