Sviluppo di un banco prova per il rilievo del coefficiente di efflusso e del numero di Swilr-Tumble di testate per motori a combustione interna

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1 Sviluppo di un banco prova per il rilievo del coefficiente di efflusso e del numero di Swilr-Tumble di testate per motori a combustione interna "L architettura CompactDAQ, alla base dell applicazione, permette il controllo e la gestione completa del banco in tutte le fasi di funzionamento" - G. Franchi, EN4 ( La sfida: Sviluppare un banco prova per la caratterizzazione fluidodinamica di testate motore che permetta l esecuzione di test in maniera completamente automatica, con l obiettivo di ottenere un elevata accuratezza e ripetibilità delle misure effettuate. La soluzione: Gestire il banco prova con un sistema di controllo e acquisizione basato su piattaforma NI CompactDAQ. Attraverso tale sistema, oltre all acquisizione delle grandezze fisiche di interesse, è stato possibile controllare il banco in tutte le varie fasi di funzionamento. Autore (i): G. Franchi - EN4 ( A. Ponzi - AUTOMOBILI LAMBORGHINI D. Paglierini - AUTOMOBILI LAMBORGHINI C. N. Grimaldi - UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PERUGIA M. Battistoni - UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PERUGIA Abstract Nell ambito dello sviluppo e progettazione di numerosi componenti automotive, la caratterizzazione sperimentale del comportamento fluidodinamico è un attività di notevole importanza. In tale contesto è fondamentale disporre di apparecchiature che, in maniera veloce ed affidabile, permettano l esecuzione e la gestione di test finalizzati a determinare i parametri di maggiore interesse per il progettista. Il banco di flussaggio sviluppato da EN4. in collaborazione con Automobili Lamborghini. è uno strumento che permette di ottenere in modo automatico una caratterizzazione fluidodinamica completa ed estremamente accurata e ripetibile di testate motore. L architettura CompactDAQ, alla base dell applicazione, permette il controllo e la gestione completa del banco in tutte le fasi di funzionamento. Articolo Introduzione Il banco è stato concepito con la finalità di garantire allo sperimentatore uno strumento con un elevato grado di precisione ed affidabilità, unitamente ad una notevole semplicità di utilizzo. Il lavoro svolto dal banco è in linea generale quello di effettuare la misura della portata di aria effluente attraverso un generico orifizio nelle condizioni di delta P impostate dall utente, mentre nell utilizzo più specifico permette la caratterizzazione completa di testate di motori a combustione interna. Il risultato tipico del test è l andamento del coefficiente di efflusso della testata in prova al variare del delta P e dell alzata delle valvole. Le potenzialità del banco sono estese grazie alla movimentazione automatica delle valvole di aspirazione e scarico e da un misuratore di Swirl/Tumble che permette di caratterizzare la testata anche in termini di intensità dei moti della carica. Per ottenere il controllo ed acquisire i dati di interesse, EN4 ha sviluppato in ambiente NI LabVIEW un software dedicato (Flux), ed ha utilizzato un architettura NI CompactDAQ, attraverso la quale è stato possibile gestire tutte le fasi di cui si compone la prova, dall impostazione della prova da svolgere all analisi finale dei risultati. L architettura scelta, oltre ad essere intrinsecamente espandibile e quindi estremamente adatta alle esigenze di un ambiente di ricerca e sviluppo, rappresenta anche una soluzione che permette una notevole semplificazione e razionalizzazione dell impianto di testing installato in sala prova. Oltre alla parte impiantistica che collega la macchina soffiante all elemento in prova, il banco è composto da un quadro contenente tutta la parte di sensoristica, di alimentazione elettrica e l hardware National Instruments per l acquisizione e il controllo dell intero sistema. L unico elemento di comunicazione con il quadro, e quindi con il banco, è un cavo di connessione USB. Questo permette non solo un installazione agevole del banco di flussaggio al computer della consolle posta al di fuori della cella di prova, ma da anche la possibilità di effettuare agevolmente operazioni di manutenzione e debug nei pressi del banco da interno cella, semplicemente collegando un PC portatile alla presa USB presente nel quadro di controllo. Il sistema National Instruments è composto dallo Chassis NI cdaq 9178 con i seguenti moduli: - modulo NI 9201, con 8 ingressi analogici dedicati per la lettura di segnali dai sensori e per la retroazione delle valvole proporzionali che regolano il flusso nel banco; - modulo NI 9263, con 4 uscite analogiche utilizzate per il controllo delle valvole proporzionali; - NI 9403, con 32 canali digitali utilizzati per letture di sensori e per il controllo degli attuatori; - modulo NI 9211, per la lettura tramite termocoppie di temperature significative nel componente in prova; - modulo NI 9485, con 8 uscite SSR per il controllo di valvole dell impianto e della macchina soffiante; - modulo NI 9411, per la lettura dei encoder lineari di alta precisione utilizzati per la retroazione degli attuatori dedicati al componente in prova. Impostazione prove Flux permette di salvare un database di prove da svolgere, in modo da dare all utilizzatore la possibilità di ripetere prove standard di particolare interesse. È inoltre possibile salvare nel database le caratteristiche geometriche delle testate. Una volta svolto il lavoro di impostazione delle prove e di salvataggio dei componenti, lo sperimentatore deve solamente richiamare il tipo di prova e il componente sul quale si deve svolgere il test. Controllo alzata valvole Attraverso il software Flux è possibile il controllo automatico, durante le prove, dell alzata delle valvole a fungo. Queste vengono infatti movimentate fino al raggiungimento dell alzata desiderata, attraverso il controllo in loop chiuso di attuatori lineari, appositamente progettati per garantire un elevata precisione anche in condizioni di carichi molto elevati, come quelli che possono essere generati dalle molle originali. L implementazione di questa fase permette di effettuare intere caratterizzazioni dei componenti senza necessitare del presidio dell operatore. Controllo impianto e condizioni di prova Il sistema permette il controllo automatico dell impianto con lo scopo sia di commutare tra le due condizioni di funzionamento (aspirazione e scarico), sia di garantire la regolazione automatica della pressione di prova. Tra i dati richiesti in fase di impostazione della prova c è infatti anche il valore di pressione e le soglie di tolleranza da considerare, le quali verranno utilizzate dall algoritmo PID che permette di mantenere costantemente sotto controllo le condizioni di prova durante la misura vera e propria. Leggi il Case Study 1/5

2 Acquisizione, elaborazione e analisi dei dati Dopo aver agito sul controllo del componente e dell impianto, il software Flux effettua l acquisizione delle grandezze fisiche necessarie alla caratterizzazione della testata da flussare, quali temperature, livelli di pressione e il valore di portata volumetrica. Le modalità di acquisizione dei dati sono definite dall utente nella fase di configurazione della prova. È infatti possibile impostare sia il numero di campioni da mediare per ognuno dei punti della prova, sia la tolleranza massima accettabile nell oscillazione della portata misurata, trade-off tra la precisione richiesta nella misura e durata complessiva della prova. Durante la fase di acquisizione è possibile monitorare continuamente l attività del banco di flussaggio, tramite l indicazione delle grandezze acquisite, dell effettiva conformità del funzionamento del banco alle soglie scelte dall utente e di eventuali messaggi di errore o malfunzionamento. Conclusa la fase di acquisizione, e qualora il piano di prova caricato preveda altri punti di misura da completare, il software ripete le fasi di controllo del componente in prova e dell impianto, in modo da effettuare gli altri test richiesti e completare in modo automatico l intera caratterizzazione della testata. Il software ha al suo interno anche un ambiente nel quale è possibile effettuare analisi avanzate con i dati acquisiti durante le prove. Tale ambiente permette di effettuare estrapolazioni delle misure effettuate, ad esempio ipotizzando condizioni ambientali differenti da quelle acquisite. È inoltre disponibile un tool dedicato al calcolo di parametrici motoristici come l area efficace media, con la possibilità di effettuare confronti tra diversi profili di camme precedentemente salvati nel database. Il software prevede infine la possibilità di effettuare calibrazioni periodiche del banco attraverso il flussaggio di ugelli sonici primari. Informazioni sull'autore: G. Franchi EN4 ( gianluca.franchi@en4.it (mailto:gianluca.franchi@en4.it) Figura 1: Interfaccia operatore durante la fase di prova 2/5

3 Figura 2: Accessorio per la movimentazione automatica delle valvole 3/5

4 Figura 3: Vista complessiva del banco di flussaggio per testate Informazioni Legali Questo case study (questo "case study") è stato fornito da un cliente di National Instruments ("NI"). QUESTO CASE STUDY È FORNITO SENZA NESSUN TIPO DI GARANZIA ED È SOGGETTO AD ALCUNE LIMITAZIONI PIÙ SPECIFICATAMENTE DESCRITTE NEI TERMINI D USO DI NI.COM 4/5

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