IT201900004875A1 - Metodo per il controllo della combustione di un motore a combustione interna - Google Patents
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Description
D E S C R I Z I O N E
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
“METODO PER IL CONTROLLO DELLA COMBUSTIONE DI UN MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA”
SETTORE DELLA TECNICA
La presente invenzione è relativa ad un metodo per il controllo della combustione di un motore a combustione interna.
ARTE ANTERIORE
Come noto, in un motore termico a combustione interna è stato proposto di alimentare nelle camere di combustione definite all’interno dei cilindri anche dell’acqua in aggiunta al carburante.
In un motore a combustione interna, il sistema di iniezione d’acqua consiste nell’immissione di acqua nel motore tramite il condotto di aspirazione, sotto forma di spray, oppure miscelata al combustibile, o direttamente in camera di combustione, al fine di raffreddare la miscela aria/combustibile incrementando la resistenza a fenomeni di detonazione. Tipicamente, il sistema di alimentazione di acqua comprende un serbatoio che viene riempito con acqua demineralizzata (per evitare la formazione di incrostazioni). Normalmente, il serbatoio viene rifornito dall’esterno del veicolo oppure potrebbe anche venire rifornito sfruttando la condensa del climatizzatore, sfruttando la condensa dello scarico, o anche convogliando acqua piovana. Inoltre, il serbatoio è preferibilmente provvisto di un dispositivo riscaldatore elettrico (ovvero provvisto di una resistenza che genera calore per effetto Joule quando viene attraversata da corrente elettrica) che viene utilizzato per sciogliere eventuale ghiaccio quando la temperatura esterna è particolarmente rigida.
L’acqua presenta un elevato calore latente di vaporizzazione, in altre parole richiede molta energia per passare dallo stato liquido a quello gassoso. Quando acqua a temperatura ambiente è iniettata nel condotto di aspirazione, questa assorbe calore dall’aria in ingresso e dalle pareti metalliche, evaporando, e raffreddando quindi la carica in ingresso. Il motore aspira dunque aria più fresca, in altre parole più densa, viene migliorato il rendimento volumetrico e viene ridotta la possibilità di detonazione, inoltre è possibile iniettare più combustibile. Durante la compressione, l’acqua presente in minuscole gocce evapora ed assorbe calore dall’aria che si sta comprimendo, raffreddandola e abbassandone la pressione. Successivamente alla compressione avviene la combustione, e qui si ha un ulteriore effetto benefico: durante la combustione si sviluppa molto calore, che viene assorbito dall’acqua, riducendo la temperatura di picco del ciclo e riducendo di conseguenza la formazione di NOx ed il calore che devono assorbire le pareti del motore. Questa evaporazione inoltre converte parte del calore del motore (che sarebbe altrimenti andato sprecato) in pressione, data appunto dal vapore formatosi, aumentando la spinta sul pistone ed aumentando anche il flusso di energia in ingresso ad una eventuale turbina allo scarico (la turbina, inoltre, beneficerebbe della riduzione della temperatura dei gas di scarico dovuta all’assorbimento di calore da parte dell’acqua aggiuntiva).
E’ sempre più avvertita però l’esigenza di ottimizzare il consumo di acqua iniettata per ridurre le dimensioni e l’ingombro del sistema di alimentazione di acqua e per non compromettere il rendimento termodinamico.
DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE
Scopo della presente invenzione è pertanto quello di fornire un metodo per il controllo della combustione di un motore a combustione interna, il quale metodo sia privo degli inconvenienti sopra descritti e, in particolare, sia di facile ed economica implementazione.
Secondo la presente invenzione viene fornito un metodo per il controllo della combustione di un motore a combustione interna secondo quanto rivendicato dalle 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 è una vista schematica di un motore a combustione interna provvisto di una unità di controllo elettronica che implementa il metodo per il controllo della combustione oggetto della presente invenzione;
- la figura 2 è uno schema a blocchi che rappresenta una prima variante della strategia di controllo della combustione attuata da una centralina di controllo del motore della figura 1; e
- la figura 3 è uno schema a blocchi che rappresenta una seconda variante della strategia di controllo della combustione attuata da una centralina di controllo del motore della figura 1.
FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL’INVENZIONE
Nella figura 1, con il numero 1 è indicato nel suo complesso un motore a combustione interna per un veicolo stradate – automobile oppure motociclo - (non illustrato) provvisto di un numero (in particolare, quattro) di cilindri 2, in cui sono definite rispettive camere di combustione a volume variabile e quattro iniettori 3 che iniettano il combustibile, preferibilmente benzina, direttamente nei cilindri 2, ciascuno dei quali 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 sia gas di scarico (come meglio descritto in seguito) e 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. Lungo il condotto 6 di aspirazione a valle del filtro 7 aria, è disposto anche un debimetro 7* (meglio noto come Air Flow Meter).
Lungo il condotto 6 di aspirazione (preferibilmente integrato all’interno del collettore 4 di aspirazione) è disposto un intercooler 9 avente la funzione di raffreddare l’aria aspirata. L’intercooler 9 è collegato ad un circuito di condizionamento del liquido refrigerante impiegato nell’intercooler 9 che prevede uno scambiatore di calore, una pompa di alimentazione ed una valvola di regolazione disposti lungo un condotto in parallelo all’intercooler 9. Al collettore 5 di scarico è collegato un condotto 10 di scarico che alimenta i gas di scarico prodotti dalla combustione ad un sistema di scarico, il quale emette i gas prodotti dalla combustione nell’atmosfera e comprende normalmente almeno un catalizzatore 11 ed almeno un silenziatore (non illustrato) disposto a valle del catalizzatore 11.
Il sistema di sovralimentazione del motore 1 a combustione interna comprende un turbocompressore 12 provvisto di una turbina 13, che è disposta lungo il condotto 10 di scarico per ruotare ad alta velocità sotto l’azione dei gas di scarico espulsi dai cilindri 3, ed un compressore 14, il quale è disposto lungo il condotto 6 di aspirazione ed è collegato meccanicamente alla turbina 13 per venire trascinato in rotazione dalla turbina 13 stessa così da aumentare la pressione dell’aria presente nel condotto 6 di alimentazione.
Il motore 1 a combustione interna è controllato da una centralina ECU elettronica di controllo, la quale sovrintende al funzionamento di tutte le componenti del motore 1 a combustione interna.
Secondo una preferita variante, il motore 1 a combustione interna comprende infine un circuito EGRLP a bassa pressione che comprende a sua volta un condotto 15 di bypass che si origina dal condotto 10 di scarico, preferibilmente a valle del catalizzatore 11 e sfocia nel condotto 6 di aspirazione, a valle del debimetro 7; il condotto 15 di bypass è collegato in parallelo al turbocompressore 12. Lungo il condotto 15 di bypass è disposta una valvola 16 EGR, la quale è atta a regolare la portata dei gas di scarico che fluiscono attraverso il condotto 15 di bypass. Lungo il condotto 15 di bypass, a monte della valvola 16, è disposto anche uno scambiatore 17 di calore avente la funzione di raffreddare i gas in uscita dal collettore 5 di scarico e in ingresso al compressore 14.
Infine, motore 1 a combustione interna comprende un sistema 18 di alimentazione e iniezione di acqua.
Il sistema 18 di alimentazione e iniezione d’acqua consente l’immissione di acqua nel motore 1 a combustione interna tramite il condotto 6 di aspirazione, sotto forma di spray, oppure miscelata al combustibile, o direttamente in camera di combustione, al fine di raffreddare la miscela aria/combustibile incrementando la resistenza a fenomeni di detonazione. Il sistema 18 di alimentazione e iniezione di acqua è provvisto di un serbatoio 19 per la raccolta e lo stoccaggio dell’acqua che viene riempito con acqua demineralizzata (per evitare la formazione di incrostazioni). Normalmente, il serbatoio 19 viene rifornito dall’esterno del veicolo oppure potrebbe anche venire rifornito sfruttando la condensa del climatizzatore, sfruttando la condensa dello scarico, o anche convogliando acqua piovana. Il sistema 18 di alimentazione e iniezione di acqua comprende poi una pompa volumetrica che pesca nel serbatoio per alimentare l’acqua in pressione ad un dispositivo 20 per l’iniezione di tipo noto. Inoltre, il serbatoio 19 è preferibilmente provvisto di un dispositivo riscaldatore elettrico (ovvero provvisto di una resistenza che genera calore per effetto Joule quando viene attraversata da corrente elettrica) che viene utilizzato per sciogliere eventuale ghiaccio quando la temperatura esterna è particolarmente rigida.
Viene di seguito descritta la strategia implementata dalla centralina ECU di controllo elettronica per ottimizzare la combustione all’interno del motore 1 a combustione interna mediante l’iniezione di acqua.
In particolare, vengono definite le seguenti grandezze:
ηASP rendimento di aspirazione (e rappresenta il carico motore oppure alternativamente la pressione media indicata oppure la coppia motrice indicata oppure la coppia motrice al freno) ed è definito dal rapporto fra la massa mAIR di aria intrappolata nel cilindro 2 per ciascun ciclo di combustione e la massa mAIR_REF di aria intrappolata nel cilindro 2 per ciascun ciclo di combustione in condizioni di riferimento (e cioè con temperatura pari a 298°K e alla pressione di una atmosfera);
n velocità del motore 1 a combustione interna; Edet energia di detonazione (preferibilmente definita attraverso la differenza fra il rumore di combustione determinato attraverso un opportuno trattamento di un segnale – microfonico oppure accelerometrico – in una finestra angolare di rilevazione in un intorno del punto TDC morto superiore ed un rumore di combustione limite corrispondente al novantottesimo percentile di cicli di combustione non detonanti e fornito da una mappa memorizzata all’interno della centralina ECU di controllo elettronica, in funzione del punto motore e del cilindro 2);
Edet-obj valore limite delle energia di detonazione determinato in funzione del punto motore;
MAPO massima ampiezza (Maximum Amplitude Pressure Oscillation) della intensità delle onde di pressione generate dalla combustione nei cilindri 2;
MAPOobj valore limite della massima ampiezza della intensità delle onde di pressione generate dalla combustione nei cilindri 2 determinato in funzione del punto motore;
MFB50 indice (50% Mass Fraction Burnt) di combustione che rappresenta l’angolo motore (cioè l’angolo di manovella) in corrispondenza del quale all’interno del cilindro 2 è stato bruciato il 50% della massa di combustibile;
R tasso di acqua pari al rapporto fra la massa mH2O di acqua iniettata e la massa mFUEL di combustibile iniettata per ogni cilindro 2;
Robj valore obiettivo del tasso di acqua pari al rapporto fra la massa mH2O di acqua di riferimento da iniettare e la massa mFUEL di combustibile di riferimento da iniettare per ogni cilindro 1;
SA angolo di anticipo di accensione;
SAobj valore obiettivo dell’angolo di anticipo di accensione da attuare.
Secondo una prima variante illustrata nella figura 1, il motore 1 a combustione interna comprende esclusivamente il sistema 18 di alimentazione e iniezione acqua (e non è provvisto del circuito EGRLP a bassa pressione) il modello di combustione utilizzato calcola l’anticipo SAmodel di accensione in funzione del rendimento ηASP di aspirazione (noto), della velocità n del motore 1 a combustione interna (nota), dell’indice MFB50 di combustione e del tasso Robj di acqua.
In particolare, il modello di combustione può essere espresso mediante una parabola formulata come segue:
SAmodel = a2 * MFB50<2 >+ a1 * MFB50 a0
In cui SAmodel e MFB50 assumono il significato introdotto in precedenza mentre i coefficienti ai possono essere espressi come segue:
ai = fi (ηASP, n) gi (Robj , ηASP) [i= 0, 1, 2]
oppure, alternativamente da un modello polinomiale come segue:
ai = p00 n*p10 ηASP*p01 n*ηASP*p11 n<2>*p20 [i= 0, 1, 2]
In cui Robj, n e ηASP assumono il significato introdotto in precedenza.
I valori di n e ηASP sono noti alla centralina ECU di controllo elettronica.
Viene ora descritto come determinare l’indice MFB50 di combustione e il tasso Robj di acqua.
L’indice MFB50 di combustione viene determinato mediante un contributo ad anello aperto; in particolare, all’interno della centralina ECU elettronica di controllo è memorizzata una mappa (MFB50OL) che in funzione del rendimento ηASP di aspirazione e della velocità n del motore 1 a combustione interna fornisce l’indice MFB50 di combustione.
Il tasso Robj di acqua viene invece determinato sommando due contributi ad anello aperto ed un contributo ad anello chiuso (cioè in retroazione).
Il primo contributo ad anello aperto fornisce un tasso ROL di acqua; in particolare, all’interno della centralina ECU elettronica di controllo è memorizzata una mappa (ROL) che in funzione del rendimento ηASP di aspirazione e della velocità n del motore 1 a combustione interna fornisce il tasso ROL di acqua.
Secondo una prima variante, il contributo ad anello chiuso del tasso Robj di acqua viene ottenuto confrontando l’energia Edet di detonazione del ciclo di combustione appena avvenuto con il valore Edet-obj limite delle energia di detonazione.
Alternativamente, il contributo ad anello chiuso del tasso Robj di acqua viene ottenuto confrontando la massima ampiezza MAPO della intensità delle onde di pressione generate dalla combustione nei cilindri 3 con il valore limite MAPOobj della massima ampiezza della intensità delle onde di pressione generate dalla combustione nei cilindri 3.
Il tipo di controllo da attuare viene differenziato in funzione dell’esito del confronto fra l’energia Edet di detonazione del ciclo di combustione appena avvenuto con il valore Edet-obj limite delle energia di detonazione (oppure, rispettivamente, del confronto fra la massima ampiezza MAPO della intensità delle onde di pressione generate dalla combustione nei cilindri 3 con il valore limite MAPOobj della massima ampiezza della intensità delle onde di pressione generate dalla combustione nei cilindri 3); ad esempio il tipo di controllo avviene differenziando le costanti di intervento di un regolatore PID (oppure PI).
In particolare, la strategia prevede un blocco amministratore 1 (governor) che riceve in ingresso il contributo calcolato attraverso la differenza fra l’energia Edet di detonazione del ciclo di combustione appena avvenuto e il valore Edet-obj limite delle energia di detonazione (oppure, rispettivamente, la differenza fra la massima ampiezza MAPO della intensità delle onde di pressione generate dalla combustione nei cilindri 3 e il valore limite MAPOobj della massima ampiezza della intensità delle onde di pressione generate dalla combustione nei cilindri 3) e moltiplicata per la costante di intervento dei regolatori PID. Il blocco amministratore 1 in funzione del valore assunto dal detto contributo decide come intervenire per ridurre il rischio di detonazione. In particolare, nel caso in cui il contributo sia inferiore ad un valore di S1 soglia (preferibilmente calibrabile e variabile in funzione del punto motore) significa che è necessaria una correzione ridotta per evitare l’insorgere di fenomeni di detonazione.
In questo caso, il blocco amministratore calcola un differenziale del tasso ΔRKNOCK di acqua atto a evitare l’insorgere di fenomeni di detonazione.
Nel caso invece in cui il contributo sia superiore al valore S1 di soglia significa che è necessaria una correzione significativa per evitare l’insorgere di fenomeni di detonazione. In questo caso, il blocco amministratore 1 calcola un differenziale dell’anticipo ΔSAKNOCK di accensione atto a evitare l’insorgere di fenomeni di detonazione. In questo caso, come meglio descritto nella trattazione che segue, il tasso Robj di acqua viene saturato ad un valore limite.
Infine, nel caso in cui vengano rilevati eventi detonanti DET, il contributo viene immediatamente saturato ad un valore massimo senza attendere la risposta del regolatore PID in modo che il blocco amministratore 1 calcoli un differenziale dell’anticipo ΔSAKNOCK di accensione atto a evitare l’insorgere di fenomeni di detonazione.
Secondo una preferita variante, è previsto un secondo contributo ad anello aperto che fornisce un tasso RADT di acqua adattativo; in particolare, all’interno della centralina ECU elettronica di controllo è memorizzata una mappa (RADT) che in funzione del rendimento ηASP di aspirazione, della velocità n del motore 1 a combustione interna fornisce il tasso RADT di acqua adattativo.
Preferibilmente, la detta mappa viene aggiornata in funzione della parte integrale del controllore PID oppure PI utilizzato nel contributo ad anello chiuso per determinare il differenziale del tasso ΔRKNOCK di acqua in condizioni stazionarie.
Il tasso Robj di acqua è quindi determinato sommando i due contributi ad anello aperto RADT e ROL e il contributo ad anello chiuso ΔRKNOCK.
La strategia prevede inoltre un contributo ad anello chiuso per ottimizzare il rendimento. In particolare, il detto contributo ad anello chiuso si realizza confrontando l’indice MFB50 di combustione (determinato mediante il contributo ad anello aperto come descritto in precedenza) ed un valore stimato dell’indice MFB50est di combustione.
Il tipo di controllo da attuare viene differenziato in funzione dell’esito del confronto fra l’indice MFB50 di combustione ed il valore stimato dell’indice MFB50est di combustione; ad esempio il tipo di controllo avviene differenziando le costanti di intervento di un regolatore PID (oppure PI).
In particolare, la strategia prevede un blocco amministratore 2 (governor) che riceve in ingresso il contributo calcolato attraverso la differenza fra l’indice MFB50 di combustione ed il valore stimato dell’indice MFB50est di combustione e moltiplicata per le costanti di intervento del regolatore PID o PI. Il blocco amministratore in funzione del valore assunto dal detto contributo decide come intervenire per ottimizzare il rendimento del motore 1 a combustione interna. In particolare, nel caso in cui il contributo sia superiore ad un valore S2 di soglia (preferibilmente calibrabile e variabile in funzione del punto motore) significa che è necessaria una correzione significativa per ottimizzare il rendimento del motore 1 a combustione interna. In questo caso, il blocco amministratore calcola un differenziale dell’anticipo ΔSAMFB50 di accensione destinato a ottimizzare il rendimento del motore 1 a combustione interna.
Chiaramente, per realizzare il controllo della detonazione ed evitare l’insorgere di fenomeni di detonazione, il differenziale dell’anticipo ΔSAKNOCK di accensione riduce l’anticipo SAmodel di accensione fornito dal modello di combustione. Contrariamente, per ottimizzare il rendimento del motore 1 a combustione interna, il differenziale dell’anticipo ΔSAMFB50 di accensione incrementa l’anticipo SAmodel di accensione fornito dal modello di combustione. Si privilegia la protezione del motore 1 a combustione interna per evitare l’insorgere di fenomeni di detonazione a scapito del rendimento del motore 1 a combustione interna; per cui, il differenziale dell’anticipo ΔSAMFB50 di accensione destinato a ottimizzare il rendimento del motore 1 a combustione interna viene azzerato (oppure drasticamente ridotto) quando il differenziale dell’anticipo ΔSAKNOCK di accensione atto a evitare l’insorgere di fenomeni di detonazione interviene per ridurre l’anticipo SAmodel di accensione fornito dal modello di combustione. In altre parole, la strategia prevede di annullare (oppure saturare ad un valore prossimo allo zero) il differenziale dell’anticipo ΔSAMFB50 di accensione non appena il differenziale dell’anticipo ΔSAKNOCK di accensione inizia a ridurre il valore dell’anticipo SAmodel di accensione fornito dal modello di combustione.
L’anticipo SAobj obiettivo da attuare è quindi ottenuto dalla somma di due differenti contributi: l’anticipo SAmodel di accensione fornito dal modello di combustione e il differenziale dell’anticipo ΔSAMFB50 di accensione destinato a ottimizzare il rendimento del motore 1 a combustione interna oppure, alternativamente, il differenziale dell’anticipo ΔSAKNOCK di accensione atto a evitare l’insorgere di fenomeni di detonazione.
Secondo una seconda variante, il motore 1 a combustione interna comprende sia il circuito 18 di alimentazione acqua sia il circuito EGRLP a bassa pressione. In questo caso viene definita come segue la grandezza (o ratio) REGR che è indicativa della incidenza del circuito EGRLP a bassa pressione sulla miscela di gas che scorre nel condotto 6 di aspirazione:
REGR = MEGR_LP/MTOT
MTOT massa della miscela di gas che scorre nel condotto 6 di aspirazione data dalla somma della massa MAIR di aria fresca proveniente dall’ambiente esterno che scorre nel condotto 6 di aspirazione e della massa MEGR_LP di gas di scarico recircolata attraverso il circuito EGRLP a bassa pressione che scorre nel condotto 6 di aspirazione; e
MEGR_LP massa di gas di scarico recircolata attraverso il circuito EGRLP a bassa pressione che scorre nel condotto 6 di aspirazione.
Viene inoltre definito il valore obiettivo della grandezza (o ratio) REGR_OBJ che è utilizzato per pilotare la valvola 16 EGR.
Secondo quanto illustrato nella figura 3, il modello di combustione utilizzato calcola l’anticipo SAmodel di accensione in funzione del rendimento ηASP di aspirazione (noto), della velocità n del motore 1 a combustione interna (nota), dell’indice MFB50 di combustione, del tasso Robj di acqua e della grandezza REGR_OBJ.
Il modello di combustione può essere espresso mediante la solita parabola formulata come segue:
SAmodel = a2 * MFB50<2 >+ a1 * MFB50 a0
In cui SAmodel e MFB50 assumono il significato introdotto in precedenza mentre i coefficienti ai possono essere espressi come segue:
ai = fi (ηASP, n) ki (REGR_OBJ, ηASP) * gi (Robj, ηASP) [i= 0,
1, 2]
In cui REGR_OBJ, Robj, n e ηASP assumono il significato introdotto in precedenza.
I valori di n e ηASP sono noti alla centralina di controllo elettronica.
Viene ora descritto come determinare l’indice MFB50 di combustione e le grandezze Robj e REGR_OBJ.
L’indice MFB50 di combustione viene determinato mediante un contributo ad anello aperto; in particolare, all’interno della centralina 22 elettronica di controllo è memorizzata una mappa che in funzione del rendimento ηASP di aspirazione e della velocità n del motore 1 a combustione interna fornisce l’indice MFB50 di combustione.
La grandezza REGR_OBJ viene determinata sommando due contributi ad anello aperto REGR-ADT (qualora presente) e REGR-
OL e il contributo ad anello chiuso ΔREGR-KNOCK.
Anche la grandezza Robj viene determinata sommando due contributi ad anello aperto ed un contributo ad anello chiuso (cioè in retroazione), come descritto nella trattazione che precede relativa alla figura 2. La grandezza Robj è data dalla somma dei due contributi ad anello aperto RADT (qualora presente) e ROL e del contributo ad anello chiuso ΔRKNOCK.
La strategia prevede inoltre un contributo ad anello chiuso per ottimizzare il rendimento. In particolare, il detto contributo ad anello chiuso si realizza confrontando l’indice MFB50 di combustione determinato mediante il contributo ad anello aperto ed un valore stimato dell’indice MFB50est di combustione.
Il tipo di controllo da attuare viene differenziato in funzione dell’esito del confronto fra l’indice MFB50 di combustione determinato mediante il contributo ad anello aperto ed un valore stimato dell’indice MFB50est di combustione, ad esempio il tipo di controllo avviene differenziando le costanti di intervento di un regolatore PID (oppure PI).
In particolare, la strategia prevede un unico blocco amministratore 5 (governor) che riceve in ingresso il contributo calcolato attraverso la differenza fra l’indice MFB50 di combustione ed il valore stimato dell’indice MFB50est di combustione e moltiplicata per le costanti di intervento del regolatore PID o PI. Il blocco amministratore 5 in funzione del valore assunto dal detto contributo decide come intervenire per ottimizzare il rendimento del motore 1 a combustione interna. In particolare, nel caso in cui il contributo sia superiore ad un valore S5 di soglia (preferibilmente calibrabile e variabile in funzione del punto motore) significa che è necessaria una correzione significativa per ottimizzare il rendimento del motore 1 a combustione interna. In questo caso, il blocco amministratore 5 calcola un differenziale dell’anticipo ΔSAMFB50 di accensione destinato a ottimizzare il rendimento del motore 1 a combustione interna.
Anche in questo caso, per realizzare il controllo della detonazione ed evitare l’insorgere di fenomeni di detonazione, il differenziale dell’anticipo ΔSAKNOCK di accensione riduce l’anticipo SAmodel di accensione fornito dal modello di combustione. Contrariamente, per ottimizzare il rendimento del motore 1 a combustione interna, il differenziale dell’anticipo ΔSAMFB50 di accensione incrementa l’anticipo SAmodel di accensione fornito dal modello di combustione. Si privilegia la protezione del motore 1 a combustione interna per evitare l’insorgere di fenomeni di detonazione a scapito del rendimento del motore 1 a combustione interna; per cui, il differenziale dell’anticipo ΔSAMFB50 di accensione destinato a ottimizzare il rendimento del motore 1 a combustione interna viene azzerato (oppure drasticamente ridotto) quando il differenziale dell’anticipo ΔSAKNOCK di accensione atto a evitare l’insorgere di fenomeni di detonazione interviene per ridurre l’anticipo SAmodel di accensione fornito dal modello di combustione. In altre parole, la strategia prevede di annullare (oppure saturare ad un valore prossimo allo zero) il differenziale dell’anticipo ΔSAMFB50 di accensione non appena il differenziale dell’anticipo ΔSAKNOCK di accensione inizia a ridurre il valore dell’anticipo SAmodel di accensione fornito dal modello di combustione.
L’anticipo SAobj obiettivo da attuare è quindi ottenuto dalla soma di due differenti contributi: l’anticipo SAmodel di accensione fornito dal modello di combustione e il differenziale dell’anticipo ΔSAMFB50 di accensione destinato a ottimizzare il rendimento del motore 1 a combustione interna oppure, alternativamente, il differenziale dell’anticipo ΔSAKNOCK di accensione atto a evitare l’insorgere di fenomeni di detonazione.
Come già anticipato, i controllori per determinare i contributi ad anello chiuso descritti in precedenza sono alternativamente dei controllori PID oppure PI in cui le costanti di intervento vengono differenziate in funzione dell’errore; il blocco amministratore 5 gestisce i controllori con delle priorità di intervento; in particolare il contributo ad anello chiuso sulla energia Edet di detonazione (oppure, sulla massima ampiezza MAPO della intensità delle onde di pressione generate dalla combustione nei cilindri 3) che regola il circuito EGRLP a bassa pressione ha priorità di intervento rispetto al sistema 18 di alimentazione e iniezione acqua (perché sostanzialmente la massa MEGR_LP di gas di scarico recircolata attraverso il circuito EGRLP a bassa pressione è fornita gratuitamente durante il normale funzionamento).
Il metodo di controllo della combustione sopra descritto presenta numerosi vantaggi in quanto è facilmente implementabile dal momento che non richiede un elevato onere computazionale, è robusto e soprattutto permette di ottimizzare il consumo di acqua iniettata per ridurre le dimensioni e l’ingombro del sistema 18 di alimentazione di acqua e per non compromettere il rendimento termodinamico e, al contempo, consente di evitare l’insorgere di fenomeni detonanti in modo affidabile.
Claims (1)
- R I V E N D I C A Z I O N I 1) Metodo per il controllo della combustione di un motore (1) a combustione interna comprendente un numero di cilindri (3) e un sistema (18) di raccolta e iniezione d’acqua per l’immissione di acqua nel motore (1) a combustione interna; il metodo prevede le fasi di: acquisire la velocità (n) di rotazione e il rendimento (ηASP) di aspirazione del motore (1) a combustione interna; determinare un primo contributo (ROL) ad anello aperto di un tasso (R) di acqua pari al rapporto fra la massa (mH2O) di acqua iniettata e la massa (mFUEL) di combustibile iniettata mediante una mappa di controllo ed in funzione della velocità (n) di rotazione e del rendimento (ηASP) di aspirazione; determinare un primo contributo (ΔRKNOCK) ad anello chiuso del tasso (R) di acqua ed in funzione di una grandezza (Edet, MAPO) indicativa della energia di detonazione; calcolare il valore obiettivo (Robj) del tasso di acqua attraverso la somma del primo contributo (ROL) ad anello aperto e del primo contributo (ΔRKNOCK) ad anello chiuso; determinare un contributo (MFB50OL) ad anello aperto di un indice (MFB50) di combustione che rappresenta l’angolo motore in corrispondenza del quale all’interno del cilindro è stato bruciato il 50% della massa di combustibile mediante una mappa di controllo ed in funzione della velocità (n) di rotazione e del rendimento (ηASP) di aspirazione; determinare, in una fase di progettazione, un modello di combustione che fornisce un valore di anticipo (SAmodel) di accensione in funzione del valore obiettivo (Robj) del tasso di acqua, della velocità (n) di rotazione, del rendimento (ηASP) di aspirazione e del contributo (MFB50OL) ad anello aperto dell’indice (MFB50) di combustione; calcolare un primo contributo (ΔSAMFB50) ad anello chiuso dell’anticipo di accensione destinato a ottimizzare il rendimento del motore (1) a combustione interna ed in funzione dell’indice (MFB50) di combustione; calcolare un secondo contributo (ΔSAKNOCK) ad anello chiuso dell’anticipo di accensione destinato a evitare l’insorgere di fenomeni di detonazione ed in funzione della grandezza (Edet, MAPO) indicativa della energia di detonazione; e calcolare il valore obiettivo (SAobj) dell’angolo di anticipo di accensione da attuare attraverso la somma del valore di anticipo (SAmodel) di accensione fornito dal modello di combustione e del primo contributo (ΔSAMFB50) ad anello chiuso dell’anticipo di accensione e del secondo contributo (ΔSAKNOCK) ad anello chiuso dell’anticipo di accensione. 2.- Metodo secondo la rivendicazione 1 in cui il secondo contributo (ΔSAKNOCK) ad anello chiuso dell’anticipo di accensione riduce il valore di anticipo (SAmodel) di accensione fornito dal modello di combustione e il primo contributo (ΔSAMFB50) ad anello chiuso dell’anticipo di accensione incrementa o riduce il valore di anticipo (SAmodel) di accensione fornito dal modello di combustione; il metodo prevede di annullare, congelare o saturare superiormente al valore attuale del primo contributo (ΔSAMFB50) ad anello chiuso dell’anticipo di accensione quando il secondo contributo (ΔSAKNOCK) ad anello chiuso dell’anticipo di accensione inizia a ridurre il valore di anticipo (SAmodel) di accensione fornito dal modello di combustione. 3.- Metodo secondo la rivendicazione 1 oppure 2 e comprendente le ulteriori fasi di: determinare un secondo contributo (RADT) ad anello aperto del tasso (R) di acqua mediante una mappa di controllo adattativa in funzione della velocità (n) di rotazione e del rendimento (ηASP) di aspirazione della parte integrale di un controllore PID/PI utilizzato nel primo contributo (ΔRKNOCK) ad anello chiuso del tasso (R) di acqua in condizioni stazionarie; e calcolare il valore obiettivo (Robj) del tasso di acqua attraverso la somma del primo contributo (ROL) ad anello aperto, del secondo contributo (RADT) ad anello aperto e del primo contributo (ΔRKNOCK) ad anello chiuso. 4.- Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la grandezza (Edet) indicativa della energia di detonazione utilizzata per determinare il primo contributo (ΔRKNOCK) ad anello chiuso del tasso (R) di acqua è l’energia di detonazione (Edet) definita attraverso la differenza fra il rumore di combustione ed un valore limite del rumore di combustione. 5.- Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui la grandezza (MAPO) indicativa della energia di detonazione utilizzata per determinare il primo contributo (ΔRKNOCK) ad anello chiuso del tasso (R) di acqua è la massima ampiezza (MAPO) della intensità delle onde di pressione generate dalla combustione nei cilindri (3). 6.- Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti e comprendente le ulteriori fasi di: calcolare una prima differenza fra la grandezza (Edet, MAPO) indicativa della energia di detonazione del ciclo di combustione appena avvenuto ed un rispettivo valore limite (Edet-obj, MAPOobj) della energia di detonazione; e determinare il primo contributo (ΔRKNOCK) ad anello chiuso del tasso (R) di acqua nel caso in cui detta prima differenza oppure primo contributo (ΔRKNOCK) ad anello chiuso sia minore di un primo valore (S1) di soglia; oppure determinare il secondo contributo (ΔSAKNOCK) ad anello chiuso dell’anticipo di accensione nel caso in cui detta prima differenza oppure primo contributo (ΔRKNOCK) ad anello chiuso sia maggiore o uguale del primo valore (S1) di soglia. 7.- Metodo secondo la rivendicazione 6, in cui la detta prima differenza viene moltiplicata per dei guadagni di intervento di un regolatore PID oppure PI variabili in funzione della prima differenza stessa. 8.- Metodo secondo la rivendicazione 6 oppure 7 e comprendente l’ulteriore fase di saturare inferiormente il secondo contributo (ΔSAKNOCK) ad anello chiuso dell’anticipo di accensione ad un valore minimo nel caso in cui vengano rilevati eventi detonanti. 9.- Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il modello di combustione è espresso mediante una parabola formulata come segue: SAmodel = a2 * MFB50<2 >+ a1 * MFB50 a0 MFB50 indice di combustione; SAmodel valore di anticipo di accensione fornito dal modello di combustione. 10.- Metodo secondo la rivendicazione 9 e in cui i coefficienti ai sono espressi come segue: ai = fi (ηASP, n) gi (Robj , ηASP) [i= 0, 1, 2] Robj valore obiettivo del tasso di acqua; n velocità di rotazione, ηASP rendimento di aspirazione. 11.- Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui il motore (1) a combustione interna comprende un circuito (EGRLP) EGR a bassa pressione; il metodo prevede le ulteriori fasi di determinare un primo contributo (REGR-OL) ad anello aperto di una grandezza (REGR) che rappresenta l’incidenza del circuito (EGRLP) EGR a bassa pressione sulla miscela di gas che scorre in un condotto (6) di aspirazione mediante una mappa di controllo ed in funzione della velocità (n) di rotazione e del rendimento (ηASP) di aspirazione; determinare un primo contributo (ΔREGR-KnOCK) ad anello chiuso della detta grandezza (REGR) ed in funzione della grandezza (Edet, MAPO) indicativa della energia di detonazione; calcolare il valore obiettivo (REGR-obj) della detta grandezza attraverso la somma del primo contributo (REGR-OL) ad anello aperto e del primo contributo (ΔREGR-KnOCK) ad anello chiuso; e determinare, in una fase di progettazione, il modello di combustione che fornisce un valore di anticipo (SAmodel) di accensione in funzione del valore obiettivo (REGR-obj) della detta grandezza. 12.- Metodo secondo la rivendicazione 11 e comprendente le ulteriori fasi di: determinare un secondo contributo (REGR-ADT) ad anello aperto della detta grandezza mediante una mappa di controllo adattativa in funzione della velocità (n) di rotazione e del rendimento (ηASP) di aspirazione della parte integrale di un controllore PID/PI utilizzato nel primo contributo (ΔREGR-KNOCK) ad anello chiuso della detta grandezza (REGR) in condizioni stazionarie; e calcolare il valore obiettivo (REGR-obj) della detta grandezza attraverso la somma del primo contributo (REGR-OL) ad anello aperto, del secondo contributo (REGR-ADT) ad anello aperto e del primo contributo (ΔREGR-KNOCK) ad anello chiuso. 13.- Metodo secondo la rivendicazione 11 oppure 12 e comprendente le ulteriori fasi di: calcolare una seconda differenza fra la grandezza (Edet, MAPO) indicativa della energia di detonazione del ciclo di combustione appena avvenuto ed un rispettivo valore limite (Edet-obj, MAPOobj) della energia di detonazione; e determinare un secondo contributo (ΔREGR-KnOCK) ad anello chiuso nel caso in cui la seconda differenza oppure detto secondo contributo (ΔREGR-KnOCK) ad anello chiuso sia minore di un secondo valore (S3) di soglia; oppure determinare il secondo contributo (ΔSAKNOCK) ad anello chiuso dell’anticipo di accensione nel caso in cui detta seconda differenza oppure detto secondo contributo (ΔREGR- KnOCK) ad anello chiuso sia maggiore del primo valore (S1) di soglia. 14.- Metodo secondo le rivendicazioni 6 e 13, in cui il secondo valore (S3) di soglia è minore o uguale al primo valore (S1) di soglia. 15.- Metodo secondo le rivendicazioni 6, 13 e 14 in cui il primo contributo (ΔRKNOCK) ad anello chiuso del tasso (R) di acqua è nullo nel caso in cui detta seconda differenza oppure detto secondo contributo (ΔREGR-KnOCK) ad anello chiuso sia minore del secondo valore (S3) di soglia. 16.- Metodo secondo una delle rivendicazioni da 13 a 15, in cui la detta seconda differenza viene moltiplicata per delle costanti di intervento di un regolatore PID oppure PI variabili in funzione della seconda differenza stessa. 17.- Metodo secondo le rivendicazioni da 9 a 16 in cui il modello di combustione è espresso mediante una parabola formulata come segue: SAmodel = a2 * MFB50<2 >+ a1 * MFB50 a0 MFB50 indice di combustione; SAmodel valore di anticipo di accensione fornito dal modello di combustione. ai coefficienti espressi come segue: ai = fi (ηASP, n) gi (Robj , ηASP) hi (REGR-obj , ηASP) [i= 0, 1, 2] Robj valore obiettivo del tasso di acqua; REGR-obj valore obiettivo della grandezza (REGR) che rappresenta l’incidenza del circuito (EGRLP) EGR a bassa pressione; n velocità di rotazione, ηASP rendimento di aspirazione.
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