Scelta ottimale dell’angolo di anticipo all’accensione per un motore ad elevate prestazioni

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INTRODUZIONE 
 
Tale lavoro di tesi, riguarda lo studio di una particolare messa a punto della 
fasatura d’anticipo in un motore ad accensione comandata ad elevata potenza. 
Tale procedura è stata sviluppata sfruttando le potenzialità di calcolo di GT-
Power, un software di simulazione fluidodinamica quasi-D/1D che consente di 
ridurre sostanzialmente il lavoro da effettuare in fase sperimentale per 
raccogliere dati sul funzionamento del motore. L’obiettivo prefissato  è stato 
quello di poter stabilire accuratamente la fasatura d’anticipo a limite di 
detonazione, tenendo conto anche dell’influenza che il fenomeno della 
dispersione ciclica può esercitare sul processo di combustione. Essa infatti, 
dando luogo a variazioni ciclo per ciclo delle dinamiche di combustione, può 
provocare facilmente l’insorgere della detonazione o altri tipi di combustione 
anomala, anche quando dal ciclo medio calcolato su un certo campione non 
risulti alcuna anomalia che possa pregiudicare il normale funzionamento del 
motore. La scelta dell’angolo d’anticipo è solitamente impostata, infatti, sulla 
base del ciclo medio e ciò provoca una non sempre ottimale condizione di 
funzionamento. I cicli a più rapido sviluppo rispetto a quello medio, e che si 
troveranno a lavorare con un angolo d’anticipo eccessivo rispetto a quanto 
sarebbe necessario, tenderanno più facilmente a detonare. Viceversa quelli a più 
lento sviluppo si avvicineranno maggiormente al limite del “misfire”, o 
mancata accensione, in quanto l’angolo d’anticipo impostato risulterà troppo 
esiguo. Al fine di caratterizzare il codice di calcolo con i fenomeni di 
dispersione ciclica, detonazione e di combustione, sono stati implementati 
opportuni modelli in grado di riprodurne in maniera sufficientemente 
attendibile gli effetti.  
Al fine di ottenere migliori prestazioni del motore, vengono installati  rotori di 
anticipo regolabili o, nel caso di motori gestiti completamente dall’elettronica,
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viene effettuata la ri-mappatura della centralina, o l’aggiunta di moduli 
supplementari che permettono di gestire in maniera diversa variando 
opportunamente i parametri di funzionamento, per migliorare la curva di 
erogazione e le prestazioni finali. 
L'anticipo regolabile serve a migliorare le prestazioni del motore, ed è la 
modifica maggiormente adottata per variare i valori di anticipo, che permette di 
ottimizzare il rendimento grazie ad una perfetta regolazione del momento di 
innesco della scintilla, da realizzare in anticipo rispetto al PMS. 
La necessità di variare la fasatura di anticipo nasce dall’esigenza di far svolgere 
il corretto funzionamento del ciclo del motore, in quanto all’aumentare del 
regime di rotazione diminuisce il tempo in cui deve avere luogo la 
combustione, quindi si rende necessario in rapporto al regime di rotazione 
aumentarne proporzionalmente l’anticipo. 
L'anticipo ha una grande importanza ai fini del funzionamento e del 
rendimento, quindi la sua esatta configurazione influirà in maniera 
determinante sulle prestazioni e sulla potenza erogata. Questo tipo di 
intervento è da considerare molto delicato e bisogna prestare molta attenzione 
ad effettuarne la regolazione, pena il cattivo funzionamento del motore. 
Esso non deve essere mai regolato in maniera eccessiva (troppo anticipato), 
altrimenti la scintilla scoccando troppo in anticipo, darà luogo alla combustione 
prima che il pistone raggiunga il PMS e l’espansione dei gas (generata dalla 
brusca e prematura combustione) contrasterà la regolare risalita del pistone, 
sprecando così una notevole quantità di energia riducendo la potenza erogata e 
dando anche origine al fenomeno della detonazione. 
Nel caso in cui l'anticipo sia regolato in ritardo (posticipato), avremo il protrarsi 
della combustione per una considerevole parte della corsa del pistone in fase di 
espansione: in pratica la combustione avrà luogo nel momento in cui il pistone 
inizierà la sua discesa verso il PMI e la combustione si svolgerà molto 
lentamente. Anche in questo caso avremo una perdita di prestazioni causata
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dalle basse pressioni generate e la tendenza al surriscaldamento del motore 
dovuto proprio ai tempi di combustione molto lenti, che possono causare gravi 
danni al motore come la foratura del cielo del pistone. 
Si è così potuto procedere al calcolo della fasatura d’anticipo a limite di 
detonazione, a diversi regimi di rotazione, nelle condizioni di pieno carico 
(WOT). Verranno di seguito riportati i risultati relativi ad un motore ad elevate 
prestazioni, avente cilindrata pari a 3995.16 cc,  8 cilindri con layout a V disposti 
a 90° .
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CAPITOLO 4 
 
ANALISI DEI DATI ACQUISITI 
 
4.1  Presentazione e analisi delle prove sperimentali 
 
La sperimentazione condotta, si è proposta di valutare quantitativamente il 
guadagno ottenibile sulle prestazioni del motore, in termini di consumo 
specifico, coppia e potenza, attraverso un’ opportuna scelta dell’angolo di  
anticipo d’accensione. I risultati ottenuti mostrano, in estrema sintesi, che le 
mappe originali relative ad una spark standard, non assicurano il 
funzionamento ottimale del motore a regime costante. 
Le prove sperimentali si sono suddivise in due fasi: una prima fase di rilievo 
delle prestazioni consumo carburante (Benzina), produzione inquinanti, coppia 
e potenza all’albero (in funzione della velocità di rotazione del motore a regime 
costante) nonché del parametro di funzionamento relativo all’anticipo 
d’accensione di un motore pilotato da  una centralina in cui vengono definiti 
degli angoli di anticipo d’accensione di partenza. Nella seconda fase relativa 
all’ottimizzazione del parametro citato, si è perseguito il triplice obiettivo di 
massimizzare la coppia motrice e la potenza all’albero, in condizioni di pieno 
carico (WOT) e di minimizzare il consumo specifico di combustibile alle varie 
velocità di rotazione. Allo scopo di rendere confrontabili i risultati ottenuti si è 
provveduto, quando possibile, ad eliminare l’influenza delle variabili esterne. 
Facendo riferimento a tali parametri si sono ricavati diagrammi rappresentativi 
dell’andamento di pressione, temperatura, composizione gas di scarico e Xqk% 
(definito anche indice di Knock).  
Gli angoli di anticipo all’accensione relativi alla spark standard da cui siamo 
partiti sono, per ogni velocità di rotazione, i seguenti:
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angolo 
anticipo 
accensione 
Caso 
1 
6000 
Caso 
2 
5500 
Caso 
3 
5000 
Caso 
4 
4500 
Caso 
5 
4000 
Caso 
6 
3500 
Caso 
7 
3000 
Caso 
8 
2500 
Caso 
9 
2000 
Caso 
10 
1750 
Caso 
11 
1500 
Caso 
12 
1000 
Spark 
standard -13,5 -13,5 -13,5 -12 -10,5 -11,25 -10,5 -9 -8,39 -8,25 -9 -7,5 
 
Tab. 4.1: Angoli di anticipo all’accensione al variare della velocità di rotazione – spark standard. 
 
4.1.1 Valutazione del ciclo  indicato 
 
Con il termine pressione indicata storicamente si intende la pressione rilevata 
all’interno di uno dei cilindri del motore e rappresentata in un diagramma p; V . 
I diagrammi indicati permettono di visualizzare chiaramente i cicli di pressione 
e ne consentono il confronto in modo semplice e immediato. L’acquisizione 
della pressione indicata permette di effettuare numerose valutazioni utili per lo 
studio del motore. Dall’acquisizione dei diagrammi indicati è possibile calcolare 
la pmi, pressione media indicata, valutabile come: 
 
                                                                  
      
     
 
                                    (4.1) 
 
La pmi è calcolata come area del ciclo indicato ed è infatti un indicatore del 
lavoro compiuto dal ciclo: 
 
                                                      
     
                                        (4.2) 
 
può essere quindi definita come un indice del lavoro al ciclo per unità di 
cilindrata. 
Facendo un ulteriore passo avanti, si calcola anche la potenza indicata, che 
corrisponde alla potenza erogata dal motore a meno delle perdite meccaniche:
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                                         (4.3) 
 
dove n è il regime del motore ed ε è un intero che tiene conto del fatto che il 
lavoro utile nei motori a quattro tempi è ottenuto ogni due rivoluzioni complete 
e pertanto per questi motori è ε = 2. 
Nelle sale prove motori, potenza effettiva è nota in quanto sono noti regime e 
coppia (quest’ultima misurata dalla cella di carico presente nel freno 
dinamometrico). E’  pertanto possibile determinare anche il rendimento 
organico  
 
. 
Introducendo la grandezza specifica pme, pressione media effettiva, definita a 
partire dalla potenza misurata dal freno Pe allo stesso modo della pmi si ha: 
 
                                                               
 
                                             (4.4) 
 
                               
 
          
 
 
   
 
           
 
 
   
 
    
 
                  (4.5) 
 
                                        
         
 
      
     
 
          
    
     
                     (4.6) 
 
L’ultima relazione mostra una formula rapida per risalire alla pme che tiene 
conto delle unità di misura utilizzate generalmente dai quadri dei freni 
dinamometrici utilizzati nei banchi prova. 
Entrando nel merito del presente lavoro, l’andamento della pressione in 
funzione dell’angolo di manovella permette di confrontare i cicli acquisiti al 
variare dei parametri motoristici, si ha così una stima immediata di come varia 
il comportamento del motore in funzione, ad esempio, dell’anticipo 
all’accensione. 
Inoltre, dai cicli è possibile stimare, mediante l’uso di modelli termodinamici, 
l’andamento degli scambi termici e l’evolversi della combustione.
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Figura 4.1 – Ciclo indicato delle pressioni (fonte GT - Post) 
 
4.1.2 Andamenti di pressione, temperatura, Xqk% e 
composizione gas di scarico nella configurazione spark 
standard 
 
Con riferimento a tali valori di anticipo all’accensione, è possibile rilevare gli 
andamenti dell’indice di detonazione nei vari cilindri del nostro motore, a diverse 
velocità di rotazione :