Ingegneria delle macchine e dei sistemi energetici

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1 Alma Mater Stdorm Uverstà d Bologa DOTTORATO DI RICERCA IN Igegera delle macche e de sstem eergetc XXII Cclo Settore scetfco-dsclare d affereza: ING-IND/8 Svlo d modell motore e vecolo er l aals d stratege d cotrollo alcazo Software e Hardware I the Loo Fracesco Mglore Coordatore Dottorato Char. mo Prof. Ig. Davde Moro Relatore Char. mo Prof. Ig. Davde Moro Esame fale ao

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5 INDICE INTRODUZIONE... MODELLO MOTORE ZERODIMENSIONALE...6. Prcal eqazo tlzzate el modello..... Prmo rco della termodamca er sstem aert..... Eqazoe d coservazoe della massa Eqazoe d stato de gas Flsso tra de ambet a ressoe dversa, searat da a sezoe d gola..5 Trasformazoe dell eqazoe del rmo rco della termodamca e dell eqazoe del blaco d massa el domo agolare Modello d combstoe Modello d scambo termco Parametrzzatore atomatco Parametr da detfcare e rocedra d detfcazoe Strttra del arametrzzatore Iterfacca grafca er l avvo delle smlazo

6 .4 Valdazoe del modello zero-dmesoale del motore MODELLAZIONE MONODIMENSIONALE DEI CONDOTTI DI ASPIRAZIONE Eqazo relatve al moto d fldo comrmble codotto Metodo d solzoe adottato Codzo al cotoro Valdazoe del modello Stdo degl effett d sstema d fasatra varable delle valvole d asrazoe slle restazo del motore MODELLO VEICOLO Descrzoe geerale del sstema Prcal eqazo reset el modello Modellazoe del CVT Modellazoe della frzoe cetrfga Modello d ressteza all avazameto Modellazoe della damca logtdale del vecolo Modello del lota Iterfacca grafca er la gestoe delle smlazo Valdazoe del modello....5 Versoe brda del modello....6 Modello er vecolo dotato d trasmssoe d to tradzoale (motocclo) Modellazoe della damca logtdale del vecolo Modello del lota Valdazoe

7 5 MODELLO COMPLETO MOTORE VEICOLO Strttra del modello ambete Matlab-Smlk Valdazoe del modello... 6 CONCLUSIONI...4 7

8 ABSTRACT Ths work descrbes the develomet of a smlato tool whch allows the smlato of the Iteral Combsto Ege (ICE), the trasmsso ad the vehcle dyamcs. It s a cotrol oreted smlato tool, desged order to erform both off-le (Software I the Loo) ad o-le (Hardware I the Loo) smlato. I the frst case the smlato tool ca be sed order to otmze Ege Cotrol Ut strateges (as far as regard, for examle, the fel cosmto or the erformace of the ege), whle the secod case t ca be sed order to test the cotrol system. I recet years the se of HIL smlatos has roved to be very sefl develog ad testg of cotrol systems. Hardware I the Loo smlato s a techology where the actal vehcles, eges or other comoets are relaced by a real tme smlato, based o a mathematcal model ad rg a real tme rocessor. The rocessor reads ECU (Ege Cotrol Ut) ott sgals whch wold ormally feed the actators ad, by sg mathematcal models, rovdes the sgals whch wold be rodced by the actal sesors. The smlato tool, flly desged wth Smlk, cldes the ossblty to smlate the oly ege, the trasmsso ad vehcle dyamcs ad the ege alog wth the vehcle ad trasmsso dyamcs, allowg ths case to evalate the erformace ad the oeratg codtos of the Iteral Combsto Ege, oce t s stalled o a gve vehcle. Frthermore the smlato tool cldes dfferet level of comlexty, sce t s ossble to se, for examle, ether a zero-dmesoal or a oe-dmesoal model of the take system ( ths case oly for off-le alcato, becase of the hgher comtatoal effort). Gve these relmary remarks, a mortat goal of ths work s the develomet of a smlato evromet that ca be easly adated to dfferet ege tyes (sgle- or mlt-cylder, for-stroke or two-stroke, desel or gasole) ad 8

9 trasmsso archtectre wthot rerogrammg. Also, the same smlato tool ca be radly cofgred both for off-le ad real-tme alcato. The Matlab- Smlk evromet has bee adoted to acheve sch objectves, sce ts grahcal rogrammg terface allows bldg flexble ad recofgrable models, ad real-tme smlato s ossble wth stadard, off-the-shelf software ad hardware latforms (sch as dspace systems). 9

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11 Catolo INTRODUZIONE I qesto lavoro s descrve l attvtà d rcerca svolta drate l treo d dottorato. I artcolare, l attvtà d rcerca è stata cetrata fodametalmete sllo svlo d modell, oretat al cotrollo e realzzat ambete Matlab-Smlk, che descrvoo l fzoameto d motore e vecolo e che soo caac d smlare le restazo. L obettvo fodametale è stato qello d svlare tool d smlazoe che otesse essere tlzzato ell aals e ello svlo d ove stratege d cotrollo motore. L dea era qella d avere a dsoszoe o strmeto molto flessble che otesse essere tlzzato sa alcazo off-le (Software I the Loo, SIL) che alcazo o-le (Hardware I the Loo, HIL) e che otesse essere alcato a dverse cofgrazo d motore e vecolo. I artcolare l tool d smlazoe clde: Ua rma versoe d modello motore zero-dmesoale, caace d smlare la termodamca d motore a combstoe tera. S tratta d modello fllg ad emtyg, che clde modello d combstoe e scambo termco a arete, o a valor med, grado qd d rcostrre l segale d ressoe camera d combstoe. E stato oltre svlato arametrzzatore atomatco, caace d detfcare arametr cogt del modello a volta rearat de fles coteet le caratterstche geometrco-fsche del motore

12 (alesaggo, corsa, alzata valvole, coeffcet d efflsso, ) e rlev sermetal corrsodet ad certo mero d t motore. Ife s è cercato d redere l modello abbastaza flessble, revededo la ossbltà d tlzzare lo stesso modello e lo stesso arametrzzatore sa er motore moocldrco che er motore bcldrco. Ua secoda versoe del modello motore (ach essa realzzata ambete MATLAB-Smlk) che clde a descrzoe moo-dmesoale de codotto d asrazoe. Il rsltato fale è qello d avere modello che revede a descrzoe zero-dmesoale del cldro e del collettore d scarco e a descrzoe moo-dmesoale de codott d asrazoe. U modello vecolo, grado d descrvere modo fsco l comortameto della trasmssoe e la damca logtdale d vecolo dotato d frzoe d to cetrfgo e d trasmssoe d to CVT (Cotosly Varable Trasmsso). I ratca l modello, che revede a descrzoe fsca della frzoe e della trasmssoe, è grado d calcolare la veloctà d rotazoe del motore e la veloctà d avazameto del vecolo a volta ota la coa erogata dal motore. E resete ache modello del lota che calcola la oszoe d gas e freo a artre dall errore tra a traettora d veloctà target e qella smlata. La coa motrce vee fe calcolata fzoe della veloctà d rotazoe del motore e del grado d aertra della farfalla. Tale modello è o stato alcato allo stdo e alla ottmzzazoe delle stratege d cotrollo d vecolo dotato d rolsoe brda (motore a combstoe tera e motore elettrco): artcolare l modello, oortamete modfcato, è stato tlzzato er defre la stratega ottmale d rartzoe della coa motrce tra motore a combstoe tera e motore elettrco. Ua secoda versoe d modello vecolo relatva ad vecolo dotato d trasmssoe d to tradzoale. I qesto caso o degl asett ù roblematc è stato lo svlo del modello del lota: a dffereza del caso recedete fatt l modello del lota rslta molto ù comlesso, dato che esso deve geerare o solo segal relatv alla maoola del gas e al freo, ma ache segal relatv alla oszoe della leva della frzoe e alla marca serta. Ioltre la arte logca relatva al modello del lota, rslta molto ù comlessa, dato che l to d azoe che l lota esercta s maoola del gas, frzoe, leva del cambo e freo è dverso a secoda delle vare fas d gda (arteza, cambo marca, arresto del vecolo, )

13 U modello motore vecolo, dervate dall tegrazoe de de modell descrtt e t recedet, caace d smlare l tero sstema motore-trasmssoevecolo. Tale sstema è stato esato er essere tlzzato o-le alcazo Hardware I the Loo. Come acceato recedeza l tool d smlazoe è stato coceto er essere tlzzato alcazo Software ed Hardware I the Loo. Nel rmo caso è ossble tlzzare l tool d smlazoe er ottmzzare le stratege d cotrollo motore, adado ad mlemetare tal stratege drettamete all tero del modello e tlzzado qd l modello er adare a valtare, smlazoe, l matto che tal stratege hao slle restazo del vecolo, ad esemo term d cosm o emsso. Nel secodo caso vece (sstem Hardware I the Loo) è ossble tlzzare l tool d smlazoe er adare a testare l corretto fzoameto della cetrala d cotrollo motore. I ratca, qesto to d alcazo, comoet fsc del sstema (motore, trasmssoe e vecolo) vegoo smlat da modell matematc che grao real-tme s artcolare to d rocessore. Tale rocessore acqssce, tramte delle schede d acqszoe, segal d attazoe roveet dalla ECU (Ege Cotrol Ut) e forsce ott segal che verrebbero geerat dal sstema reale, qalora fosse collegato alla ECU. Il modello ha qd l comto d smlare l fzoameto del sstema motore-trasmssoevecolo e d geerare modo corretto ttt segal ecessar al fzoameto della cetrala d cotrollo motore. Il tool d smlazoe rslta molto flessble ed artcolare è stato coceto modo tale da revedere dvers lvell d comlesstà, a secoda del to d alcazoe er la qale lo s vole tlzzare. Ad esemo, alcazoe realtme, c è fodametale dsorre d modello che rcheda rdotto oere comtazoale, è ossble tlzzare l modello motore zero-dmesoale, o addrttra modello costtto solo da mae, modo tale da rdrre l temo d calcolo. Al cotraro, alcazoe off-le è ossble tlzzare l modello motore ella cofgrazoe che revede a descrzoe moo-dmesoale de codott d asrazoe, che ermette d otteere a descrzoe ù accrata del segale d ressoe el rer d asrazoe. Ioltre, al fe d redere l modello semlce da tlzzare ache da tete o eserto, soo stat realzzat de arametrzzator atomatc e delle terfacce grafche che ermettoo d gestre modo semlce la smlazoe. 3

14 Nel catolo vee descrtto l modello motore zero-dmesoale, metre l catolo 3 tratta la modellazoe moo-dmesoale del collettore d asrazoe. Il catol 4 descrve vece l modello vecolo e sega dettaglo l arocco tlzzato er modellare maera fsca la damca logtdale del vecolo e var elemet della trasmssoe: artcolare vee descrtta sa la versoe del modello realzzata er o scooter (dotato d frzoe cetrfga e CVT), sa la versoe realzzata er vecolo dotato d trasmssoe d to tradzoale. Il catolo 5 fe descrve l modello realzzato er alcazoe HIL, dervate dall tegrazoe del modello motore e d qello vecolo. L attvtà d rcerca è stata svolta collaborazoe co Paggo & C. S.. A. e ttt modell realzzat soo stat valdat slla base d dat sermetal fort da Paggo. 4

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16 Catolo MODELLO MOTORE ZERODIMENSIONALE I qesto catolo s descrve l modello termodamco del motore svlato el corso del treo d dottorato, che, come acceato ell trodzoe, fa arte d tool d smlazoe, oretato al cotrollo motore e destato sa ad alcazo offle che ad alcazo o-le. S tratta d modello zero-dmesoale, d to fllg ad emtyg : qesto to d modell cosste el sddvdere l motore oggetto d stdo certo mero d volm caratterstc, c le roretà de gas vegoo cosderate form. I altre arole, l modello o rede cosderazoe le varazo sazal, o tal, delle vare gradezze termodamche (ressoe temeratra), ma s otzza che og varazoe ftesma d a gradezza avvega stataeamete modo forme ttto l volme d rfermeto. Tal volm soo: l collettore d asrazoe l cldro l collettore d scarco l ambete estero 6

17 Og volme ò scambare massa ed eerga co gl altr e co l ambete estero. I artcolare l collettore d asrazoe ò scambare massa co l estero attraverso la valvola a farfalla e co l cldro attraverso le valvole d asrazoe; l cldro ò scambare massa co l collettore d asrazoe e co qello d scarco attraverso le valvole d asrazoe e d scarco; l collettore d scarco ò scambare massa co l cldro e co l ambete estero. L ambete è cosderato come volme d caactà fta. Per qato rgarda le alcazo Hardware I the Loo, modell a valor med [, ] (Mea Vale Ege Model, MVEM) costtscoo l tco arocco tlzzato er smlare l motore e geerare qd segal da vare alla cetrala d cotrollo motore, rcalmete erché rchedoo rdotto oere comtazoale. Il modello svlato tttava o è a valor, dato che esso clde modello d combstoe e d scambo termco ed è grado qd d rcostrre l adameto della ressoe camera d combstoe fzoe dell agolo d maovella. Negl ltm a c soo stat alc esem d modell o a valor med tlzzat alcazo HIL [3, 4]: qeste alcazo l motvo fodametale er adottare qesto to d arocco rsedeva el fatto che l sstema d cotrollo era dotato d sstema d msra della ressoe camera e modello a valor med o è grado d geerare qesto to d segale. Per qato rgarda l modello svlato drate l attvtà d dottorato vece, motv che hao ortato a qesto to d scelta soo fodametalmete seget: Per rma cosa, o degl obettv fodametal era qello d svlare modello che fosse grado d rcostrre l segale d ressoe el collettore d asrazoe. Vale la ea d osservare fatt che l motore oggetto d stdo rslta essere moocldrco, qattro tem ad accesoe comadata, motato s o scooter: tale motore reseta collettore d asrazoe d dmeso molto rdotte e qd l adameto del segale d ressoe el collettore d asrazoe o è costate all tero del cclo (emmeo codzo stazoare), come rslta evdete dalla segete fgra. Tale segale rslta essere d fodametale mortaza, dato che esso vee tlzzato dalla cetrala d cotrollo motore er stmare o solo l carco, ma ache la fase all tero del cclo (PMS attvo o PMS fase d croco): s osserva fatt che l bco d ressoe drate la fase d asrazoe ò 7

18 essere tlzzato er dstgere la corsa d asrazoe da qella d esasoe all tero d cclo motore. Fgra.: Segale d ressoe el rer d asrazoe ( rm - basso carco) 5 rm - low load 95 Pressre [mbar] Crak agle [ ] Dato che la cetrala d cotrollo motore è dotata d sstema d msra delle corret d ozzazoe, l segale d ressoe camera d combstoe otteto smlazoe ò essere tlzzato come to d arteza er geerare l segale d correte da vare ECU. Rcordado che modello a valor med o è grado d rcostrre é l segale d ressoe camera é l segale d ressoe el collettore d asrazoe, rslta evdete qd la scelta d mlemetare modello o a valor med Soo state realzzate de verso del modello: la rma base agolo, la secoda base temo. Ifatt, sebbee ella modellazoe ò essere ù comodo tlzzare come varable dedete l agolo d maovella (domo agolare), elle alcazo real-tme (HIL) rslta ecessaro tlzzare come varable dedete l temo, facedo grare l modello co asso temorale d tegrazoe fsso. I artcolare. la versoe base agolo gra co asso agolare d smlazoe fsso e ar a.5 CA, metre qella base temo gra co asso d smlazoe fsso e ar a µs. 8

19 E stato oltre svlato arametrzzatore atomatco, grado d detfcare arametr cogt del modello. Il modello motore cotee fatt a sere d arametr che varao da motore a motore e, o stesso motore, varao a secoda delle codzo d fzoameto (veloctà d rotazoe, aertra della farfalla, atco d accesoe, raorto d mscela λ). Per fare fzoare l modello è allora ecessaro detfcare tal arametr, coè è ecessaro dvdare l valore che tal arametr assmoo elle vare codzo c l motore s ò trovare a fzoare. I ratca l arametrzzatore è a versoe artcolare del modello, che ha la fzoe d fare grare l modello certo mero d t motore d c s hao de rlev sermetal, adado ad detfcare, base a delle rocedre d ottmzzazoe, l valore che tal arametr assmoo er og to motore: a volta detfcato l valore de var arametr, l arametrzzatore crea, modo comletamete atomatco, delle mae da serre el modello, che ermettoo d fare fzoare l modello ache t motore dvers da qell sermetal e codzo che ossoo essere sa stazoare che o-stazoare. S è cercato oltre d ametare la flessbltà del modello, modo tale da oterlo tlzzare o solo co motor moocldrc, ma ache co motor bcldrc: qesto seso l tlzzo d Cofgrable Sbsystems e d lbrere [5], ha ermesso d avere co modello Smlk (a ache co arametrzzatore), grado d smlare (o arametrzzare) sa motore moocldrco che motore bcldrco. I Cofgrable Sbsystem reset el modello vao a rchamare de blocch che s trovao all tero della lbrera e, artcolare, a secoda del valore assto da a determata varable (m_cl, mero d cldr), rchamao atomatco l blocco relatvo al moocldrco o al bcldrco. Il modello motore è qd grado d rcooscere atomatco l to d motore base al valore della varable m_cl, adado a sceglere qd, semre atomatco, blocch della lbrera relatv al moocldrco o al bcldrco. Rslta evdete che tale rocedra otrebbe essere geeralzzata, cosetedo d tlzzare lo stesso modello er smlare motor co mero d cldr ache maggore d de ( geerale ). Ife soo state svlate delle terfacce grafche che ermettoo d gestre le smlazo modo semlce ed ttvo, modo tale che l modello ossa essere tlzzato ache da ch o s è occato dello svlo. Ne rossm aragraf darma s descrvoo le eqazo tlzzate el modello, s aalzza qd la rocedra d arametrzzazoe del modello, descrvedo l 9

20 fzoameto del arametrzzatore e s descrve fe l terfacca grafca che ermette la gestoe della smlazoe.. Prcal eqazo tlzzate el modello I qesto aragrafo s descrvoo le rcal eqazo tlzzate el modello. Come detto recedeza, soo state realzzate de versoe del modello: a base agolo, l altra base temo: la dffereza tra de t d arocco cosste ella scelta della varable dedete, che el rmo caso è l temo, metre el secodo caso rslta essere l agolo d maovella. D segto vegoo mostrate darma le eqazo base temo, metre doo vee mostrato come è ossble rformlare le eqazo modo tale da tlzzare come varable dedete l agolo d maovella. Le rcal eqazo tlzzate dal modello soo le seget: Il rmo rco della termodamca er sstem aert L eqazoe d coservazoe della massa L eqazoe d stato de gas L eqazoe che descrve l flsso d massa tra de ambet a ressoe dversa, searat da a sezoe d gola.. Prmo rco della termodamca er sstem aert S rorta d segto l esressoe del rmo rco della termodamca er sstema aerto [6]: Eqazoe. ( c ) ( c ) dq dl h e e m& h e e m& ρe dv t dt dt V τ

21 S soe che l eerga della massa coteta el cldro sa costtta solo dall eerga tera (e ): s trascra dqe l cotrbto dell eerga otezale, otzzado lla la dffereza d qota, e dell eerga cetca. Qest ltma otes eqvale ad morre che gas all tero del cldro sao ferm, otes o corrsodete alla realtà ma semlfcatva. Ioltre s cosdera trascrable ache og varazoe dell eerga otezale e cetca er le ortate gresso e scta, qd s ò scrvere ù semlcemete: Eqazoe. dq dl ρ dv m h m h t & & dt dt V Se s otzza che l eerga secfca sa dedete dal volme, allora: Eqazoe.3 ( ) M M ρ dv M t t t t V Rcordado che: Eqazoe.4 c T V h c T co qalche semlce assaggo è ossble arrvare alla segete esressoe er l rmo rco della termodamca er sstem aert: Eqazoe.5 dt dt dq dt dl m& dt as c T as M m& CIL sca c v c T sca dm cvt dt CIL Qesta è l esressoe tlzzata el modello.

22 .. Eqazoe d coservazoe della massa S rorta d segto l esressoe dell eqazoe d coservazoe della massa [6] rferta ad ambete c c è a ortata etrate (co edce ella segete eqazoe) e a ortata scete (co edce ): Eqazoe.6.. dm m m dt..3 Eqazoe d stato de gas Per l calcolo della ressoe all tero de var volm s fa rfermeto all eqazoe d stato de gas: Eqazoe.7 m R T V Nella recedete eqazoe R è la costate relatva alla mscela cosderata, che è dversa e var volm e che vara ache state er state, dato che l modello è grado d calcolare la comoszoe chmca de gas fzoe del temo (o, maera eqvalete, dell agolo d maovella)...4 Flsso tra de ambet a ressoe dversa, searat da a sezoe d gola Nel calcolo della ortata massa tra de volm adacet s tlzza l modello d flsso soetroco tra de ambet a ressoe dversa searat da a strozzatra:. m C d A Eqazoe.8 geo ρ ρ Φ( ) dove l terme:

23 3 Φ è chamato Veloctà admesoale, e assme dverse esresso a secoda del to d moto (dretto o verso, sbsoco o soco) che s stara. Nell eqazoe.8 le gradezze co edce s rferscoo all ambete d mote, metre qelle co l edce s rferscoo all ambete d valle. C d dca l coeffcete d efflsso, metre A geo dca l area teorca (geometrca) della strozzatra. La fzoe Φ ò essere esressa come sege (cosderado, rsettvamete, cas d flsso dretto sbsoco, flsso dretto soco, flsso verso sbsoco e flsso verso soco): Φ k k k k k / /, k k k < Φ k k k k k, k k k < < Φ k k k k k / /, k k k < k k k k k Φ, k k k..5 Trasformazoe dell eqazoe del rmo rco della termodamca e dell eqazoe del blaco d massa el domo agolare I qesto aragrafo vee mostrato come le recedet eqazo ossoo essere rformlate modo tale da esrmerle el domo agolare, tlzzado qd come varable dedete l agolo d maovella vece che l temo. Poché l eqazoe d blaco d massa e l eqazoe del rmo rco della termodamca er sstem aert soo delle eqazo dfferezal c comaoo delle dervate rsetto al temo, è ecessaro trasformarle el domo agolare.

24 Il assaggo al domo agolare ò essere fatto cosderado che: Eqazoe.9 dϑ ω dt Allora l esressoe del rmo rco della termodamca er sstema aerto dveta, el domo agolare: Eqazoe. dq dl m& m dm & c T c T cvt dt dϑ dϑ ω ω dϑ dϑ M c v Aalogamete, l esressoe dell eqazoe d blaco d massa, el domo agolare dveta: Eqazoe... dm m m dϑ ω ω..6 Modello d combstoe D segto vegoo mostrat modell tlzzat er descrvere l rocesso d combstoe e lo scambo termco tra gas e arete che ha logo camera d combstoe. L eqazoe del rmo rco della termodamca, alcata al volme d rfermeto cldro ò essere esressa come sege: Eqazoe. dtcil dϑ dqcil dl m& CIL as m& sca dm c Tas c Tsca cvtcil dϑ dϑ ω ω dϑ M c CIL v CIL Qesta eqazoe ermette d calcolare l adameto della temeratra de gas all tero del cldro. Bsoga erò esrmere term che raresetao l calore 4

25 ed l lavoro fort ell agolo taro. S ò sddvdere l terme che rareseta l calore forto ell agolo taro de cotrbt: o che rareseta l calore rlascato dalla combstoe e l altro che rareseta l calore cedto alle aret er covezoe ed rraggameto: Eqazoe.3 dqcil dϑ dq dϑ COMB dq dϑ CED S fa rfermeto al modello d Webe [7, 8] er eslctare l terme che descrve l calore rlascato dalla combstoe ell agolo taro. I ratca s soe che, al fldo coteto el cldro, sa sommstrata dall estero a certa qattà d calore che, ella realtà, è forta dalla combstoe della mscela stessa. I base a qesta teora, la frazoe d massa brcata tra l agolo d zo e fe combstoe, dcat co ϑ e ϑ f, ò essere esressa co la segete relazoe: Eqazoe.4 X B ( ϑ) ex ϑ ϑ a ϑ ϑ f m Il arametro a vee defto arametro d effceza e msra la comletezza del rocesso d combstoe, metre m è detto fattore d camera ed fleza la veloctà d combstoe. Nelle seget fgre s ò osservare come arametr a ed m modfcao la frazoe d combstble brcato fzoe dell agolo d maovella: 5

26 Fgra.: Fzoe d Webe: fleza de arametr a ed m Frazoe massa d combstble brcato Frazoe massa d combstble brcato al varare d a a m3 a4 m3 Frazoe massa d combstble brcato Frazoe massa d combstble brcato al varare d m a4 m a4 m Agolo d maovella [ ] Agolo d maovella [ ] S ò osservare che a flsce slla comletezza della combstoe (reseza d combst), ), metre m determa la forma della fzoe X B (θ). Dalla frazoe stataea d mscela brcata s ò rcavare la relatva qattà d calore rlascata ell agolo taro: Eqazoe.5 dqcomb dx B mb k dϑ dϑ ella qale m B dca la massa d combstble ettata, metre k è l otere calorfco ferore...7 Modello d scambo termco Per modellare lo scambo termco che avvee camera d combstoe s tlzza l modello d Aad [9, ]. Secodo Aad, la oteza termca cedta alle aret er tà d serfce (W/m ) ò essere esressa co a relazoe d qesto to: Eqazoe.6 q. CED CONV 4 4 ( T - T ) C ( T - T ) h σ GAS PARETE GAS PARETE dove σ è la costate d Stefa Boltzma. Il coeffcete covettvo h CONV è a sa volta calcolato base alla formla: 6

27 Eqazoe.7 h CONV λ C Re D λ C D stoe ρ D µ dove: D è l'alesaggo, reso come dmesoe leare caratterstca stoe è la veloctà meda del stoe ρ è la destà del fldo µ è la vscostà damca del fldo λ è la codcbltà termca del fldo. Slla base dell'aals d merose sermetazo, Aad ha sggerto seget valor er le costat che comaoo elle eqazo.5 e.6: C.35.8,.7.8, a secoda del to d motore e della codzoe d fzoameto C.75 ella fase d combstoe, metre C elle altre fas Poché q CED è a oteza termca er tà d serfce, er otteere la oteza termca cedta alle aret bsoga moltlcare er la serfce d scambo, che è varable co l agolo d maovella: Eqazoe.8 Q CED, W q. CED A TOT ( ϑ) Per calcolare l terme da serre ell eqazoe del rmo rco della termodamca er sstem aert, che rareseta l calore cedto ell agolo taro, bsoga dvdere er la veloctà d rotazoe dell albero motore: Eqazoe.9 dq dϑ CED Q ω CED, W. q CED A TOT ω ( ϑ) 7

28 Oltre alle eqazo descrtte dettaglo recedeza, el modello soo reset altre eqazo, come ad esemo l eqazoe d stato de gas e altre eqazo che ermettoo d calcolare state er state la comoszoe della mscela d gas resete el cldro.. Parametrzzatore atomatco I qesto aragrafo s descrve l arametrzzatore atomatco svlato er detfcare arametr cogt del modello. Il modello realzzato ha come obettvo qello d smlare l reale comortameto del motore e qd, dat gresso certo mero d t, esso è caace d calcolare l adameto d certo mero d gradezze (come ad esemo adameto d ressoe e temeratra el cldro o e collettor, m, massa d ara asrata, ). Il modello motore cotee a sere d arametr che varao da motore a motore e, o stesso motore, varao a secoda delle codzo d fzoameto (veloctà d rotazoe, aertra della farfalla, atco d accesoe, raorto d mscela λ). Per fare fzoare l modello è allora ecessaro detfcare tal arametr, coè è ecessaro dvdare l valore che tal arametr assmoo elle vare codzo c l motore s ò trovare a fzoare. Per detfcare tal arametr s rcorre a tecche d ottmzzazoe. S rocede allora qesto modo: s fao delle rove al baco certo mero d t motore (och) rtet raresetatv; s fa fzoare l modello egl stess t motore e s cerca qd d ottmzzare a certa fzoe obettvo facedo varare arametr da detfcare. Noto qd l valore che tal arametr assmoo certo mero d t motore è ossble costrre delle mae e smlare l comortameto del motore ache altr t seza l bsogo d rcorrere ad altre rove sermetal. I ratca l arametrzzatore è a versoe artcolare del modello, che ha la fzoe d fare grare l modello certo mero d t motore d c s hao de rlev sermetal, adado ad detfcare, base a delle rocedre d ottmzzazoe, l valore che tal arametr assmoo er og to motore: a volta detfcato l valore de var arametr, l arametrzzatore crea, modo comletamete atomatco, delle mae da serre el modello, che ermettoo d fare fzoare l modello ache t motore dvers da qell sermetal e 8

29 codzo che ossoo essere sa stazoare che o-stazoare. Prma d avvare l arametrzzatore occorre rearare de fles coteet le caratterstche geometrcofsche del motore e dat sermetal acqst drate a camaga d rove effettate al baco... Parametr da detfcare e rocedra d detfcazoe S aalzzao dettaglo adesso arametr da detfcare. I arametr da detfcare soo seget: Area effcace farfalla: maa co area effcace esressa fzoe del grado d aertra della farfalla e del raorto tra le resso d mote e d valle: A eff Aeff α, valle mote Agol d zo e fe della combstoe: θ e θ f Parametr del modello d Webe: a ed m. Parametr d scambo termco camera d combstoe del modello d Aad: C as e C comb, relatv rsettvamete alla fase d asrazoe e alla fase d combstoe. Per qato rgarda l area effcace d farfalla è ecessaro defre l area d assaggo effcace fzoe del grado d aertra della farfalla e della dffereza tra ressoe ambete e ressoe el collettore d asrazoe. I artcolare la maa d area effcace s costrsce a artre da dat sermetal relatv al flssaggo del coro farfallato: ota la ortata sermetale, l grado d aertra farfalla e le codzo d mote e d valle, certo mero d codzo oeratve, è ossble calcolare l area effcace, esressa come fzoe del grado d aertra farfalla e del raorto tra la ressoe d mote e qella d valle, dall eqazoe.8: Eqazoe. A eff A eff α, valle mote ρ ρ. m Φ( ) 9

30 Per detfcare gl agol d zo e fe della combstoe: θ e θ f s tlzzao le crve d ressoe camera sermetal. I artcolare s tlzza l metodo del coeffcete della oltroca seme al metodo del rlasco d calore er detfcare θ e l metodo del massmo valore del rodotto V seme al metodo della oltroca er detfcare θ f. D segto s llstra la rocedra d detfcazoe d tal arametr, mlemetata algortmo resete all tero del arametrzzatore. Agolo d zo della combstoe: Il metodo del coeffcete della oltroca [, ] ò essere tlzzato er detfcare sa l agolo d zo della combstoe che l agolo d fe combstoe. I ratca, drate le fas d comressoe e d esasoe la massa d mscela el cldro è costate, dato che le valvole soo chse e qd o s ha flsso d massa co l asrazoe e lo scarco. E ossble qd tlzzare l eqazoe d a trasformazoe oltroca er descrvere le fas d comressoe ed esasoe: V cos t Eqazoe. l ( ) l( V ) cos t Se s rareseta l dagramma d dcatore coordate logartmche le fas d comressoe ed esasoe soo raresetate da a retta (ved eqazoe d destra). E qd ossble determare gl agol d zo e fe combstoe adado ad osservare l to c l dagramma d dcatore coordate logartmche s dscosta dall adameto rettleo (ved fgra segete). 3

31 Fgra.3: Crva d ressoe camera coordate doo-logartmche Accesoe teta tetaf *V tetaf serto l() l(v) I artcolare, qado s arte co l detfcazoe dell agolo d zo combstoe, l algortmo calcola atomatco valore d agolo d zo combstoe e vegoo qd vsalzzate le seget fgre: Fgra.4: Idetfcazoe dell agolo d zo combstoe: metodo della oltroca 5-4 Accesoe - teta l() l()*l(v) l(v) Agolo d maovella [ CA] dove la fgra d sstra rareseta l dagramma l(v)-l(), metre la fgra d destra mostra la fzoe: Eqazoe. ( ) l( V ) f ( ϑ ) l 3

32 che rareseta l terme l( ) l( V ) fzoe dell agolo d maovella ( bl), metre rosso s ha l valore che la fzoe f (ϑ ) assme corrsodeza dell agolo d accesoe ( realtà è la meda tra valor asst dalla fzoe f (ϑ ) corrsodeza d 5 agol d maovella a cavallo dell agolo d accesoe, agolo c le valvole soo scramete chse e la combstoe o è acora zata). S ò osservare che la crva bl è costate drate la fase d comressoe e qd l algortmo dvda l agolo d zo combstoe come l agolo c la crva bl (della fgra d destra) s dscosta d a certa qattà dalla retta raresetata rosso (ache qesto caso o vee reso l sgolo valore, ma a meda d 5 valor). Come acceato recedeza l valore calcolato co qesto metodo vee cofrotato co l agolo d zo combstoe calcolato co l metodo del rlasco d calore: è be oto che dal segale d ressoe camera s ossoo otteere formazo slla combstoe. I artcolare, la segete eqazoe mostra come ossa essere calcolato l rlasco d calore etto a artre dalla coosceza del segale d ressoe: dqet dϑ Eqazoe.3 dqcomb dqwall cv d cv dv V dϑ dϑ R dϑ R dϑ Il calore etto è comosto da de term: l rmo è dovto alla combstoe, metre l secodo è dovto all eerga cedta da gas camera d combstoe alle aret. Le seget fgre mostrao l adameto della fzoe Q ( ϑ) e della sa dervata dq ( et ) a artre dall agolo d accesoe (le fgre d destra mostrao dϑ gradmeto corrsodeza dell agolo d zo combstoe): et 3

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