sistemi di misura e utilizzo del segnale di pressione...
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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
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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)
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MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.
Sensori di pressione in camera di combustione
Sensore piezoelettrico non raffreddato
Sensore piezoelettrico raffreddato
Amplificatore Chassis
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MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.
Sensori di pressione piezoelettrici in camera di combustione – candele strumentate
(grado termico)(grado termico)
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Sensori di pressione in camera di combustione
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
MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.
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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
MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.Analisi della catena di misura basata su trasduttore piezoelettrico
_+
1
2
4
3
8
7
5
6
V- Non-inverting input
Inverting input
V+
Output
9
MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.Analisi della catena di misura basata su trasduttore piezoelettrico
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
MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.Analisi della catena di misura basata su trasduttore piezoelettrico
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
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MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.Analisi della catena di misura basata su trasduttore piezoelettrico
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
MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.Analisi della catena di misura basata su trasduttore piezoelettrico
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
Angolo di manovella [º]
1.0
2.0
3.0
0.0
-1.0
0 180 360 540 720 900 1080 1260 1440
Angolo di manovella [º]
-0.7
-0.6
-0.5
0 180 360 540 720 900 1080 1260 1440
Angolo di manovella [º]
4.0
8.0
12.0
0.0
-4.0
0 180 360 540 720 900 1080 1260 1440
Angolo di manovella [º]
-3.2
-2.8
-2.4
13
MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.Analisi della catena di misura basata su trasduttore piezoelettrico
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)
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MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.Analisi della catena di misura basata su trasduttore piezoelettrico
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
Angolo di manovella [º]
4.0
8.0
12.0
0.0
16.0
0 180 360 540 720 900 1080 1260 1440
Angolo di manovella [º]
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
MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.
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
MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.
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
Crankshaft angle [deg]
Inc
ylin
der
pres
sur e
[bar
]
MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.
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
MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.
lr
21
l
A p
r
Relazione esistente fra la pressione interna ai cilindri e la coppia indicata
Dall’analisi del cinematismo biella-manovella:
- RELAZIONE MOLTIPLICATIVA -
MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.
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
- DOMINIO ANGOLARE -
Indicated torque
0 360Crankshaft angle
720
In-cylinder pressure
=
0 360 720Crankshaft angle
.
Crank-sliderfunction
0 360 720Crankshaft angle
- RELAZIONE MOLTIPLICATIVA -
mmpmi fprATRelazione esistente fra la pressione interna ai cilindri e la coppia indicata
MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.
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Funzione di manovellismo
- DOMINIO ANGOLARE -
Crank-sliderfunction
0 360 720Crankshaft angle
2sin2
sin
sin12
2sinsin
22
mf
MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.
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
MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.
25
Bilancio energetico del fluido nel cilindro
hdmdLQdUQ htsch
dmTudTmcTmuddU vs
Variazione di energia interna
pdVdL
Valutazione dellavoro sul pistone
dmuhQpdVdTmcQ htvch
MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.
26
Net Heat Release
Se si definisce Net Heat Release la quantità:
dmuhQQQ htchn
allora:
pdVdTmcQ vn
MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.
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
MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.
28
Rilascio di calore chimicoe Net Heat Release
Andamento di pressionenel cilindro
Andamento del rilascio di calore
MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.
29
Rilascio di calore chimico: modello di Wiebe
MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.
•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
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Scambio termico gas-parete: modello di Annand
MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.
•Significato fisico dei parametri “h” e “C2”•Determinazione di h e C2…
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Detonazione
MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.
32
Detonazione
90 45 0 45 900
10
20
30
40
50
60
Crankshaft angle [deg]
Inc
ylin
der
pre s
sure
[bar
]
Anticipo 09 deg
90 45 0 45 900
10
20
30
40
50
60
Crankshaft angle [deg]
Inc
ylin
der
pre s
sure
[bar
]
Anticipo 11 deg
90 45 0 45 900
10
20
30
40
50
60
Crankshaft angle [deg]
Inc
ylin
der
pre s
sure
[bar
]
Anticipo 13 deg
90 45 0 45 900
10
20
30
40
50
60
Crankshaft angle [deg]
Inc
ylin
der
pre s
sure
[bar
]
Anticipo 15 deg
90 45 0 45 900
10
20
30
40
50
60
Crankshaft angle [deg]
Inc
ylin
der
pre s
sure
[bar
]
Anticipo 16 deg
Insorgenza della detonazione
all’aumentare dell’anticipo di
accensione in un motore Fire 1200
MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.
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Detonazione
MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.
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
]
MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.
35
Dispersione Ciclica – FIAT 1200 4L – 1300 rpm; 60 Nm
MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.
360 0 360 720 1080 1440 1800 2160 2520 2880 32400
5
10
15
20
25
30
Crankshaft angle [deg]
Inc
ylin
der
pre s
sure
[bar
]
36
MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.
37
MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.
38
FIAT 1200 – 4L - 1100 rpm – 0 Nm
MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.
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
]
MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.
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
MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.
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
MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.
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
MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.
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
MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.
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
MISURE DI PRESSIONE INDICATA SU M.C.I.