Corso%di%Laboratorio%di%Energetica,%Anno%accademico%2012/13
Relazione sul motore a combustione interna
Robin%Dallimore%Mallaby%–%Giuseppina%De%Bona%–%Andrea%De%Nigris%–%Fabio%Fabbris%–Aldo
%Tommaso%Grimaldi
Introduzione
In questa esperienza analizzeremo il funzionamento di un motore per generazione portatile
mediante le indicazioni di pressione e volume sia di un ciclo completo che mediate su 100 cicli.
1. Preparazione dell’esperimento
1.1 Strutture e disponibilità
L’esperienza didattica viene effettuata presso l’edificio “laboratori didattici Marzio Falco”. L’intera
struttura ospita diversi laboratori, nel nostro caso abbiamo usufruito dell’aula dedicata alle
esperienze di motori, situata al primo piano.
La struttura è composta di una camera antideflagrante, in modo da prevenire eventuali danni in caso
di malfunzionamento o rottura del motore. L’unico collegamento con l’esterno sono i cavi dati che
permettono di acquisire i dati tramite computer.
1.2 Installazione Modello
Per effettuare la prova utilizziamo un circuito predisposto appositamente per simulare le condizioni
di utilizzo in ambito automobilistico. Tale circuito prevede, oltre al motogeneratore, un carico
variabile che simula un aumento della resistenza applicata all’albero. Vi è inoltre un circuito di
raffreddamento ad aria ed un sistema di espulsione dei gas di scarico tramite canna fumaria.
Gli elementi che lo costituiscono l’impianto sono:
1. Motogeneratore
2. Carico dissipativo
3. Trasduttore di pressione piezoelettrico
4. Encoder
1.3 Descrizione dei componenti
1.3.1 Motogeneratore Honda
Utilizziamo un motore di generazione elettrica perché variamo il carico tramite resistenze elettriche
e non applicando resistenze meccaniche direttamente all’albero motore.
Il motogeneratore utilizzato è l’Honda GX340K1 che possiede le seguenti caratteristiche:
• motore a 4 tempi monocilindrico
• cilindrata (corsa x alesaggio) 337 cm3 (82x64 mm)
• velocità di rotazione fissa 3000 rpm
• sistema di raffreddamento ad aria forzata
• ingombro 910x530x695 mm
• peso a secco 122 kg
• sistema di accensione a magnete transistorizzato
• capacità olio 1,1 litri
• capacità serbatoio di benzina 19 litri
• candela BPR5ES (NGK) W16EPR-U NIPPONDENSO)
• livello di rumore 89 dB
Il motore genera corrente elettrica con le seguenti modalità:
• Tensione nominale: 220 V
• Frequenza nominale: 50 Hz
• Frequenza nominale: 50 Hz
• Corrente nominale: 15.9 A
• Potenza nominale: 3,5 KVA
• Potenza massimale: 4 KVA
• Uscita: DC 12V 8,3 A max
1.3.2 Carico dissipativo
Il carico dissipativo è costituito da 4 resistenze elettriche rispettivamente di 500, 500, 1000, 2000
W.
Le resistenze sono comandabili attraverso un pannello meccanico situato accanto alla postazione
dell’operatore. Tramite questo pannello è possibile combinarle tra loro a piacimento in modo da
ottenere il carico desiderato.
Le resistenze utilizzate sono di tipo corazzato, con alettatura in acciaio, costruite per il
riscaldamento dell’aria con circolazione naturale; sono state installate vicino alla finestra per
favorire lo scambio termico.
1.3.3 Trasduttore di pressione piezoelettrico
Il trasduttore di pressione piezoelettrico è, nel nostro caso, alloggiato all’interno della candela di
accensione; ci consente di rilevare la pressione in camera trasformandola in un impulso elettrico
acquisibile dal computer.
Le caratteristiche principali sono:
Campo di misura: 0-200 bar
Sensibilità: 15 pC/bar
Tmax d’esercizio: 400 °C
1.3.4 Encoder
È un dispositivo elettromeccanico che converte la
posizione angolare del suo asse rotante in segnali
elettrici leggibili da un computer. Ci serve per
associare il valore di pressione rilevato dal trasduttore
all’angolo di manovella corrispondente.
1.4 Calibrazione
E’ innanzitutto necessario calibrare correttamente gli strumenti utilizzati nell’esperimento prima di
costruire il modello. L’operazione consiste in un confronto tra le misure effettuate dallo strumento e
quelle di un campione per assicurarci di aver un’adeguata accuratezza nella lettura diretta dei valori.
Dovremo quindi assicurarci che strumenti che rilevano i dati di rilievo dell’esperimento siano
adeguati e in questo caso verrà calibrato il trasduttore di pressione.
1.5 Preparazione del sistema di misura e supporto
Encoder
Trasduttore di pressione
Carico elettrico
2. Acquisizione dati
2.1 Preparazione della procedura sperimentale
Per poter registrare i dati utilizzeremo un computer collegato ai vari sensori e in grado di tradurre le
varie informazioni elettriche in misure effettive. Accendiamo dunque il computer e l’alimentazione
di tutti i trasduttori e degli ausiliari di controllo. Riscontreremo l’effettivo funzionamento dei
dispositivi per mezzo di una luce verde sul pannello di controllo del motore che si accende nel caso
in cui non ci siano problemi. È inoltre previsto un pulsante di arresto dell’intero sistema
nell’eventualità di problemi esterni.
2.2 Inizializzazione del software di acquisizione dati
Avviamo quindi il programma Mecomotor, il software atto al controllo dei parametri caratteristici
del motore.
Dal menù file selezioniamo nell’ordine:
1. carica file
2. file configurazione
3. hondaEX4000S.cfg
Utilizziamo il file di configurazione già preparato appositamente dal professore. Una volta avviato
il motore scegliamo dal menù acquisizione l’opzione CON ENCODER.
Dalla schermata che si presenta impostiamo
​ il numero di cicli consecutivi da acquisire, nel
nostro caso 100 cicli, che è il numero massimo previsto per evitare dimensioni eccessive del file in
uscita.
Iniziamo dunque a inserire la prima resistenza (la più bassa) ruotando in posizione 1 il comando
ausiliario relativo.
Dopo aver atteso il termine del transitorio, iniziamo l’acquisizione dei dati cliccando sul menù
ACQUISISCI. Durante l’acquisizione vengono visualizzate due linee verticali: una linea verde, che
riporta gli angoli di apertura e chiusura della valvola di aspirazione, e una linea rossa che riporta gli
angoli di apertura e chiusura delle valvole di scarico.
Entrando nel menù ELABORAZIONE possiamo calcolare alcune grandezze caratteristiche.
Selezionando l’opzione calcolo ciclo medio, è possibile accedere alle routine di elaborazione dei
dati acquisiti, tramite il corrispondente pannello. In particolare possono essere visualizzati nel
diagramma riportato nella parte sinistra del pannello l’andamento del ciclo medio di pressione,
calcolato sul totale dei cicli acquisiti (linea gialla), e dello scarto quadratico medio sigma (linea
rossa) in funzione dell’angolo di manovella.
2.3 Avvio della prova sperimentale e acquisizione dei dati
Una volta configurato il sistema di acquisizione dati e preparato il motore e tutti gli ausiliari,
accendiamo e iniziamo la prova. Cominciamo col collegare tramite il selettore una resistenza da
500W. Dopo aver atteso il raggiungimento del regime, clicchiamo sul tasto di acquisizione a
schermo e aspettiamo che l’elaboratore completi la fase di registrazione dei dati. Ripetiamo i
passaggi ruotando il selettore portandoci ai valori di resistenza di 1000, 2000 e 3500 W. Infine
preleviamo i file prodotti dal programma per poterli elaborare mediante programmi di calcolo.
3.1 Analisi statistica
L’analisi statistica viene effettuata in automatico dall’elaboratore, che ci restituisce valore medio di
pressione per ogni angolo di manovella e del relativo scarto quadratico medio, su 100 cicli.
​
​
​
3.2 Equazione di riduzione dei dati
3.2.1 Ciclo indicato su piano p-v e doppio log
Uno dei primi passi una volta acquisiti i dati di un motore a combustione è riportare i valori su un
grafico con pressione in ordinata e volume in ascissa.
Abbiamo riportato il grafico a 500 W di carico. Possiamo subito notare il discostamento dal grafico
di un ciclo Otto ideale, in cui si evidenzierebbero nettamente i tratti di combustione e scarico
verticali; inoltre si evidenzia come il grafico di un ciclo semplice risulti frastagliato, mentre il
grafico che utilizza le pressioni medie si presenta più continuo.
L’area circoscritta nella linea chiusa rappresenta il lavoro scambiato dal motore: la parte ampia
superiore indica il lavoro prodotto dal pistone, a cui va sottratta l’area compresa nello spazio
inferiore in quanto rappresenta il lavoro successivamente assorbito dal pistone per comprimere i
gas. Riportando sullo stesso schema anche i cicli medi agli altri valori rilevati abbiamo:
Dove risulta evidente, come deducibile per quanto detto prima, l’aumento di lavoro prodotto
all’aumentare del carico richiesto.
Un altro grafico significativo è quello che riporta gli stessi dati, ma su assi in scala logaritmica.
Qui si evidenziano in particolare la compressione e l’espansione, che diventano segmenti inclinati il
cui coefficiente angolare può essere utilizzato per individuare l’esponente della politropica che
sottostà a tale fase. Anche in questo caso riportiamo i cicli agli altri valori di carico:
In quest’ultimo si può notare la traslazione verso l’alto dei cicli all’aumentare della potenza
richiesta.
3.2.2 Frazione di massa bruciata
L’indice frazione di massa bruciata è un parametro che permette di seguire l’andamento della
combustione nel cilindro, aiutando in fase di calibrazione del motore a raggiungere i punti ottimali
di anticipo di accensione della scintilla.
Determinare questo coefficiente dai soli dati di pressione senza avere a disposizione l’andamento
della prova con ciclo trascinato però risulta alquanto complesso; utilizzeremo quindi un modello
matematico, quello di Rassweiler –Withrow, che si basa su alcune assunzioni.
Innanzitutto si devono stabilire gli angoli di inizio e fine della combustione mediante il grafico log
p – log V, in cui si approssimano le fasi di compressione e espansione come politropiche; questo
significa che il loro andamento sul grafico sarà lineare, quindi potremo prendere come riferimenti
gli istanti in cui la curva tra esse compresa si discosta vistosamente da tale andamento. Una volta
ottenute tali informazioni si analizzano i dati di pressione e volumi compresi in questo intervallo.
La prima ipotesi che si fa è che il
complessivo per un angolo di manovella sia valutabile come
la somma di due componenti,
che è la parte dovuta alla variazione di volume provocata dal
movimento del pistone, e
che riguarda invece solo l’incremento di pressione dovuto alla
movimento del pistone, e
che riguarda invece solo l’incremento di pressione dovuto alla
combustione; risulta quindi
Il
può essere ricavato come espansione di una politropica senza combustione:
A questo punto ricaviamo i
come
, e ipotizzando che esso sia proporzionale
alla quantità di massa di combustibile bruciata nel corrispondente intervallo di giro di manovella,
ricaviamo che:
dove il numeratore è la cumulata di tutti i
fino all’istante considerato, mentre al denominatore
abbiamo la somma di tutti i
durante l’intero processo di combustione.
Dal grafico si può vedere come all’avvicinarsi del carico alla potenza nominale la combustione sia
più rapida e ben distribuita durante tutto l’arco di giro ad essa dedicato. Inoltre è possibile verificare
l’introduzione dell’anticipo di accensione della carica in quanto in corrispondenza dell’angolo 0
abbiamo quasi il 10% di massa bruciata.
Il grafico presenta il tipico andamento ad S che consiste nella divisione della combustione in 3 fasi:
lenta – veloce – lenta.
​3.2.3 Coefficiente di riempimento volumetrico
Il coefficiente di riempimento è un parametro motoristico che indica quanta parte della massa d’aria
che teoricamente può entrare nel cilindro durante la fase d’aspirazione riesce effettivamente a
essere intrappolata al suo interno. La sua espressione è
•
è il coefficiente volumetrico;
•
è la massa che è stata realmente aspirata;
•
è la massa che teoricamente è possibile aspirare.
, dove abbiamo:
Questo è un numero puro, che per motori aspirati deve cercare di essere più vicino possibile a 1,
mentre nei motori sovralimentati può essere anche molto maggiore.
Il ëv influenza principalmente il lavoro specifico effettivamente prodotto dal motore a parità di
rendimenti, perché una minor quantità di carica fresca aspirata implica una minor massa di
combustibile in grado di bruciare (con á costante) e quindi un minor calore sviluppato nella
combustione. Infatti abbiamo che:
combustione. Infatti abbiamo che:
Per determinare tale coefficiente applichiamo il principio di conservazione dell’energia alla fase di
alimentazione. Elaborando le espressioni si ottiene:
in cui:
• ÄT è la differenza di temperatura subita dai gas durante il processo;
•
Il coefficiente
risulta dallo sviluppo del lavoro globalmente ceduto
all’esterno
fase di scarico);
•
•
(i è l’inizio della fase di compressione e r è la fine della
k è il rapporto tra i calori specifici
, assunto pari a 1,35 ;
r è il rapporto volumetrico di compressione;
•
sono rispettivamente le pressioni ambiente, nel punto i e nel punto r;
•
è un coefficiente che esprime il rapporto tra volume del PMI e volume nel punto i.
Nel nostro caso abbiamo considerato, per ipotesi:
• ÄT pari a 0;
• Ta = 293 K;
•
= 101325 Pa
•
= 1,3
r invece è calcolato sulla base delle specifiche, e vale 8,0094. Per proseguire nei conti abbiamo
dovuto individuare i punti r ed i mediante i grafici: per il primo punto abbiamo valutato l’angolo in
cui si presentava il PMS nella fase di scarico, ovvero 359°, mentre per il secondo abbiamo fatto
riferimento al grafico doppio logaritmico, considerando l’inizio della compressione l’istante nel
quale l’andamento della curva può essere confuso con una retta, punto che varia in base alla forma
del ciclo. La nostra scelta comunque è ricaduta per tutti i carichi per l’angolo di 600°, in quanto
abbastanza rappresentativo della curva.
Scelti i riferimenti abbiamo proceduto al calcolo dell’integrale tra questi punti mediante
l’elaborazione con matlab, importando la matrice e utilizzando il metodo dei trapezi. Tale integrale,
diverso per ogni valore di potenza richiesta al motore, è stato diviso per il valore
restituendo
i seguenti valori di Ø:
Potenza([W] Ψ
500
0,4372
1000
0,4311
2000
0,4323
3500
0,4425
Questi valori sono stati inseriti nella formula del
Vr(ciclo
yi
V_i([cm^3]
[m^3]
0,300421161 48,2373
316,20432
Potenza([W] p_r([bar]
500
1,08254
p_i([bar]
0,433303
, insieme a:
500
1000
2000
3500
1,08254
1,0883
1,08389
1,19399
0,433303
0,55193
0,6672
0,76098
Ottenendo questi risultati:
Potenza([W] λV
500
0,10918424
1000
0,13677227
2000
0,16647111
3500
0,18116733
Possiamo notare che il valore cresce avvicinandoci al carico ottimale, ma rimane molto inferiore a
1. Questa grande distanza dal valore ideale risulta sospetta, facendo ipotizzare qualche
malfunzionamento nell’aspirazione, quale per esempio la valvola o i condotti sporchi e intasati,
qualche perdita d’aria in aspirazione, oppure una non perfetta tenuta del pistone.
​3.2.4 Dispersione ciclica
La dispersione ciclica è un fenomeno che influenza le prestazioni generali del motore; consiste in
una variazione ad ogni ciclo dei valori di pressione durante la combustione, in particolare del valore
della pressione massima e dell’angolo di manovella ad esso associato, nonostante ci si trovi in
regime stazionario. È un fattore inevitabile, poiché causato dall’incontrollabilità di alcuni parametri
che dirigono lo sviluppo della combustione in camera nel tempo, come ad esempio il regime di
moto della carica fresca nel cilindro, il miscelamento non perfettamente omogeneo della carica
fresca con lo spray di combustibile e il mescolamento tra carica fresca e gas combusti ancora
presenti durante la fase di aspirazione.
Teoricamente quindi, poiché la regolazione di alcuni parametri motoristici, primo su tutti quello
dell’anticipo di accensione della carica, sono regolati in base alla posizione del picco di pressione
previsto, si dovrebbe avere una calibrazione di questi variabile ad ogni ciclo. Dato che tale
soluzione risulta impraticabile, nella pratica si preferisce prendere come riferimento l’andamento
del ciclo medio, riducendo così al minimo gli errori commessi nell’utilizzo di un valore costante.
Ovviamente l’errore sarà tanto maggiore quanto più instabile sarà il valore della pressione; questa
variabilità è ben rappresentata dal valore σ, ovvero lo scarto quadratico medio, che possiamo ben
visualizzare su un grafico:
Quello che si nota è che la dispersione è concentrata proprio negli istanti di sviluppo della
combustione, con picco vicino alla pressione massima. Il valore di σ è stato ricavato nelle nostre
prove utilizzando i dati di pressione dei 100 cicli. Se ora confrontiamo l’andamento di σ con il
carico collegato:
Possiamo notare come il picco segua l’andamento delle pressioni in camera, aumentando in valore e
spostandosi verso sinistra. Per legare σ allo sviluppo della pressione in camera, si utilizza l’indice
COV, coefficiente di variabilità, definito come
500 W:
1000 W:
2000 W:
3500 W:
C.O.V. [%]
C.O.V. [%]
C.O.V. [%]
C.O.V. [%]
.
​8,79873
​6,59865
​5,65320
​5,37485
Da questi valori verifichiamo che la dispersione aumenta quanto più siamo distanti dalle condizioni
di progetto. Per ottenere quindi una combustione omogenea e completa converrebbe rimanere
nell’intorno del carico nominale.
4. Analisi incertezze
In seguito alla presenza di errori nella misurazione dei parametri caratteristici dell’esperimento
vengono calcolati i valori delle incertezze in modo da fornire un valore corretto di ogni misura.
Queste incertezze indicano un intervallo di valori dove posso affermare che il valore vero si trovi
con un certo livello di probabilità, questo numero associato al risultato della misurazione esprime
una dispersione dei valori che possono esser ragionevolmente attribuiti al parametro misurato.
L’errore nella misurazione è dato da due effetti principali, gli errori sistematici e quelli casuali:
- Gli errori sistematici sono dovuti principalmente allo strumento e all’operatore, per questo motivo
vengono innanzitutto tarati gli strumenti e poi eseguite le misure da uno stesso operatore in rapida
successione. Questi accorgimenti permettono di ridurre al minimo questo tipo di errori.
Gli errori casuali invece sono dovuti principalmente ad una non precisa modalità di misura, per
rimediare a questo tipo di errore vengono eseguite più misurazioni e mediate tra loro.
Anche riducendo al minimo questi errori non avremo mai il valore vero della misura, vi sarà sempre
un certo valore dell’incertezza.
Tuttavia poiché non abbiamo informazioni sul livello di accuratezza degli strumenti, consideriamo
trascurabile le incertezze sulle misure di pressione effettuate. Dato che tutti i valori sono stati
calcolati a partire principalmente da questi dati non è stato possibile a priori determinare le
incertezze dei parametri calcolati nella trattazione.
5. Conclusioni
Dall’analisi dei parametri calcolati è emerso che il motore esaminato lavora meglio nell’intorno del
carico dichiarato dalla casa costruttrice. Infatti abbiamo notato miglioramenti per quanto riguarda
l’andamento della combustione, che si presenta più rapida e completa, migliorando i rendimenti e
diminuendo le emissioni dannose, tutto ciò grazie al fatto che lavoriamo con l’anticipo ottimo
dell’accensione della carica. Tutto questo ha influito anche nell’aspetto della dispersione ciclica,
che risulta più contenuta in proporzione alle pressioni massime sviluppate.
L’unico dato poco convincente è stato trovato nel coefficiente di riempimento, che mostra una
scarsa capacità di intrappolare carica fresca ad ogni ciclo; infatti abbiamo valori molto distanti da 1,
che tuttavia migliorano nei pressi del carico nominale. Questo ci induce a pensare che sia necessaria
una revisione della parte di aspirazione, quindi una causa esterna al funzionamento vero e proprio
del motore.
Il decadimento prestazionale all’allontanamento dal punto nominale è evidente, ma questo fatto è
ammissibile dato che il motore è progettato per lavorare con carico costante, ovvero la generazione
di corrente elettrica. Il passaggio per carichi parziali è previsto solo per eventuali transitori, quindi
molto meno frequenti rispetto alla potenza di esercizio richiesta.