ANALISI E STUDIO DI UN SISTEMA DI RECOVERY PER UN DIESEL COMMON RAIL

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1 ANALISI E STUDIO DI UN SISTEMA DI RECOVERY PER UN DIESEL COMMON RAIL Tesi di laurea di: Relatore : Zaccaria Stefano prof. Ing. Luca Piancastelli Corelatori: dott. Ing. Bonifacio Grisolia prof. Ing. Franco Persiani 1

2 PREMESSE FADEC flessibile per diesel common rail basato su PC, schede NI/Labview quindi su HW/SW commerciale non dedicato comunemente usato nei laboratori. Vantaggi Stesso HW /SW per diversi tipi ed architetture di motori, diesel o benzina Grafica/interfaccia utente Mappatura del motore può essere gestita direttamente dal personale del banco come avveniva prima dell era dei controlli elettronici. Riduzione dei tempi di sviluppo e del time-to-market. 2

3 OBIETTIVI DELLA TESI Determinare, tramite sviluppo di un modello virtuale di motore a combustione interna, il tempo di iniezione Programmare ed ottimizzare il sistema di recovery che impedisca un eccessivo aumento di temperatura del combustibile Dimostrare come la logica fuzzy possa essere utilizzata nelle strategie di recovery 3

4 IMPOSTAZIONE DEL PROBLEMA Si è realizzato un banco prova virtuale nel quale potessero essere effettuate tutte le prove necessarie 4

5 RELAZIONI FONDAMENTALI 1. Coppia richiesta C req [Nm] = f (pos. Acceleratore α acc [ ]) 2. Vol. comb. Iniettato V comb [mm 3 ] = f (C ) req 3. Pressione rail P rail [bar] = f (C ) req 4. Tempo iniezione TI [ms] = f ( V comb, P ) rail 5. Giri Motore RPM motore = f (C req -C r -C ) friction 6. Angolo anticipo α ant [ ]= f (RPM motore, TI ) 5

6 SCHEMA A BLOCCHI PER LA REALIZZAZIONE DEL FLUSSO DI CALCOLO TRAMITE SOFTWARE α acc C req V comb P rail TI α ant C r C friction RPM P(kw) 6

7 MODELLO MOTORE Partendo dalla nota relazione: ω = Creq Cr J Cfriction Otterremo Integrando : ω = ω dt 7

8 FRAME PER IL CALCOLO DEL NUMERO DI GIRI 8

9 MASSA DI COMBUSTIBILE DA INIETTARE Determineremo la massa di comb da iniettare in funzione della coppia utilizzando le seguenti relazioni: Sapendo che: Otterremo: C req ω = m comb m = m cs K 2 n 60 i η m m cs = C K req η π ω n = π 30 i m Dove : m cs = massa di combustibile iniettataq al ciclo K i = potere calorifico del combustibile η m =rendimento di macchina 9

10 STRATEGIE DI CONTROLLO I controllori per il banco prova motore virtuale e sono state realizzate mediante logica fuzzy. Questo tipo di programmazione permette di sostituire le classiche mappe look-up table, con i cosiddetti blocchi fuzzy, nei quali, una volta stabilito il range di azione e le modalità di sviluppo della funzione, è possibile estrapolare il dato output senza che siano, necessariamente predefiniti tutti i valori. 10

11 PARAMETRI CONTROLLATI α acc C req C req P rail Si ricavano così: Coppia richiesta Pressione rail Tempo di iniezione Vcomb P rail T.I. 11

12 FUZZIFICAZIONE ATTRAVERSO LE MEMBERSCHIP 12

13 DEFUZZIFICAZIONE ATTRAVERSO LE RULE BASE 13

14 IL RECOVERY Ipotizzando un aumento della temperatura del combustibile la strategia di iniezione dovrà essere modificata per ridurre e se possibile impedire il surriscaldamento del combustibile che porterebbe il velivolo a trovarsi in condizioni critiche soprattutto se tale eventualità dovesse presentarsi al decollo, ove necessità la massima potenza. Di nuovo le variazioni dei parametri di iniezione vengono determinate attraverso modelli matematici, mentre le variabili di controllo definite tramite logica fuzzy. 14

15 IL RECOVERY Se la temperatura del combustibile in ingresso pompa di alta pressione è a Tmax=110 C subentra la gestione recovery È necessario agire poiché il superamento della Tmax porterebbe ad un possibile grippaggio della pompa di alta pressione. 15

16 GESTIONE DEL RECOVERY In primo luogo si incomincerà a calare la pressione del rail con una funzione tale che : dp dt α dt dt Questo cercando di mantenere, ricordando il caso più critico possibile:il decollo, la potenza invariata, aumentando quindi il T.I. per fare in modo che al calare della P rail la quantità di combustibile iniettata resti la medesima. Ciò che delimiterà superiormente il T.I., sarà la pressione in camera che aumenterà all aumentare dell angolo di anticipo. Raggiunta quindi una P max di 185 bar l α ant non potrà essere incrementato se non si vuole incappare in fenomeni di detonazione. A questo punto non resta che diminuire l erogazione di potenza attraverso la diminuzione della massa di comb iniettata. Mantenendo allora il T.I. invariato pari al massimo possibile si ricalcolerà la massa di combustibile da iniettare in funzione della pressione del rail. Si avrà quindi un calo di coppia e potenza erogata, fino ad un minimo ammissibile al decollo, che farà inevitabilmente diminuire il numero di giri 16

17 SCHEMA A BLOCCHI RECOVERY C recovery RPM dt/dt dp/dt Prail T.I. αant P cdc Prail

18 SCHEMA A BLOCCHI RECOVERY Analizzando lo schema a blocchi precedente si può vedere che il procedimento fuzzy è stato applicato per determinare: L entità del calo della pressione rail in funzione della velocità di innalzamento della temperatura. dt/dt dp/dt La pressione in camera di combustione in funzione dell angolo di anticipo P cdc. α ant 18

19 SCHEMA A BLOCCHI RECOVERY Sono stati sviluppati modelli di calcolo per determinare: L aumento del T.I. conseguente alla diminuzione di pressione nel rail. La Coppia di recovery da somministrare al posto di quella ordinaria, nel caso in cui necessiti una diminuzione di potenza, non avendo scaturito risultati la semplice riduzione di pressione nel rail 19

20 T.I. RECOVERY Tramite l applicazione del teorema di Bernoulli nella sezione rispettivamente a monte e a valle del nebulizzatore otterremo: ρυ rail ρυ 2 comb. chamber P = + P rail comb. chamber 2 da cui ricaveremo la velocità del fluido all uscita dell iniettore (considerando la velocità all interno del rail nulla) in funzione della differenza di pressione tra il rail e la camera di scoppio : υ comb P P r comb. chamb. = 2. chamb. ρ 20

21 T.I. RECOVERY Ricavando la portata, conoscendo il diametro dei 5 orifizi di diametro d presenti nel nebulizzatore, come : m comb = s υ con Potremo infine ricavare il T.I. essendo a conoscenza del volume di combustibile da iniettare, e sfruttando la seguente relazione: T. I. V = comb s π = d m comb 21

22 FRAME PER IL CALCOLO DEL T.I. NEL RECOVERY 22

23 COPPIA RECOVERY Ricavando semplicemente il volume di combustibile da iniettare,e successivamente la sua massa, conoscendone la densità, : Potremo determinare la coppia di Recovery utilizzando la relazione inversa già usata in precedenza nel modello motore per determinare la coppia: m cs V comb ρ comb = C = υ K recovery i TI kg m = 3 π η m C m recovery = cs V comb m = cs ρ comb K π i η m 23

24 ANDAMENTO DELLA POTENZA IN SITUAZIONE DI RECOVERY Andamento della potenza POTENZA (Kw) Potenza(Kw /s 8 /s 2 /s tempo(msec) TEMPO (ms) 24

25 Coppia resistente Regolatore dt/dt Conta giri START recovery Acceleratore T.I. output 25

26 CONCLUSIONI Conclusa la fase di simulazione posso dire che tutti gli obiettivi preposti son stati raggiunti, si è dimostrato infatti come: Attraverso la creazione del banco prova si sia riusciti a determinare i parametri motore fondamentali Una situazione di recovery possa essere gestita completamente in automatico senza alcun intervento manuale La versatilità della logica fuzzy abbia permesso il controllo e la gestione di tutti i parametri motore dalle condizioni standard a quelle di recovery dai parametri fondamentali come la pressione del rail alla gestione del limitatore del numero di giri. 26