Sistemi di misura e utilizzo del segnale di pressione...

1

Sperimentazione e calibrazione di mci M – AA 2012-2013

Sistemi di misura e utilizzo del segnale di pressione rilevato nei Sistemi di misura e utilizzo del segnale di pressione rilevato nei cilindri di un motore a combustione internacilindri di un motore a combustione interna

2

Motivazioni per la misura della pressione indicata nei m.c.i.

• Determinazione della coppia indicata

• Determinazione della coppia spesa per attrito e per la movimentazione degli ausiliari

• Legge di rilascio del calore

• Determinazione durata della combustione

• Valutazione della dispersione ciclica (picco di pressione e gradiente massimo di pressione)

• Diagnosi della detonazione

• Valutazione A/F miscela che brucia

• Stima della massa di miscela intrappolata in camera di combustione

• ...

3

MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.

Sensori di pressione in camera di combustione

L’indicatore di Watt (L’indicatore di Watt (17961796) – andamenti grafici della p=p(V)) – andamenti grafici della p=p(V)

4



Sensore piezoelettrico non raffreddato

Sensore piezoelettrico raffreddato

Amplificatore Chassis

5


Sensori di pressione piezoelettrici in camera di combustione – candele strumentate

(grado termico)(grado termico)

6


Sensori raffreddati Sensori non raffreddati

Shock termico ridottoper il raffreddamentodella membranadel sensore

Possibilità del montaggioall’interno di una candelaappositamente strumentata

Difficoltà nel posizionamentoe montaggio del sensoreall’interno della cameradi combustione

Shock termici più elevati


7

MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.Analisi della catena di misura basata su trasduttore piezoelettrico

Sensore Piezoelettrico Sensore Piezoelettrico generatore di corrente generatore di corrente (si devono considerare anche la resistenza e la capacità del cavo coassiale)(si devono considerare anche la resistenza e la capacità del cavo coassiale)

q i pQ k x k p

0q i

a a

k xQe

C C

p

dQ t dp ti t k

dt dt

Sensore Piezoelettrico + Cavo + Amplificatore di CaricaSensore Piezoelettrico + Cavo + Amplificatore di Carica

8


_+

1

2

4

3

8

7

5

6

V- Non-inverting input

Inverting input

V+

Output

9


Dalla condizione di corto-circuito virtuale, eDalla condizione di corto-circuito virtuale, e+ + = e= e-- = 0 = 0 le correnti che attraversano Rle correnti che attraversano Rtt e C e Ctt sono nulle sono nulle

schema semplificato della catena di misura:schema semplificato della catena di misura:

Applicando il principio di Kirchoff al morsetto invertente:Applicando il principio di Kirchoff al morsetto invertente:

0 0 0ca p C R

dp t dq e de ei k i i C

dt dt R dt R

0 0

p p

de edp C

dt k dt R k

0 0 0

1 1

p p p

C C RCjP j E j E j E j

k R k j k RCj

Trasformando secondo Fourier:Trasformando secondo Fourier:

0 0

0

10

t

p p

Cp t e t e d p

k R k

10


Si ottiene quindi la seguente funzione di trasferimento G(jSi ottiene quindi la seguente funzione di trasferimento G(j), tipica di un filtro ), tipica di un filtro passa-alto, con costante di tempo passa-alto, con costante di tempo = RC [s] (frequenza di taglio = 1/(2 = RC [s] (frequenza di taglio = 1/(2RC) [Hz])RC) [Hz])

0

1pkE j RCj

G jP j C RCj

Sensore di pressione Kistler 6117B integrato nella candela

Range 0-200 bar Sensibilità pK -15 pC/bar

Linearità 0.6 % FSO Temperatura < 350º C Amplificatore di carica Kiag Swiss 5001

Sensibilità pK -15 pC/bar

Range 5 M.U./V Costante di tempo Short ( 910R ) Filtro passa basso 180 kHz

C = 3.2 10-10 F

R = 109 fT = 0.5 Hz

11


Si consideri nuovamente l’equazione che lega p(t) a eSi consideri nuovamente l’equazione che lega p(t) a e00(t) (t)

0 0

0

10

t

p p

Cp t e t e d p

k R k

Il Il primo termineprimo termine è legato al fattore di amplificazione della catena di misura (il è legato al fattore di amplificazione della catena di misura (il GUADAGNOGUADAGNO), noto in base ai settaggi operati sull’amplificatore di carica, che ), noto in base ai settaggi operati sull’amplificatore di carica, che permette di convertire unità elettriche in unità meccaniche (da [V] a [bar], ad es.)... permette di convertire unità elettriche in unità meccaniche (da [V] a [bar], ad es.)... Valori tipici:Valori tipici:

Il Il secondo terminesecondo termine è responsabile di una è responsabile di una distorsione del segnaledistorsione del segnale, che può essere , che può essere recuperata introducendo una compensazione del termine integrale sul segnalerecuperata introducendo una compensazione del termine integrale sul segnale

Il Il terzo termineterzo termine rappresenta il rappresenta il valore medio del segnalevalore medio del segnale, che deve essere ottenuto , che deve essere ottenuto per via indiretta, per poi essere sommato al segnale a media nulla uscente dalla per via indiretta, per poi essere sommato al segnale a media nulla uscente dalla

catena di misura (eventualmente già corretto del termine integrale)catena di misura (eventualmente già corretto del termine integrale)

0.2 5p

p

k CV bar bar V

C k

12


0 0

0

10

t

p p

Cp t e t e d p

k R k

Il Il secondo terminesecondo termine è responsabile di una è responsabile di una distorsione del segnaledistorsione del segnale, che può essere , che può essere recuperata calcolando una compensazione del termine integrale sul segnalerecuperata calcolando una compensazione del termine integrale sul segnale

0 180 360 540 720 900 1080 1260 1440

Angolo di manovella [º]

0.1

0.2

0.0

-0.2

-0.1

0 180 360 540 720 900 1080 1260 1440


1.0

2.0

3.0

0.0

-1.0

0 180 360 540 720 900 1080 1260 1440


-0.7

-0.6

-0.5

0 180 360 540 720 900 1080 1260 1440


4.0

8.0

12.0

0.0

-4.0

0 180 360 540 720 900 1080 1260 1440


-3.2

-2.8

-2.4

13


0 0

0

10

t

p p

Cp t e t e d p

k R k

Il Il terzo termineterzo termine rappresenta il rappresenta il valore medio del segnalevalore medio del segnale, che deve essere ottenuto , che deve essere ottenuto per via indiretta con un METODO DI “PRESSURE REFERENCING”:per via indiretta con un METODO DI “PRESSURE REFERENCING”:

• RIFERIMENTO RISPETTO ALLA PRESSIONE ASSOLUTA MISURATA NEL RIFERIMENTO RISPETTO ALLA PRESSIONE ASSOLUTA MISURATA NEL CONDOTTO DI ASPIRAZIONECONDOTTO DI ASPIRAZIONE (o imporre l’eguaglianza tra pressione nel condotto (o imporre l’eguaglianza tra pressione nel condotto e pressione indicata al PMI di fine aspirazione, oppure lungo un certo intervallo e pressione indicata al PMI di fine aspirazione, oppure lungo un certo intervallo angolare)angolare)

•RIFERIMENTO CON POLITROPICA AD ESPONENTE FORZATORIFERIMENTO CON POLITROPICA AD ESPONENTE FORZATO•Selezionare una coppia (o più) di valori di pressione Selezionare una coppia (o più) di valori di pressione a valvole chiuse e prima a valvole chiuse e prima che inizi la combustione che inizi la combustione (considerando i corrispondenti valori del volume in (considerando i corrispondenti valori del volume in camera)camera)•Fittare l’andamento della pressione indicata + p(0) con l’andamento della Fittare l’andamento della pressione indicata + p(0) con l’andamento della politropica (n=1.27 per Diesel, n=1.32 per benzina)politropica (n=1.27 per Diesel, n=1.32 per benzina)•Considerando la differenza di pressione tra i due valori scelti, ed Considerando la differenza di pressione tra i due valori scelti, ed uguagliandola a quella ottenuta dalla politropica, si ottiene p(0)uguagliandola a quella ottenuta dalla politropica, si ottiene p(0)

14


0 0

0

10

t

p p

Cp t e t e d p

k R k

Il Il terzo termineterzo termine rappresenta il rappresenta il valore medio del segnalevalore medio del segnale, che deve essere ottenuto , che deve essere ottenuto per via indiretta con un METODO DI “PRESSURE REFERENCING”per via indiretta con un METODO DI “PRESSURE REFERENCING”

0 180 360 540 720 900 1080 1260 1440


4.0

8.0

12.0

0.0

16.0

0 180 360 540 720 900 1080 1260 1440


0.0

1.0

2.0

15

MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.Determinazione TDC

Altro problema delicato, soprattutto se si vogliono utilizzare i dati di pressione per ottenere una valutazione della coppia indicata, e' la corretta determinazione del TDC.La determinazione della posizione angolare del TDC puo' essere effettuata "per via

meccanica", con appositi strumenti, o analizzando i dati provenienti da una campagna di prove. In generale il primo metodo fornisce precisioni piu' scarse.

Il secondo metodo si basa sulla rilevazione di alcuni cicli di pressione con motore trascinato (o con combustione inibita). Il TDC e' teoricamente posizionato laddove la

pressione raggiunge il massimo valore. Tuttavia questo ragionamento non tiene conto degli scambi di calore che avvengono all'interno del cilindro. Se il motore e' trascinato o se la combustione e' inibita, la temperatura della carica a fine compressione risultera' piu' elevata di quella delle pareti dei cilindri, con conseguente scambio di calore dalla

carica alle pareti. Per effetto di questo scambio di calore il picco di pressione non si avra' esattamente in corrispondenza del minimo del volume (e cioe' al TDC), ma leggermente in anticipo rispetto ad esso. Il valore della differenza angolare tra la posizione del picco di pressione e la reale posizione del TDC viene chiamata "Loss angle", e la sua entita'

varia da 0.1 a 0.7 gradi.Tale effetto e' illustrato nella seguente figura .

16

MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.Determinazione TDC

Loss angle per la Loss angle per la determinazione del TDCdeterminazione del TDC

17

k

Errori nella misura della pressioneErrori di misuraErrori nell’utilizzo del

segnale misurato

b) Scarsa risoluzionec) Rumore chiusura

valvole

a) Rumore di tipo elettrico

g) Effetti di carica della bobina

h) Effetti dello scoccare della scintilla

i) Distorsione componenti a bassa frequenza

j) Shock termico

k) Risonanze condotto di collegamento

d) Errore nel riferimento angolare

e) Errore guadagno U.M. -> Volt

f) Errore valutazione volumei) Errore di valutazione valore

medio


18

Rumore chiusura valvole

• Si evidenzia in questa figura in particolare la chiusura della valvola di aspirazione

360 180 0 180 36010

0

10

20

30

40

50

60

70

Crankshaft Angle [°]

Inc

ylin

der

pre s

sure

[bar

]

Motore da competizionecon distribuzione desmodromica


190 180 360 540 72020

0

20

40

60

80

100

120

Crankshaft angle [deg]

Inc

ylin

der

pre s

sure

[bar

]Effetti risonanza condotto di

collegamentoMotore da competizione

con distribuzione desmodromica

360 5400

20

40

60

80

100

120


Inc

ylin

der

pres

sur e

[bar

]


20

lAp

r

Relazione esistente fra la pressione interna ai cilindri e la coppia indicata

- DOMINIO ANGOLARE -

mf

mp 1

Z

mpi rAT

- RELAZIONE MOLTIPLICATIVA -

22sin12

2sinsin

mf

In-cylinder pressure

Indicatedtorque


lr

21

l

A p

r

Relazione esistente fra la pressione interna ai cilindri e la coppia indicata

Dall’analisi del cinematismo biella-manovella:



22sin1cos

sinsinsin

sinsin

l

r

rl

coscos lrlrx

x

Il calcolo della coppia indicata può essere svolto eguagliando il lavoro fatto daigas sul pistone con quello fatto dalla coppia all’albero:

dxAdV

dCdVp

p

ind

22sin12

2sinsinprAC

d

dxApC

pind

pind

22


Indicated torque

0 360Crankshaft angle

720

In-cylinder pressure

=

0 360 720Crankshaft angle

.

Crank-sliderfunction



mmpmi fprATRelazione esistente fra la pressione interna ai cilindri e la coppia indicata


23

Funzione di manovellismo


Crank-sliderfunction


2sin2

sin

sin12

2sinsin

22

mf


24

Bilancio energetico del fluido nel cilindro

Qch chQCalore liberato dalla combustione

Qht

htQCalore scambiato con le paretisUVariazione di energia interna del sistema aperto considerato

L

dLLavoro compiuto dai gas sul pistone

hdmhdmEntalpia associata alle perditedi gas attraverso le fasce elastiche


25

Bilancio energetico del fluido nel cilindro

hdmdLQdUQ htsch

dmTudTmcTmuddU vs

Variazione di energia interna

pdVdL

Valutazione dellavoro sul pistone

dmuhQpdVdTmcQ htvch


26

Net Heat Release

Se si definisce Net Heat Release la quantità:

dmuhQQQ htchn

allora:

pdVdTmcQ vn


27

Net Heat Release

11

1 1

vn v

v v

cQ mc dT pdV Vdp pdV pdV

R

c cVdp pdV Vdp pdV

R R

pdVVdpmR

dT

1


28

Rilascio di calore chimicoe Net Heat Release

Andamento di pressionenel cilindro

Andamento del rilascio di calore


29

Rilascio di calore chimico: modello di Wiebe


•Significato fisico dei parametri “a” e “m”•Determinazione di teta_i, teta_f diagramma (logV,logp)•Determinazione di a e m bilancio energetico, modello di scambio a parete e segnale di pressione in camera

30

Scambio termico gas-parete: modello di Annand


•Significato fisico dei parametri “h” e “C2”•Determinazione di h e C2…

31

Detonazione


32

Detonazione

90 45 0 45 900

10

20

30

40

50

60


Inc

ylin

der

pre s

sure

[bar

]

Anticipo 09 deg

90 45 0 45 900

10

20

30

40

50

60


Inc

ylin

der

pre s

sure

[bar

]

Anticipo 11 deg

90 45 0 45 900

10

20

30

40

50

60


Inc

ylin

der

pre s

sure

[bar

]

Anticipo 13 deg

90 45 0 45 900

10

20

30

40

50

60


Inc

ylin

der

pre s

sure

[bar

]

Anticipo 15 deg

90 45 0 45 900

10

20

30

40

50

60


Inc

ylin

der

pre s

sure

[bar

]

Anticipo 16 deg

Insorgenza della detonazione

all’aumentare dell’anticipo di

accensione in un motore Fire 1200


33

Detonazione


34

Dispersione Ciclica – FIAT 1200 4L – 1300 rpm; 60 Nm

0 10 20 30 40 500

5

10

15

20

25

30

Engine cycles

Inc

ylin

der

pre s

sure

[ bar

]


35

Dispersione Ciclica – FIAT 1200 4L – 1300 rpm; 60 Nm


360 0 360 720 1080 1440 1800 2160 2520 2880 32400

5

10

15

20

25

30


Inc

ylin

der

pre s

sure

[bar

]

36


37


38

FIAT 1200 – 4L - 1100 rpm – 0 Nm


39

Cicli sovrappostiAlfa V6 2000 Steady-state test 1150 rpm 24 Nm

0 180 360 540 7200

5

10

15

Crankshaft angle [º]

In c

yl. P

ress

ure

#6 [ b

ar]

0 180 360 540 7200

5

10

15In

cyl

. Pre

ssur

e #4

[ bar

]


40

Test sperimentali(scelta punti di funzionamento)

Spark Advance[º]

AF

R

5 15 25 35 45

18.0

:

14.6

:

10.0

Tic [Nm]

Eng

ine

spe e

d [r

pm]

10 30 50

1000

2000

4000

3000

_

Si e’ investigato parte del campo di funzionamento

realizzando prove che a parita’di velocita’ di rotazione,

angolo di anticipo,e coppia indicata media sulgiro motore di combustione,presentassero diversi valori

del rapporto di miscela


41

Test sperimentali(realizzazione prove sperimentali)

AFR

ma

14.6

.

AFR

mf

14.6

.

In prima approssimazione ragionare acoppia indicata media sul

giro motore di combustione equivale a ragionarea parita’ di massa di combustibile bruciata

all’interno dei cilindri

Per realizzare una combustionegrassa occorre aumentare lamassa di benzina nei cilindri

Per realizzare una combustionemagra occorre aumentare la

massa di aria nei cilindri

Variazioni della portata di aria e di benzina per mantenerecostante la massa di combustibile bruciata nei cilindri


42

Test sperimentali(realizzazione prove sperimentali)

AFR15141312 16 17 1811

ma.

[kg/

s]

18

20

22

24

2610-3

AFR15141312 16 17 1811

m f .[k

g/s]

1.3

1.4

1.5

1.6

10-3

Al banco per ottenere prove sperimentali a coppia indicata costante sul giro di combustione (100 Nm) a 2000 rpm, 15 gradi di anticipoe diversi valori del rapporto di miscela sono stati realizzati i tempi

di iniezione e le aperture di farfalla corrispondenti alleseguenti portate di aria e di combustibile


43

Pressione nei cilindriPer una serie di prove a 100 Nm, 2000 rpm, 15 gradi e diversi

valori del rapporto di miscela si sono ottenuti i seguentiandamenti di pressione da cui sono stati ricavati i seguenti

andamenti della legge di rilascio calore

Crank angle [deg]

In-c

ylin

der

pres

sure

[P

a]

-180 -90 0 90 180

20

15

10

5

0

25A/F=11.78A/F=12.48A/F=14.08A/F=14.72A/F=15.11A/F=16.52A/F=17.95

Crank angle [deg]-180 -90 0 90 180

600

400

200

0

Hea

t rel

ease

[J]

A/F=11.78A/F=12.48A/F=14.08A/F=14.72A/F=15.11A/F=16.52A/F=17.95


44

Pressione nei cilindriPer una serie di prove a 60 Nm, 2000 rpm, 25 gradi e diversi

valori del rapporto di miscela si sono ottenuti i seguentiandamenti di pressione da cui sono stati ricavati i seguenti

andamenti della legge di rilascio calore

Crank angle [deg]

In-c

ylin

der

pres

sure

[P

a]

-180 -90 0 90 180

20

15

10

5

0

25105

A/F=12.54A/F=14.3A/F=16.44A/F=18.37

Crank angle [deg]-180 -90 0 90 180

400

300

200

100

0

Hea

t rel

ease

[J]

A/F=12.54A/F=14.3A/F=16.44A/F=18.37


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