IT201800009537A1 - Metodo di stima per determinare la concentrazione di gas di scarico ricircolato presente in un cilindro di un motore a combustione interna - Google Patents
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Description
del brevetto per Invenzione Industriale dal titolo:
“METODO DI STIMA PER DETERMINARE LA CONCENTRAZIONE DI GAS DI SCARICO RICIRCOLATO PRESENTE IN UN CILINDRO DI UN MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA”
SETTORE DELLA TECNICA
La presente invenzione è relativa ad un metodo di stima per determinare la concentrazione di gas di scarico ricircolato presente in un cilindro di un motore a combustione interna.
ARTE ANTERIORE
Come noto, un motore a combustione interna comprende un numero di cilindri, ciascuno dei quali è collegato ad un collettore di aspirazione tramite almeno una rispettiva valvola di aspirazione e ad un collettore di scarico tramite almeno una rispettiva valvola di scarico. Il collettore di aspirazione riceve attraverso un condotto di aspirazione una miscela di gas che comprende gas di scarico (provenienti dai circuiti EGR) ed aria fresca (proveniente dall’ambiente esterno).
Nei moderni motori a combustione interna viene eseguito un ricircolo dei gas esausti (ovvero gas combusti o gas di scarico) che consiste nel mettere in ricircolo una piccola parte (5-25%) dei gas di scarico facendoli passare dal condotto di scarico al condotto di aspirazione al fine di abbattere una parte di inquinanti (principalmente NOx) presente nei gas di scarico.
Un motore termico a combustione interna operante secondo il ciclo Otto (ovvero con accensione comandata della miscela) dovrebbe eseguire la combustione nei cilindri (quasi) sempre con un rapporto pari allo stechiometrico tra ossigeno (aria) e carburante (benzina o similari); di conseguenza, per potere programmare correttamente la combustione nei cilindri (ovvero per potere attuare con il dovuto anticipo gli attuatori che regolano l’alimentazione di aria e carburante) è necessario conosce con un certo anticipo la composizione della miscela di gas che si troverà all’interno di un cilindro al momento della combustione. In altre parole, è necessario conoscere la concentrazione di gas di scarico ricircolato presente nella miscela di gas che si troverà all’interno di un cilindro al momento della combustione; oppure, da un altro e complementare punto di vista, è necessario conoscere la concentrazione di aria fresca, quindi di ossigeno, presente nella miscela di gas che si troverà all’interno di un cilindro al momento della combustione (la miscela di gas che si troverà all’interno di un cilindro al momento della combustione è composta da aria fresca proveniente dall’ambiente esterno e da gas di scarico ricircolato attraverso il sistema EGR, quindi conoscendo la concentrazione di aria fresca è banale determinare per sottrazione la concentrazione di gas di scarico ricircolato e viceversa).
Se la stima della concentrazione di gas di scarico ricircolato presente nella miscela di gas che si troverà all’interno di un cilindro al momento della combustione non è sufficientemente precisa, è necessario aumentare la quantità di carburante rispetto al valore ottimale (stechiometrico) per evitare il rischio di insorgenza di fenomeni di detonazione (knock) o addirittura di megadetonazione (mega-knock); tuttavia, tale arricchimento (ovvero tale aumento della quantità di carburante) vanifica il beneficio della ricircolazione dei gas di scarico in quanto determina un aumento nella generazione di inquinanti durante la combustione.
Le domande di brevetto EP3040541A1, EP3128159A1 ed EP3128158A1 descrivono un motore termico a combustione interna provvisto di un sensore che è disposto lungo il condotto di aspirazione e misura la concentrazione di ossigeno nella miscela di gas che scorre lungo il condotto di aspirazione stesso; in funzione della lettura del sensore che misura la concentrazione di ossigeno nella miscela di gas che scorre lungo il condotto di aspirazione viene determinata la portata massica del circuito EGR di ricircolo dei gas di scarico di bassa pressione, ovvero viene determinata la concentrazione di gas di scarico ricircolato presente nella miscela di gas che entra nei cilindri. Tuttavia, questa modalità di determinazione della concentrazione di gas di scarico ricircolato presente nella miscela di gas che entra nei cilindri è molto precisa in regime stazionario (ovvero quando la velocità di rotazione ed il punto motore rimangono stabili nel tempo), ma purtroppo diviene (relativamente) poco precisa in regime dinamico (ovvero quando la velocità di rotazione e/o il punto motore sono in continua evoluzione) perché misura la concentrazione di ossigeno nella miscela di gas che scorre lungo il condotto di aspirazione in un istante temporale diverso (in anticipo) rispetto all’effetto ingresso della miscela di gas nei cilindri.
DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE
Scopo della presente invenzione è di realizzare un metodo di stima per determinare la concentrazione di gas di scarico ricircolato presente in un cilindro di un motore a combustione interna, il quale metodo di stima permetta di determinare con grande precisione la concentrazione di gas di scarico ricircolato presente in un cilindro di un motore a combustione interna in tutte le possibili condizioni di funzionamento.
Secondo la presente invenzione viene fornito un metodo di stima per determinare la concentrazione di gas di scarico ricircolato presente in un cilindro di un motore a combustione interna, secondo quanto stabilito nelle rivendicazioni allegate.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo in cui:
• la figura 1 illustra schematicamente un motore a combustione interna sovralimentato provvisto di una unità di controllo elettronica che implementa il metodo di stima oggetto della presente invenzione; e
• la figura 2 illustra schematicamente una logica di stima implementata nella unità di controllo elettronica; e • la figura 3 illustra l’effetto di un filtro del primo ordine che viene applicato alla stima della concentrazione di ossigeno (equivalente alla stima della concentrazione di ossigeno di gas di scarico).
FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL’INVENZIONE
Nella figura 1, con il numero 1 è indicato nel suo complesso un motore a combustione interna sovralimentato mediante un sistema di sovralimentazione a turbocompressore.
Il motore 1 a combustione interna comprende quattro cilindri 2 e quattro iniettori 3 che iniettano il combustibile direttamente nei cilindri 2. Ciascun cilindro 2 è collegato ad un collettore 4 di aspirazione tramite almeno una rispettiva valvola di aspirazione (non illustrata) e ad un collettore 5 di scarico tramite almeno una rispettiva valvola di scarico (non illustrata).
Il collettore 4 di aspirazione riceve una miscela di gas che comprende gas di scarico (come meglio descritto in seguito) ed aria fresca (cioè aria proveniente dall’ambiente esterno) attraverso un condotto 6 di aspirazione, il quale è provvisto di un filtro 7 aria per il flusso di aria fresca ed è regolato da una valvola 8 a farfalla disposta tra il condotto 6 di aspirazione stesso ed il collettore 4 di aspirazione. Lungo il condotto 6 di aspirazione ed a valle del filtro 7 aria, è disposto anche un sensore 9 multiplo che misura la portata MAIR di aria in ingresso, la temperatura TAIR dell’aria in ingresso, e la pressione Pair di aspirazione a valle del filtro 7 aria.
Lungo il condotto 6 di aspirazione è disposto un intercooler 10 avente la funzione di raffreddare l’aria aspirata (in alternativa l’intercooler 10 potrebbero essere integrato nel collettore 4 di aspirazione per ridurre la lunghezza complessiva del condotto 6 di aspirazione).
Al collettore 5 di scarico è collegato un condotto 11 di scarico che è parte di un sistema di scarico ed emette i gas prodotti dalla combustione nell’atmosfera. Lungo il condotto 11 di scarico sono disposti in successione un catalizzatore 12 ossidante ed un silenziatore 16.
Il sistema di sovralimentazione del motore 1 a combustione interna comprende un turbocompressore 17 provvisto di una turbina 18, che è disposta lungo il condotto 11 di scarico per ruotare ad alta velocità sotto l’azione dei gas di scarico espulsi dai cilindri 2, ed un compressore 19, il quale è disposto lungo il condotto 6 di aspirazione ed è collegato meccanicamente alla turbina 18 per venire trascinato in rotazione dalla turbina 18 stessa così da aumentare la pressione dell’aria presente nel condotto 6 di alimentazione. Nella forma di attuazione illustrata nella figura 1, la turbina 18 è provvista di una valvola wastegate che permette ai gas di scarico di bypassare la turbina 18 stessa; l'azionamento della valvola wastegate, volto ad evitare che il sistema di sovralimentazione venga sollecitato eccessivamente, mantiene la velocità di rotazione della turbina 18 entro certi limiti, limitando in questo modo anche la pressione di sovralimentazione sul lato aspirazione. Secondo una possibile forma di attuazione, la girante della turbina 18 è a geometria variabile e la geometria della girante della turbina 18 è controllata ad un attuatore (generalmente elettrico) per favorire la velocità oppure, in alternativa, la portata dei gas esausti.
Il motore 1 a combustione interna comprende un circuito di ricircolo dei gas di scarico a bassa pressione che comprende a sua volta un condotto 23 di EGR che si origina dal condotto 10 di scarico, preferibilmente a valle del catalizzatore 12 ossidante, e sfocia nel condotto 6 di aspirazione a valle del sensore 9 multiplo. Lungo il condotto 23 di EGR è disposta una valvola 24 EGR di bassa pressione, la quale è atta a regolare la portata dei gas di scarico che fluiscono attraverso il condotto 23 di EGR. Lungo il condotto 23 di EGR, a monte della valvola 24 EGR di bassa pressione, è disposto anche uno scambiatore 25 di calore avente la funzione di raffreddare i gas in uscita dal condotto 10 di scarico e in ingresso al compressore 19.
Il motore 1 a combustione interna è controllato da una unità 26 di controllo elettronica, la quale sovrintende al funzionamento di tutte le componenti del motore 1 a combustione interna.
Alla unità 26 di controllo è collegato un sensore 27 che è disposto lungo il condotto 6 di aspirazione immediatamente a monte della valvola 8 a farfalla e misura la temperatura Tint e la pressione Pint della miscela di gas che attraversa il condotto 6 di aspirazione. Alla unità 26 di controllo è collegato un sensore 28 (del tutto analogo al sensore 27) che è disposto all’interno del collettore 4 di aspirazione e misura la temperatura Tman e la pressione Pman della miscela di gas che si trova all’interno del collettore 4 di aspirazione. Infine, alla unità 26 di controllo è collegato un sensore 29 che è disposto lungo il condotto 6 di aspirazione (a monte del sensore 27) e misura la percentuale %O2 di ossigeno (ovvero la concentrazione %O2 di ossigeno) nella miscela di gas che attraversa il condotto 6 di aspirazione; in particolare, il sensore 29 è una sonda lambda UEGO (Universal Exhaust Gas Oxygen) la cui uscita è un valore variabile in corrente a seconda del valore di lambda e può essere utilizzato per determinare la percentuale %O2 di ossigeno. Secondo una preferita forma di attuazione, la lettura fornita dal sensore 29 viene migliorata (ovvero resa più precisa ed affidabile) secondo quanto descritto nelle domande di brevetto EP3040541A1, EP3128159A1 ed EP3128158A1.
Viene di seguito descritta la strategia implementata nella unità 26 di controllo elettronica per determinare la concentrazione di gas di scarico ricircolato presente in un cilindro 2 al momento della combustione (ovvero per determinare la concentrazione di aria fresca, quindi di ossigeno, presente in un cilindro 2 al momento della combustione). E’ importante osservare che nell’aria fresca (ovvero proveniente dall’ambiente esterno) la concentrazione (ovvero la percentuale) di ossigeno è sostanzialmente costante (l'aria secca al suolo è composta all'incirca per il 78,09% di azoto - N2 -, per il 20,9% di ossigeno - O2 -, per lo 0,93% di argon - Ar - e per lo 0,04% di anidride carbonica - CO2 -, più altri componenti in quantità minore); di conseguenza, dalla concentrazione (ovvero la percentuale) di ossigeno è banale (mediante una semplice moltiplicazione) determinare la concentrazione di aria fresca e viceversa.
La portata MTOT massica totale della miscela di gas che scorre nel condotto 6 di aspirazione soddisfa l’equazione che segue:
MTOT = MEGR_LP MAIR [1]
MEGR_LP = MTOT - MAIR [1]
MTOT portata massica della miscela di gas che scorre nel condotto 6 di aspirazione;
MAIR portata massica di aria fresca proveniente dall’ambiente esterno che scorre nel condotto 6 di aspirazione; e
MEGR_LP portata massica di gas di scarico recircolata attraverso il circuito EGRLP a bassa pressione (ovvero il condotto 23 di EGR) che scorre nel condotto 6 di aspirazione.
Viene definita come segue la grandezza REGR che è indicativa della incidenza del circuito EGR a bassa pressione sulla portata MTOT massica totale della miscela di gas che scorre nel condotto 6 di aspirazione:
REGR = MEGR_LP/MTOT [2]
REGR incidenza del circuito EGR a bassa pressione sulla portata MTOT massica totale della miscela di gas che scorre nel condotto 6 di aspirazione;
MTOT portata massica della miscela di gas che scorre nel condotto 6 di aspirazione; e MEGR_LP portata massica di gas di scarico recircolata attraverso il circuito EGRLP a bassa pressione che scorre nel condotto 6 di aspirazione.
Sostituendo l’equazione [1] nella equazione [2] si ottiene che:
REGR = (MTOT - MAIR) / MTOT = 1 – (MAIR /MTOT) [3]
REGR incidenza del circuito EGR a bassa pressione sulla portata MTOT massica totale della miscela di gas che scorre nel condotto 6 di aspirazione;
MTOT portata massica della miscela di gas che scorre nel condotto 6 di aspirazione; e MAIR portata massica di aria fresca proveniente dall’ambiente esterno che scorre nel condotto 6 di aspirazione.
Considerando che nella portata massica di aria fresca proveniente dall’ambiente esterno che scorre nel condotto 6 di aspirazione è contenuto circa il 21% di ossigeno, si ottiene l’equazione che segue:
MAIR * 21 = MTOT * %O2 [5]
MAIR / MTOT = %O2 / 21 [5]
MTOT portata massica della miscela di gas che scorre nel condotto 6 di aspirazione;
MAIR portata massica di aria fresca proveniente dall’ambiente esterno che scorre nel condotto 6 di aspirazione; e
%O2 percentuale di ossigeno contenuto nella portata massica della miscela di gas che scorre nel condotto 6 di aspirazione e rilevata mediante il sensore 29. Sostituendo l’equazione [4] nella equazione [5], è possibile ricavare che:
REGR = 1 – (%O2 / 21) [6]
REGR incidenza del circuito EGR a bassa pressione sulla portata MTOT massica totale della miscela di gas che scorre nel condotto 6 di aspirazione;
%O2 percentuale di ossigeno contenuto nella portata massica della miscela di gas che scorre nel condotto 6 di aspirazione e rilevata mediante il sensore 29.
Secondo una possibile variante, il sensore 9 multiplo è configurato per rilevare, oltre alla portata MAIR massica e temperatura TAIR di aria fresca proveniente dall’ambiente esterno che scorre nel condotto 6 di aspirazione, anche il grado PSIAIR psicometrico della aria fresca proveniente dall’ambiente esterno che scorre nel condotto 6 di aspirazione.
E’ quindi possibile affinare la stima della grandezza (o ratio) REGR che è indicativa della incidenza del circuito EGR a bassa pressione sulla portata MTOT massica totale della miscela di gas che scorre nel condotto 6 di aspirazione e rendere più precisa la formula [6] ed introdurre la portata %REGR massica percentuale del circuito EGR di ricircolo dei gas di scarico di bassa pressione nella miscela di gas che scorre nel condotto 6 di aspirazione mediante le formule che seguono:
REGR = 1 – (%O2/O2_REF) [7]
O2_REF = f(PSIAIR,TAIR) [8]
REGR incidenza del circuito EGR a bassa pressione sulla portata MTOT massica totale della miscela di gas che scorre nel condotto 6 di aspirazione;
%O2 percentuale di ossigeno contenuto nella massa della miscela di gas che scorre nel condotto 6 di aspirazione e rilevata mediante il sensore 29;
O2_REF percentuale di ossigeno di riferimento ricavata da una mappa sperimentale in funzione della temperatura TAIR e del grado PSIAIR psicometrico della aria fresca proveniente dall’ambiente esterno che scorre nel condotto 6 di aspirazione.
Il sensore 29 che misura la percentuale %O2 di ossigeno contenuto nella massa della miscela di gas che scorre nel condotto 6 di aspirazione è fisicamente montato lungo il condotto 6 di aspirazione e si trova circa a metà strada fra la posizione del compressore 19 e la posizione della valvola a 8 farfalla, ossia nettamente prima delle valvole di aspirazione che regolano l’ingresso della miscela di gas nei cilindri 2. In particolare, il sensore 29 si trova ad una distanza D (dell’ordine di qualche decina di centimetri) dalle valvole di aspirazione che regolano l’ingresso della miscela di gas nei cilindri 2. Di conseguenza, la percentuale %O2 di ossigeno misurata dal sensore 29 è nettamente in anticipo rispetto alla carica nei cilindro 2 (ovvero all’effettivo ingresso della miscela di gas nei cilindri 2); in altre parole, il sensore 29 misura la percentuale %O2 di ossigeno in una miscela di gas che entrerà effettivamente nei cilindri 2 più tardi, ovvero con un ritardo rispetto all’istante della misura della percentuale %O2 di ossigeno (quindi la misura della percentuale %O2 di ossigeno è in anticipo rispetto all’istante in cui la miscela di gas entrerà effettivamente nei cilindri 2). In regime stazionario (ovvero quando la velocità di rotazione ed il punto motore rimangono stabili nel tempo) l’anticipo della misura della percentuale %O2 di ossigeno eseguita dal sensore 29 non ha alcun impatto in quanto anche la percentuale %O2 di ossigeno è costante nel tempo (o comunque varia molto lentamente con tempi di variazione ampiamenti più grandi dell’anticipo nella misura); invece, in regime dinamico (ovvero quando la velocità di rotazione e/o il punto motore sono in continua evoluzione) anche la percentuale %O2 di ossigeno è variabile nel tempo (cioè varia rapidamente con tempi di variazione più piccoli dell’anticipo nella misura) e quindi l’anticipo della misura della percentuale %O2 di ossigeno eseguita dal sensore 29 comporta un errore nella programmazione della combustione nei cilindri 2 se non viene corretto adeguatamente secondo le modalità descritte in seguito.
Secondo quanto illustrato nella figura 2, in ciascun cilindro 2 si susseguono ciclicamente quattro fasi (tempi o corse del pistone) che compongono un singolo ciclo di combustione: aspirazione (A), compressione (C), espansione (E), scarico (S); all’inizio di ciascuna fase (ovvero alla fine della fase precedente) il corrispondente pistone raggiunge un punto morto (alternativamente superiore o inferiore) in cui viene invertito il senso del moto e quindi ciascuna fase prevede uno spostamento del pistone da un punto morto all’altro punto morto.
L’unità 26 di controllo deve programmare la combustione in ciascun cilindro 2 con un anticipo che è pari ad un predeterminato numero Xp di tempi; ovviamente, un tempo Tpred di anticipo che corrispondente al numero Xp di tempi è variabile in quanto dipende dalla velocità di rotazione del motore 1 a combustione interna secondo la seguente equazione:
Tpred = Xp / (2 * ω) [9]
Tpred tempo di anticipo;
Xp numero di tempi di anticipo;
ω velocità di rotazione del motore 1 a combustione interna (ad esempio misurata in giri al secondo).
In altre parole, il tempo Tpred di anticipo corrisponde ad un intervallo di tempo che intercorre tra una programmazione della combustione in un cilindro 2 e l’esecuzione (ovvero l’effettiva realizzazione) della combustione nel cilindro 2.
L’unità 26 di controllo riceve periodicamente (ad esempio con un periodo pari a 4 ms, cioè ogni 4 ms) le misure della percentuale %O2 di ossigeno eseguite dal sensore 29, determina una concentrazione (ovvero una percentuale) %EGR di gas di scarico ricircolato presente nell’aria che si trova nel condotto 6 di aspirazione in corrispondenza del sensore 29 in funzione di ciascuna percentuale %O2 di ossigeno misurata dal sensore 29, e memorizza tali concentrazioni %EGR di gas di scarico ricircolato un buffer 30 (illustrato schematicamente nella figura 2, in cui si vede che nel buffer 30 è presente una successione di concentrazioni %EGR di gas di scarico ricircolato). Secondo una diversa forma di attuazione, nel buffer 30 vengono memorizzate le misure della percentuale %O2 di ossigeno (ovvero nel buffer 30 è presente una successione di misure della percentuale %O2 di ossigeno) e la concentrazione %EGR di gas di scarico ricircolato viene determinata in un secondo momento in funzione di una corrispondente misura della percentuale %O2 di ossigeno.
Ovviamente, il buffer 30 ha una dimensione finita e quindi contiene un numero fisso e predeterminato di concentrazioni %EGR di gas di scarico ricircolato (determinate in funzione delle misure della percentuale %O2 di ossigeno eseguite dal sensore 29): ogni qual volta che viene calcolata una nuova concentrazione %EGR di gas di scarico ricircolato (ovvero ogni qual volta che il sensore 29 fornisce una nuova misura), la nuova concentrazione %EGR di gas di scarico ricircolato diventa la concentrazione %EGR di gas di scarico ricircolato più recente ovvero più giovane e la concentrazione %EGR di gas di scarico ricircolato più datata ovvero più vecchia viene eliminata dal buffer 30. A titolo di esempio, il sensore 29 fornisce una nuova misura della percentuale %O2 di ossigeno ogni 4 ms (quindi nel buffer 30 ogni 4 ms viene memorizzato un nuovo valore della concentrazione %EGR di gas di scarico ricircolato e viene eliminato un vecchio valore della concentrazione %EGR di gas di scarico ricircolato).
Inoltre, l’unità 26 di controllo calcola un tempo TTR di trasporto che impiega la miscela di gas a spostarsi dal punto in cui si trova il sensore 29 che misura la percentuale %O2 di ossigeno ad un cilindro 2 mediante la seguente equazione:
TTR = D / STR [10]
TTR tempo di trasporto;
D distanza esistente tra la posizione del sensore 29 che misura la percentuale %O2 di ossigeno ed un cilindro 2;
STR velocità di trasporto.
In altre parole, l’unità 26 di controllo conosce la distanza D esistente tra la posizione del sensore 29 che misura la percentuale %O2 di ossigeno ed un cilindro 2 (tale distanza D è dovuta alla geometrica del motore 1 a combustione interna ed è un dato di progetto fisso e noto a priori), stima (con modalità descritte in seguito) la velocità STR di trasporto con la quale la miscela di gas si sposta lungo il condotto 6 di aspirazione e quindi attraverso il collettore 4 di aspirazione (ovvero con la quale la miscela di gas percorre la distanza D), e quindi calcola il tempo TTR di trasporto con una banale divisione.
E’ importante osservare che per ciascun cilindro 2 esiste una corrispondente distanza D che può essere (leggermente) diversa dalla distanza D degli altri cilindri 2 (ovvero più piccola se il cilindro 2 è più vicino alla valvola 8 a farfalla oppure più grande se il cilindro 2 è più lontano alla valvola 8 a farfalla); quindi per ciascun cilindro 2 viene calcolata un corrispondente tempo TTR di trasporto che è potenzialmente (leggermente) diverso dai tempi TTR di trasporto degli altri cilindri 2 a parità di altri fattori.
Per determinare la percentuale %O2 di ossigeno che si troverà in un cilindro 2 al termine di una fase A di aspirazione, l’unità 26 di controllo sincronizza le concentrazioni %EGR di gas di scarico ricircolato (calcolate in funzione delle misure della percentuale %O2 di ossigeno eseguite dal sensore 29 e memorizzate in successione temporale nel buffer 30) con la predizione dell’aspirazione (che è parte della programmazione della combustione). La programmazione della combustione prevede di stabilire come comandare gli attuatori che regolano l’alimentazione nel cilindro 2 degli attori della combustione, ovvero l’alimentazione dell’aria contenente l’ossigeno (il comburente), l’alimentazione del carburante (il combustibile) e lo scocco della scintilla (che avvia la combustione, ovviamente solo nel caso di accensione comandata); di conseguenza, la programmazione della combustione prevede di stabilire come comandare gli iniettori che alimentano il carburante, di stabilire come comandare la bobina di accensione (se prevista, ovvero solo nel caso di accensione comandata); di conseguenza), di stabilire come comandare la valvola 8 a farfalla, e di stabilire come comandare le valvole di aspirazione (ovviamente quando l’istante di apertura e/o chiusura delle valvole di aspirazione è regolabile).
Per eseguire questa sincronizzazione e come schematicamente illustrato nella figura 2, l’istante corrente è l’istante T1 (ovvero il controllo motore si trova l’istante T1) ed è necessario programmare la combustione che avviene immediatamente dopo all’istante T2 in cui avviene la fase di aspirazione A* corrispondente alla combustione che deve venire programmata (normalmente, come illustrato nella figura 2, si considera la fine della fase di aspirazione); tra l’istante T1 e l’istante T2 intercorre il tempo Tpred di anticipo (corrispondente al numero Xp di tempi di anticipo). Partendo dall’istante T1 corrente e sommando all’istante T1 il tempo Tpred di anticipo si ottiene l’istante T2 in cui avviene la fase di aspirazione A* corrispondente alla combustione che deve venire programmata. Sottraendo dall’istante T2 (ovvero anticipando dall’istante T2) il tempo TTR di trasporto si determina un istante T3 in corrispondenza del quale si legge nel buffer 30 la concentrazione %EGR di gas di scarico ricircolato (calcolata in funzione della percentuale %O2 di ossigeno misurata dal sensore 29) e si utilizza questa misura per programmare la combustione corrispondete alla fase di aspirazione A*. In altre parole, per sincronizzare la concentrazione %EGR di gas di scarico ricircolato con la programmazione della combustione corrispondente alla fase di aspirazione A* si legge nel buffer 30 la concentrazione %EGR di gas di scarico ricircolato corrispondente all’istante T3 che è ricavabile sottraendo (diminuendo) all’istante T1 corrente in cui viene eseguita la programmazione della combustione un intervallo di tempo pari alla differenza tra il tempo TTR di trasporto ed il tempo Tpred di anticipo.
Secondo una preferita, ma non vincolante, forma di attuazione, nel programmare la combustione corrispondente alla fase di aspirazione A* non si utilizza direttamente la concentrazione %EGR di gas di scarico ricircolato all’istante T3, ma si applica a tale concentrazione %EGR di gas di scarico ricircolato all’istante T3 un filtro del primo ordine che tiene conto del mescolamento dei gas all’interno del collettore 4 di aspirazione (ovvero realizza un modello del mescolamento dei gas all’interno del collettore 4 di aspirazione e quindi simula l’effetto del mescolamento dei gas all’interno del collettore 4 di aspirazione). In altre parole, la modifica della concentrazione %EGR di gas di scarico ricircolato dal valore precedente al valore nuovo non avviene istantaneamente (cioè con una legge di variazione a gradino che non corrispondente alla realtà fisica), ma avviene in modo graduale con una legge di variazione esponenziale (corrispondente ad un filtro del primo ordine). Quanto sopra descritto è illustrato nella figura 3, in cui si vede che la transizione dal valore precedente (“OLD”) della concentrazione %EGR di gas di scarico ricircolato al valore successivo (“NEW”) della concentrazione %EGR di gas di scarico ricircolato avviene in modo graduale secondo una legge esponenziale (realizzata matematicamente mediante un filtro del primo ordine).
Secondo una possibile forma di attuazione il filtro del primo ordine con cui viene filtrata la concentrazione %EGR di gas di scarico ricircolato all’istante T3 (ovvero con cui viene rallentata la transizione dal valore precedente al valore successivo della concentrazione %EGR di gas di scarico ricircolato) presenta una guadagno costante. In alternativa, il guadagno del filtro del primo ordine è variabile e viene determinato in funzione di una mappa sperimentale che è memorizzata nella unità 26 di controllo e fornisce il guadagno del filtro del primo ordine in funzione della portata MTOT massica della miscela di gas che attraversa il condotto 6 di aspirazione; secondo una ulteriore variante, il guadagno del filtro del primo ordine è variabile e viene determinato in funzione di una mappa sperimentale che è memorizzata nella unità 26 di controllo e fornisce il guadagno del filtro del primo ordine in funzione della portata MTOT massica della miscela di gas che attraversa il condotto 6 di aspirazione ed anche in funzione del tempo Tpred di anticipo. Tale mappa viene determinata in modo sperimentale durante una fase di calibrazione in laboratorio; ovvero viene utilizzato un motore 1 termico a combustione interna in cui vengono installati una serie di sensori di laboratorio molto performanti (cioè sia molto precisi, sia molto veloci) per determinare il valore ottimale del guadagno del filtro del primo ordine in tutti i possibili punti di funzionamento. Secondo una preferita, ma non limitante, forma di attuazione, la velocità STR di trasporto (ovvero la velocità di avanzamento media dei gas lungo il condotto 6 di aspirazione ed attraverso il collettore 4 di aspirazione) viene calcolata dall’unità 26 di controllo mediante la seguente equazione:
STR = MTOT / (ρ * S) [11]
STR velocità di trasporto;
MTOT portata massica della miscela di gas che attraversa il condotto 6 di aspirazione;
ρ densità della miscela di gas che attraversa il condotto 6 di aspirazione;
S sezione del condotto 6 di aspirazione.
La portata MTOT massica della miscela di gas che attraversa il condotto 6 di aspirazione viene stimata in modo noto dalla unità 26 di controllo utilizzando le strategie standard di controllo motore (ad esempio potrebbe venire stimato dal modello di carica denominato “speed density”); in altre parole, l’unità 26 di controllo esegue delle strategie standard di controllo motore che, tra le altre cose, possono permettere di determinare una stima affidabile della portata MTOT massica della miscela di gas che attraversa il condotto 6 di aspirazione. In alternativa, la portata MTOT massica della miscela di gas che attraversa il condotto 6 di aspirazione potrebbe venire calcolata utilizzando l’equazione [1] sopra identificata (o una altra equazione analoga) e conoscendo la portata MAIR massica di aria fresca proveniente dall’ambiente esterno (ad esempio dalla misura di un debimetro) e dal valore della concentrazione EGR ricavata dalla misura della percentuale di ossigeno o in alternativa dalla portata MEGR_LP massica di gas di scarico recircolata attraverso il circuito EGRLP a bassa pressione.
La densità ρ della miscela di gas che attraversa il condotto 6 di aspirazione può venire determinata in funzione di una mappa sperimentale che è memorizzata nella unità 26 di controllo e fornisce la densità ρ della miscela di gas in funzione della temperatura T e della pressione P della miscela di gas; la temperatura T e della pressione P della miscela di gas possono essere la temperatura Tint e la pressione Pint della miscela di gas che attraversa il condotto 6 di aspirazione misurate dal sensore 27, la temperatura Tman e la pressione Pman della miscela di gas che si trovano all’interno del collettore 4 di aspirazione misurate dal sensore 28, oppure una media tra le misure dei sensori 27 e 28. Tale mappa viene determinata in modo sperimentale durante una fase di calibrazione in laboratorio; ovvero viene utilizzato un motore 1 termico a combustione interna in cui vengono installati una serie di sensori di laboratorio molto performanti (cioè sia molto precisi, sia molto veloci) per misurare il valore della densità ρ della miscela di gas in tutti i possibili punti di funzionamento.
In alternativa, la densità ρ della miscela di gas che attraversa il condotto 6 di aspirazione può venire calcolata utilizzando la seguente equazione:
ρ = P / (R * T) [12]
ρ densità della miscela di gas che attraversa il condotto 6 di aspirazione;
P pressione della miscela di gas (misurata dal sensore 27, misurata dal sensore 28, oppure una media tra le misure dei sensori 27 e 28);
R costante specifica del gas che può essere approssimata a quella dell’aria (che in prima approssimazione può essere assunta pari alla costante universale dei gas);
T temperatura della miscela di gas (misurata dal sensore 27, misurata dal sensore 28, oppure una media tra le misure dei sensori 27 e 28).
Combinando le equazioni [10], [11], e [12], si ottiene la seguente equazione (che può venire implementata nella unità 26 di controllo al posto delle equazioni [10], [11], e [12]):
TTR = (D * S * P) / (M * R * T) [13]
TTR tempo di trasporto;
D distanza esistente tra la posizione del sensore 29 che misura la percentuale %O2 di ossigeno ed un cilindro 2;
M portata massica della miscela di gas che attraversa il condotto 6 di aspirazione;
S sezione del condotto 6 di aspirazione;
P pressione della miscela di gas (misurata dal sensore 27, misurata dal sensore 28, oppure una media tra le misure dei sensori 27 e 28);
R costante specifica del gas che può essere approssimata a quella dell’aria (che in prima approssimazione può essere assunta pari alla costante universale dei gas);
T temperatura della miscela di gas (misurata dal sensore 27, misurata dal sensore 28, oppure una media tra le misure dei sensori 27 e 28).
In alternativa, invece dell’equazione [13] potrebbe venire utilizzata la seguente equazione:
TTR = (VTR * P) / (M * R * T) [14]
VTR volume di trasporto (ovvero il volume di aspirazione compreso tra il sensore 29 e le valvole di aspirazione del cilindro 2 in esame);
M portata massica della miscela di gas che attraversa il condotto 6 di aspirazione;
P pressione della miscela di gas (misurata dal sensore 27, misurata dal sensore 28, oppure una media tra le misure dei sensori 27 e 28); R costante specifica del gas che può essere approssimata a quella dell’aria (che in prima approssimazione può essere assunta pari alla costante universale dei gas);
T temperatura della miscela di gas (misurata dal sensore 27, misurata dal sensore 28, oppure una media tra le misure dei sensori 27 e 28). Secondo una possibile forma di attuazione, il volume VTR di trasporto è dovuto alla geometrica del motore 1 a combustione interna ed è un dato di progetto fisso e noto a priori. Secondo una alternativa forma di attuazione (più precisa ed accurata), il volume VTR di trasporto viene determinato in funzione di una mappa sperimentale che è memorizzata nella unità 26 di controllo e fornisce il volume VTR di trasporto in funzione del rendimento ETint di aspirazione (ricavato dalle strategie standard di controllo motore utilizzate dalla unità 26 di controllo) e della velocità ω di rotazione del motore 1 a combustione interna.
Tale mappa viene determinata in modo sperimentale durante una fase di calibrazione in laboratorio; ovvero viene utilizzato un motore 1 termico a combustione interna in cui vengono installati una serie di sensori di laboratorio molto performanti (cioè sia molto precisi, sia molto veloci) per misurare il valore del volume VTR di trasporto in tutti i possibili punti di funzionamento.
Come già detto in precedenza, nel buffer 30 è possibile memorizzare le concentrazioni %EGR di gas di scarico ricircolato calcolate in funzione delle corrispondenti percentuali %O2 di ossigeno misurate dal sensore 29; in alternativa, nel buffer 30 è possibile memorizzare le percentuali %O2 di ossigeno misurate dal sensore 29 che verranno utilizzate in un secondo momento per determinate le corrispondenti concentrazioni %EGR di gas di scarico ricircolato.
Nella forma di attuazione illustrata nelle figure allegate, il motore a combustione 1 interna è turbocompresso (in alternativa al turbocompressore potrebbe venire utilizzato un compressore volumetrico); secondo una diversa forma di attuazione non illustrata, il motore a combustione 1 interna è aspirato (ovvero privo di sovralimentazione ottenuta mediante turbocompressore o compressore volumetrico).
Nella forma di attuazione illustrata nelle figure allegate, il condotto 23 di EGR sfocia nel condotto 6 di aspirazione e quindi a monte della valvola 8 a farfalla (ovviamente il sensore 29 è disposto lungo il condotto 6 di aspirazione a valle del punto di arrivo del condotto 23 di EGR); secondo una diversa forma di attuazione non illustrata, il condotto 23 di EGR sfocia nel collettore 4 di aspirazione e quindi a valle della valvola 8 a farfalla (ovviamente il sensore 29 è disposto nel collettore 4 di aspirazione a valle del punto di arrivo del condotto 23 di EGR).
Le forme di attuazione qui descritte si possono combinare tra loro senza uscire dall'ambito di protezione della presente invenzione.
Il metodo di stima della concentrazione di gas di scarico ricircolato presente in un cilindro 2 al momento della combustione sopra descritto presenta numerosi vantaggi (come detto determina la concentrazione di gas di scarico ricircolato equivale a determinare la concentrazione di aria fresca/ossigeno e viceversa).
In primo luogo, il metodo di stima della concentrazione di gas di scarico ricircolato presente in un cilindro 2 al momento della combustione sopra descritto è molto preciso (ovvero commette un errore modesto) in tutti i possibili punti di funzionamento non solo in regime stazionario (ovvero quando la velocità di rotazione ed il punto motore rimangono stabili nel tempo) ma anche e soprattutto in regime dinamico (ovvero quando la velocità di rotazione e/o il punto motore sono in continua evoluzione).
Inoltre, il metodo di stima della concentrazione di gas di scarico ricircolato presente in un cilindro 2 al momento della combustione sopra descritto è di semplice ed economica implementazione, in quanto non richiede una elevata potenza di calcolo e non richiede una elevata occupazione di memoria.
ELENCO DEI NUMERI DI RIFERIMENTO DELLE FIGURE
1 motore
2 cilindri
3 iniettori
4 collettore di aspirazione
5 collettore di scarico
6 condotto di aspirazione
7 filtro aria
8 valvola a farfalla
9 sensore multiplo
10 intercooler
11 condotto di scarico
12 catalizzatore ossidante
16 silenziatore
17 turbocompressore
18 turbina
19 compressore
23 condotto di EGR
24 valvola di EGR
25 scambiatore di calore
26 unità di controllo elettronica
27 sensore
28 sensore
29 sensore
30 buffer
%O2 percentuale di ossigeno
%EGR concentrazione di gas di scarico ricircolato D distanza
Tpred tempo di anticipo
TTR tempo di trasporto
Xp numero di tempi di anticipo
Claims (15)
1) Metodo di stima per determinare la concentrazione di gas di scarico ricircolato presente in un cilindro (2) di un motore a combustione (1) interna, in cui il cilindro (2) riceve una miscela di gas composta da aria fresca e da gas di scarico ricircolato mediante un condotto (6) di aspirazione che termina in un collettore (4) di aspirazione; il metodo di stima comprende le fasi di:
misurare periodicamente una percentuale (%O2) di ossigeno in una miscela di gas che attraversa il condotto (6) di aspirazione o il collettore (4) di aspirazione mediante un primo sensore (29) che è disposto lungo il condotto (6) di aspirazione o nel collettore (4) di aspirazione;
determinare periodicamente una concentrazione (%EGR) di gas di scarico ricircolato presente nel condotto (6) di aspirazione o nel collettore (4) di aspirazione in funzione di una corrispondente percentuale (%O2) di ossigeno misurata dal primo sensore (29); e
determinare un primo istante (T2) nel futuro in cui avverrà una aspirazione dell’aria nel cilindro (2) per una prossima combustione nel cilindro (2);
il metodo di stima è caratterizzato dal fatto di comprendere le ulteriori fasi di:
memorizzare le concentrazioni (%EGR) di gas di scarico ricircolato in un buffer (30);
determinare un tempo (Tpred) di anticipo corrispondente ad un intervallo di tempo che intercorre tra il primo istante (T2) ed un secondo istante (T1) in cui viene eseguita una programmazione della corrispondente combustione nel cilindro (2);
determinare un tempo (TTR) di trasporto che impiega la miscela di gas a spostarsi dal punto in cui si trova il primo sensore (29) al cilindro (2);
determinare un terzo istante (T3) che è precedente al secondo istante (T1) sottraendo al secondo istante (T1) un intervallo di tempo pari alla differenza tra il tempo (TTR) di trasporto ed il tempo (Tpred) di anticipo; e
stimare la concentrazione di gas di scarico ricircolato presente nel cilindro (2) al primo istante (T2) in funzione di una concentrazione (%EGR) di gas di scarico ricircolato contenuta nel buffer (30) e corrispondente al terzo istante (T3).
2) Metodo di stima secondo la rivendicazione 1, in cui la programmazione della combustione nel cilindro (2) richiede un anticipo pari ad un predeterminato numero (Xp) di tempi ed il tempo (Tpred) di viene calcolato utilizzando la seguente equazione:
Tpred = Xp / (2 * ω) [9]
Tpred tempo di anticipo;
Xp numero di tempi di anticipo;
ω velocità di rotazione del motore (1) a combustione interna.
3) Metodo di stima secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il tempo (TTR) di trasporto viene calcolato mediante la seguente equazione:
TTR = D / STR [10]
TTR tempo di trasporto;
D distanza esistente tra la posizione del primo sensore (29) ed il cilindro (2);
STR velocità di trasporto con la quale la miscela di gas si sposta lungo il condotto (6) di aspirazione e quindi attraverso il collettore (4) di aspirazione.
4) Metodo di stima secondo la rivendicazione 3, in cui la velocità STR di trasporto viene calcolata mediante la seguente equazione:
STR = MTOT / (ρ * S) [11]
STR velocità di trasporto;
MTOT portata massica della miscela di gas che attraversa il condotto (6) di aspirazione; ρ densità della miscela di gas che attraversa il condotto (6) di aspirazione;
S sezione del condotto (6) di aspirazione.
5) Metodo di stima secondo la rivendicazione 4, in cui la densità (ρ) della miscela di gas che attraversa il condotto (6) di aspirazione viene determinata in funzione di una mappa sperimentale che è memorizzata in una unità (26) di controllo e fornisce la densità (ρ) della miscela di gas in funzione di una temperatura (T) e di una pressione (P) della miscela di gas.
6) Metodo di stima secondo la rivendicazione 4, in cui la densità (ρ) della miscela di gas che attraversa il condotto (6) di aspirazione viene calcolata utilizzando la seguente equazione:
ρ = P / (R * T) [12]
ρ densità della miscela di gas che attraversa il condotto (6) di aspirazione;
P pressione della miscela di gas;
R costante specifica del gas;
T temperatura della miscela di gas.
7) Metodo di stima secondo la rivendicazione 4 o 5, in cui:
vengono misurate la temperatura (Tint) e la pressione (Pint) della miscela di gas nel condotto (6) di aspirazione mediante un secondo sensore (27);
vengono misurate la temperatura (Tman) e la pressione (Pman) della miscela di gas nel collettore (4) di aspirazione mediante un terzo sensore (28); e
per determinare la densità (ρ) della miscela di gas che attraversa il condotto (6) di aspirazione viene utilizzata una media tra le misure del secondo sensore (27) e del terzo sensore (28).
8) Metodo di stima secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il tempo (TTR) di trasporto viene calcolato mediante la seguente equazione:
TTR = (D * S * P) / (M * R * T) [13]
TTR tempo di trasporto;
D distanza esistente tra la posizione del primo sensore (29) ed il cilindro (2);
M portata massica della miscela di gas che attraversa il condotto (6) di aspirazione;
S sezione del condotto (6) di aspirazione;
P pressione della miscela di gas;
R costante specifica del gas;
T temperatura della miscela di gas.
9) Metodo di stima secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il tempo (TTR) di trasporto viene calcolato mediante la seguente equazione:
TTR = (VTR * P) / (M * R * T) [14]
VTR volume di trasporto;
M portata massica della miscela di gas che attraversa il condotto (6) di aspirazione;
P pressione della miscela di gas;
R costante specifica del gas;
T temperatura della miscela di gas.
10) Metodo di stima secondo la rivendicazione 8, in cui il volume (VTR) di trasporto è un dato di progetto fisso e noto a priori.
11) Metodo di stima secondo la rivendicazione 8, in cui il volume (VTR) di trasporto viene determinato in funzione di una mappa sperimentale che è memorizzata in una unità (26) di controllo e fornisce il volume (VTR) di trasporto in funzione di un rendimento (ETint) di aspirazione e di una velocità (ω) di rotazione del motore (1) a combustione interna.
12) Metodo di stima secondo una delle rivendicazioni da 1 a 10, in cui alla concentrazione (%EGR) di gas di scarico ricircolato contenuta nel buffer (30) e corrispondente al terzo istante (T3) viene applicato un ritardo temporale.
13) Metodo di stima secondo la rivendicazione 11, in cui il ritardo temporale viene ottenuto mediante un filtro del primo ordine.
14) Metodo di stima secondo la rivendicazione 12, in cui il filtro del primo ordine presenta un guadagno variabile in funzione di una portata (MTOT) massica della miscela di gas che attraversa il condotto (6) di aspirazione.
15) Metodo di stima secondo la rivendicazione 12, in cui il filtro del primo ordine presenta un guadagno variabile in funzione di una portata (MTOT) massica della miscela di gas che attraversa il condotto (6) di aspirazione ed in funzione del tempo (Tpred) di anticipo.
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