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.

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. 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. Presentazione dell’azienda
Fiat Powertrain technologies dispone di diverse sedi nel mondo...
Enzo Ceroni 6/3/2006 Presentazione Tesi di laurea Scavenging 3

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
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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
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6. 1. Introduzione:
Il motore 1.8 TC - JTS
Enzo Ceroni 6/3/2006 Presentazione Tesi di laurea Scavenging 6

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
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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
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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
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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
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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
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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
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13. 2. Strumentazione e raccolta dati
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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20. 3. Analisi dei dati
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21. Differenze mappa base - mappa overlap
Variatore Scarico
MAX Overlap
Variatore Scarico
Base
Pedale
90° 30°
Variatore Aspirazione
Base
Variatore Aspirazione
MAX Overlap
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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
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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
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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. 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. 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
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27. 4. Possibili sviluppi
Enzo Ceroni 6/3/2006 Presentazione Tesi di laurea Scavenging 27

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. 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. Grazie dell’attenzione
Enzo Ceroni 6/3/2006 Presentazione Tesi di laurea Scavenging 30