martedì 24 ottobre 2023 · 0 min read
Combustione sincronizzata e misure NVH su un banco di prova motore
Nel contesto del design delle auto passeggeri, sta emergendo un'attenzione crescente all'esperienza soggettiva del conducente. La vibrazione ed il rumore durante la guida svolgono un ruolo fondamentale. In questo scenario, il powertrain del veicolo gioca un ruolo predominante, influenzando significativamente la qualità percettiva.
La fondamenta per l'analisi e l'ottimizzazione risiede nella comprensione dei dati provenienti dal motore a combustione interna, insieme ai dati NVH rilevati dal conducente - includendo l'ambiente ed i dati provenienti dalla rete del veicolo. L'Università di Scienze Applicate di Francoforte ha affrontato la sfida di semplificare le misure e di sviluppare capacità formative utili attraverso i propri banchi di prova. In questo contesto, Dewesoft è intervenuta per fornire supporto.
Numerosi strumenti di misura focalizzano unicamente su specifiche applicazioni e un singolo set di dati. Tuttavia, per affrontare compiti complessi, diventa spesso cruciale avere accesso a vari sistemi di misura e dedicare considerevoli sforzi temporali al post-elaborazione dei dati.
Per condurre l'analisi dei dati ed ottimizzazioni, di solito si richiedono da tre a sei esportazioni in vari software differenti. Questo comporta la necessità di verificare la coerenza e la sincronizzazione dei dati acquisiti. In alternativa, con Dewesoft, è possibile raggiungere l'obiettivo con un solo file di misura, semplificando notevolmente il processo. Inoltre, è possibile effettuare analisi ed ottimizzazioni attraverso una vasta gamma di software.
La soluzione fornita dalla Dewesoft ha consentito all'università di adottare un approccio standard basato su misure sincronizzate con visualizzazioni dirette. Il problema che abbiamo esaminato è solo un esempio tra vari scenari in cui diverse situazioni richiedono l'uso di sistemi di misura specializzati. Queste sfide di sincronizzazione e visualizzazione immediata sono comuni non solo nell'ambito dell'università, ma anche tra i produttori di equipaggiamenti originali (OEM), i fornitori di primo livello e tutti coloro che sono coinvolti nella progettazione o verifica di più componenti all'interno di un sistema complesso.
Il problema: il tempo del banco di prova
In questo caso, l'Università delle Scienze Applicate di Francoforte (Frankfurt UAS) ha implementato questo approccio di setup delle misure. L'università offre una vasta gamma di circa 38 programmi di studio in settori come architettura ed ingegneria civile, economia e diritto commerciale, informatica ed ingegneria, lavoro sociale e salute.
Dal 1988, l'ingegnere di laboratorio Ingo Behr, Dipl.-Ing. e M.H.Edu., opera presso l'Università delle Scienze Applicate di Francoforte, all'interno dei laboratori della Facoltà di Informatica ed Ingegneria. Ingo Behr è focalizzato sulla ricerca e lo studio del motore a combustione interna, vantando una vasta esperienza in ambito di riforma strutturale dei programmi di studio e contribuendo attivamente alla progettazione di corsi consecutivi di Ingegneria Meccanica.
Tuttavia, Ingo Behr si trovava di fronte ad una sfida. Il laboratorio non era in grado di illustrare agli studenti le interazioni fondamentali tra la pressione interna del cilindro di un motore a combustione ed i parametri NVH in modo efficace. La visualizzazione in tempo reale non era fattibile utilizzando sistemi distinti ed il processo di post-processing richiedeva notevolmente più tempo rispetto all'esecuzione stessa dei test.
L'attuale sfida è rappresentata dal fatto che un elevato numero di studenti deve acquisire le fondamentali competenze nell'utilizzo del banco di prova. Tuttavia, la capacità della sala di controllo del banco di prova è limitata ad ospitare solamente tre o quattro persone alla volta. Pertanto, dobbiamo impiegare il nostro tempo sul banco prova nel modo più efficiente possibile.
L'Università delle Scienze Applicate di Francoforte è dotata di un laboratorio specializzato nella ricerca sui motori a combustione interna. Il team di questo laboratorio svolge un ruolo cruciale nella formazione educativa degli studenti nei campi dei motori a combustione interna, nonché in aree quali la misura di diverse grandezze fisiche, la termodinamica, l'analisi delle vibrazioni e le misure dei gas di scarico.
Il laboratorio dei motori a combustione interna è attrezzato con una serie di banchi di prova:
Banchi di prova per motori classici
Un banco di prova per il numero di ottano del carburante
Un banco di prova per le pompe di carburante diesel ad alta pressione
Banchi di prova per piccoli motori monocilindrici
Diverse aree di lavoro, come la regolazione ed il montaggio di parti meccaniche, la miscelazione del carburante ed il post-processing, completano le strutture del laboratorio.
L'applicazione - il comfort di guida
L'obiettivo degli ingegneri automobilistici è tradurre le percezioni soggettive di guida e comfort dei conducenti e dei passeggeri in indicatori chiave di prestazione (KPI - Key Performance Indicator) oggettivi e misurabili. A tal fine, stanno sviluppando metodi di test appropriati per valutare e migliorare il comfort di guida, che è diventato un elemento cruciale di differenziazione nel mercato automobilistico.
L'esperienza di comfort dei passeggeri nelle automobili è influenzata dall'esposizione alle vibrazioni ed al rumore. Gli ingegneri di sviluppo solitamente utilizzano diversi sistemi di misura per valutare questa esposizione. Ciascun sistema si concentra su attività specifiche come l'analisi della combustione, l'analisi delle vibrazioni o aspetti dell'analisi acustica. Spesso vengono impiegati in parallelo tre o persino quattro sistemi di misura, ciascuno specializzato nei propri campi e rilevante per valutare il comfort di guida.
Tuttavia, un'area problematica di questa configurazione è la mancanza di sincronizzazione diretta tra questi sistemi. In molte situazioni, è persino necessario acquisire dati aggiuntivi da altri sistemi per l'analisi e l'ottimizzazione. I file di misura generati non sono sincronizzati e l'allineamento dei dati richiede un lavoro laborioso o potrebbe essere addirittura impossibile da realizzare.
L'approccio tradizionale per risolvere questa problematica consiste nell'impiego di sistemi altamente specializzati adatti solo ad un'applicazione specifica. Un sistema di misura delle emissioni di scarico opera in parallelo con un altro sistema dedicato alle vibrazioni ed all'analisi acustica, mentre un terzo sistema raccoglie dati dal bus CAN-FD o FlexRay. Ogni sistema di misura ha il proprio software distintivo e produce un insieme di dati non allineati con gli altri.
Questo metodo presenta molteplici inconvenienti. Ad esempio, richiede competenze specializzate per ogni sistema di misura ed il dispendio di tempo necessario per allineare i dati, un processo non sempre realizzabile. L'approccio di Dewesoft, al contrario, si propone di agevolare l'analisi e l'ottimizzazione catturando tutti i dati con un unico sistema e distribuendo sia i dati grezzi che quelli elaborati attraverso diverse esportazioni verso software specializzati.
Utilizzando un unico sistema di misura, è possibile catturare tutti i dati ed archiviarli in un singolo file. Contemporaneamente, Dewesoft esegue i calcoli standard per tutte le applicazioni coinvolte e visualizza in tempo reale i valori dei risultati.
La capacità di visualizzare istantaneamente la correlazione tra l'analisi della combustione e le vibrazioni del motore è essenziale per rispondere alle nostre aspettative.
La visualizzazione online ci permette di verificare immediatamente i dati al fine di ridurre il numero di misure non valide causate da possibili influenze esterne. Tuttavia, i dati possono ancora essere sottoposti ad ulteriore elaborazione attraverso procedure già stabilite. Inoltre, il software Dewesoft agevola le attività di post-elaborazione grazie al supporto di vari formati di esportazione.
La Figura 1 illustra chiaramente questa semplificazione del processo. I diversi sistemi precedentemente utilizzati (A-D) possono essere sostituiti da un unico sistema dotato di software online. I processi di analisi ed ottimizzazione che erano già in uso vengono supportati grazie all'esportazione dei dati da questo unico sistema.
La soluzione - ingegneria combinata di combustione e NVH
Il sito di prova del motore è composto da due stanze: una dedicata al banco di prova e l'altra adibita a sala di controllo. Nel laboratorio, è stato apportato un adattamento ad un motore standard da auto passeggeri per mostrare agli studenti le principali attività del banco di prova, sia in condizioni di stato stabile che durante la guida dinamica. Questo motore è collegato alla base del banco di prova ed il dinamometro converte la potenza generata in energia elettrica. Il banco di prova del motore è equipaggiato con vari sistemi di misura:
la potenza meccanica del motore,
il consumo di carburante,
l'analisi dei gas di scarico,
la misura della combustione e
la misura di NVH.
Durante il corso, gli studenti effettuano vari test di misura presso il laboratorio. Sono suddivisi in piccoli gruppi ed assegnati a compiti specifici. Ogni gruppo collabora per definire gli obiettivi di misura e pianificare una procedura adeguata. Successivamente, conducono le misure sul banco di prova del motore, analizzando i dati in tempo reale e successivamente elaborandoli. Questi test si svolgono in diverse sessioni durante l'arco del semestre. Infine, gli studenti presentano i risultati ottenuti insieme alle relative conclusioni ad altri studenti ed agli esaminatori, giustificando le loro scelte e decisioni prese durante il processo.
Nel contesto di un progetto, gli studenti sono incaricati di acquisire dati e stabilire una correlazione tra i risultati del motore a combustione interna e le misure di rumore, vibrazioni e durezza (NVH). Questi dati sono ottenuti attraverso sensori posizionati all'esterno del motore. L'obiettivo di questo test è determinare la relazione tra il funzionamento del motore a combustione interna, le vibrazioni generate - prima e dopo l'intervento sul cuscinetto - ed il suono prodotto. Questo test offre un'applicazione che può essere applicata allo sviluppo di automobili passeggeri, poiché affronta una sfida universale che può essere estesa ad altre situazioni.
La configurazione del sistema
La configurazione del test di Dewesoft è altamente versatile e può essere impiegata sia su strada che su piste di prova. Inoltre, è compatibile anche con banchi di prova, come i dinamometri per telai. Questo test può essere eseguito manualmente o attraverso sistemi di controllo remoto, come Etas INCA per le applicazioni mobili o sistemi di automazione per i banchi di prova. L'operazione del test può essere gestita utilizzando trigger, XCPoE o tramite un plugin specifico per il banco di prova.
La configurazione del sistema dipende dal numero di canali e dalle applicazioni. Tipicamente, il sistema di acquisizione dati è composto da:
I moduli SIRIUSi High Speed (HS) con amplificatori di carica integrati acquisiscono i dati di combustione con un tasso di campionamento fino a 1 MS/s .
I moduli SIRIUS DualCore o SIRIUS High Density (HD) con ingressi IEPE acquisiscono i dati di sorgenti di rumore e vibrazioni con un tasso di campionamento fino a 200 KS/s).
Questi sistemi sono completamente sincronizzati e l'hardware appone il timestamp ai dati di misura analogici. Inoltre, il protocollo CAN-FD è misurabile all'interno dello stesso hardware. Il protocollo FlexRay viene ottenuto in parallelo e sincronizzato con le informazioni temporali di arrivo dei messaggi. La decodifica della traccia del bus viene effettuata online direttamente nel software.
La configurazione dell’hardware
La configurazione hardware utilizzata consiste nei sistemi di acquisizione dati Dewesoft SIRIUS - vedere anche Figura 3:
SIRIUSi-HS-6xCHG-2xCHG+ with CAN-FD con upgrade ed amplificatori di carica
SIRIUS-HD-16xACC with CAN-FD con upgrade ed ingressi IEPE
Si nota che questi sistemi sono configurabili in modi diversi.
La configurazione del motore, rappresentata nella Figura 4, impiegava un encoder dell'angolo di manovella (1) insieme a candele di accensione modificate per rilevare la pressione di combustione (2). In aggiunta, erano posizionati sensori di vibrazione (3) ed un microfono (4) sul banco di prova. I cavi collegavano i sensori ai moduli di misura SIRIUS nella sala di controllo del motore, accanto al sistema di automazione.
La configurazione del software
Utilizzando il software DewesoftX Professional, i sistemi di misura Dewesoft SIRIUS vengono integrati come dispositivi controllati dal sistema di automazione del banco di prova. Il software DewesoftX sfrutta il suo ambiente standard per l'acquisizione. I segnali analogici e di contatore vengono configurati ed i calcoli necessari sono predefiniti attraverso plugin ed opzioni specifiche.
Il software utilizzato è:
DewesoftX Professional - un software completo per la misura dei segnali, la registrazione dei dati, l'elaborazione dei segnali e la visualizzazione ed analisi dei dati.
Dewesoft Combustion Engine Analyzer - consente l'analisi di base della combustione ed il ricalcolo dal dominio del tempo al dominio angolare - nel dominio del tempo per le partenze a freddo. L'opzione aggiunge anche l’ambito di combustione ed il controllo visuale del diagramma p-V.
Dewesoft Sound Level Meter module - aggiunge la funzionalità di fonometro a DewesoftX.
Dewesoft FFT module - consente l'analisi FFT in tempo reale su un numero illimitato di canali di ingresso con una vasta selezione di marker avanzati e difetti dei cuscinetti.
Oltre al fonometro, Dewesoft è in grado di fornire misure di qualità del suono, intensità del suono e vibrazioni torsionali, completamente sincronizzate. Ciò consente di eseguire analisi future con lo stesso sistema ed offre opzioni per ulteriori studi.
L'esempio illustrato presenta quattro sensori di pressione a piezoelettrico installati nella camera di combustione e collegati al sistema SIRIUSi-HS attraverso ingressi di carica. Inoltre, è presente un sensore dell'angolo di manovella collegato tramite i Supercontatori di Dewesoft. Questa configurazione offre la possibilità di ottenere dati fondamentali per la misura della combustione a diverse velocità del motore, grazie ad un tasso di campionamento fino a 1 MS/s.
Il modulo Dewesoft Combustion Engine Analyzer viene impiegato per analizzare il motore a combustione. I quattro segnali di pressione registrati vengono convertiti dal dominio del tempo al dominio dell'angolo di manovella e possono essere visualizzati in base ai cicli del motore. Il software esegue anche i calcoli essenziali per le misure, come la pressione media efficace ed il punto di innesco della combustione.
L'ingegnere di laboratorio Ingo Behr ha connesso i sensori di vibrazione ed audio ad un sistema SIRIUSi con ingressi IEPE. Questo sistema dispone di un tasso di campionamento di 200 kS/s con una risoluzione di 2x24 bit per ogni canale. La gamma dinamica del sistema raggiunge quasi 160 dB, garantendo dati sonori di alta qualità.
I dati vengono inviati ad un analizzatore FFT o ad un analizzatore di rumore sonoro ponderato tramite i moduli fonometro e FFT. Questa configurazione permette di rappresentare i componenti ad alta frequenza delle vibrazioni e del suono generate dal cuscinetto del motore. L'uso di accelerometri aggiuntivi consente inoltre di confrontare le vibrazioni del motore prima e dopo l'installazione di qualsiasi cuscinetto, nonché di misurare il grado di ammortizzazione.
Il sistema di misura è stato configurato come schiavo, integrato nel sistema di automazione del banco di prova del motore, mediante l'utilizzo del plugin apposito in DewesoftX. Questa operazione in modalità schiavo non è limitata solo a questa applicazione: può essere adottata anche con strumenti di calibrazione o validazione dell'ECU (Unità di Controllo Elettronico).
Il vantaggio di questa configurazione è che il sistema di automazione va oltre la semplice operatività del sistema di misura, comprendendo funzioni come l'avvio e l'arresto. I nomi dei file per le misure vengono stabiliti dal sistema di automazione e trasmessi a DewesoftX Professional. I risultati, ovvero i valori delle misure di combustione, suono e vibrazione, vengono costantemente visualizzati nell'interfaccia operativa del sistema ed archiviati nel database.
La visualizzazione online aiuta a verificare direttamente la configurazione del sistema, costituendo un altro vantaggio di questo approccio. Le misure errate sono immediatamente visibili e possono essere corrette e ripetute. La Figura 5 illustra la configurazione dell'ingresso analogico utilizzando i canali da 1 a 4 e da 9 a 11.
Le misure
I due tipi di test più comuni impiegati nello sviluppo dei motori sono il test a gradino (step test) ed il test di accelerazione o "sweep test".
In un test a gradino, il motore viene fatto funzionare ad una velocità costante fino a raggiungere la stabilità e vengono acquisiti i dati. Successivamente, la velocità del motore viene cambiata al prossimo punto di set. Il vantaggio di questo test è che l'inerzia del motore e del dinamometro non influenza la lettura della coppia. Inoltre, senza accelerazione, il test può risultare più coerente.
Nel test a gradino, il motore deve funzionare ad un regime costante per un breve periodo di tempo. Tuttavia, questa non è una condizione che i motori incontrano durante il funzionamento normale e potrebbe influenzare l'ottimizzazione. Questo è uno dei motivi per cui l'ottimizzazione ideale su un banco di prova (dyno) e su una pista può variare.
Il test di accelerazione o sweep test accelera il motore ad una velocità costante, ad esempio, 100 rpm/secondo o 300 rpm/secondo. Questi test di accelerazione sono solitamente il risultato di una velocità controllata di scarico dell'unità di assorbimento di potenza.
I test di accelerazione simulano più da vicino le condizioni della pista rispetto ai test a gradino, ma il controllo dell'accelerazione può influenzare le letture della coppia. Durante il test e da un test all'altro, è importante mantenere il tasso di accelerazione coerente. Il sistema di controllo del dinamometro è un fattore cruciale per garantire la coerenza tra i test di accelerazione.
Il software DewesoftX offre una varietà di schermate e widget per offrire un'ampia gamma di opzioni di visualizzazione dei dati. L'obiettivo di queste visualizzazioni è fornire una panoramica chiara dei dati rilevanti al fine di verificare la validità della misura..
La schermata di misura della Figura 6 mostra i vari dati raggruppati in aree separate. Ogni angolo presenta un'area di dati. In questo caso, le aree di dati visualizzate sono
misura della combustione,
misura delle vibrazioni,
misura acustica e
dati del bus e correlazione dei dati.
Conclusioni - test semplificati
Con una configurazione semplice, l'approccio di Dewesoft ha reso possibile l'acquisizione di tutti i parametri necessari. Il numero di sistemi di misura e le interazioni tra di essi sono stati ridotti al minimo. Questa semplificazione ha contribuito a creare un ambiente di prova più stabile e meno soggetto a problemi, riducendo al contempo le ore di utilizzo del banco di prova.
Nel nostro test pratico, l'approccio della Dewesoft ha semplificato il processo di acquisizione dati e non ha richiesto alcuna modifica nel processo di analisi stabilito.
Il laboratorio può utilizzare il sistema come un'entità autonoma per test mobili. Tuttavia, si è dimostrato altrettanto applicabile in una configurazione di banco di prova, sia che si tratti di un banco di prova per il motore o di un dinamometro per il telaio, inclusi supporti per esigenze come il "Road2Rig". Dewesoft offre supporto per una vasta gamma di bus del veicolo, come CAN-FD e FlexRay, compresi i PDUs dinamici. La capacità di supportare una tale gamma di sistemi di bus del veicolo è un elemento distintivo, poiché pochi sistemi di misura possono vantare questa flessibilità.
Il successo di questa soluzione si basa principalmente su due caratteristiche distintive:
La capacità di acquisire dati grezzi sincronizzati insieme ai dati provenienti del bus del veicolo, inclusi i calcoli necessari per diverse aree, come l'analisi della combustione, del suono e delle vibrazioni.
La capacità di supportare tutte le esportazioni dati necessarie, fornendo i dati ai team ed ai processi coinvolti nel processo di analisi.
La vasta varietà di applicazioni ed esportazioni supportate in DewesoftX consente di adattare questo approccio a diverse combinazioni come:
L'analisi dei motori ibridi: analisi del motore a combustione + analisi della potenza del motore elettrico.
Analisi NVH delle auto elettriche: analisi della potenza del motore elettrico + livello sonoro + intensità sonora + analisi degli ordini + analisi delle vibrazioni.