Mexus: Progettazione Embedded Di Un Innovativo Sensore Di Misura Per Sistemi Di Test In Ambiente Automotive

Con curiosità ed apertura integriamo idee, persone tecnologie per dare anima e valori alle imprese Enrico Loccioni

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TANGIBLE VALUES

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Portrait

PROPRIETÀ:

Famiglia Loccioni

STAFF:

290 Collaboratori 40% Laureati, 60 % diplomati

SEDI:

Moie di Maiolati (AN) Angeli di Rosora (AN)

FATTURATO:

45 Millioni di EURO Installazioni in oltre 43 paesi nel mondo

R&D:

4% del fatturato 4 laboratori R&D Laboratorio autorizzato MIUR 11 brevetti

FORMAZIONE:

7% del costo del personale

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CORE & CARE

Le competenze sono:

MISURA E CONTROLLO: sistemi e strumenti di misura per ogni tipo di grandezze (elettriche, meccaniche, fluidodinamiche, acustiche, vibrazionali, chimiche, ottiche, …)

AUTOMAZIONE: automazione e monitoraggio dei sistemi produttivi e logistici

ICT: soluzioni di IT e building automation

ENERGIA: soluzioni per la gestione ed il risparmio dell’energia

SERVICE: gestione e aggiornamento delle soluzioni tecnologiche

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OPERATING AREAS

Il Gruppo lavora con atelier tecnologici in cui specialisti e ricercatori progettano e sviluppano soluzioni innovative customizzate sulle esigenze dei clienti.

I mercati di riferimento:

AUTOMOTIVE: sistemi di automazione, collaudo e controllo qualità componenti auto

per

CASA:

sistemi di automazione, collaudo e controllo qualità elettrodomestici e loro componenti

per

SANITÀ:

sistemi di automazione e controllo qualità per medical devices, farmaceutico, sanità pubblica e privata

AMBIENTE:

sistemi integrati per il monitoraggio ambientale

AGROALIMENTARE:

sistemi di automazione e tracciabilità della filiera

produttiva

COMMUNITIES & MANUFATTURIERO: soluzioni di ICT e automazione per industria, servizi e pubblica amministrazione

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Fatturato 2003-2007

Automotive 50,000,000

Gruppo Loccioni

45,000,000 40,000,000 35,000,000 30,000,000 25,000,000 20,000,000 15,000,000 10,000,000 5,000,000 0 2003

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2004

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2005

2006

2007

LOCCIONI’S SYSTEMS IN THE WORLD

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Leaf Community: Sustainability becomes real!

www.leafcommunity.com

CO2 CARBON NEUTRAL HOUSE LOCCIONI I AUTO I

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THE NEW LAB OF IDEAS

Let’s design the next 40 years togheter

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Mexus

Sistema di caratterizzazione iniettori • • • • • • • •

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Mexus, perché? Progettazione e realizzazione Mexus Simulazioni Metodo di misura Sistema di acquisizione Controllo contropressione Verifica sperimentale Conclusioni

Mexus Sviluppo di uno strumento di misura per: misurare la quantità di combustibile erogato da un iniettore per sistemi di alimentazione motore. In termine tecnico questo tipo di misura viene indicato con “shot to shot” misurare la portata istantanea durante l’iniezione L’obiettivo è realizzare uno strumento robusto e affidabile adatto all’utilizzo sia su banchi di test per produzione sia su banchi di test per R&S

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Mexus Schema di massima del sistema

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Metodo di misura d ( ρV ) m& i = + m& u dt

Conservazione della massa, applicata ad un volume di controllo con 1 ingresso ed 1 uscita

dρ 1 dp = 2 dt a dt

m& u = A c v

2ρ

(p

Comprimibilità dei liquidi − p0

) Portata di liquido attraverso un foro

dp m& i = c1 + c 2 p − p0 dt

c1( p,T ) =

V a2

c 2( p,T ) = Acv 2 ρ

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m& i m& u ρ

t p

Portata in ingresso al volume di controllo Portata in uscita dal volume di controllo Densità Tempo Pressione

a V A

Velocità del suono

k cv

“Bulk modulus”

Volume di controllo Area del foro

Coefficiente di efflusso

Metodo di misura Equazioni per il calcolo del coefficiente C 2 Equazione di portata istantanea per un foro applicata alla valvola di scarico

& u = Acv 2ρ ( p − p0 ) m

c2 ( p,T ) = Acv 2 ρ

& u = c 2 p - p0 m

Si assume che per un intervallo di tempo limitato ossia per un certo numero di cicli (i.e. 1) C 2 è costante ossia indipendente dalla temperatura. Si tracura inoltre la dipendenza dalla pressione. Effettuando le seguenti operazioni si ottiene il calcolo di C 2.

n numero di cicli alla frequenza f=1/T:

1 M= nT

c2 = M è la massa letta dal sensore di portata massica Coriolis :

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nT

∫c

2

⋅ p − p0 ⋅ dt

0

M 1 nT

nT

∫ 0

p − p0 ⋅ dt & i = c1 dp + c 2 p − p 0 m dt

Metodo di misura Equazione per il calcolo del coefficiente C 1 : Dalla equazione principale, quando l’iniettore è chiuso (fase di scarico), per ogni ciclo abbiamo :

0 = c1

&i =0 m

dp + c2 p - p0 dt

Calcolo C1 con una identificazione ai minimi quadrati

Segnale di pressione

Tempo per il calcolo di C1 (mi=0)

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& i = c1 m

dp + c2 p − p 0 dt

Metodo di misura Calcolo della portata istantanea e della misura shot to shot:

Per ogni ciclo j abbiamo un C1 e C2

C2,j pj m& i , j = c1, j

j=1

dp j dt

+ c 2, j

p j − p0

C1,j

j=2

j=n

Integrando la curva j:

M1

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M2

Mn

Simulazioni Per un primo dimensionamento delle grandezze fondamentali si effettuano delle simulazioni sulla dinamica della pressione all’interno della camera a seguito di iniezione di liquido Control Volume In

V 0-D Model; 1 in, 1 out

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Out

Progetto

Relief Valve

Control Volume

Metering Valve needle

Temperature probe Pressure Probe

Step motor for back pressure regualtion Eccentric cam

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Prototipo

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Mexus Schema del sistema definitivo

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Sistema di Acquisizione C-RIO 9104 FPGA

C-RIO 9012 Controller RT

NI 9472

NI 9421

NI 9401

NI 9215

NI 9211

§ 8 Canali digitali in ingresso 24 V

§ 8 Canali digitali in uscita 24 V

§ 8 Canali digitali TTL veloci

§ 4 Canali analogici ± 10V, 16 bit

§ 4 Canali Termocoppie

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Sistema di Acquisizione Sensori e attuatori

• Piezoresistivo • banda passante > 40 kHz

• Alta accuratezza > 0.1% del mass flow rate

• range 0 – 100 bar

• uscita in corrente 4 – 20 mA

• uscita in tensione 0 – 10 V

• uscita ad impulsi frequenza massima 12 kHz

• uscita in corrente 4 – 20 mA

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Sistema di Acquisizione Sensori e attuatori

• Termocoppia tipo T

• Motore passo – passo

• range 0 – 600 °C

• ingresso digitale 0 – 5 V di abilitazione

• uscita in tensione 0 – 10 V

• ingresso digitale 0 – 5 V per la direzione • impulsi per movimentazione

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Architettura Software distribuita PC Windows - Gestione Interfaccia Utente

Controller real time - Gestione comunicazione con client esterni - Gestione dati statistici - Gestione Misure - Algoritmo (Floating Point) - Controllori (PID)

FPGA -

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Gestione I/O (Analog, Digital, etc.) Acquisizione dati Filtri su segnali Analogici Calcolo di parte algoritmo (Int32)

Interfaccia Operatore

Windows XP - Interfaccia Full-Featured

Windows XPe - Interfaccia su Rack con gestione touch screen

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Controllo Contropressione Schema di controllo

System Identification Toolkit

Funzione di trasferimento discreta utilizzata per i test in simulazione dell’algoritmi di controllo

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Verifiche Sperimentali

Attraverso il banco di test è stato possibile effettuare gli esperimenti necessari allo sviluppo del Mexus. Con tale banco si gestisce il funzionamento dell’iniettore ed il monitoraggio del Mexus

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Verifiche Sperimentali DOE Design Of Experiment La sperimentazione di un sistema o processo, e quindi il suo controllo, comporta la manipolazione di una determinata serie di variabili, per comprendere i fenomeni che lo caratterizzano e le relative interazioni. Nel caso Mexus si è verificata l’accuratezza dello strumento al variare del condizioni operative dell’iniettore. (frequenza iniezione, contropressione, quantità iniettata, pressione rail)

Prove di R&R Con una serie di prove supportata da una analisi statistica si è verificata la ripetibilità e riproducibilità del Mexus

Prove di Accuratezza Non essendoci un sensore di riferimento campione sono state effettuate delle comparazioni con una bilancia di precisione

Benchmark Confronto tra strumenti diversi

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Verifiche Sperimentali Leggi di iniezione

Diesel

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Benzina

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Verifiche Sperimentali Mappe al variare del Tempo di apertura

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Verifiche Sperimentali Calibrationcurve

MEASURED PARAMETERS:

scale = - 0,00740 +1,007 sts 60

Instantaneous value Average Standard deviation Maximum Minimum

50

scale [mg/shot]

Fuel injection quantity Injection rate Opening and closing delay

40

MEASURING RANGE:

30 Regression 95%CI

20

S R-Sq R-Sq(adj)

10

0.0789151 100.0% 100.0%

0 0

10

20

30 sts [mg/shot]

40

50

60

0.4 to 130 mg/stroke 1 to 400 mg/stroke (HD ver.)

ACCURACY:

0.08 mg/stroke for 0,4-50 mg/stroke range *

INJECTION RATE:

0 to 150 mg/ms

NOZZLE BACK PRESSURE:

5 to 60 bar

FUEL TYPE

Exxsol D40, ISO4113

* results are verified by mass overchek at 50 bar back pressure over a range of rail pressure and deliveries at 40 Hz injection cycle. The measuring unit’s accuracy has been determined in AEA’s calibration facility under standardized boundary testing conditions

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Green Engineering Application of the Year LOCCIONI I AUTO I

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Grazie per la vostra attenzione…. LOCCIONI I AUTO I

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