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Fpt Tesi Scavenging Definitiva

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La presentazione della tesi (mia e del mio compagno di tesi Matteo Sala) del 5 marzo 2006.
La tesi ha riguardato l'assistenza agli ingegneri FPT di Arese (gli ulitimi "mohincani" di Arese) sullo sviluppo della strategia di Scavenging sul 1750 turbo da 200cv.

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Fpt Tesi Scavenging Definitiva

  1. 1. Politecnico di Milano Facoltà di ingegneria industriale Dipartimento di Meccanica Indagine sperimentale sull’applicazione della strategia di scavenging per la riduzione del turbolag, su motori a combustione interna ad accensione comandata, sovralimentati mediante turbocompressore Tesi di Laurea di: Relatore aziendale: Relatore universitario: Enzo Ceroni 663144 Ing. Raul Lovati Prof. Gianluca D’Errico Matteo Sala 662726 Anno accademico 2005/2006 Enzo Ceroni 6/3/2006 Presentazione Tesi di laurea Scavenging 1
  2. 2. Presentazione dell’azienda Dalla separazione di Fiat da GM avvenuta nei primi mesi del 2005 è stata creata Fiat Powertrain Technologies, costituita da: Fiat Powertrain: Iveco Motors: CRF e Elasis: è la società del gruppo si occupa di progettare i sono le società del Fiat che sviluppa i motori per i veicoli gruppo impegnate in gruppi motopropulsori industriali e marini ricerca e sviluppo per le vetture Fiat, Lancia e Alfa Romeo Enzo Ceroni 6/3/2006 Presentazione Tesi di laurea Scavenging 2
  3. 3. Presentazione dell’azienda Fiat Powertrain technologies dispone di diverse sedi nel mondo... Enzo Ceroni 6/3/2006 Presentazione Tesi di laurea Scavenging 3
  4. 4. Presentazione dell’azienda …. e in Italia Presso la sede di Arese, FPT sta sviluppando i nuovi motori 1.8 TC JTS da 190 e 230cv Enzo Ceroni 6/3/2006 Presentazione Tesi di laurea Scavenging 4
  5. 5. Obiettivo del lavoro Durante i transitori da bassi regimi e bassi carichi, il motore turbo soffre di un ritardo nell’erogazione della coppia dovuto al turbolag Verifica sperimentale della strategia di SCAVENGING par la riduzione del turbolag del motore turbocompresso SCAVENGING: è il passaggio diretto di aria dall’aspirazione allo scarico nella fase di incrocio, fase in cui sia le valvole di aspirazione che di scarico sono contemporaneamente aperte Enzo Ceroni 6/3/2006 Presentazione Tesi di laurea Scavenging 5
  6. 6. 1. Introduzione: Il motore 1.8 TC - JTS Enzo Ceroni 6/3/2006 Presentazione Tesi di laurea Scavenging 6
  7. 7. Il concept del nuovo 1.8 TC - JTS consumo motore a benzina aspirato vettura PRESTAZIONALE: FunToDrive TURBOSOVRALIMENTAZIONE Downsizing Downrating 1.8 TC-JTS da 190 e 230cv Enzo Ceroni 6/3/2006 Presentazione Tesi di laurea Scavenging 7
  8. 8. Tecnologie a disposizione 1.8 TC - JTS JTS Variatori di fase Turbocompresso L’utilizzo congiunto di queste tecnologie in camera di Iniezione di benzina allo Temperature combustione inferiori (Riduzione stato liquido in camerapermette un ulteriore vantaggio sensibilità alla detonazione) della Possibilità di alzare l’RC o ottimizzare l’anticipo d’accensione Possibile forte incrocio (miglior rendimento) Iniezione a valvole chiuse Possibilità di strategie Variazione della durata della di SCAVENGING per fase d’incrocio la riduzione del turbolag Enzo Ceroni 6/3/2006 Presentazione Tesi di laurea Scavenging 8
  9. 9. Scavenging Lo scavenging è il passaggio di aria dall’aspirazione allo scarico che non partecipa alla combustione Questo passaggio di aria durante il transitorio Il passaggio di aria incrementa la velocità permette un miglior della turbina vincendone lavaggio della parte dell’inerzia. camera aumentando Riduce perciò il turbolag l’efficienza della combustione Enzo Ceroni 6/3/2006 Presentazione Tesi di laurea Scavenging 9
  10. 10. Scavenging Nei collettori di scarico l’aria fresca cortocircuitata reagisce con i gas di scarico della successiva combustione ricchi di HC e CO. Si ottiene una post-combustione che aumenta l’entalpia a monte della turbina Enzo Ceroni 6/3/2006 Presentazione Tesi di laurea Scavenging 10
  11. 11. Scavenging Andamento della pressione nel cilindro 1 e nei collettori di scarico e aspirazione a 2000 rpm in pieno con periodo di incrocio ridotto incrocio della calibrazione base cilindro 1 collettore scarico collettore aspirazione la fase di scarico del terzo cilindro disturba l’incrocio del primo cilindro. La pressione nel collettore di scarico è maggiore che in aspirazione Pasp<Pscarico apertura scarico cilindro 1 Lo SCAVENGING avviene solo se la pressione nello scarico è inferiore a quella di aspirazione Enzo Ceroni 6/3/2006 Presentazione Tesi di laurea Scavenging 11
  12. 12. Scavenging Andamento della pressione nel cilindro 1 e nei collettori di scarico e aspirazione a 2000 rpm in pieno con periodo di incrocio massimo massimo incrocio cilindro 1 collettore scarico collettore aspirazione la pressione in aspirazione è maggiore di quella di scarico, parte dell’ aria fresca passa direttamente allo scarico durante il periodo di incrocio. Pasp>Pscarico apertura valvola di scarico anticipata rispetto al caso precedente Abbiamo SCAVENGING Enzo Ceroni 6/3/2006 Presentazione Tesi di laurea Scavenging 12
  13. 13. 2. Strumentazione e raccolta dati Enzo Ceroni 6/3/2006 Presentazione Tesi di laurea Scavenging 13
  14. 14. Strumentazione motore Candele strumentate DATI RILEVATI: T_COLASP apertura farfalla alpha P_COLASP P cassoncino P5/P_COLASP giri turbina giri turbina P.M.E. p.m.e. P_SCARIC T_TUR_IN DA INCA: P_TUR_IN variatore aspirazione wnwse_w variatore scarico wnwsa_w GIRI TURBINA T_COM_IN T_U_INT P_SCARI4 P_COM_IN P_U_INT T_BOCCH FILTRO aria T_COM_OU T_TUR_OU P_COM_OU P_TUR_OU T_CAT_LE P_SCARI3 T_CAT_OU P_SCARI1 P_SCARI2 P_CAT_OU Enzo Ceroni 6/3/2006 Presentazione Tesi di laurea Scavenging 14
  15. 15. Rilievi effettuati con la mappatura base Andamento Prove effettuate della coppia a giri costanti Variatore Scarico Base Pedale Condizione di partenza: Variatore Aspirazione 2 bar P.M.E. Base Inizio della richiesta di coppia Enzo Ceroni 6/3/2006 Presentazione Tesi di laurea Scavenging 15
  16. 16. Diagramma di alzata valvole il grafico rappresenta la possibile escursione dei variatori di aspirazione e scarico, con il massimo e minimo periodo d’incrocio possibili Per effettuare Scavenging durante il transitorio veloce i variatori di aspirazione vanno a posizionarsi con il massimo anticipo mentre quelli di scarico con il massimo ritardo, ottenendo il massimo incrocio Enzo Ceroni 6/3/2006 Presentazione Tesi di laurea Scavenging 16
  17. 17. Confronto Dati acquisiti-Dati campionati 120 [% Coppia] 100 80 120 60 100 coppia no overlap 40 coppia max overlap 80 Dati acquisiti 20 Dati campionati 60 0 0 1 2 3 [s] 4 5 40 6 7 8 9 10 coppia no overlap campionando ogni secondo si 20 coppia max overlap ottiene un buon compromesso fra attendibilità dell’analisi e 0 trattabilità dei dati 0 1 2 3 [s] 4 5 6 7 8 9 10 Enzo Ceroni 6/3/2006 Presentazione Tesi di laurea Scavenging 17
  18. 18. Dati di partenza Vi è la necessità di lavorare su dati che descrivano il comportamento del motore senza perturbazioni provocate da fenomeni casuali Ogni prova è stata ripetuta Attraverso la misura della tre volte e si sono covarianza delle prove si è considerati come dati le verificata l’attendibilità dei dati medie aritmetiche raccolti prima di elaborarli Enzo Ceroni 6/3/2006 Presentazione Tesi di laurea Scavenging 18
  19. 19. Dati di partenza pressione nel cassoncino I dati raccolti sono stati così tabulati: di aspirazione 1000 COPPIA ALPHA GIRI TURBINA PME P_5 [rpm] [% ] alpha [%] [rpm] [bar] [mbar] relativi 0,5 22,1 50 29428 4,00 -25,27 1,0 67,2 100 35152 12,14 7,67 2,0 74,9 100 47116 13,53 32,91 3,0 89,0 100 61171 16,08 70,17 4,0 94,5 100 64503 17,06 117,23 5,0 97,1 100 70882 17,53 146,96 COVARIANZA % 6,0 99,4 100 74583 17,94 158,61 1000 COPPIA ALPHA GIRI TURBINA PME P_5 7,0 Le prove sono 100,0 100 72331 0,5 5,57 18,06 0 154,40 4,98 5,57 -40,15 1 1,87 8,0 attendibili poiché la 99,7 100 76328 18,00 0 8,53 156,75 1,87 69,85 2 0,61 0 14,44 0,61 39,70 9,0 covarianza della 100,0 100 77142 3 0,45 18,10 0 158,21 5,92 0,45 5,57 10,0 100,0 100 4 77583 0,55 18,06 0 11,28 166,10 0,55 7,33 coppia si mantiene 5 0,62 0 7,47 0,62 4,53 sotto il 3% 6 0,47 0 2,00 0,47 la farfalla viene aperta0,55 12,50 7 0,55 0 0,61 5,07 tempo di acquisizione a 8 0,25 completamente in 1 secondo, 0 1,20 0,25 5,36 partire da inizio transitorio 9 0,44 0 3,74 come0 previsto da norma 0,44 3,38 10 0,65 3,71 0,65 6,16 Enzo Ceroni 6/3/2006 Presentazione Tesi di laurea Scavenging 19
  20. 20. 3. Analisi dei dati Enzo Ceroni 6/3/2006 Presentazione Tesi di laurea Scavenging 20
  21. 21. Differenze mappa base - mappa overlap Variatore Scarico MAX Overlap Variatore Scarico Base Pedale 90° 30° Variatore Aspirazione Base Variatore Aspirazione MAX Overlap Enzo Ceroni 6/3/2006 Presentazione Tesi di laurea Scavenging 21
  22. 22. Confronto transitori 360,00 360,00 Cmax - 300,00 Cmax 300,00 - 240,00 240,00 coppia [Nm] 10,8% 7,3% coppia [Nm] [% Coppia] [% Coppia] 180,00 180,00 120,00 120,00 MAPPA BASE MAX OVERLAP 60,00 60,00 MAPPA BASE MAX OVERLAP 0,00 0,00 0,5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0,5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 tem po [s] tempo [s] 1000 rpm 1250 rpm A 1000 rpm e 1250 rpm la massa dei gas combusti che entra in turbina è limitata e il vantaggio dello scavenging in queste condizioni è meno apprezzabile Enzo Ceroni 6/3/2006 Presentazione Tesi di laurea Scavenging 22
  23. 23. Confronto transitori 360 360 Cmax - 300 15,1% Cmax - 300 26,3% coppia [Nm] 240 240 coppia [Nm] [% Coppia] [% Coppia] 180 180 120 120 60 MAPPA BASE 60 MAPPA BASE MAX OVERLAP MAX OVERLAP 0 0 0,5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0,5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 tem po [s] tempo [s] 1500 rpm 1750 rpm Le due mappature cominciano ad essere sensibilmente differenti dai 1500 rpm. A 1750 rpm l’erogazione con massimo incrocio è molto più regolare oltre che veloce Enzo Ceroni 6/3/2006 Presentazione Tesi di laurea Scavenging 23
  24. 24. Confronto transitori Cmax - 360 Cmax - 300 22,1% coppia [Nm] 240 [% Coppia] [% Coppia] 180 120 MAPPA BASE 60 MAX OVERLAP 0 0,5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 tempo [s] 2000 rpm 2500 rpm La massima differenza fra le due risposte ai transitori è a 2000 rpm, portando subito i variatori in posizione di massimo incrocio si raggiunge la coppia massima in 3 secondi da inizio transitorio, mentre dopo 5 secondi con la mappatura standard Enzo Ceroni 6/3/2006 Presentazione Tesi di laurea Scavenging 24
  25. 25. Raggiungimento della coppia massima t 0,5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1000 9,6 30,3 33,0 35,9 38,0 40,5 42,3 43,7 44,3 45,0 45,0 Coppia 1250 12,1 33,3 37,6 43,7 49,5 52,8 55,5 57,4 58,1 58,6 58,4 1500 13,7 37,0 44,3 53,6 60,4 70,1 76,1 78,1 78,8 79,0 79,9 Mappa 1750 11,6 38,0 47,6 58,4 74,2 78,9 77,2 77,3 77,7 77,4 77,7 base 2000 2500 11,9 16,0 38,9 43,1 49,7 74,8 63,3 96,0 89,3 97,0 102,9 100,0 98,2 100,0 98,3 100,0 96,3 100,0 95,4 100,0 96,1 100,0 t 0,5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1000 9,9 30,2 33,7 40,0 42,4 43,6 44,7 44,9 44,8 45,1 44,9 Coppia 1250 10,6 32,5 40,4 47,4 51,4 53,6 55,4 55,3 56,3 56,3 56,2 Max 1500 11,8 36,2 48,8 62,7 71,0 75,0 77,1 77,8 78,5 78,4 78,0 1750 12,2 37,4 57,6 79,2 83,1 82,1 81,4 80,5 79,6 78,8 78,0 overlap 2000 11,8 40,9 69,4 99,1 97,5 97,7 95,7 94,9 94,0 92,9 93,6 2500 15,7 43,3 96,1 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 40 35 30 25 20 15 10 Si ottiene una diminuzione 35-40 30-35 5 del turbolag del 40% 25-30 20-25 15-20 2500 2000 1750 7 8 9 10 0 1500 6 10-15 5 1250 4 5-10 1000 3 2 0-5 1 0,5 Enzo Ceroni 6/3/2006 Presentazione Tesi di laurea Scavenging 25
  26. 26. Indici di prontezza Si ha la necessità di esprimere il comportamento nei Ci transitori tramite indici di facile interpretazione permette di confrontare la prontezza di risposta nel raggiungere la coppia massima (il FunToDrive) Mappa base SCAVENGING 59% 64% 300-350 90% 250-300 75% 300-350 90% 200-250 65% 250-300 75% 65% 200-250 50% Indice di prontezza RELATIVO: RELATIVO 50% 150-200 35% 100-150 150-200 25% 50-100 35% 100-150 i =10 , j = 2500 10% 0-50 25% 50-100 10% 0-50 350 i=tempo 350 300 ∑C i = 0, j = 0 m j=giri 300 I .P.R. = ⋅ 100 250 250 200 Cm, max ⋅ i ⋅ j 200 Coppia [Nm] Coppia [Nm] 150 150 100 100 50 50 Definito come la sommatoria dei valori di coppia tabulati in 0 2000 8 9 10 0 1500 7 funzione dei giri motore e del tempo rapportati al caso di coppia 10 Giri [rpm] 2000 9 6 8 5 4 7 1000 3 1500 6 2 t [sec.] Giri [rpm] 5 1 0,5 costante uguale alla massima su tutto il piano giri-tempo 4 1000 3 t [sec.] 2 1 0,5 I.P.R.100% = coppia max in ogni condizione Enzo Ceroni 6/3/2006 Presentazione Tesi di laurea Scavenging 26
  27. 27. 4. Possibili sviluppi Enzo Ceroni 6/3/2006 Presentazione Tesi di laurea Scavenging 27
  28. 28. Possibili sviluppi L’introduzione dei variatori di L’iniezione diretta permette di fase ha permesso il passaggio effettuare una post-iniezione di aria allo scarico durante la fase di scarico Possibilità di effettuare una post-combustione nei collettori di scarico injection Per incrementare ulteriormente l’entalpia dei gas di scarico a monte della turbina Enzo Ceroni 6/3/2006 Presentazione Tesi di laurea Scavenging 28
  29. 29. Ulteriori sviluppi L’applicazione del sistema Multiair per limitare il Turbolag e le perdite di pompaggio durante il funzionamento a bassi regimi e carichi (dove il funzionamento è assimilabile ad un aspirato) Enzo Ceroni 6/3/2006 Presentazione Tesi di laurea Scavenging 29
  30. 30. Grazie dell’attenzione Enzo Ceroni 6/3/2006 Presentazione Tesi di laurea Scavenging 30

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