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POLITECNICO DI MILANO

Facoltà di Ingegneria Industriale

Corso di Laurea in

Ingegneria Meccanica

Analisi sperimentale del comportamento alla detonazione di carburanti

per motori ad accensione comandata

Relatore: Prof. Giancarlo FERRARI

Co-relatore: Ing. Tarcisio CERRI

Tesi di Laurea di:

Francesco PRESTIFILIPPO Matr.709866

Anno Accademico 2010 - 2011

Analisi sperimentale del comportamento alladetonazione di carburanti per motori ad

accensione comandata.

Francesco Presti�lippo

Anno Accademico 2010/2011

Indice

Sommario v

Abstract vii

Introduzione ix

Simboli e abbreviazioni xiii

1 La sala prove motori 1

1.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Descrizione del motore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Freno dinamometrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.4 Impianto benzina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.5 Sicurezza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2 Il sistema di misura 9

2.1 Schema del sistema di misura . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2 Misura della pressione nel cilindro . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2.1 Compensazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3 Encoder angolare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.3.1 Misure di velocità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.4 Misura della pressione ambiente . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.5 Misura delle temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.6 Misura dei consumi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.7 Misura dell�anticipo e della dosatura . . . . . . . . . . . . . . 20

3 Dati da acquisire 23

3.1 Pressione indicata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.1.1 La dispersione ciclica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

iii

iv INDICE

3.2 Cenni sulla combustione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.2.1 In�uenza dei parametri motoristici sulla combustione . 28

3.3 MFB e modelli per il calcolo del rilascio del calore . . . . . . . 313.3.1 Angoli caratteristici della combustione . . . . . . . . . 323.3.2 Metodo di Rasswailer e Withrow . . . . . . . . . . . . 33

3.4 Caratteristiche della detonazione . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4 Il software di acquisizione 37

4.1 Introduzione al LabVIEW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.2 La gestione dei segnali: Measurement & Automation . . . . . 384.3 Schema del software di acquisizione . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.3.1 Descrizione del software: la fase di campionamento . . 404.4 Acquisizione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.5 Elaborazione in Real Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474.6 Visualizzazione e salvataggio dei dati . . . . . . . . . . . . . . 514.7 Post-elaborazione dei dati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

5 Prove 57

5.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575.2 Piano delle prove . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 585.3 Risultati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

6 Conclusioni e commenti 73

6.1 Commenti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

Sommario

Un nuovo software di acquisizione è stato realizzato per lo studio di cinquedi¤erenti benzine in una sala prove per motori a combustione interna. Ilproposito di questo lavoro è quello di mostrare come il software è stato re-alizzato, come sono stati a¤rontati e risolti alcuni aspetti del problema perarrivare ad un�analisi completa del processo di combustione per i diversitipi di benzina forniti. L�obiettivo del software di acquisizione era quello difornire un ampio spettro di dati contenenti la pressione in camera di combus-tione durante cicli di¤erenti a diversi valori di regime, dosatura ed anticipodi accensione. I dati di pressione così ottenuti sono stati successivamenteanalizzati utilizzando modelli noti in modo da calcolare la funzione di rilas-cio del calore in tali diverse condizioni operative. Una serie di parametriritenuti signi�cativi è stata utilizzata per de�nire il processo di combustione,la dispersione ciclica e le prestazioni del motore utilizzando i diversi com-bustibili disponibili. Come risultato il software ha ottenuto riscontri positivie rimarrà disponibile per studi futuri. Dopo l�analisi svolta alcune benzinehanno evidenziato piccoli miglioramenti in termini di prestazione soprattuttocollegati alla loro resistenza alla detonazione e quindi permettendo anticipidi accensione maggiori con un minimo rischio di detonazione.

Parole chiave: motori a combustione interna, detonazione, anticipo diaccensione, rilascio del calore, modellazione.

v

vi SOMMARIO

Abstract

A new acquisition software has been created in order to study �ve di¤er-ent blends of gasoline on a test bench for internal combustion engines. Thepurpose of this work is to illustrate how the software was build, how cer-tain aspect of the problem were considered and how they were solved inorder to get a complete analysis of the combustion process in the di¤erenttypes of gasoline available. The aquisition software purpose was to provide awide number of data containing the measurement of the combustion cham-ber pressure during di¤erent cycles in di¤erent condition of speed, air fuelratio and spark advance. Pressure datas were later analyzed using knownmodels in order to calculate the heat release values of those di¤erent oper-ative condition. A series of signi�cant parameters were used to de�ne thecombustion process, the cycle to cycle di¤erences and the performance of theengine while using the available gasoline samples. As a result the softwarehas been long tested and has shown signi�cant performances and it will beready for future applications. After the analysis some gasoline has shown asmall improvement in terms of performance mostly related to their resilienceto knock hence allowing great spark advances while the risks of knock wereminimal.

Keywords: SI engine, knock, spark advance, heat release, modeling.

vii

viii ABSTRACT

Introduzione

Il proposito del presente lavoro è stato duplice: l�esigenza di approntare unsistema di misura per la sala prove motori realizzata al Politecnico di Milanoe in seguito l�utilizzo dello stesso a seguito di una richiesta proveniente da uncommittente esterno.

Il sistema di misura, prevalentemente il software, è stato realizzato perchèfosse il più versatile possibile e perchè, secondo necessità. potesse essereulteriormente accresciuto. Per gli scopi di questo lavoro l�attenzione maggioreè stata rivolta a funzioni che permettessero l�utilizzo della sala prove sia perle prove commissionate, sia per scopi didattici per i corsi inerenti ai motoria combustione interna. Questo lavoro si propone quindi di descrivere almeglio il software realizzato in modo da consentirne l�utilizzo e soprattuttol�implementazione qualora gli scopi delle successive acquisizioni richiedesserodi¤erenti approcci. Il sistema di misura è stato quindi testato ed applicatoper gli studi richiesti dal committente.

Lo studente si è occupato, in particolare, dell�analisi del rilascio di caloredei di¤erenti carburanti forniti. Sui carburanti forniti è stata e¤ettuataun�estesa campagna di prove atta ad ottenere il maggior numero possibiledi condizioni di funzionamento compatibilmente con gli obiettivi pre�ssati:la stima della qualità della combustione dei diversi combustibili e le loroproprietà antidetonanti. Le prove sono state svolte, grazie all�aiuto di unconsulente esterno, agendo sui classici parametri motoristici mediante unacentralina �aperta� che ha permesso di poter analizzare altri punti di fun-zionamento oltre a quelli stabiliti dalla casa costruttrice. I cicli di pressionerilevati sono stati quindi analizzati per determinare la presenza di deton-azione e per stimare la funzione di rilascio del calore. Ci si è proposti divalutare i paramentri di combustione rilevati alle diverse condizioni di provanel tentativo di individuare, se presenti, possibili miglioramenti nella fase dicombustione dovuti alle diverse composizioni delle benzine testate. Parte

ix

x INTRODUZIONE

del software realizzato esegue anche un�analisi in frequenza delle curve dipressione, tuttavia, non essendo questo l�obiettivo del lavoro, e ritenendopiù fruttuoso un futuro utilizzo di accelerometri per la determinazione dellecondizioni di detonazione, ci si è concentrati principalmente sulla funzionedi rilascio del calore e ci si è a¢dati alla diagnostica propria del motore,così come rilevata dalla centralina, per stabilire le condizioni di detonazionedurante i test.A preambolo della descrizione della prova e della discussione dei risul-

tati, sarà presentata con su¢ciente dettaglio la descrizione della sala prove.Saranno poi presentati una descrizione degli strumenti di misura utilizzati edelle grandezze di interesse misurate e calcolate. Si cercherà, inoltre, di met-tere in risalto le problematiche a¤rontate per sfruttare al meglio le risorse inbase ai dati richiesti. In�ne, per tutte quelle grandezze che verranno ottenutea partire dai dati misurati, si presenteranno i modelli utilizzati per i calcolipost-acquisizione. Le risorse a disposizione in sala prove sono state spessocruciali pertanto un excursus più dettagliato sui materiali a disposizione siritiene necessario soprattutto per giusti�care alcune scelte operate nel corsodella programmazione e della scelta di quali segnali acquisire con quale ac-curatezza. Si renderanno evidenti alcune limitazioni nel campo di misura,fortunatamente non cruciali per la qualità della campagna di studi, ma chepotrebbero in�ciare acquisizioni successive.Illustrati dati, obiettivi e principali problematiche sarà più chiara la com-

prensione delle parti successive: la prima dedicata nella sua interezza alladescrizione degli algoritmi codi�cati nel software, la seconda all�esposizionedei dati raccolti e dei più signi�cativi risultati delle analisi svolte a montedell�acquisizione. Il software utilizzato per l�acquisizione è stato realizzatomedianteT.I. LabVIEW, esso permette la creazione di un�interfaccia di misura,uno strumento virtuale, che appare all�utilizzatore come un pannello di con-trollo in cui è possibile monitorare e registrare quanto proviene dagli stru-menti reali. Il software creato permette di combinare i dati ottenuti, anal-izzarli e visualizzarli in tempo reale. L�utilizzo di LabVIEW ha pertantoconsentito di acquisire, ma anche di controllare, monitorando i parametricritici.La descrizione degli algoritmi implementati nel LabVIEW sarà presentata

partendo da un�ottica più generale, che prescinda dal software in uso, per poiesporre più in dettaglio come le problematiche esposte siano state risolte sulLabVIEW. In questo modo si spera di permettere a chi voglia ampliare omodi�care il software, o semplicemente utilizzarlo al meglio, di poterne com-

xi

prendere la struttura con facilità conoscendo a priori in che punti intervenire.Il tutto è facilitato dalla struttura stessa "ad albero" del software che per-mette un parallellismo fra la logica utilizzata per suddividere le operazioni equella utilizzata per la loro realizzazione in LabVIEW.Si concluderà quindi con una ri�essione sull�esperienza della sperimen-

tazione. Così come il software è stato ottimizzato grazie ai feedback proveni-enti dalle prove svolte, allo stesso modo l�analisi dei dati ha suggerito nuoveimplementazioni che certamente si rivelerebbero utili in future campagne. Sicercherà, pertanto, di condividere queste esperienze acquisite perchè sianospunto per successivi utilizzi della sala prove motori.

xii INTRODUZIONE

xiv SIMBOLI E ABBREVIAZIONI

Simboli e abbreviazioni

� Dosatura�st Dosatura stechiometrica" Numero di giri per ciclo� Lunghezza della biella mm# Angolo di manovella Deg#ant Anticipo di combustione rispetto al TDC Deg#50 Angolo con MFB = 50% Deg#b, #90 Rapid burning angle Deg#d, #10 Flame development angle Deg�o Rendimento organico� 3; 1415926535! Velocità angolare Rad=sB Bore, alesaggio mmC Coppia Nmcp Calore speci�co a pressione costante J=kg Kcv Calore speci�co a volume costante J=kg KEV C Exaust valve closeEV O Exaust valve open� Rapporto di equivalenza A/Ffc Frequenza di campionamento s�1

Hi Potere calori�co inferiore MJ=kgIV C Intake valve closeIV O Intake valve openk heat ratio, rapporto fra i calori speci�ciL Lavoro JLe Lavoro e¤ettivo JLi Lavoro indicato JMAP Manifold absolute pressure barMFB Mass fraction burntm Massa Kg

xv

ma, maria Massa d�aria contenuta nella carica Kgmb Massa di benzina Kgmc, mcomb Massa di combustibile nella carica Kgmbr Massa di miscela già bruciata Kgmf Massa di miscela fresca Kgn Velocità di rotazione del motore rpmP Potenza WPe Potenza e¤ettiva WPi Potenza indicata WPMI Punto morto inferiorePMS Punto morto superiorep Pressione bar�p Pressione media barpme Pressione media e¤ettiva barpmi Pressione media indicata barpm Motored pressure barpmis Pressione misurata barpmax Pressione massima del ciclo barQ Calore JQco Calore della combustione JQst Calore degli scambi termici JR Costante universale dei gas J=kg KR0 Costante del gas J=kg KS Stroke, Corsa mmTDC Top dead centerT Temperatura Kt Tempo sV Volume m3

vi Virtual instrumentxb Frazione di massa combusta

xvi SIMBOLI E ABBREVIAZIONI

Elenco delle Figure

1.1 Rappresentazione del motore Alfa 2.0 TS 16 valvole utilizzato. 31.2 Il banco prova motori: a destra il motore strumentato, a sin-

istra il freno dinamometrico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3 Schema del funzionamento della cella di carico di un freno

dinamometrico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.4 A sinistra: scambiatore di calore per il combustibile. A destra:

l�impianto di alimentazione benzina proprio del motore. . . . . 8

2.1 Schema dell�adattatore ZF42. In sezione l�alloggiamento delsensore di pressione. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2 Andamento della sensibilità del sensore GU13Z-31 al variaredella temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.3 L�encoder angolare e tutto il corredo necessario per il collega-mento all�albero motore ed all�apparecchiatura di acquisizione. 13

2.4 L�encoder angolare correttamente posizionato sul motore stu-diato. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.5 L�encoder angolare correttamente posizionato sul motore stu-diato. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.6 Particolare del condotto di aspirazione dell�aria e del sensoredi pressione assoluta AVL PMP4070 (a sinistra) e della ter-mocoppia per la temperatura ambiente (a destra). . . . . . . . 17

2.7 Particolare del motore. Sono visibili la termocoppia per lamisura della temperatura dell�acqua di ra¤reddamento (in altoa sinistra) e sui precatalizzatori le sonde lambda e la termo-coppia per la temperatura allo scarico. . . . . . . . . . . . . . 19

2.8 Schema di funzionamento della bilancia AVL. . . . . . . . . . 202.9 La bilancia per misurare i consumi così come è inserita nell�impianto

per la distribuzione del combustibile. . . . . . . . . . . . . . . 21

xvii

xviii ELENCO DELLE FIGURE

2.10 Sonda per misurare l�anticipo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.11 Etas Lambda Meter A4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.1 Ciclo indicato delle pressioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.2 Le fasi della combustione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.3 In�uenza della dosatura sulla combustione . . . . . . . . . . . 29

3.4 Andamento della frazione di massa combusta e angoli carat-teristici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.5 Andamento della pressione misurata e di quella espressa dallapolitropica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4.1 Lo strumento virtuale realizzato con LabVIEW . . . . . . . . 41

4.2 Esempio della mappa dei parametri. Si possono facilmenteosservare le variazioni di anticipo durante lo svolgimento dellaprova condotta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.3 Sezione del software. In evidenza i blocchi deputati all�acquisizionedel segnale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.4 Lo schema mostra il contenuto del blocco per l�acquisizione.Ognuno dei blocchi in �gura comunica con la scheda di acqui-sizione ed in�ne restituisce la matrice di dati che contiene irisultati dell�acquisizione. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.5 I blocchi di acquisizione dei segnali di temperatura e A/F . . . 46

4.6 Sezione del programma di acquisizione: i blocchi per l�analisiin Real Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.7 Blocco per il passaggio da p(t) a p(#) mediante l�uso dellafunzione Threshold peak detector (a sinistra nell�immagine) . . 49

4.8 L�andamento nel tempo dei segnali in tensione del sensore dipressione in camera di combustione e (in basso) del sensoreper l�anticipo di accensione. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.9 Andamento della pressione, MFB e dQco di un singolo ciclocampionato. Benzina B, 4500 rpm, dosatura 0; 9, anticipo21; 5. Prova 33=60 Ciclo 3=50. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

4.10 Andamento della pressione, MFB e dQco di un ciclo medio.Benzina B, 4500 rpm, dosatura 0; 9, anticipo 21; 5. Prova 33=60. 54

5.1 Esempio dei valori di tensione rilevati dal sensore di deton-azione proprio del motore. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

ELENCO DELLE FIGURE xix

5.2 Andamento della pmi normalizzata in funzione dell�anticipoper le benzine analizzate a 1500 rpm. . . . . . . . . . . . . . . 63



5.5 Andamento della pmi normalizzata in funzione dell�anticipo.La normalizzazione è stata realizzata considerando come val-ore di riferimento il massimo valore di pmi di ciascuna benzina.Regime 1500 rpm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66



5.8 Andamento dell�intervallo angolare fra MFB 10% e 50% alvariare dell�anticipo per le benzine analizzate a 1500 rpm. . . . 68



5.11 Andamento dell�intervallo angolare dall�anticipo rilevato aMFB50% per le benzine analizzate a 1500 rpm. . . . . . . . . . . . 70



5.14 Dispersione della pressione massima in camera in funzionedell�anticipo. Regime 1500 rpm. . . . . . . . . . . . . . . . . . 71



xx ELENCO DELLE FIGURE

Capitolo 1

La sala prove motori

1.1 Introduzione

La sala prove motori costituisce il centro di questo lavoro, la sua progettazz-ione è essenziale ed assolutamente critica per ogni campagna di indagine chein essa viene svolta. Il motore è alloggiato e collegato in modo da simulareil più possibile il suo comportamento in vettura e contemporaneamente èsoggetto a una serie di misurazioni la cui precisione non potrebbe essere ot-tenuta su strada. Lo studio dei motori su banco è una pratica fortemente con-solidata. Lo sviluppo dei motori attuali, raramente progettati ex novo, e soli-tamente modi�che di motori preesistenti, produce migliorie nelle prestazioniche sono frequentemente così piccole da richiedere le migliori strumentazionidi misura disponibili. Questo livello di misurazioni richiede che il sistema siaintegrato in un ambiente che non ne comprometta il corretto funzionamento.

Il prodotto �nale di una sala prove costituisce una serie di dati che sonoutilizzati per identi�care, modi�care, omologare o sviluppare il motore o unasua parte. L�a¢dabilità dei dati si a¢da alla correttezza delle misurazionieseguite che a sua volta dipende in larga misura dalla strumentazione utiliz-zata, da qui l�importanza cruciale della sala prove.

Le abilità per realizzare una sala prove che risponda a tali esigenze sonomolteplici quanto la varietà di sistemi di¤erenti in essa presenti. Basti pen-sare alle normali esigenze di un motore in una vettura, l�alimentazione delcombustibile e dei �uidi di ra¤reddamento e lubri�cazione, i circuiti elet-trici che alimentano la centralina e quelli necessari per il funzionamentodell�iniezione e dell�innesco. Tutti questi sistemi sono ancora presenti e an-

1

2 CAPITOLO 1. LA SALA PROVE MOTORI

cora deputati allo stesso motore, devono però essere integrati da altri esterni,alcuni complementari ai primi, un impianto esterno per la benzina ad esempiosostituirà la tanica, altri totalmente assenti in vettura ma necessari in salaprove, impianti per il trattamento e la circolazione dell�aria in sala, impiantidi trattamento e scarico dei fumi, servizi di sicurezza.In questa sezione si provvederà ad una breve panoramica di tali impianti.

1.2 Descrizione del motore

Il motore utilizzato è un Alfa Romeo 2.0 Twin Spark 16 valvole, utilizzatosulle vetture Alfa Romeo 147. Le sue caratteristiche sono mostrate nellatabella seguente.Il motore dispone di un variatore di fare idraulico che permette di antici-

pare l�apertura delle valvole di aspirazione di 25 Deg. L�aspirazione avvienetramite un collettore a geometria variabile che consente due posizioni:

� Con�gurazione di coppia: presenta una lunghezza dei condotti tra latesta del motore ed il volume principale lunga per consentire un miglioresfruttamento degli e¤etti d�onda a regimi intermedi;

� Con�gurazione di potenza: interpone un volume intermedio che generamigliori e¤etti d�onda la cui migliore espressione in questa con�gu-razione favorisce i regimi elevati e quelli più bassi.

Il motore è posizionato nella stessa con�gurazione in cui si troverebbe invettura ed è collegato tramite un giunto ad un freno dinamometrico. L�interastruttura è assemblata su una fondazione interrata costruita tenendo in con-siderazione sia la buona stabilità dell�insieme che la minimizzazione dellevibrazioni e del rumore

Speci�che del Motore Alfa 2.0 TS 16 valvoleAlesaggio [mm] 83Corsa [mm] 91Cilindrata [cc] 1969,46

Rapporto di compressione 10Coppia massima [Nm] 180 a 3900 rpmPotenza massima [kW] 110 a 6300 rpm

Intervallo di attuazione del variatore di fase [rpm] [1600, 4000]Con�gurazione di coppia [rpm] [3000, 5200]

1.2. DESCRIZIONE DEL MOTORE 3

Figura 1.1: Rappresentazione del motore Alfa 2.0 TS 16 valvole utilizzato.


1.3 Freno dinamometrico

Il freno utilizzato in questa sala prove è un freno elettrico a correnti parassiteBorghi & Saveri FE350-S con le seguenti caratteristiche:

Freno FE350-Sn� rotori 1Potenza Max 257,35 kWCoppia Max 1400 Nmrpm Max 8000 rpm

I freni a correnti parassite utilizzano il principio dell�induzione magneticaper generare una coppia frenante e dissipare quindi la potenza provenientedal motore. Il principio di funzionamento è semplice: un rotore ad altapermeabilità magnetica ruota fra due pareti d�acciaio ra¤reddate. Due elet-tromagneti anulari generano un campo magnetico e la rotazione del rotoremodi�ca la distribuzione del �usso magnetico e pertanto in esso nasconodelle correnti parassite e di conseguenza una dissipazione di potenza di tiporesistivo. L�energia così sviluppata è trasferita in forma di calore all�acquadi rafreddamento che attraversa le pareti d�acciaio mentre parte del ra¤red-damento avviene a causa del �usso radiale dell�aria fra il rotore e le pareti.Variando la corrente fornita agli elettromagneti è possibile ottenere rapidevariazioni di campo magnetico e quindi di carico.La criticità maggiore presentata dal freno è il suo ra¤reddamento. Un�ottimale

circolazione dell�acqua di ra¤reddamento e l�appropriato ra¤reddamento dellastessa sono vitali per il funzionamento del freno. Un eccessivo riscaldamentopuò comportare danni elevati al freno ed al motore nonchè una generazione dicalore eccessiva all�interno della sala prove. Nella sala prove utilizzata l�acquadi ra¤reddamento è successivamente trattata mediante degli scambiatori dicalore posti all�esterno della sala prove.

Il freno è corredato da un�apparecchiatura di controllo che consente diimpostare il campo magnetico degli elettromagneti in modo da realizzareopportune con�gurazioni di coppia e di regime. Sarà per tanto possibile im-postare di¤erenti comportamenti del freno in base alle necessità della speci�caprova. Di seguito alcune delle più comuni con�gurazioni:

� Coppia costante: il motore si trova a dover lavorare con lo stesso valoredi coppia qualunque sia il regime di rotazione.

1.3. FRENO DINAMOMETRICO 5

Figura 1.2: Il banco prova motori: a destra il motore strumentato, a sinistrail freno dinamometrico.

� Coppia costante impostata: il motore lavora con una coppia pari aquella regolata dall�utente mediante un apposito potenziometro.

� Caratteristica quadrata: il freno regola la coppia frenante secondo lafunzioneM �n2 = cost, questa con�gurazione simula il comportamentodella vettura in strada, dove la resistenza dell�aria si può assumereproporzionale al quadrato della velocità del veicolo.

� Regime costante: il freno modi�ca la coppia frenante in modo tale damantenere la velocità del motore costante.

Il freno misura anche la coppia resistente mediante una cella di caricoapplicata come mostrato in 1.3. La cella di carico, posta a destra nelloschema, subisce secondo un braccio di lunghezza nota una una forza F1.

1Tale metodologia di misura è molto comune nei freni dinamometrici tanto che neiquadri di controllo dei freni la coppia è spesso denominata ambiguamente F.


Figura 1.3: Schema del funzionamento della cella di carico di un freno di-namometrico.

Il prodotto fra la forza misurata ed il braccio fornisce la coppia frenanteapplicata.

Il quadro del freno fornisce anche una misura della velocità angolare delmotore rilevata mediante una ruota fonica applicata al rotore. Viene rilevatala distanza fra due passaggi consecutivi di un marker posto sul rotore.

1.4 Impianto benzina

Il combustibile per le prove è prelevato da dei fusti situati all�esterno dellasala prove mediante una pompa esterna. Esso è inviato quindi all�impiantointerno. La benzina attraversa uno scambiatore di calore ed è mandata allabilancia AVL che misura i consumi del motore. L�alimentazione del motoreparte quindi dal serbatoio di misura della bilancia e nei segmenti successivi èposizionato lo stesso impianto di alimentazione che si troverebbe in vettura.

1.5. SICUREZZA 7

1.5 Sicurezza

La sala prove è in�ne corredata di misure di sicurezza relative ai possibilirischi:

� Sistemi antincendio.

� Sistemi di controllo dell�aria all�interno della sala prove (presenza diCO)

� Cartellonistica per la sicurezza sul luogo di lavoro.

Oltre a queste misure di sicurezza, la sala prova è realizzata in modoche l�operatore si trovi sempre all�esterno. Tutti i comandi ed i sistemi dicontrollo si trovano all�esterno della camera in modo che l�operatore non sitrovi dove le situazioni di rischio sono più probabili. Tutte le operazioniall�interno della sala prove devono essere svolte a motore spento.


Figura 1.4: A sinistra: scambiatore di calore per il combustibile. A destra:l�impianto di alimentazione benzina proprio del motore.

Capitolo 2

Il sistema di misura

2.1 Schema del sistema di misura

Il sistema di misura per lo studio del motore è costituito da una serie stru-menti di misura distribuiti all�interno della sala prove e posizionati sia sulmotore che, eventualmente, su alcune sezioni degli impianti presenti.Nello studio in corso il cuore del sistema di misura è costituito dal sensore

piezoelettrico che misura la pressione in camera di combustione, l�obiettivoprincipale del presente lavoro. Si è provveduto ad acquisire inoltre una se-rie di segnali aggiuntivi, alcuni necessari ad una migliore comprensione deifenomeni studiati a partire dal segnale di pressione, altri utili per corredareal segnale principale informazioni sulle condizioni ambientali in cui le provesono state eseguite, altri ancora utilizzare per monitorare grandezze criticheil cui aumento è imputabili a situazioni di malfunzionamento che potrebberocondurre a danni gravi se non tempestivamente indirizzate. Di seguito unadescrizione degli strumenti utilizzati.

2.2 Misura della pressione nel cilindro

La misura della pressione interna al cilindro è un�operazione critica in unasala prove. Il sensore utilizzato si trova a temperature elevate che costi-tuiscono un possibile pericolo per l�integrità dello strumento ed inoltre nepossono condizionare il funzionamento. Il posizionamento del sensore è poilimitato: si potrebbe scegliere di forare il cilindro stesso e creare un alloggia-mento ad hoc per lo strumento, con conseguenti problematiche strutturali,

9

10 CAPITOLO 2. IL SISTEMA DI MISURA

eccessiva complicazione e si andrebbe anche contro il proposito delle proveche auspicano che il motore si trovi il più possibile nelle stesse condizioniin cui si troverebbe nelle condizioni di normale funzionamento. Per tali ra-gioni si preferisce alloggiare il sensore in un punto di accesso alla camera dicombustione che è già predisposto in ogni motore ad accensione comandata:la candela. Ricorrendo ad un adattatore che, oltre a svolgere la normalefunzione di innesco, contenga anche un alloggiamento per il sensore, è possi-bile attuare la misurazione con il minimo impatto possibile. Chiaramente illimite di questa metodologia è quello di non permettere misurazioni in altripunti della camera, pertanto quando si usa questo metodo si assume un ap-proccio monozona al problema assumendo la pressione nel cilindro uguale inogni punto della camera. Tale assunzione non è però invalidante per il gradodi accuratezza richiesto dai calcoli eseguiti in questo lavoro perciò questametodologia di misura è certamente la più consigliata. Inoltre, nel caso delmotore utilizzato in questo lavoro, sarebbe possibile misurare la pressione inun secondo punto del cilindro per via della presenza di una seconda candelaper ogni cilindro.Nel caso in esame si è utilizzato:

� Sensore piezoelettrico AVL GU13Z-31;

� Spark Plug adapter AVL ZF42.

Caratteristiche del sensore utilizzato:

AVL GU13Z-31Range di misurazione 0-200 bar

Sensibilità 15 pC/barLinearità � �0; 3%

Temperatura Max di funzionamento 400 �CMassa 1,2 g

Il sensore scelto è di tipo piezoelettrico non refrigerato, l�elemento piezoelet-trico, GaPO4, possiede un�elevata stabilità �no a temperature di 400

�C chelo rendono molto e¢cace per le misurazioni in campo motoristico. La sen-sibilità dello strumento, infatti, mantiene una variabilitàridotta al cresceredella temperatura1.

1Immagine tratta da: Beccari A., Pipitone E., Dispense del corso di motori a combus-tione interna, Università degli studi di Palermo, 2006.

2.2. MISURA DELLA PRESSIONE NEL CILINDRO 11

Figura 2.1: Schema dell�adattatore ZF42. In sezione l�alloggiamento delsensore di pressione.

2.2.1 Compensazione

Come per tutti i sensori piezoelettrici e come mostrato anche dalla tabella,l�output del sensore è una carica. Il sistema di acquisizione richiede però cheil segnale del sensore sia una tensione. Pertanto si è ricorsi ad un ampli�ca-tore AVL Piezo Ampli�er 306603. L�ampli�catore ha una doppia funzione:invia al sistema di acquisizione un segnale ad esso compatibile (in tensione)e permette di svolgere misurazioni quasi-statiche, rimuovendo eventuali dis-turbi causati da interferenze sul segnale. L�ampli�catore è di fatto uno stru-mento di misura con una propria sensibilità espressa in V/pC, impostabiledall�utente. L�interezza del sistema sensore/ampli�catore equivale pertantoad uno strumento di misura con sensibilità espressa in V/bar. Nota la sen-sibilità del sensore piezoelettrico ed impostata quella dell�ampli�catore siricava quella complessiva. La conoscienza di tale sensibilità è importantepoichè dovrà essere inserita nel software di acquisizione per convertire lalettura in tensione nell�e¤ettiva misura di pressione rilevata.

E� importante ricordare che la maggior parte dei sensori piezoelettrici in


15.0

15.1

15.2

15.3

15.4

15.5

15.6

15.7

15.8

15.9

16.0

100 200 300 400temperatuta sensore [°C]

0.00%

0.20%

0.40%

0.60%

0.80%

1.00%

1.20%

sens. [pC/bar]

var %

Figura 2.2: Andamento della sensibilità del sensore GU13Z-31 al variare dellatemperatura

commercio, fra cui quello utilizzato in questo lavoro, non forniscono valori dipressione assoluta e pertanto necessitano di una compensazione. I diagrammidi pressione ottenuti sono a¤etti quindi da uno shift e pertanto quelli realisaranno traslati di un rp che sarà necessario calcolare. Esisono diversi al-goritmi di compensazione, illustriamo i due metodi che forniscono i miglioririsultati:

� Si impone la pressione all�interno del cilindro, quando lo stantu¤o sitrova al PMI e la valvola di scarico è aperta, pari alla MAP. Operati-vamente, nota la MAP, si e¤ettua una media di n punti campionati apartire dal PMI di �ne aspirazione e si pone rp =MAP � �p.

� Si impone il valore dell�esponente della politropica di compressione esi calcola il corrispondente rp. Il calcolo deve essere eseguito inter-polando un numero abbastanza signi�cativo di punti. Nel caso in esamesi imporrà k = 1; 32 considerando un intervallo di punti compresi fra95� e 45� prima del PMS.

2.3 Encoder angolare

L�acquisizione della pressione non è su¢ciente ad illustrare esaustivamente lecaratteristiche termodinamiche del motore. E¤ettuando il campionamento inmodo sincrono il risultato della misurazione è un array di nmisure istantanee

2.3. ENCODER ANGOLARE 13

rilevate al tempo n �dt = nfc. Tuttavia nelle acquisizioni motoristiche è buona

norma riferirsi non al tempo, bensì all�angolo di manovella # per descriverel�andamento delle grandezze in gioco. Inoltre molte caratteristiche del mo-tore come l�anticipo, la fasatura delle valvole e molti parametri qualitatividella combustione sono espressi in angoli. La sola misura della pressione, sidiceva, non è su¢ciente poichè la relazione # = ! � t ha senso solo quandola velocità angolare ! si può ritenere costante ed è noto che nei motori lavelocità angolare è �uttuante e il regime di rotazione è di fatto una velocitàmediata sul giro. Serve pertanto una seconda misurazione che permetta ilpassaggio da p = f(t) a p = f(#) e tale misurazione si e¤ettua mediantel�encoder angolare.

Figura 2.3: L�encoder angolare e tutto il corredo necessario per il collega-mento all�albero motore ed all�apparecchiatura di acquisizione.

L�encoder angolare è uno strumento per misure di posizione costituitoda un sensore solidale al motore che invia un segnale ottico che incide e siri�ette sulle tacche di disco rotante con l�albero del motore. Le tacche sonodistribuite sul disco in modo che la distanza angolare fra di esse sia un r#pre�ssato che costituisce la risoluzione dello strumento. Il segnale ri�esso èricevuto nuovamente dal sensore ed è convertito in un segnale di tensione.Il risultato della misurazione è costituito da due segnali temporali: un onda


quadra i cui picchi corrispondono alle posizioni in cui il segnale ottico si ri-�ette sulle tacche ed una seconda onda quadra il cui unico picco si presentasolo quando il segnale ottico si ri�ette su una tacca di riferimento. Il primosegnale si utilizza per determinare la posizione istantanea dell�albero motore;misurando con la stessa frequenza di campionamento i due segnali p = f(t)e # = g(t) si può legare univocamente la pressione all�angolo di manovellaindipendentemente dalle �uttuazioni di velocità angolare dell�albero motore.Identi�cando quindi i picchi dell�onda quadra proveniente dall�encoder e se-lezionando solo i corrispondenti valori di pressione letti dal sensore piezoelet-trico è in�ne possibile ottenere un array di n pressioni ognuna di esse cor-rispondente alla posizione angolare n � r#.

Figura 2.4: L�encoder angolare correttamente posizionato sul motore studi-ato.

Appare dunque chiaro che grazie all�utilizzo del sensore di posizione sielimina l�aleatorietà dovuta alle �uttuazioni di regime ed operazioni qualila determinazione della pressione in corrispondenza di precisi eventi comel�apertura e la chiusura delle valvole, l�innesco della combustione o i puntimorti diventano immediate. Inoltre è possibile confrontare cicli di¤erentisulla stessa scala angolare indipendetemente dal regime del motore.

2.3. ENCODER ANGOLARE 15

Figura 2.5: L�encoder angolare correttamente posizionato sul motore studi-ato.

E� tuttavia indispensabile fare una precisazione su questo metodo e sucome sia stato utilizzato nel presente lavoro. Avendo un mezzo di confrontocosì potente si è tentati, e lo si è fatto proprio in questo lavoro, di ignorarei dati �grezzi� subito dopo che essi sono stati utilizzati per ricavare le curvedi pressione in funzione dell�angolo di manovella. Le ragioni di tale com-portamento sono chiare: minore mole di dati da analizzare, minore spazionecessario per archiviare i dati, minore peso da elaborare (gli array di pres-sione acquisiti inizialmente sono molto grandi e condizionano le prestazionidelle macchine per l�analisi), inoltre le informazioni ottenibili dai soli cicliindicati sono spesso esaustive. Nel corso di questo lavoro ci si è chiesti in checaso questi dati possano essere ancora utili a dispetto degli svantaggi com-putazionali riscontrati. Si è giunti alla conclusione che essi possono ancoraessere utili qualora si decidesse eseguire analisi in frequenza. Questi dati,


infatti, contengono ancora moltissime informazioni nel caso in cui si voglianostudiare più approfonditamente i fenomeni di detonazione. I fenomeni legatialla detonazione avvengono con frequenze elevate che vengono perse utiliz-zando il proccedimento sopra illustrato. Noto tutto questo si può scegliere diarchiviare in toto tutto quello che si è acquisito e individuare la presenza delladetonazione utilizzando il segnale di pressione nel tempo, alternativamente sipuò scegliere di studiare la detonazione mediante l�utilizzo di accelerometriche misurino le vibrazioni sul cilindro utilizzando, in pratica, lo stesso metodoche la centralina del motore utilizza per controllare e scongiurare l�insorgeredei fenomeni detonanti.

2.3.1 Misure di velocità

L�encoder angolare, utilizzato con le modalità di acquisizione del presente la-voro, può essere sfruttato anche per misurare con un�ottima approssimazioneil regime angolare del motore. La velocità angolare media del motore è datadal rapporto r#

rt. La frazione angolare r# è misurata mediante l�encoder an-

golare ed il tempo è facilmente deducibile dal numero di campioni acquisitinell�intervallo r# . Noto il numero di campioni, ed acquisendo a frequenzadi campionamento costante, il tempo trascorso fra gli estremi dell�intervallor# si ottiene come:

rt = n �1

fc(2.1)

Pertanto è possibile calcolare la velocità istantanea del motore con un�approssimazionelegata alla minima distanza misurabile dall�encoder. In questo lavoro si cal-colerà il regime del motore considerando l�intervallo r# = 2�, in questomodo si avrà un�indicazione della velocità media del motore utile per rego-lare in modo ottimale la frequenza di campionamento al variare del regimedel motore.

2.4 Misura della pressione ambiente

La pressione ambiente è rilevata all�interno del condotto di aspirazione cheinvia e tratta l�aria esterna nei condotti di aspirazione del motore. Si utilizzaun sensore di pressione assoluta AVL PMP4070 con le seguenti caratteris-tiche:

2.4. MISURA DELLA PRESSIONE AMBIENTE 17

SVL PMP4070Range 0� 5 bar

Sensibilità 1 V/barLinearità < �0; 08%

Figura 2.6: Particolare del condotto di aspirazione dell�aria e del sensoredi pressione assoluta AVL PMP4070 (a sinistra) e della termocoppia per latemperatura ambiente (a destra).

La pressione ambiente è acquisita insieme alle temperature in una schedadi acquisizione USB di¤erente da quella utilizzata per campionare i datidell�encoder e della pressione relativa in camera di combustione. Questaseconda scheda è impostata su frequenze di campionamento molto più basseed è utilizzata per grandezze poco variabili nel tempo che non richiedono unnumero elevato di acquisizioni ma che servono esclusivamente a tener contodelle condizioni a contorno di ciascuna acquisizione.


2.5 Misura delle temperature

Mediante termocoppie sono stati rilevati i valori di temperatura di:

� liquido di ra¤reddamento;

� lubri�cante;

� ambiente di aspirazione

� gas di scarico

come prima anticipato i loro valori sono acquisiti ad una bassa frequenzadi campionamento poichè sono grandezze che variano molto lentamente neltempo. La loro misurazione fornisce le condizioni a contorno della prova eper questo il loro valore è associato ad ogni ciclo indicato delle pressioni.In particolare, poi, la temperatura del refrigerante, che può essere ritenutaun�indicazione della temperatura del motore, e quella di scarico possono es-sere utilizzate per monitorare il comportamento del motore. In avviamento latemperatura del motore, ad esempio, può dare informazioni su quando il mo-tore raggiunge le condizioni di regime termico. In caso di malfunzionamentidel sistema di ra¤reddamento o condizioni di elevato stress tali temperaturepossono anche avvertire l�operatore in tempo per evitare danneggiamentistrutturali.

2.6 Misura dei consumi

Per misurare i consumi si ricorre all�uso uno strumento di misura apposito:la AVL Fuel Balance 733s.La bilancia consente la misura del consumo di combustibile con una fre-

quenza di campionamento di 10 Hz con una precisione dello 0; 12%. La suainterfaccia permette di visualizzare, mediante un apposito software:

� il consumo di combustibile istantaneo in kg=h;

� il consumo medio, minimo e massimo;

� il calcolo del consumo totale in un intervallo prestabilito di tempo.

2.6. MISURA DEI CONSUMI 19

Figura 2.7: Particolare del motore. Sono visibili la termocoppia per lamisura della temperatura dell�acqua di ra¤reddamento (in alto a sinistra)e sui precatalizzatori le sonde lambda e la termocoppia per la temperaturaallo scarico.

Il principio di funzionamento è simile a quello di una vera e propria bi-lancia: un contenitore di misura (measuring vessel) collegata tramite un�asta(measuring beam) ad un sensore capacitivo di spostamento (capacitive sen-sor). La massa del combustibile consumato è quindi determinata da un�analisigravimetrica col grande vantaggio di non dover tenere conto della densità delcombustibile che si sta utilizzando.

La bilancia AVL è uno strumento di misura discontinuo, infatti per ilsuo principio di funzionamento essa deve essere riempita prima di ogni mis-urazione, tale limitazione non si è dimostrata critica nel presente lavoro. In-fatti �no al regime 4500 rpm, il massimo studiato nella campagna di prove,si è osservato che la quantità di benzina contenuta nel recipiente di misuraall�inizio della prova è su¢ciente a condurre un�intera prova senza dover sud-dividere la prova in più parti.


Figura 2.8: Schema di funzionamento della bilancia AVL.

2.7 Misura dell�anticipo e della dosatura

Le misure dell�anticipo e della dosatura sono state rilevate con degli strumentidedicati:

� TECPEL Di¤erential probe 25 MHz: sonda ad alta frequenza collegataalla bobina di alimentazione della candela. La sonda rileva ed invia allascheda di acquisizione mediante un cavo coassiale la tensione ai capi delcircuito permettendo di identi�care quando avviene la scarica e quindil�innesco della candela.

� ETAS Lambda Meter A4 (LA4): strumento di misura di alta precisioneper rilevare un alto campo di variazioni del rapporto aria combustibilecon un�ottima risposta alle minime variazioni.

2.7. MISURA DELL�ANTICIPO E DELLA DOSATURA 21

Figura 2.9: La bilancia per misurare i consumi così come è inseritanell�impianto per la distribuzione del combustibile.


Figura 2.10: Sonda per misurare l�anticipo.

Figura 2.11: Etas Lambda Meter A4.

Capitolo 3

Dati da acquisire

3.1 Pressione indicata

Con il termine pressione indicata storicamente si intende la pressione rilevataall�interno di uno dei cilindri del motore e rappresentata in un diagrammap; V . I diagrammi indicati permettono di visualizzare chiaramente i ciclidi pressione e ne consentano il confronto in modo semplice e immediato.L�acquisizione della pressione indicata permette di e¤ettuare numerose valu-tazioni utili per lo studio del motore. Dall�acquisizione dei diagrammi indicatiè possibile calcolare la pmi, pressione media indicata, valutabile come:

pmi =

Z

cycle

p � dV

V(3.1)

La pmi è calcolata come area del ciclo indicato ed è infatti un�indicatoredel lavoro compiuto dal ciclo:

Li =

Z

cycle

p � dV = pmi � V (3.2)

può essere quindi de�nita come un indice del lavoro al ciclo per unità dicilindrata.

Facendo un ulteriore passo avanti, si calcola anche la potenza indicata, checorrisponde alla potenza erogata dal motore a meno delle perdite meccaniche:

23

24 CAPITOLO 3. DATI DA ACQUISIRE

Pi = pmi � V �n

"(3.3)

dove n è il regime del motore ed " è un intero che tiene conto del fattoche il lavoro utile nei motori a quattro tempi è ottenuto ogni due rivoluzionicomplete e pertanto per questi motori è " = 2.Nelle sale prove motori, come già anticipato, la potenza e¤ettiva è nota in

quanto sono noti regime e coppia (quest�ultima misurata dalla cella di caricopresente nel freno dinamometrico). E� pertanto possibile determinare ancheil rendimento organico �0.Introducendo la grandezza speci�ca pme, pressione media e¤ettiva, de�nita

a partire dalla potenza misurata dal freno Pe allo stesso modo della pmi siha:

pme = �0 � pmi (3.4)

Pe = pme � V �n

"= �0 � pmi � V �

n

"= �0 � Pi (3.5)

pme =2� � " � C

V=) pme[bar] =

125; 66 � C[Nm]V[cc]

(3.6)

l�ultima relazione mostra una formula rapida per risalire alla pme chetiene conto delle unità di misura utilizzate generalmente dai quadri dei frenidinamometrici utilizzati nei banchi prova.

Entrando nel merito del presente lavoro, l�andamento della pressione infunzione dell�angolo di manovella permette di confrontare i cicli acquisiti alvariare dei parametri motoristici, si ha così una stima immediata di comevaria il comportamento termodinamico del motore in funzione, ad esempio,dell�anticipo o della dosatura.Inoltre, dai cicli è possibile stimare, mediante l�uso di modelli termodi-

namici, l�andamento degli scambi termici e l�evolversi della combustione.

3.1.1 La dispersione ciclica

Bisogna però tenere presente che, pur rimanendo inalterati tutti i parametridel motore, non sarà possibile ottenere due cicli consecutivi identici. Questa

3.1. PRESSIONE INDICATA 25

Figura 3.1: Ciclo indicato delle pressioni

cosiddetta dispersione ciclica dipende principalmente dall�andamento dellacombustione. Si veri�ca sperimentalmente che la �amma non si propaga maiin modo identico da ciclo a ciclo, e questo dipende principalmente da trefattori:

� la carica nel cilindro si muove in modo casuale e quindi le condizioni dimoto non sono mai le stesse;

� il miscelamento fra la carica fresca ed i gas residui dal ciclo precedenteavviene in modo sempre variabile;

� la quantità di aria e combustibile inviati nel cilindro possono esseredi¤erenti fra un ciclo ed il successivo.

Questi fattori in�uenzano soprattutto il primo stadio di propagazionedella �amma, il quale ovviamente in�uisce su tutto lo sviluppo della com-bustione.


Determinazione del ciclo medio

A fronte di questo problema, è opportuno raccogliere i dati sperimentaliprovenienti da un certo numero di cicli consecutivi, e mediare questi valori perarrivare ad un ciclo medio cui riferirsi quando si analizza il comportamentodel motore.

In questo modo i parametri ottimali del motore verranno ottenuti con-siderando questo ciclo medio piuttosto che i singoli cicli. Questo comportaperò conseguenze negative in termini di prestazione, in quanto la condizionedi ottimo sarà sempre meno veri�cata per quei cicli che si discostano mag-giormente dalla media. Inoltre, in alcuni casi è necessario riferirsi ai cicliestremi, per esempio per impedire la detonazione, e questo implicherà tut-tavia condizioni troppo restrittive per tutti gli altri casi.

Ciononostante, sarebbe impossibile uno studio sperimentale del motoreciclo per ciclo, pertanto si rende sempre necessario campionare dei cicli medi,in modo da ottenere un dato globale più signi�cativo.

3.2 Cenni sulla combustione

La combustione è un processo �sico e chimico mediante il quale il com-bustibile si ossida liberando calore. Il suo inizio, sviluppo e completamentodipendono da molteplici fattori: prima di tutto dalla natura del combustibilee dalla velocità delle reazioni chimiche, dalle condizioni di trasporto di massae di energia che si veri�cano nella zona di reazione e dagli scambi di calorecon l�ambiente circostante. Nello studio della combustione il processo vienesintetizzato da un unico parametro: la velocità di combustione, intesa comela rapidità con cui, attraverso le reazioni chimiche che avvengono nel �uido,viene liberato il calore.

Nei motori ad accensione comandata la combustione interessa una miscelagassosa praticamente omogenea; se il funzionamento è regolare, la combus-tione viene innescata dalla scintilla generata fra gli elettrodi della candela.La scintilla provoca un repentino aumento di temperatura nella zona adia-cente e genera la �amma. Questa inizierà a propagarsi normalmente, ossiain modo graduale, dal punto in cui viene generata �no alla parte più estremadella camera di combustione.

Nel momento in cui la combustione viene innescata sarà possibile indi-viduare una stretta zona di separazione fra prodotti della combustione e la

3.2. CENNI SULLA COMBUSTIONE 27

miscela fresca, in cui le reazioni sono in grado di sostenersi autonomamente.Questo sottile strato viene chiamato fronte di �amma.Il fronte di �amma può considerarsi diviso in due parti: una prima parte

detta zona di combustione in cui avvengono le reazioni di combustione euna seconda, detta di preriscaldamento, la cui super�cie è rivolta alla mis-cela fresca, in cui quest�ultima viene scaldata dal calore generato dalla primazona. Questa schematizzazione ben rappresenta la parte iniziale della com-bustione in quanto essa avviene con moto laminare: questo è possibile perchéla zona di innesco è contenuta all�interno dello strato limite e quindi è possi-bile trascurare il moto turbolento della carica.Man mano che il fronte di �amma si allontana dalla zona di innesco,

interviene l�e¤etto del moto turbolento posseduto dalla carica. I moti vor-ticosi modi�cano la struttura del fronte di �amma in modo bene�co per lacombustione, infatti ne distorcono la super�cie, facendo aumentare quindi laquantità di miscela fresca nella zona di preriscaldamento e inoltre aumen-tano gli scambi di massa ed energia all�interno del fronte aumentandone lospessore.

Figura 3.2: Le fasi della combustione

Schematicamente la combustione può considerarsi costituita dalle tre fasimostrate in �gura 3.2:


� fase di sviluppo di �amma, durante la quale il primo nucleo di miscelainizia a bruciare gradualmente cominciando a far sì che si abbia unprimo incremento di pressione.

� fase di combustione turbolenta o rapida, in cui il fronte di �ammasi propaga rapidamente per gran parte della camera di combustione.Questa fase avviene a cavallo del PMS per cui le variazioni di volumesono minime.

� fase di completamento, in cui il fronte di �amma raggiunge la pareteestrema della camera di combustione per poi arrestarsi

3.2.1 In�uenza dei parametri motoristici sulla combus-

tione

Dosatura

Un importante parametro di cui si dovrà tenere conto nel controllo del mo-tore è la dosatura. Sperimentalmente si osserva che la velocità di combustioneraggiunge il suo massimo per miscele leggermente ricche e che, arricchendoancora la miscela, la velocità si riduce lentamente. E� chiaro che la ragionedi questo sta nel fatto che una maggiore quantità di combustibile diluitonella miscela porta ad una maggiore probabilità che avvengano collisioni frale molecole di combustibile e di ossigeno. Passando invece dalla miscela ste-chiometrica ed impoverendo, la riduzione di velocità è più accentuata poichéuna minore concentrazione di combustibile comporta una maggiore parte dicalore spesa per la riscaldare l�inerte. Continuando ad aumentare l�eccessod�aria e quindi impoverendo ulteriormente, si ha un�irregolarità del motoretroppo accentuata per poter essere consentita anche se certamente si avrebbeuna minore quantità di emissioni allo scarico (minori quantità di HC e COma maggiore NOx).

Di norma per motivi di stabilità è necessario limitare i possibili valori didosatura ad un range di , inoltre sarebbe opportuno che tali valori fosseroristretti ad un piccolo intervallo centrato attorno al valore di l unitario, inquesto campo di dosatura infatti si avrà una maggiore e¢cienza nello smalti-mento degli inquinanti da parte del catalizzatore trivalente, e quindi il campodi possibile variazione dovrà restringersi ulteriormente.

3.2. CENNI SULLA COMBUSTIONE 29

Regime di rotazione

Misurazioni e¤ettuate mostrano come l�andamento della pressione all�internodel cilindro abbia variazioni minime in un ampia gamma di velocità di ro-tazione. Questo non vuol dire che la velocità di rotazione non in�uenzi lacombustione, al contrario, il fatto che non ci siano variazioni apprezzabili nelciclo delle pressioni è dovuto al fatto che al crescere della velocità di rotazionel�andamento della combustione varia in modo che si ottenga un adeguamentodei tempi di reazione.

Figura 3.3: In�uenza della dosatura sulla combustione

Un aumento del regime di rotazione, infatti, si traduce in un incrementodell�intensità della turbolenza generata durante la fase di aspirazione, inoltrela corsa di compressione sarà e¤ettuata in un tempo minore e quindi si riduceil tempo in cui si ha il decadimento della turbolenza. Un maggiore trasportodi massa porterà quindi ad una maggiore rapidità della combustione.Questa proprietà è tipica dei soli motori ad accensione comandata che

conseguentemente avranno un buon funzionamento per un�ampia gamma diregimi di velocità.


Carico

Una riduzione del carico cambia in modo sensibile diversi fattori che fannosì che si riduca in modo molto pesante la velocità del fronte di �amma.I osservi infatti come cambino in modo signi�cativo sia l�andamento che il

valore massimo della velocità di combustione che tende a spostarsi in ritardorispetto al punto morto superiore man mano che il carico si riduce.Questo causa un maggiore estensione angolare della fase di combustione

che si prolunga anche durante l�espansione con conseguente calo delle prestazioni.Nel dettaglio l�in�uenza del carico si manifesta nei seguenti modi:

� un carico inferiore implica che la carica aspirata si riduca in densità,visto che a parità di volume disponibile è ridotta la massa che vi entra;

� le perdite per scambio termico si fanno sentire in modo superiore al nor-male, condizionando la temperatura del �uido, che si riduce, e questoha una diretta in�uenza sulla velocità della combustione;

� i gas residui occuperanno una percentuale maggiore della massa comp-lessiva contenuta nella camera, diluendo maggiormente la carica frescaaspirata.

Turbolenza

In quanto detto precedentemente si è già sottolineata l�importanza della pre-senza di un moto turbolento all�interno della camera di combustione. Le tur-bolenze hanno il duplice e¤etto positivo di distorcere il fronte di �amma (au-mentando il rapporto super�cie volume) e di accrescerne lo spessore. Questoovviamente accade soltanto se la turbolenza ha un andamento coerente, comeun vortice con asse parallelo all�asse del cilindro (swirl) o ortogonale ad esso(tumble). Questo tipo di turbolenze, dovute a quello che accade durantel�aspirazione si riducono drasticamente durante la fase di compressione, per-ciò l�e¤etto bene�co apportato alla combustione è senz�altro inferiore a quelloauspicabile. Per le suddette ragioni è possibile e consigliabile indurre delleturbolenze in prossimità della �ne della compressione, in modo che esse nonabbiano il tempo di estinguersi. Questo è possibile sagomando opportuna-mente lo stantu¤o e la testa in modo che una parte delle loro super�ci sitrovi quasi a contatto alla �ne della corsa di compressione. In questo modoil �uido verrà spinto verso la parte libera della camera innescando un moto(detto di squish) che si svilupperà contemporaneamente alla combustione.

3.3. MFBEMODELLI PER IL CALCOLODELRILASCIODELCALORE31

Le turbolenze portano anche ad un incremento degli scambi termici fra il�uido e le pareti, ed inoltre se troppo elevate possono portare a fenomeni dimancata accensione (mis�re).

In�uenza dell�anticipo

Il processo di combustione non è istantaneo. Come si è detto la fase inizialedella combustione interessa una percentuale minima della carica (e quindiil calore che si sviluppa è una piccola parte di quello complessivamente lib-erabile) ed inoltre occupa un arco di manovella considerevole. Per questeragioni è bene distribuire l�arco della combustione a cavallo del PMS, inmodo che la fase di combustione rapida possa iniziare prima che lo stantu¤olo abbia raggiunto. In tal modo si cercherà di far sì che la parte più im-portante dello sviluppo di calore avvenga in corrispondenza di un volumeminimo e poco variabile. Occorrerà pertanto stabilire un angolo di anticipo,talvolta cospicuo, che permetta di realizzare quanto detto. Nella scelta ditale anticipo dovranno considerarsi due e¤etti contrastanti: un anticipo el-evato implica che il pistone dovrà compiere un lavoro maggiore durante lafase di compressione, in questo modo però la pressione massima si andràavvicinando sempre più al PMS superiore aumentando il lavoro raccolto inespansione. Bisognerà tener conto di questi due fattori in modo da bilanciarei loro e¤etti ottenendo un buon compromesso. L�anticipo ottimo viene de-terminato in maniera sperimentale, si intuisce che dovrà essere tanto grandequanto più lenta è la combustione. Solitamente è ottimale l�anticipo che po-siziona il picco di pressione 15-20 gradi di manovella dopo il PMS ed il 50%del combustibile bruciato a 10� dopo il PMS.

3.3 MFB e modelli per il calcolo del rilascio

del calore

La frazione di massa combusta, MFB1, è, per de�nizione, il rapporto fra lamassa di miscela già bruciata in un certo istante della combustione e la massacomplessiva della miscela:

xb =mbr

m=

mbr

mbr +mf

(3.7)

1Mass fraction burned.


dove mbr2 è la massa già bruciata e mf è la massa di miscela fresca, non

ancora investita dal fronte di �amma.La frazione di massa combusta fornisce indicazioni sulla percentuale di

calore già sviluppato, in corrispondenza di un certo angolo di manovella,rispetto a tutto il calore che la massa di combustibile inserita nella miscelapuò generare.Il suo andamento in funzione dell�angolo di manovella ha la caratteris-

tica forma ad S; data la de�nizione, xb avrà valore nullo �no all�inizio dellacombustione e valore unitario in corrispondenza della �ne della fase di com-bustione, anche se in realtà non tutta la miscela riuscirà a bruciare e quindila funzione vi tenderà soltanto.

3.3.1 Angoli caratteristici della combustione

Per la caratterizzazione della curva di rilascio del calore si de�niscono leseguenti grandezze:

� Flame development angle r#d, l�intervallo angolare fra l�innesco dellacombustione e il momento in cui una frazione della massa nel cilin-dro ha bruciato. Si sceglie questo angolo considerando una frazione diriferimento del 10%.

� Rapid burning angle r#b, l�intervallo angolare in cui si ha una rapidapropagazione del fronte di �amma. Durante questa fase della combus-tione il fronte è turbolento ed il pistone si muove a cavallo del TDC, eil volume può quindi ritenersi costante. Generalmente questo intervallova dalla �ne della fase di sviluppo della �amma (intervallo precedente)e l�angolo di manovella corrispondente al 90% di massa bruciata. Dopoquesto intervallo si veri�ca la cosiddetta fase di completamento dellacombustione in cui la �amma raggiunge il fondo della camera esauren-dosi.3

2Si può confondere tale rapporto con il quello fra il solo combustibile bruciato e quelloche ancora non ha preso parte alla combustione; la massa della miscela e della benzinasono infatti direttamente legate dalla dosatura �:

mmiscela = maria +mcomb = mcomb(1 + �)

3In bibliogra�a i due angoli caratteristici sono spesso de�niti come #10 e #90, riferendosidirettamente alle percentuali di massa bruciata scelte come riferimento.


Nella �gura in basso è mostrato un tipico andamento della MFB nel qualesono indicati gli intervalli caratteristici prima descritti.

Figura 3.4: Andamento della frazione di massa combusta e angoli caratter-istici

3.3.2 Metodo di Rasswailer e Withrow

Il metodo di Rasswailer e Withrow calcola la frazione di massa combustaattraverso considerazioni zerodimensionali del primo principio della termodi-namica considerando la combustione come una successione di scambi di calorea volume costante (dV = 0).

dQst + dQco � pdV = m � cv � dT (3.8)

Ponendo tutto in funzione delle costanti del gas si ottiene:

dQst + dQco � pdV =1

k � 1m �R0 � dT (3.9)

Di¤erenziando l�equazione dei gas perfetti:

m �R0 � dT = d(pV ) = pdV + V dp (3.10)


Sostituendo:

dQst + dQco =k

k � 1pdV +

1

k � 1V dp (3.11)

Gli scambi termici vengono tenuti in considerazione solo nel calcolo dell�esponentedella politropica di compressione m, e del resto essi hanno una in�uenza mar-ginale a fronte del calore sviluppato dall�innesco della �amma.I due studiosi dimostrarono come la politropica di compressione possa

essere utilizzata con buoni risultati per determinare la frazione di massacombusta.Applicando il primo principio della termodinamica come nella 3.11 ed

eliminando i termini dV e dQst, esplicitando il calore della combustione infunzione della massa bruciata si avrà:

dQco = mb �Hi � dxb =1

k � 1V dp (3.12)

Si ricava quindi la seguente relazione che esprime la quantità di calorenell�intervallo d#:

dQco =1

k � 1V dp (3.13)

Trattandosi di un metodo approssimato quello che in realtà di ottiene èuna stima del calore rQco nell�intervallo �nito r#; pertanto si intenderà conV il volume medio nell�intervallo considerato

V =Vi + Vi�1

2(3.14)

Il fattore dp è calcolato come di¤erenza fra la pressione misurata e quellache si avrebbe se il motore fosse trascinato e quindi coincide, con le dovuteapprossimazioni, con l�incremento di pressione dovuto alla combustione

dp = pmis � ppolitr = pi � pi�1

�

Vi�1Vi

�m

(3.15)

Il termine k varierà con la temperatura e non potrà ritenersi costante,per esso potrà utilizzarsi la seguente correlazione valida per le miscele aria-benzina:


Figura 3.5: Andamento della pressione misurata e di quella espressa dallapolitropica

kbenzina = 1; 338� 6 � 10�5 � T + 10�8 � T 2 (3.16)

che nella presente simulazione servirà a calcolare k in relazione alla tem-peratura nel cilindro.

L�esponente m della politropica di compressione o di espansione (l�uno perle pressioni registrate per angoli di manovella precedenti il PMS, l�altro peri successivi), necessario per calcolare dp, si ottiene calcolando il coe¢cienteangolare delle due rette che sul gra�co, nel piano bilogaritmico, del cicloindicato rappresentano le due fasi.

Inoltre, esplicitando la 3.12 e la 3.13 rispetto ad xb e ricordando che inbase a quanto detto il prodotto mb �Hi può considerarsi come la sommatoriadei calori elementari rQco fra l�inizio e la �ne della combustione si potràscrivere:


xb =

#X

#i

�

1k�1V � dp

�

#fX

#i

�

1k�1V � dp

�

(3.17)

Questo metodo è largamente utilizzato, tuttavia bisogna tenere ben pre-senti le diverse approssimazioni che introduce: l�esponente della politrop-ica di confronto non si mantiene costante durante la combustione e inoltrel�incremento di pressione dovuto alla combustione è proporzionale alla quan-tità di energia chimica rilasciata piuttosto che alla massa di miscela bruciata.

3.4 Caratteristiche della detonazione

La detonazione avviene quando parte della miscela brucia prima che sia stataraggiunta dal fronte di �amma poiché si trova in condizioni tali da autoaccen-dersi. Questo determina bruschi incrementi locali di pressione e vibrazioniche si propagano lungo la struttura del motore, si manifesta all�esterno conun caratteristico rumore metallico simile ad un martellamento.La detonazione limita fortemente le prestazioni dei motori, poiché im-

pedisce di lavorare con rapporti di compressione ed anticipi elevati, ed in piùrende necessario l�utilizzo di carburanti con una composizione che inibiscatale fenomeno.La detonazione è causata da tutte le condizioni che provocano un innalza-

mento della temperatura della miscela come ad esempio un elevato rapportodi compressione.Un elevato anticipo di accensione determina invece una maggiore rapidità

nell�aumentare della pressione ed un incremento della pressione massima incamera determinando l�insorgere della detonazione.Quando si veri�ca la detonazione sul diagramma indicato sono evidenti

delle oscillazioni ad una frequenza di 5�15 kHz. Sfruttando questa sua carat-teristica la detonazione può essere evitata inserendo all�interno del motore unsensore di tipo accelerometrico che rilevi la presenza di queste caratteristichevibrazioni, in questo modo la centralina del motore interverrà diminuendol�anticipo di accensione o arricchendo la miscela.

Capitolo 4

Il software di acquisizione

4.1 Introduzione al LabVIEW

Tutte le informazioni di possibile utilità rilevate al banco motori sono stateottenute mediante un software realizzato in LabVIEW. Ai �ni della speri-mentazione il software proposto realizza, interfacciandosi con gli strumentidi misura che corredano il banco prova, il campionamento, la registrazione ela visualizzazione dei dati più rilevanti.L�output primario è la pressione indicata all�interno del cilindro prescelto

per la prova. Esso dovrà essere corredato da tutti i dati concernenti levariabili motoristiche a cui tale pressione è stata rilevata quali il regime,l�anticipo, il rapporto aria combustibile e i dati ambientali quali le tempera-ture di aspirazione e scarico.I valori della pressione sono campionati in modo sincrono con una fre-

quenza di campionamento fc prestabilita e successivamente processati inmodo da passare dalla variabile tempo a quella angolare più interessanteai �ni motoristici. Il passaggio, come già anticipato nel capitolo che intro-duce gli strumenti di misura utilizzati, avviene confrontando tutti i segnaliacquisiti con quello proveniente dall�encoder angolare mediante un algoritmoche verrà spiegato successivamente in questo capitolo.Una prima analisi del sofware permette di individuare tre parti distinte:

� Fase di preparazione e campionamento;

� Fase di analisi e �ltraggio dei dati essenziali;

� Fase di registrazione e visualizzazione dei dati.

37

38 CAPITOLO 4. IL SOFTWARE DI ACQUISIZIONE

Mediante queste tre parti il software processa i segnali provenienti dall�interosistema di misura presentando al termine del calcolo un �le di dati comp-lessivo che riassume la prova eseguita.

E� essenziale ricordare che il software considera al suo interno tutta unaserie di costanti legate alla tipologia del motore che dovranno essere con-siderate nel caso in cui si decida di utilizzare lo stesso software su motoridi¤erenti.

Nel corso dell�analisi approfondita del software si osserverà inoltre come lasuddivisione in parti non sia casuale ma derivi direttamente dall�impostazionedel linguaggio di programmazione LabVIEW che permette ed incoraggia lacreazione di blocchi indipendenti. Tale impostazione permette una facileindividuazione degli errori nonchè la possibilità di sostituire o aggiungeresingoli blocchi senza intaccare il funzionamento dell�intero software. Si ritieneimportante sottolineare questo aspetto generale soprattutto in prospettiva difuturi utilizzi di questo software: la necessità di ricorrere, ad esempio, adalgoritmi di analisi di¤erenti o l�aggiunta di interi blocchi per nuove analisinon ritenute necessarie in questa sede, si traduce nella semplice realizzazionedi singoli blocchi che sostituiranno o si aggiungeranno a quelli già esistenti,il tutto con un notevole risparmio di tempo.

4.2 La gestione dei segnali: Measurement &

Automation

Il software realizzato costituisce un virtual instrument unico che condensatutte le grandezze misurate dagli strumenti reali in un unico �usso che difatto costituisce la grandezza misurata dallo strumento virtuale. Fornisce poiun output costituito da tutte le grandezze misurate o indirettamente ricavatedalle prime. Ancora prima di creare il virtual instrument è necessario quindicreare la sua grandezza misurata o, come essa è chiamata in LabVIEW, unatask.

La task viene creata mediante un apposito software proprietario,Measure-ment & Automation, che costituisce l�interfaccia fra le schede di acquisizionee il virtual instrument. Se la scheda di acquisizione si occupa di tradurrei segnali analogici in digitali, M&A si occupa di identi�carli e canalizzarliall�interno di un insieme di �ussi, la task appunto, che il virtual instrumentcampionerà e acquisirà secondo le necessità richieste dall�utente.

4.2. LAGESTIONEDEI SEGNALI:MEASUREMENT & AUTOMATION39

E� bene considerare alcune proprietà delle task e come esse possono esseretrattate da un virtual instrument.Una task deve contenere segnali che provengano dalla stessa scheda di ac-

quisizione pertanto, come ad esempio nel caso in esame, se i segnali acquisitifanno capo ad n schede di acquisizione saranno necessarie almeno n task. Percomprenderne le ragioni basta pensare che, per ogni task, il virtual instru-ment imposterà i paramentri di campionamento della scheda di acquisizionecorrispondente.Ad una singola scheda di acquisizione possono corrispondere più task

contemporaneamente ognuna contenente tutti o un subset dei segnali chela scheda riceve. L�unico vincolo a tale possibilità discende da quanto dettoprecedentemente: l�assegnazione da parte del vi alla task di speci�ci paramen-tri di campionamento fa sì che una seconda task proveniente dalla medesimascheda non potrà essere acquisita �no alla �ne dell�acquisizione della taskprecedente, questo perchè ogni scheda potrà acquisire con un solo set diparamentri per volta. Da ciò segue che se si ha esigenza di acquisire contem-poraneamente un set di segnali provenienti dalla stessa scheda di acquisizioneessi dovranno essere tutti contenuti nella medesima task e acquisiti con lostesso criterio. Considerare questo fattore è prioritario e ad esso è subordi-nata la scelta delle schede da acquistare poichè la frequenza massima dellascheda dovrà essere ripartita fra i segnali acquisiti contemporaneamente, per-tanto una scheda ottimale per l�acquisizione di un certo segnale può non esserepiù su¢ciente quando dovrà acquisire segnali multipli.Per il caso in esame sono state create due task, corrispondenti alle due

schede utilizzate:

� task pressioni

� 1. Trigger

� 2. 720

� 3. Piezo B

� 4. Anticipo

� task Temperature

� 1. T ambiente

� 2. T scarico


� 3. T motore

� 4. T olio

� 5. p ass

� 6. Lambda

Per il signi�cato di tali segnali rimandiamo ai capitoli precedenti.Saranno quindi questi due �ussi gli input del virtual instrument proget-

tato.

4.3 Schema del software di acquisizione

4.3.1 Descrizione del software: la fase di campiona-

mento

Cominciamo la descrizione del software con la fase più importante: il cam-pionamento. Ai �ni della sperimentazione questa è certamente la fase piùimportante. Questa fase fornisce tutti i dati necessari ai calcoli successivi epertanto deve essere accuratamente progettata per fornire un �usso di datiche sia completo e corretto e che permetta di realizzare facilmente le oper-azioni successive.La fase di campionamento è divisa in sottoblocchi distinti:

� 1. De�nizione dei paramentri di acquisizione;

� 2. Acquisizione vera e propria;

� 3. De�nizione dell�output.

Al primo gruppo si assegna il calcolo di tutti i paramentri necessariall�acquisizione, tenendo in considerazione sia le necessità dell�utente, le richi-este del software e tutte le problematiche concernenti l�acquisizione dei dati.Il risultato di tali calcoli è quindi utilizzado dal secondo sottoblocco permodulare l�acquisizione della propria task input. La terza fase si occuperàsemplicemente di rendere meglio interpretabile il �usso di dati così ottenuto,che a questo punto conterrà l�intero risultato della misura, prima di passarealla successiva manipolazione e al salvataggio.

4.3. SCHEMA DEL SOFTWARE DI ACQUISIZIONE 41

Figura 4.1: Lo strumento virtuale realizzato con LabVIEW

L�interfaccia dello strumento virtuale consente una prima visione dellegrandezze acquisite, si è scelto di realizzare un�interfaccia contenuta in di-mensioni che però permetta di tenere sotto controllo le grandezze critichedella prova: indicatori ben visibili mostrano i livelli di temperatura e une¤etto li risalta ancora di più nel caso in cui i loro valori vadano fuoriscala.

Benchè, di norma, la maggior parte dei parametri di acquisizionerimarranno invariati per l�intera della campagna, essi potranno essere

variati dall�utente secondo necessità. Allo stesso modo è presente una vastascelta di gra�ci che presentano la pressione acquisita in funzione di tempo,angolo di manovella e volume. Questa varietà di presentazioni, del tuttoanaloghe fra loro, non comporta grossi oneri computazionali a fronte dellapossibilità di avere una buona varietà di informazioni da poter leggeredurante la prova stessa. E� possibile poi visionare l�andamento della

pressione media o, se necessario, è possibile utilizzare lo strumento virtuale


come un oscilloscopio che mostri semplicemente l�andamento di p così comeè letto dal sensore di pressione nel tempo.

Figura 4.2: Esempio della mappa dei parametri. Si possono facilmente os-servare le variazioni di anticipo durante lo svolgimento della prova condotta.

E� poi presente un gra�co che illustra l�andamento dei parametri motoris-tici durante la prova, una sorta di mappa della prova stessa che riassumein modo molto chiaro su cosa si è intervenuti per ogni set di pressioni ac-quisito. Per l�attuale prova si è scelto di limitare l�ingombro dello strumentovirtuale e di realizzare un sistema a schede che permetta di passare da ungra�co all�altro senza prevedere visualizzazzioni simultanee. Si è scelto dilavorare così per dare priorità alla compattezza e perchè, dopo aver testatoil software a su¢cienza, si è osservato che visualizzare l�andamento dei para-metri motoristici, piuttosto che i cicli indicati, permette un miglior controllosulla prova, soprattutto per quel che riguarda la comunicazione necessaria fral�utilizzatore del software di acquisizione ed il tecnico che agisce sulla cen-tralina. La creazione di una mappa dei parametri ha permesso all�operatoredella postazionie di acquisizione un feedback immediato sulle modi�che ef-fettuate dalla postazione collegata alla centralina e viceversa. E� chiaro chealtri ambiti potrebbero richiedere necessità di¤erenti, si ricorda tuttavia chesi tratta di mere scelte visive e non computazionali, modi�cabili in qualsiasimomento con semplicità.

4.4. ACQUISIZIONE 43

4.4 Acquisizione

In �gura 4.3 è mostrato un particolare dello schema a blocchi realizzatoin LabVIEW ; si possono osservare i blocchi che realizzano quanto appenaanticipato: l�acquisizione del segnale dall�avvio della prova alla completaacquisizione di un set di n elementi necessari per campionare il numero dicicli desiderato.I collegamenti fra i blocchi rappresentano lo scambio di informazioni fra i

componenti del programma: ogni collegamento costituisce un segnale, ac-quisito, imposto o calcolato, i blocchi possono essere pensati come dellescatole nere che elaborano uno o più segnali in ingresso e forniscono in uscitai risultati dell�elaborazione. Ad ogni blocco è deputata una frazione del cal-colo complessivo, al suo interno sono inserite tutte le operazioni necessarie arealizzare la propria parte di elaborazione e lo scambio di informazioni fra iblocchi permette lo svolgersi delle operazioni di acquisizione.Appare evidente che questa metologia di programmazione permette una

velocità di comprensione ed individuazione degli errori molto elevata ed unapossibilità di organizzazione delle operazioni logiche molto intuitiva. In-dipendentemente dalle complicazioni intrinseche del problema, frazionarel�obiettivo in una serie di piccoli step logici permette di realizzare sistemidi misura anche molto complessi senza rinunciare alla chiarezza.

Per prima cosa il software legge i dati inseriti nel virtual instrument,vi, che forniscono indicazioni sul tipo di acquisizione da e¤ettuare, dannoindicazioni sul numero di dati richiesto e, fondamentali per l�acquisizione,alcuni contengono gli indirizzi logici assegnati ai segnali acquisiti dalla schedadi acquisizione mediante i quali il vi riconosce cosa acquisire.Il primo passo per l�acquisizione è determinare una buona frequenza

di campionamento in base al regime del motore, pertanto la prima oper-azione è la misura della velocità angolare. Il funzionamento di questo bloccosarà chiarito più avanti nella trattazione, al momento basti sapere che sitratta di una versione sempli�cata dell�intera fase di acquisizione che precedel�acquisizione vera e propria.Noto il regime il software dà il via al vero campionamento provvedendo

al calcolo dei corretti parametri di campionamento. Il blocco, in accordocon quanto illustrato, elaborerà i dati fornendo in uscita la frequenza dicampionamento ottimale ed il numero di campioni totale che consenta diacquisire il numero di cicli desiderato.


Figura 4.3: Sezione del software. In evidenza i blocchi deputatiall�acquisizione del segnale.

I dati così elaborati �nora sono inviati al blocco che realizza l�acquisizione.Esso contiene una serie di blocchi built-in nel LabVIEW che consentono diinterfacciarsi alla scheda di acquisizione e di impartire gli ordini necessarialla corretta acquisizione. Osservando Fig 4.4 da sinistra verso destra:

� il blocco DAQmx Timing, sulla base del numero di campioni e della fre-quenza di campionamento precedentemente calcolati, nota la posizionedella task, imposta il timing della scheda.

� il blocco DAQmx Trigger, �ssa l�inizio dell�acquisizione sulla base delsegnale di trigger proveniente dall�encoder angolare. Le modalità nec-essarie al blocco per interpretazione del segnale di trigger, sono note apriori dalle caratteristiche dello strumento di misura a disposizione.

� il blocco DAQmx Read e¤ettua in�ne l�acquisizione sulla base delle im-postazioni precedenti e restituisce una matrice m � ncampioni dove ilnumero di righe m corrisponde al numero di segnali acquisiti contem-poraneamente dalla scheda di acquisizione.

4.4. ACQUISIZIONE 45

� il blocco DAQmx Clear task, in�ne, svuota la memoria contenente latask, in modo che sia pronta per l�acquisizione successiva.

Figura 4.4: Lo schema mostra il contenuto del blocco per l�acquisizione.Ognuno dei blocchi in �gura comunica con la scheda di acquisizione ed in�nerestituisce la matrice di dati che contiene i risultati dell�acquisizione.

Come già anticipato, e¤ettuata l�acquisizione non tutti i dati hanno lostesso destino: alcuni sono funzionali solo alla fase di acquisizione, come iltrigger, e possono essere subito tralasciati, altri dati dovranno essere elaboratisuccessivamenti, altri ancora devono essere registrati per future elaborazioni.Per questi motivi la matrice in uscita dal blocco di acquisizione precedente-mente illustrato è manipolata in un blocco apposito che ha come funzione ilrouting delle informazioni ai loro blocchi di competenza. Come detto, la rigacorrispondente al segnale di trigger è subito eliminata, noto infatti il puntoiniziale dell�acquisizione l�informazione data da questo segnale è ridondantein quanto contenuta anche nel segnale dell�encoder. Quest�ultimo, insieme alsegnale di pressione è indirizzato alle elaborazioni successive. Il segnale dipressione è inviato anche ad un blocco di registrazione che conserva il datogrezzo insieme alla frequenza di campionamento con cui è stato acquisito inun array 1 � ncampioni. Si ha così una copia del segnale di pressione conla massima frequenza possibile nel caso in seguito si volessero eseguire al-tre analisi. Si ricordi che il �le risultante è molto grande poichè contieneun numero di elementi elevato. In�ne il segnale proveniente dal sensore perl�anticipo di accensione è indirizzato al blocco che lo elaborerà.


Figura 4.5: I blocchi di acquisizione dei segnali di temperatura e A/F

I blocchi precedenti si occupano di acquisire i segnali che convergono allascheda di acquisizione �veloce�. La task che contiene i segnali di temperaturae la misura dell�anticipo che convergono nella seconda scheda devono essereacquisiti in una sezione separata seguendo le stesse linee guida appena illus-trate. Le condizioni di acquisizione di¤eriscono dalle precedenti in quantonon è necessario adattare la frequenza di campionamento al regime per nonin correre in errori. è su¢ciente �ssare un numero su¢ciente di campionie un�opportuna frequenza di campionamento per misurare correttamente iparametri della prova.

Non essendo richiesta una precisione elevata, si tratta di parametri pocovariabili o variabili molto lentamente, i dati acquisiti sono mediati ed il lorovalor medio è assegnato per caratterizzare l�interezza della singola acqui-sizione.

4.5. ELABORAZIONE IN REAL TIME 47

4.5 Elaborazione in Real Time

Si è già anticipata la decisione di limitare l�elaborazione in real time al minimoper non appesantire ulteriormente il software, pertanto si è preferito renderetutti i dati acquisiti disponibili ed operare su essi in modo più approfonditoin un secondo momento utilizzando un programma dedicato.

L�obiettivo di questa seconda fase di operazioni è quello di fornire all�utenteuna serie di �les contenenti una matrice di pressioni con la risoluzione an-golare scelta. L�esecuzione singola delle routines descritte equivale infattiall�acquisizione dim cicli di pressione corrispondenti ad una �ssata condizionedi funzionamento, il calcolo del ciclo medio e la misura delle condizioni a con-torno alla prova (regime, anticipo, dosatura, temperature, dati ambiente) ela realizzazzione di una matrice che contenga tali dati.

Un passo ulteriore è quello di ripetere continuamente l�esecuzione delleistruzioni in modo da ottenere un software che monitori e registri una provacompleta in un singolo �le, che va intesa come l�acquisizione di cicli dipressione ottenuti variando un singolo parametro di funzionamento e las-ciando costanti gli altri parametri. Il risultato registrato sarà quindi un�unicamatrice-prova costituita dalle matrici singole che si ottengono dalle singoleripetizioni del programma. La matrice-prova contiene tutti i dati necessariper le successive elaborazioni ed è realizzata in un formato elaborabile dallamaggior parte dei software di analisi in commercio.

In 4.6 sono mostrati i blocchi delegati alla maggior parte di quanto appenadescritto. Da sinistra a destra:

� Sub crea matrice: confronta il segnale dell�encoder e quello del sensoredi pressione e campiona solo i dati in corrispodenza degli angoli dimanovella. Il blocco calcola anche la velocità angolare.

� Sub anticipo: con un metodo simile al blocco precedente individuain corrispondenza di quale angolo di manovella si veri�ca il picco delsegnale letto dal sensore che misura l�anticipo di accensione.

� Sub Ciclo Medio: calcola il ciclo medio come de�nito precedentementee crea una matrice di m + 1 colonne contenenti il ciclo medio e gli mcicli acquisiti.


Figura 4.6: Sezione del programma di acquisizione: i blocchi per l�analisi inReal Time

Il procedimento sfrutta la funzione di LabVIEW Threshold peak detectorapplicata al segnale proveniente dall�encoder. Si è già discusso della caratter-istica forma del segnale di tensione dell�encoder. Esso è un�onda quadra conun picco di intensità nota che si veri�ca quando il sensore passa attraverso letacche graduate che corrispondono alla risoluzione della misurazione. Perchèfunzioni in modo corretto, il blocco thereshold peak detector richiede infattila completa caratterizzazione del tipo di segnale analizzato:

� un valore dell�intensità di tensione che identi�chi quando si veri�ca concertezza il picco (nel caso in esame si è scelta una soglia di poco inferioreal picco rilevato osservando il segnale nell�oscilloscopio);

� indicazioni sulla �larghezza� del picco: ossia il numero di campioni con-secutivi durante i quali il segnale si trova ancora al di sopra del valoredi picco, informazione che impedisce al blocco di contare per errore piùdi un picco per ogni intervallo r#.

Il blocco fornisce in uscita gli indici corrispondenti alle posizioni dei picchiall�interno dell�array di dati analizzato e, se richiesto, il numero complessivodi picchi validi rilevati.

4.5. ELABORAZIONE IN REAL TIME 49

Figura 4.7: Blocco per il passaggio da p(t) a p(#) mediante l�uso della fun-zione Threshold peak detector (a sinistra nell�immagine)

Nel presente lavoro la risoluzione dell�encoder può essere scelta fra Ris 2f1;0; 5g, nota la risoluzione, in gradi, e noti gli indici è su¢ciente leggerenell�array che contiene le pressioni soltanto i valori corrispondenti agli indiciappena trovati per conoscere ciclo per ciclo gli n = 720

Risvalori di pressione

corrispondenti ai valori da 0 a 4��Ris di angolo di manovella presi con passopari alla risoluzione. Gli indici ottenuti, inoltre, possono essere usati perconoscere il tempo impiegato da ogni ciclo e quindi per calcolare la velocitàangolare corrispondente durante lo stesso.Come precedentemente anticipato, la velocità angolare del motore è un

dato iniziale necessario per acquisire correttamente. Quanto visto �nora èstato compresso in un blocco che calcola tutto quanto il necessario per il cal-colo della velocità omettendo tutti i calcoli non indispensabili a quest�unicoscopo. Tale blocco si trova a monte di tutte le operazioni e di¤erisce daquanto appena illustrato perchè, riesce a calcolare la velocità angolare in-dipendentemente dalla frequenza di campionamento con cui acquisisce e dalnumero di punti acquisiti.All�interno del blocco è inoltre inserita una routine di controllo che si

accerta che il trigger abbia fornito il corretto valore di angolo di manovella.Il trigger è impostato in modo da attivarsi in corrispondenza del PMS, inun ciclo però il PMS è attraversato due volte, una in compressione ed unain aspirazione. In questo caso si è deciso che tutti i cicli dovranno iniziare apartire dal PMS in aspirazione e pertanto la routine si occupa di veri�careche questo sia vero per ogni acquisizione e, nel caso non sia così, di agiredi conseguenza non considerando il primo mezzo ciclo letto e l�ultimo mezzo


ciclo. E� bene sottolineare che tale intervento non in�cia con l�acquisizione edin nessun caso ci si troverà ad acquisire meno cicli di quanto richiesto poichèsi prevede già di acquisire sempre un ciclo in più di quanto richiesto nel casoin cui (ad esempio durante i transitori) i punti acquisiti non siano su¢cientia garantire la richiesta dell�untenza.

Figura 4.8: L�andamento nel tempo dei segnali in tensione del sensore dipressione in camera di combustione e (in basso) del sensore per l�anticipo diaccensione.

Un procedimento simile a quello utilizzato per determinare p(#) si applicaper determinare l�angolo di anticipo. Il sensore fornisce un segnale di ten-sione in corrispondenza dell�istante in cui la bobina che alimenta la candelascarica innescando l�accensione. Poichè il segnale dell�anticipo è contenutonella stessa task di encoder e sensore di pressione, varranno le stesse consid-erazioni: il segnale di anticipo sarà sempre un array delle stesse dimensionidegli altri. Determinando il picco del segnale analogamente al caso precedentee confrontandolo con il vettore dei picchi dell�encoder si potrà determinarel�angolo di manovella nel quale avviene l�accensione. Il confronto avviene inquesto modo:

4.6. VISUALIZZAZIONE E SALVATAGGIO DEI DATI 51

� Si legge nell�array dei picchi del segnale l�elemento i corrispondenteall�indice del picco dell�i-esimo ciclo;

� si cerca mediante una funzione apposita in quale posizione dell�arraydei picchi dell�encoder si trova l�indice più prossimo a quello trovatonell�array dell�anticipo.

� l�indice j dell�elemento trovato permette di risalire all�angolo in cuiavviene la scarica della candela:

ant = 360� jmod

�

720

Ris

�

dove ant è l�anticipo di accensione rispetto al PMS in combustione eamod b è l�operazione che fornisce il resto della divisione intera fra a eb.

� Si ripete l�operazione per ogni i.

4.6 Visualizzazione e salvataggio dei dati

Terminate tutte le operazioni di acquisizione e trattamento dati, i risultatisono inviati agli indicatori del virtual instrument per la visualizzazione im-mediata dei risultati. Si costruisce in�ne una matrice riassuntiva dell�interaprova il cui eventuale salvataggio è deciso dall�operatore mediante le appo-site maschere nel vi. La matrice riassuntiva risulta dalla composizione unadi seguito all�altra delle n matrici delle n acquisizioni che costituiscono lasingola intera prova, le singole matrici sono così costituite:

� per colonne:

� la prima colonna costituita dai gradi di manovella da 0 a 2��Ris;

� la seconda colonna rappresentante il ciclo medio degli m cicli ac-quisiti;

� le colonne 3�m+ 3 ognuna contenente i singoli cicli acquisiti.

� Per righe:


� le prime otto righe contenenti le condizioni a contorno della prova�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

regimeanticipoA/F

p ambienteT ambienteT scaricoT motoreT olio

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

� le righe 9 ��

9 + 720Ris� 1�

contengono i valori di pressione in cor-rispondenza degli angoli di manovella.

Il �le di testo risultante è univocamente individuato dal nome che rispec-chia le condizioni della prova:

nome : xxx_yy_zzz

xxx : carico� 100

yy : regimer 100

zzz : A=F � 100

4.7 Post-elaborazione dei dati

Per l�analisi successiva dei dati si è realizzato un secondo virtual instrumentnel quale sono implementati i modelli per il calcolo del rilascio di calore e pereventuali altre elaborazioni. Il software appare simile a quello di acquisizionetranne per la mancanza dei blocchi di acquisizione e per la fase di primaelaborazione che, essendo già stata svolta a valle dell�acquisizione, non ènecessario ripetere.I comandi del vi consentono di scorrere i �les di prova selezionati visual-

izzando le singole acquisioni che li costituiscono ed in esse i singoli cicli chele costituiscono. Il software, per prima cosa crea un gra�co della prova sulquale un indicatore mostra che punto della prova sta per essere visualizzatodall�utente.Di ognuno dei cicli contenuti nel documento il software calcola laMFB e

la funzione @Qco@#

che calcola la variazione del rilascio di calore nel corso della

4.7. POST-ELABORAZIONE DEI DATI 53

combustione. Di queste due funzioni si calcolano alcuni indicatori: gli angoli#d e #b, di cui si è già discusso, l�angolo per cui la frazione di massa combustavale 50% e l�angolo per cui è massima la derivata @Qco

@#. Questi due angoli

sono molto importanti poichè ad essi ci si riferisce in fase di calibrazione perindividuare la fasatura ottimale.

Figura 4.9: Andamento della pressione, MFB e dQco di un singolo ciclocampionato. Benzina B, 4500 rpm, dosatura 0; 9, anticipo 21; 5. Prova 33=60Ciclo 3=50.


Il vi per l�analisi dei dati fornisce in�ne una serie di �les già elaboraticontenenti gli andamenti del rilascio di calore e l�interezza dei parametrisigni�cativi calcolati sui dati di pressione originali. Si e¤ettua un calcolo dellapressione media indicata, degli angoli caratteristici della combustione (incorrispondenza di MFB 10, 50 e 90%). E¤ettua inoltre un�analisi statisticasulla dispersione dei dati di pressione massima, pressione media indicatae sugli angoli calcolati, per condurre studi sulla dispersione ciclica e sullavariazione delle prestazioni.

Figura 4.10: Andamento della pressione, MFB e dQco di un ciclo medio.Benzina B, 4500 rpm, dosatura 0; 9, anticipo 21; 5. Prova 33=60.

4.7. POST-ELABORAZIONE DEI DATI 55

Nelle �gure 4.9 e 4.10 si osserva un esempio dei risultati ottenuti. Inparticolare si è scelto di mostrare una prova in cui la detonazione è moltoaccentuata. Si osservi come il singolo ciclo presenti forti oscillazioni special-mente presenti durante la fase di combistione. Tali oscillazioni sono dovuteprincipalmente alla presenza della detonazione nell�intervallo fra il 70% edil 90% di massa bruciata. Si può osservare nel secondo gra�co come il timeaveraging operato nei cicli medi attenui tutti i fenomeni ad alta frequenzae mostri un ciclo più pulito. Si osserva tuttavia che la funzione @Qco

@#calco-

lata sul ciclo medio mostra chiaramente la presenza di forti variazioni nellafunzione di rilascio del calore dovute principalmente alla presenza di unadetonazione molto marcata che si veri�ca sulla maggior parte dei 50 cicli suiquali è stato calcolato il ciclo medio.

Capitolo 5

Prove

5.1 Introduzione

Le prove sui carburanti sono state svolte nell�arco di un anno: le primeprove sono state svolte con una normale benzina commerciale, fornita dalcommittente, con lo scopo principale di testare il programma di acquisizione edi determinare un�ottima impostazione della campagna di prove sui campioniche sarebbero stati forniti successivamente.

I carburanti testati sono stati sia miscele di¤erenti di possibili benzinecommerciali (denominate A, B, C, D, E) e di alcuni surrogati (A1, A2, D1,D2), composti più semplici, inviati dal committente per scopi di¤erenti dallacommercializzazione ma piuttosto per semplici indagini sugli e¤etti dei lorocomponenti sul comportamento del motore. In questo studio, l�analisi è peròstata focalizzata sulle benzine, il cui comportamento complessivo è di maggiorinteresse pratico. Per tali benzine il committente non ha fornito le compo-sizioni ma i soli valori di numero di ottano, sia per quel che riguarda il RON(Research octane number) che il MON (Motor octane number).

A di¤erenza delle comuni sale prove, la sala prove del Politecnico di Mi-lano non permette lo stoccaggio simultaneo di diverse benzine. Per problem-atiche legate allo spazio disponibile ed alle quantità massime gestibili in totalesicurezza, le prove sono state distribuite in un arco di tempo più lungo in re-lazione alle tempistiche di consegna ed alla successiva organizzazione dei test.Bisogna sottolineare che generalmente è comune, in ambiti non didattici, chele sale prova siano attrezzate per la gestione contemporanea di più com-bustibili. E� possibile così eseguire campagne sperimentali in un periodo di

57

58 CAPITOLO 5. PROVE

tempo più breve, sfruttando inpianti che permettano di testare combustibilidi¤erenti in successione. Il principale vantaggio di tale impostazione, chiara-mente non di facile attuazione in una sala prove di dimensioni più contenute,è quello di riuscire a poter trascurare i fattori ambientali (come la pres-sione e la temperatura ambiente) fra le fonti di incertezza. E� chiaro che nelconfronto fra le di¤erenti prove svolte su altrettanti combustibili sarà semprebene tenere a mente che eventuali di¤erenze nelle prestazioni dovranno essereattentamente valutate cercando di scindere gli e¤etti propri del combustibiledalle eventuali condizioni ambientali più o meno favorevoli in cui la singolaprova è stata svolta.

Questa problematica è stata considerata e si è cercato di rendere piùoggettive le prove considerando parametri più attendibili. Si è pertanto sceltodi considerare come parametro indicativo delle prestazioni la pmi delle singolebenzine riferita al valore massimo della pmi per una benzina scelta comeriferimento (nel nostro caso la E).

BenzineA B C D E

RON 98; 3 100; 4 100; 5 99 95; 2MON 88; 2 88; 6 88; 2 87; 5 85; 2

5.2 Piano delle prove

Ogni campagna di prove è stata piani�cata come mostrato nella seguentetabella:

5.2. PIANO DELLE PROVE 59

Piano delle proveCarico [%] regime [rpm] A/F #ant [Deg]

100 1500� 6000 da centralina da centralina

1500100 3000 0; 9 variabili

45001500

70 3000 1 variabili45001500

50 3000 1 variabili4500

Ogni prova ha inizio con un breve riscaldamento del motore utilizzandouna normale benzina commerciale. La determinazione delle migliori con-dizioni di funzionamento del motore è stata stabilita monitorando le temper-ature �no a che non esse non hanno raggiunto i valori ottimali. Si provvedesuccessivamente all�inserimento nel circuito di alimentazione della benzinain analisi stimando un intervallo di tempo per il quale si è certi che tuttala benzina per il riscaldamento che ancora si trova nei condotti sia stataconsumata.La prima prova si svolge a motore in condizioni di normale funzionamento.

La centralina è settata in modo che funzioni seguendo la normale mappa difunzionamento stabilita dal costruttore. Si costruisce la curva di coppia delmotore a pieno carico variando gradualmente il regime da 1500 a 6000 rpm.ed acquisendo i cicli di pressione corrispondenti.Si procede dunque con le prove di detonazione.a pieno carico. La deton-

azione è rilevata sia mediante il sensore accelerometrico proprio del motore,sia individuando il rumore metallico tipico del fenomeno. A valle delle prove,inoltre, la detonazione è immediatamente individuabile dalle irregolarità dellecurve di pressione in prossimità del picco di pressione dei cicli. Tale fenom-eno, quando è alla sua massima espressione, appare chiaramente su tutti icicli acquisiti. Esso diviene anche più evidente quando si osservano gli anda-menti della MFB e del @Qco

@#.

La prova di detonazione si svolge mantenendo regime, carico e A/F costantie variando l�anticipo di accensione da valori molto bassi (anche oltre il PMS) a


valori abbastanza alti da garantire una detonazione presente nella quasi total-ità dei cicli e tornando poi nuovamente ad anticipi bassi. La prova è ripetutanei tre regimi mostrati in tabella e per i carichi 100% e 70%. La prova sicompleta acquisendo anche dei cicli a carico 50% impostando l�anticipo alvalore standard.Una considerazione va fatta a proposito dei rapporti aria combustibile

(A/F) scelti per le prove di detonazione. Poichè il proposito della prova è diindagare il comportamento del motore in condizioni di funzionamento plau-sibili, è chiaro che testare un motore a pieno carico, quando infatti l�obiettivoè ottenere potenze elevate, con A/F diversi da quello ricco sarebbe senz�altropossibile ma di limitato interesse pratico. Pertanto si comprende per qualemotivo non si sia ritenuto necessario ripetere le prove di detonazione al 100%per altri valori di dosatura. Allo stesso modo si è scelto un A/F stechiomet-rico nel caso del funzionamento al carico parziale.

Figura 5.1: Esempio dei valori di tensione rilevati dal sensore di detonazioneproprio del motore.

Per avere un quadro completo delle condizioni di detonazione dei com-bustibili studiati ci si è riferiti anche ai dati registrati direttamente dallacentralina. Poichè tali dati sono stati acquisiti ed elaborati da un consulente

5.2. PIANO DELLE PROVE 61

esterno, e non sono argomento del presente lavoro, ci si limiterà a mostrarneun esempio e ad illustrare il criterio utilizzato per distinguere le condizionidi innesco della detonazione.Come si osserva in Figura 5.1, il sensore di vibrazione presenta un rumore

di fondo anche se chiaramente non si è ancora in condizioni di detonazione(in �gura è anche evidenziato l�anticipo standard del motore per il qualesi è certi dell�assenza di ogni fenomeno detonante). Si assume con buonaapprossimazione che l�inizio di una detonazione �udibile� si veri�ca quandol�intensità registrata dal sensore è pari al doppio del rumore di fondo.Utilizzando tale criterio si sono analizzati i gra�ci della centralina per

tutte le condizioni di funzionamento illustrate e si sono tabellati gli anticipiper cui la detonazione diventa udibile.

Anticipi base100% 70%

1500 3000 4500 1500 3000 4500Motore 7,5 18 18 13 19 24

Detonazione udibileA 98/88 16 no det. 25 20 no det. 26B 100/88 18 no det. 22,5 22 no det. 27C 100/88 20 no det. 24,5 no det. no det. no det.D 99/87 15 24 19 20 no det. 25E 95/85 14 22 19,5 18 27 23

Si può osservare come sia possibile che per alcune benzine in alcune con-dizioni di funzionamento non si veri�chino condizioni prossime alla deton-azione. Questo comportamento è stato confermato dall�analisi delle curve dipressione che in alcune condizioni di funzionamento mostrano l�assenza difenomeni detonanti di intensità apprezzabile, come ad esempio la presenzadi detonazione solo in pochi cicli fra tutti quelli acquisiti.Un�ulteriore annotazione sull�anticipo è necessaria per comprendere cor-

rettamente lo studio condotto. Mentre i dati registrati dalla centralinatengono conto del valore di anticipo �ssato dal costruttore o da terminalemediante centralina aperta, l�anticipo acquisito in LabVIEW è ottenuto incorrispondenza dell�e¤ettiva scarica della candela ed ha pertanto un valoredi¤erente dal primo. Non essendo stato possibile, per ragioni di tempo, con-durre uno studio esteso sul rapporto fra l�anticipo letto e quello impostato, enon essendovi evidenze che la di¤erenza fra i due valori sia in qualche modo


costante (sebbene esista una corrispondenza ben evidente di come le vari-azioni di anticipo impostate si ri�ettano su quello letto in acquisizione) èbene tenere a mente che i dati prima tabellati e i dati che in seguito verrannomostrati sono soggetti a tale di¤erenza. Si è però scelto di mostrare anchei primi per dare un�indicazione di massima su quali siano state le e¤ettiveimpostazioni della centralina durante le prove.

5.3 Risultati

I dati ottenuti sono stati elaborati in modo da ottenere i parametri più sig-ni�cativi per lo studio dei combustibili esaminati.Una prima analisi è stata svolta sulla pmi. Per cercare di rendere i risultati

meno in�uenzati dalle di¤erenti condizioni ambientali alle quali sono statesvolte le prove si è utilizzato un valore di pmi normalizzato.Fissata la benzina di tipo E come combustibile di riferimento si è de-

terminato il valore pmiEmax come il valore massimo di pmi ottenuto per labenzina E al variare dell�anticipo. Tutti i valori di pmi saranno riferiti a talevalore secondo la:

pminorm;i;ant =pmii;#antpmiEmax

(5.1)

dove pmii;#ant è il generico valore di pmi valutato in corrispondenza dell�anticipo#ant per una benzina di tipo i

Dai gra�ci si osserva che tutte le benzine si comportano con un andamentoabbastanza simile fra loro. In particolare le benzine 100 ottani (B e C) sicollocano qualche punto % al di sopra delle altre in termini di prestazioni.Tutte le benzine presentano un comportamento crescente �no ad un valoredi anticipo oltre il quale le prestazioni non aumentano in modo signi�cativo.In particolare la benzina D è la prima a raggiungere questo stato stabile equindi sembrerebbe di poca utilità spingersi su anticipi più ampi utilizzandoquesta benzina.Sempre ricordando che si tratta di aumenti contenuti si può certamente

assumere che l�utilizzo dei carburanti C e B consente di poter ottenere unlieve miglioramento in termini di prestazioni sia in virtù della loro maggioreresistenza a detonazione che consente anticipi maggiori, sia a fronte di pmi

5.3. RISULTATI 63

pmi vs ant 1500 rpm

0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

0,75

0,8

0,85

0,9

0,95

1

1,05

1,1

-10 -5 0 5 10 15 20 25anticipo [Deg]

pm

i n

orm

E

E 95/85

A 98/88

D 99/87

C 100/88

B 100/89

Figura 5.2: Andamento della pmi normalizzata in funzione dell�anticipo perle benzine analizzate a 1500 rpm.

registrate che si mantengono sistematicamente superiori alle quelle calcolateper le altre benzine.Si è poi scelto di eseguire sulle pmi delle benzine una seconda normaliz-

zazione, stavolta considerando come valore di riferimento per una determi-nata benzina il suo valore di pmi massima.

pminorm;i;ant =pmii;#antpmii;max

(5.2)

Gli andamenti permettono considerazioni interessanti per quanto riguardala scelta di un anticipo ottimale. I gra�ci seguenti mostrano le curve dipmi in funzione dell�anticipo nella loro parte �nale fra l�anticipo ottimo e lecondizioni di detonazione.Si osserva come al crescere dell�anticipo si raggiunge un picco di pmi at-

torno al quale le variazioni massime di prestazione sono dell�ordine del 1-3%.Questo consente un ampio margine di scelta per l�anticipo ottimale senzavistose perdite in termini di prestazione. Si nota poi un notevole peggiora-mento delle prestazioni ad alti anticipi delle benzine D ai bassi regimi ed Eagli alti regimi. Tali riduzioni erano già state osservate in precedenza nelle�gure 5.2 e 5.4 nel confronto fra le benzine normalizzate secondo la benzina


pmi vs ant 3000 rpm

0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

0,75

0,8

0,85

0,9

0,95

1

1,05

1,1

-5 0 5 10 15 20 25 30anticipo [Deg]

pm

i n

orm

E

E 95/85

A 98/88

D 99/87

C 100/88

B 100/89


di riferimento. Si può quindi giusti�care tale di¤erenza di prestazioni con-siderando che proprio verso gli anticipi per cui le altre benzine raggiungonoi loro valori ottimali di pmi, le benzine D ed E si trovano in una posizione incui l�anticipo eccessivo causa un signi�cativo decremento delle prestazioni.Come già anticipato, si sono osservati anche gli andamenti della MFB e

sono stati rilevati gli angoli per i quali si registra una MFB pari al 10%, 50%e 90%. Per i regimi studiati e per le benzine si è osservato l�andamento, infunzione dell�anticipo, della grandezza:

#50% � #d (5.3)

ossia di quell�arco di manovella per cui si è passati dal 10% di MFB al 50%.La scelta di questa grandezza è stata dettata dall�interesse a valutare unadistanza angolare che non sia in�uenzata dalla fase di incubazione. Infattipartendo dal �ame development angle, che indica il 10% di massa bruciatasi può ritenere completamente terminata la fase di incubazione. Allo stessomodo si è deciso di considerare come secondo estremo #50% poichè così lamisura non sarà a¤etta dalla presenza della detonazione, che si veri�ca pervalori di MFB raramente inferiori all�80%.

5.3. RISULTATI 65

pmi vs ant 4500 rpm

0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

0,75

0,8

0,85

0,9

0,95

1

1,05

1,1

0 5 10 15 20 25 30anticipo [Deg]

pm

i n

orm

E

E 95/85

A 98/88

D 99/87

C 100/88

B 100/89


I gra�ci mostrano un aumento signi�cativo della velocità di combustionein funzione dell�anticipo ai 1500 rpm, si ha un aumento molto contenutoai 3000 rpm e in�ne a 4500 rpm un comportamento più stabile che sembraindicare che in termini di velocità di combustione non si abbiano particolaribene�ci all�aumentare dell�anticipo. E� importante considerare anche che aregimi elevati la velocità di combustione è in�uenzata più dalle turbolenzepresenti, che diventano più signi�cative al crescere del regime, è pertantogiusti�cabile che l�aumento di velocità di combustione si apprezzi di più aregimi bassi.Inoltre, tutti i carburanti sperimentati si assestano tutti su valori poco di-

versi fra loro, perciò non sembrerebbe esserci un carburante con una miglioreprestazione in termini di rapidità di combustione.Tali gra�ci sono stati ricalcolati considerando stavolta anche la fase di

incubazione.

Per tutti e tre i regimi i carburanti hanno pressochè lo stesso andamento,si assestano tutti ad un valore costante dell�arco di manovella che segna ilpercorso dall�innesco della scintilla �no al 50% della MFB.


pmi vs ant 1500 rpm

0,9

0,91

0,92

0,93

0,94

0,95

0,96

0,97

0,98

0,99

1

-10 -5 0 5 10 15 20 25anticipo [Deg]

pm

i n

orm

E

E 95/85

A 98/88

D 99/87

C 100/88

B 100/89

Figura 5.5: Andamento della pmi normalizzata in funzione dell�anticipo. Lanormalizzazione è stata realizzata considerando come valore di riferimento ilmassimo valore di pmi di ciascuna benzina. Regime 1500 rpm.

Un altro fattore signi�cativo ricercato è l�eventuale stabilità della com-bustione. In particolare si è valutata la dispersione ciclica osservata durantele acquisizioni. I dati �nora mostrati sono valori medi relativi ad un ciclomedio ricavato dall�acquisizione di 50 cicli consecutivi. Sono state analizzatele medie e le deviazioni standard delle grandezze valutate nel tentativo diidenti�care una maggiore o minore dispersione dovuta ai diversi combustibili.I gra�ci che seguono indicano la dispersione della massima pressione in

camera di combustione, valutati sempre a regime costante per diversi valoridell�anticipo.

Si nota una dispersione crescente col regime, �no ad arrivare a forti devi-azioni ai 4500 rpm per alti anticipi prevalentemente dovuti alla presenza diforti e persistenti fenomeni di detonazione ad anticipi elevati. Considerandole tendenze medie delle distribustioni di punti ottenute si nota un�inversionedi tendenza legata al MON più che al RON. SI osserva che i combustibilia più basso numero di ottani hanno ad alti regimi dei valori di dispersionemediamente inferiori rispetto agli altri combustibili.

5.3. RISULTATI 67

pmi vs ant 3000 rpm

0,9

0,91

0,92

0,93

0,94

0,95

0,96

0,97

0,98

0,99

1

-5 0 5 10 15 20 25 30anticipo [Deg]

pm

i n

orm

E

E 95/85

A 98/88

D 99/87

C 100/88

B 100/89


In conclusione non sembrerebbe esserci un combustibile migliore in as-soluto fra quelli sperimentati. Certamente le misure della pressione mediaindicata mostrano un primato dei combustibili a più altro numero di ottanoche si aggiungono agli indubbi pregi in materia di resistenza alla detonazione.Tuttavia tali evidenze non sono state confermate dalle successive analisi las-ciando alcuni dubbi sull�entità dell�errore dovuto alle variabili condizioni am-bientali fra le diverse prove.E� bene inoltre ricordare che studi del genere non possono essere total-

mente completi. Carburanti potenzialmente migliori, infatti, non possonoessere sfruttati al massimo quando vengono utilizzati su un motore ottimiz-zato per altri valori di numero di ottano. Il confronto possibile è per taliragioni limitato più alle loro caratteristiche di resistenza alla detonazione chenon a signi�cativi aumenti di prestazioni che sarebbero evidenti solo qualorasi utilizzassero motori di prova ottimizzati per questi ultimi. E� stato infattidimostrato che i carburanti provati permettono certamente pari prestazionia fronte di anticipi inferiori e quindi inferiori condizioni di stress termico emeccanico.


pmi vs ant 4500 rpm

0,9

0,91

0,92

0,93

0,94

0,95

0,96

0,97

0,98

0,99

1

0 5 10 15 20 25 30anticipo [Deg]

pm

i n

orm

E

E 95/85

A 98/88

D 99/87

C 100/88

B 100/89


1500 rpm

0

5

10

15

20

-10 -5 0 5 10 15 20 25anticipo [Deg]

ϑ50%

- ϑ10%

E 95/85

A 98/88

D 99/87

C 100/88

B 100/89

Figura 5.8: Andamento dell�intervallo angolare fra MFB 10% e 50% al variaredell�anticipo per le benzine analizzate a 1500 rpm.

5.3. RISULTATI 69

3000 rpm

0

5

10

15

20

25

30

-5 0 5 10 15 20 25 30anticipo [Deg]

ϑ50%

- ϑ10%

E 95/85

A 98/88

D 99/87

C 100/88

B 100/89

Figura 5.9: Andamento dell�intervallo angolare fra MFB 10% e 50% al variaredell�anticipo per le benzine analizzate a 3000 rpm.

4500 rpm

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 5 10 15 20 25 30anticipo [Deg]

ϑ50%

- ϑ10%

E 95/85

A 98/88

D 99/87

C 100/88

B 100/89

Figura 5.10: Andamento dell�intervallo angolare fra MFB 10% e 50% al vari-are dell�anticipo per le benzine analizzate a 4500 rpm.


1500 rpm

0

5

10

15

20

25

30

35

40

-10 -5 0 5 10 15 20 25anticipo [Deg]

ϑ50%

E 95/85

A 98/88

D 99/87

C 100/88

B 100/89

Figura 5.11: Andamento dell�intervallo angolare dall�anticipo rilevato a MFB50% per le benzine analizzate a 1500 rpm.

3000 rpm

0

5

10

15

20

25

30

35

40

-5 0 5 10 15 20 25 30anticipo [Deg]

ϑ50%

E 95/85

A 98/88

D 99/87

C 100/88

B 100/89


5.3. RISULTATI 71

4500 rpm

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 5 10 15 20 25 30anticipo [Deg]

ϑ50%

E 95/85

A 98/88

D 99/87

C 100/88

B 100/89


σ vs anticipo 1500 rpm

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

-10 -5 0 5 10 15 20 25anticipo [Deg]

σ p

ma

x

E 95/85

A 98/88

D 99/87

C 100/88

B 100/89

Figura 5.14: Dispersione della pressione massima in camera in funzionedell�anticipo. Regime 1500 rpm.


σ vs ant 3000 rpm

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

-5 0 5 10 15 20 25 30anticipo [Deg]

σ p

ma

x

E 95/85

A 98/88

D 99/87

C 100/88

B 100/89


σ vs ant 4500 rpm

2

3

4

5

6

7

8

9

0 5 10 15 20 25 30anticipo [Deg]

σ p

ma

x

E 95/85

A 98/88

D 99/87

C 100/88

B 100/89


Capitolo 6

Conclusioni e commenti

6.1 Commenti

Nel corso del presente lavoro l�obiettivo principale è stato quello di realiz-zare un set di strumenti che permettesse di a¤rontare con completezza leproblematiche dello studio sperimentale della coppia motore-combustibile.

E� stato realizzato un sistema di misura completo per studiare la termod-inamica e le prestazioni di un motore a combustione interna. I calcoli svolti,basati su metodologie universalmente utilizzate per lo studio dei motori adaccensione comandata, permettono sia un rapido excursus delle principalicaratteristiche del motore sia un set di dati completo per l�utilizzo dei datiottenuti in modelli di ra¢natezza crescente.

Si è cercato di rendere disponibile un software versatile da applicare siaalla didattica che a future applicazioni sperimentali. Sono state suggeriteimplementazioni per studi più approfonditi del fenomeno della detonazione,attualmente visto più in termini qualitativi.

Sono state determinate delle grandezze di interesse per il problema dell�analisied il confronto dei carburanti. In particolare si sono studiate le prestazioni ele caratteristiche termodinamiche dei carburanti forniti e sono state mostratealcune metodologie di confronto che hanno fornito un chiaro strumento perlo studio della combustione nei motori ad accensione comandata.

Una strada futura da intraprendere è certamente legata all�ottimizzazionedelle modalità di prova. In particolare l�esperienza acquisita nel presente la-voro suggerisce di svolgere tali ottimizzazioni in due direzioni: un aumentodella capacità di stoccaggio ed una �essibilità degli impianti tale da perme-

73

74 CAPITOLO 6. CONCLUSIONI E COMMENTI

ttere test più rapidi da poter svolgere in periodi di tempo molto brevi, unmiglioramento dell�hardware di acquisizione che permetta e di integrare piùsegnali come eventuali accelerometri per l�individuazione della detonazione,ulteriori sensori di pressione per studiare contemporaneamente più cilindridello stesso motore, un interfaccia che permetta di acquisire direttamenteanche i dati provenienti dai sensori montati sul freno dinamometrico, il tuttoper consentire una rapidità di acquisizione ancora più rapida.

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