Riassunto analitico
Uno dei principali problemi associati al funzionamento dei motori a combustione interna ad accensione comandata è il fenomeno della detonazione. La sua manifestazione è caratterizzata dall'accensione spontanea della miscela aria-carburante all'interno del cilindro, che provoca un improvviso e incontrollato aumento della pressione. Questo fenomeno genera vibrazioni e rumori che possono compromettere l'efficienza del motore, ridurne la durata e, nei casi più gravi, causare danni strutturali. Per supportare i processi di progettazione e sviluppo del motore, è necessario caratterizzare la detonazione con la massima accuratezza possibile.
L'obiettivo del presente elaborato di Tesi Magistrale è di presentare una metodologia per la rilevazione della fasatura temporale dell’inizio della detonazione, nonché della sua localizzazione spaziale all'interno della camera di combustione. L’algoritmo sviluppato in ambiente Matlab è applicato al caso di studio di un motore monocilindrico ad elevata potenza specifica.
Inizialmente, è stata condotta una ricerca approfondita sulla fenomenologia della detonazione, nonché sulla sua misurazione attraverso sensori di pressione in camera di combustione e accelerometri. L'analisi ha consentito di applicare il corretto processamento dei segnali acquisiti in fase di sperimentazione, mediante due trasduttori di pressione in camera e due accelerometri montati sull'unità sotto test. Le principali metriche di rilevazione temporale dell'inizio della detonazione sono state analizzate criticamente e a seguire implementate per stabilire una solida base per lo sviluppo di un algoritmo di identificazione. L'analisi del ritardo nell'instaurarsi delle oscillazioni indotte dalla detonazione tra i vari sensori rende possibile l'applicazione della multilaterazione come metodo per la localizzazione di una sorgente acustica. L'algoritmo di identificazione spaziale è inizialmente sviluppato sulla base delle informazioni provenienti dai sensori di pressione. Per incrementare l'accuratezza, è stato elaborato un modello a singola zona per la stima della velocità del suono all'interno del cilindro, sulla base del calcolo del rilascio di calore. Gli effetti dell'errore nella valutazione della temperatura della carica, così come l'incertezza dovuta alla frequenza di campionamento, sono analizzati mediante analisi di sensitività. In conclusione, le informazioni accelerometriche sono introdotte all'interno dell'algoritmo di identificazione mediante lo sviluppo di un modello dedicato che consideri l'ulteriore propagazione acustica attraverso le pareti metalliche. I risultati ottenuti mediante metriche di identificazione su base energetica dimostrano il potenziale dell'algoritmo di localizzazione della posizione dell'inizio della detonazione. Le metriche presentate e l'algoritmo proposto possono costituire un fondamento per ulteriori ricerche sulle metriche di rilevamento, oltre che per l'analisi di configurazioni alternative dei set di sensori.
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Abstract
One of the primary issue associated with the operation of Spark-Ignition (SI) internal combustion engines is the phenomenon of knocking. Its manifestation is characterized by the spontaneous ignition of the air-fuel mixture within the cylinder, which results in a sudden and uncontrolled pressure increase. This phenomenon generates vibrations and noise that can impair engine efficiency, reduce engine life and, in the most severe cases, cause structural damages. To support the processes of engine design and development, it is necessary to characterize knock as accurately as possible.
The aim of this Master's Thesis is to present a methodology for detecting the timing of the onset of knock, as well as its spatial localization within the combustion chamber. The algorithm, developed in the Matlab environment, is applied to the case study of a high-performance single-cylinder engine.
Initially, in-depth research was conducted on the phenomenon of knocking, as well as on its measurement through in-cylinder pressure sensors and accelerometers. The analysis enabled the correct processing of the signals acquired during the experimental phase, using two in-cylinder pressure transducers and two accelerometers mounted on the unit under test. The main metrics for detecting the timing of the onset of knocking were critically analyzed and subsequently implemented to establish a solid foundation for developing an identification algorithm. The analysis of the delay in the onset of oscillations induced by knocking among the various sensors enables the application of multilateration as a method for acoustic source localization. The spatial identification algorithm is initially developed based on the information provided by the pressure sensors. To enhance accuracy, a single-zone model has been developed to estimate the speed of sound within the cylinder, based on heat release calculation. The effects of errors in evaluating the charge temperature, as well as the uncertainties due to sampling frequency, are analyzed through sensitivity analysis. In conclusion, accelerometric information is incorporated into the identification algorithm by developing a dedicated model that considers additional acoustic propagation through metallic walls. The results obtained through energy-based identification metrics demonstrate the potential of the algorithm for localizing the position of the onset of knock. The presented metrics and the proposed algorithm can serve as a foundation for further research on detection metrics, as well as for analyzing alternative configurations of sensor sets.
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