Studio, progettazione e sintesi di un regolatore di pressione ad elevate performance per applicazioni automobilistiche.

Abstract: Il lavoro oggetto della presente tesi è stato realizzato durante il periodo di tirocinio svolto presso l’impresa Loccioni. Il suo obiettivo è stato lo studio e sviluppo di un regolatore di pressione da impiegare nel prototipo di una nuova tipologia di test ring, dedicato alle pompe ad alta pressione GDI, per regolarne la pressione. Il banco di collaudo ripropone la medesima struttura idraulica del circuito di alta pressione relativo al powertrain di un veicolo GDI, caratterizzato da una High Pressure Fuel Pump (HPFP), che in tal caso rappresenta il dispositivo da collaudare, un rail, quattro iniettori solenoidali, che costituiscono gli attuatori del processo, ed i condotti di collegamento. Il motore termico è sostituito da uno elettrico, il cui moto rotatorio è convertito in moto rettilineo e trasferito al pistone della HPFP da una camma. La sensoristica impiegata è data da un sensore di pressione di tipo piezoresistivo, per la misura di pressione nel rail, un encoder ottico, posto sull’albero del motore ed un flussimetro, la cui misura non è destinata al calcolo dello sforzo di controllo ma, bensì, alla caratterizzazione della HPFP. Per la gestione del processo è stato utilizzato un controller National Instruments Compact RIO 9049, dotato di un modulo Real-Time ed FPGA, equipaggiato con due moduli digitali di I/O, adibiti alla lettura della misura dell’encoder e del flussimetro, e alla generazione dei segnali di pilotaggio della pompa e degli iniettori, ed un modulo analogico per l’acquisizione della misura di pressione. Nel corso della prima fase del progetto, mediante l’utilizzo della letteratura scientifica, è stato studiato il circuito idraulico del banco di collaudo e sono state ricavate le equazioni matematiche che ne descrivono la dinamica. Successivamente il modello matematico è stato implementato e validato in ambiente di simulazione Simulink e, quindi, utilizzato per studiare e testare l’algoritmo di regolazione. Le performance del regolatore sono state comparate a quelle ottenute da un classico controllore PID, nelle medesime condizioni operative. Nella seconda fase del tirocinio, il regolatore è stato implementato nel chip FPGA della Compact RIO, capace di performance molto maggiori rispetto al controller Real-Time, la cui scelta è dovuta alla necessità di implementare un controllo sincrono con la posizione della camma. Alla componente Real-Time è stato, invece, demandato il compito di generazione e salvataggio dei log relativi alle variabili misurate. Anche in tal caso sono stati condotti dei test per evidenziare le differenti prestazioni tra l’algoritmo elaborato ed un classico regolatore PID. In tal senso, sia i risultati in simulazione che nel processo reale, hanno evidenziato un miglioramento sostanziale delle risposte al gradino di pressione, mostrando una sensibile riduzione dei tempi di assestamento nella regolazione di pressione del rail e del fenomeno delle sovraelongazioni, a fronte di un incremento dello sforzo di progettazione dell’algoritmo, frutto dell’utilizzo del modello matematico del processo.