Riassunto analitico
Il prodotto della tesi è uno script MATLAB che ha in input i parametri CAN della centralina motore ed è utile alla verifica di integrazione motore-veicolo;. L’obiettivo è basarsi su strumenti di basso costo e facile reperibilità nel settore che, uniti ad un’analisi dati e post-processing automatico, permettono di svolgere una verifica applicativa preliminare anche a distanza.
Sono oggetto della tesi i motori Diesel Kohler per applicazioni agricole ed industriali. I motori di questa serie hanno sovralimentazione, sistema di iniezione Common Rail e sistema di after-treatment con DOC e DPF. Il sistema di raffreddamento può essere fornito interamente da Kohler o meno.
La procedura di verifica applicativa serve a verificare la corretta installazione del motore, assicurandone l'affidabilità e le performance. Si basa su un insieme di test sperimentali che riproducono il tipico utilizzo della macchina e durante i quali, per ciascun sottosistema del motore, si misurano temperatura (30 punti di misura), pressione (8 punti di misura) e vibrazioni (30 punti di misura) e si esegue un fine-tuning della calibrazione motore sul veicolo.
La tesi si concentra sulle temperature, tipicamente durante la verifica applicativa si installano più termocoppie su: sistema di raffreddamento, sistema di lubrificazione, sistemi di alimentazione aria e combustibile, sistema di scarico e componenti. Il tool rilascia una panoramica dei valori di temperatura senza la necessità di installare le termocoppie: si riducono il tempo e le risorse umane necessarie, si esclude il fattore umano nell’installazione dei sensori migliorando la ripetibilità ed eliminando le operazioni meccaniche da effettuare in vani inaccessibili di macchine prototipali.
Le applicazioni testate sono di vario tipo, oltre ai test effettuati in sede si ha accesso all’intero database di prove svolte precedentemente e fuori sede; le tipologie di macchina sono varie: trattori pulisci-spiaggia, trattori multi-purpose, generatori di energia elettrica, compressori d’aria industriali, argani tendicavo idraulici e molte altre.
La prova è rappresentativa delle peggiori condizioni operative del motore, in particolare si valida la funzionalità della macchina con pieno carico e regime di potenza massima, per un tempo tale da raggiungere il bilancio termico, quindi finché le temperature nei vari punti arrivano al regime stazionario. La valvola termostatica è bloccata aperta per validare il sistema motore-circuito di raffreddamento anche in condizioni di bassa temperatura.
Gli indici calcolati sono: Temperatura limite ambientale di funzionamento, Rise Over Ambient e caduta di temperatura lungo il sistema di scarico.
I test per lo sviluppo del tool si basano sui dati acquisiti con logger per termocoppie, INCA e BUSMASTER (open-source); gli ultimi due acquisiscono e traducono i messaggi alle interfacce CAN che sono anche gli input per il modello e contengono i parametri operativi (RPM e carico) rappresentativi del punto di funzionamento. I dati vengono analizzati in MATLAB ed Excel.
Le applicazioni industriali ed agricole si suddividono in base alle caratteristiche di installazione e del motore: modello di motore, estensione della coibentazione del sistema di scarico, fornitore del sistema di raffreddamento, tipo di cofanatura e tipo di macchina.
Per ciascuna combinazione di caratteristiche c’è un insieme di correlazioni empiriche individuate tra i segnali fisici su CAN.
Le funzioni sono ricercate in modo da minimizzare l’errore nel regime stazionario, ciò penalizza la fase di regime transitorio ma assicura valori coerenti nelle condizioni termiche peggiori.
Le correlazioni sono implementate in uno script MATLAB, sono input per lo script le caratteristiche dell’applicazione e la temperatura ambientale, inserite dall’utente in un’interfaccia grafica, e un file CANLOG; il tool rilascia una color map Excel rappresentativa delle condizioni termiche.
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Abstract
The aim of this thesis is the development of a MATLAB tool that re-elaborates the information available on the CAN Network to make the Engine-Vehicle Integration leaner; the aim can be achieved using low cost tools easily available on the market, adding an automated data post-processing, in this way a preliminary check is possible also remotely.
The project deals with Kohler Diesel Engines for industrial and agricultural applications. This series of engines is turbocharged and has got a Common Rail injection system with a close couple DOC-DPF after-treatment system. The cooling system can be entirely provided by Kohler or not.
The application check is the validation of the engine installation through experimental measurement during the application duty cycle, ensuring performance and reliability.
The physical quantities analysed by the verification procedure are: Temperature (about 30 measurement points for each mission), Pressure (about 8 measurement points for each mission), Vibration (about 30 measurement points for each mission). The calibration on vehicle fine tuning is another application check related activity.
Thesis deals with temperature tests: the tool provides you predicted stabilised values on analogic measuring points defined as standard, avoiding the installation of a probe. The analysed sub-systems are: the cooling system, the lubrification system, the fuel/air feeding system, the exhaust system and the components.
The probes setup requires time and effort and is done on protypes in narrow space. The tool lets you save 25% of time, improving repeatability and giving you nominal and worst-case results with error estimation. In fact, 20% less of thermocouples is installed, reducing the risk of damaging and the probes and tool cost.
There are several applications tested: a beach cleaner, a multipurpose tractor, electricity generators, industrial air-compressors and a hydraulic cable pulling winch. There is also several data available from Kohler’s database.
The test is a cooling test, representative of the worst operating condition: the engine runs at full load conditions for the time until reaching the temperature balance. At the end of the test indices like: Limit Air Temperature, Rise Over Ambient and Temperature Drop on the exhaust line are calculated.
The acquisition is done with a thermocouples data-logger, INCA and BUSMASTER (open-source) and the data is analysed by MATLAB and Excel.
The characteristics of the application are an input for the predictive mode and the tool has a different behaviour for each application type. This flow chart is useful to show the correlation functions related to each application cluster.
It is not necessary to evaluate the temperature during the transient-state time period but during the steady-state time period, as a result the curve fit is defined for minimized error at “close to the limit” temperature values.
Correlation functions are implemented in a MATLAB script with a GUI where the user can define the application type and select the CANLOG path (file with exa-decimal messages).
The tool translates the messages in physic values and applies the correlations, then an Excel color map, representative of thermic conditions, is released. The user can make a diagnosis of the canopy ventilation and of the layout. A worst-case scenario based on the maximum error shows a more precautionary representation and there are charts for the time evolution of all the temperatures in the other sheets. For critical thermal conditions the user can suggest modifications to the customers remotely.
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