IT201900013476A1

IT201900013476A1 - Metodo di controllo di un motore di un veicolo a sella cavalcabile nella sua fase di riscaldamento

Info

Publication number: IT201900013476A1
Application number: IT102019000013476A
Authority: IT
Inventors: Walther Leardini; Adriano Magherini
Original assignee: Piaggio & C Spa
Priority date: 2019-07-31
Filing date: 2019-07-31
Publication date: 2021-01-31
Also published as: EP3771815A1

Description

Domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“METODO DI CONTROLLO DI UN MOTORE DI UN VEICOLO A SELLA CAVALCABILE NELLA SUA FASE DI RISCALDAMENTO “

DESCRIZIONE CAMPO DELL’INVENZIONE

La presente invenzione rientra nell’ambito della realizzazione di veicoli a sella cavalcabile, volendo indicare con questa espressione in generale un ciclomotore o motoveicolo a due, tre o quattro ruote, destinato principalmente al trasporto di persone. In particolare, la presente invenzione è relativa ad un metodo per controllare un motore di un veicolo a sella cavalcabile finalizzato a ridurre delle emissioni di idrocarburi nella fase di riscaldamento del motore.

STATO DELL’ARTE

Nel corso degli ultimi anni, le politiche volte a ridurre l’inquinamento atmosferico, hanno portato a normative sempre più stringenti in materia di emissioni di inquinate generate dallo scarico di veicoli a motore termico. Tali normative interessano anche i veicoli a sella cavalcabile a cui si riferisce la presente invenzione.

Come noto, i gas di combustione comprendono diversi composti tra cui idrocarburi incombusti, composti azotati, monossido di carbonio, acqua. Per ridurre la percentuale di inquinanti rilasciati nell’atmosfera (in particolare NOx e HC), viene predisposto un gruppo di trattamento dei gas di scarico nel quale, attraverso opportuni collettori, vengono convogliati i prodotti di combustione. Tipicamente, il gruppo di trattamento comprende almeno un catalizzatore principale nel quale restano intrappolate le sostanze inquinanti. Il catalizzatore è solitamente disposto all’interno del silenziatore (marmitta) che come noto è collocato nella parte terminale della linea di scarico. Il catalizzatore principale presenta delle dimensioni considerevoli in quanto la sua configurazione deve garantire l’abbattimento delle sostanze inquinanti anche quando il motore funziona al massimo delle prestazioni ovvero quando la produzione di gas di scarico è massima. Al contempo, la sua massa deve essere tale da mantenere un livello di temperatura sufficiente alla catalisi anche nel caso in cui il motore opera a carico ridotto (bassi regimi).

A fronte delle sue dimensioni, il catalizzatore non può essere installato in una posizione prossima al motore principale e pertanto necessita un tempo relativamente lungo per raggiungere la corretta temperatura di esercizio, volendo indicare con questa un livello di temperatura minimo che consente una efficace catalisi delle sostanze inquinanti.

Al fine di ridurre le emissioni anche a “motore freddo” (cioè quando il catalizzatore principale non ha ancora raggiunto la temperatura di esercizio) è noto installare un secondo catalizzatore, di seguito indicato come pre-catalizzatore, fra lo scarico della camera di combustione del motore e il catalizzatore principale. Tipicamente, il pre-catalizzatore presenta un volume, e dunque un ingombro, marcatamente inferiore a quello del catalizzatore principale e può pertanto essere installato in corrispondenza dello scarico della camera di combustione. In questo modo, i gas di scarico a più alta temperatura attraversano il pre-catalizzatore attivando rapidamente la reazione catalitica. A motore freddo, il pre-catalizzatore compensa dunque la funzione del catalizzatore principale che richiede un intervallo di tempo maggiore per raggiungere la corretta efficienza.

Come sopra indicato, le normative impongono una sempre più stringente riduzione delle emissioni di inquinanti, soprattutto di idrocarburi. In questo senso, la fase più critica è indubbiamente quella appena successiva all’accensione del veicolo ovvero quella in cui il catalizzatore principale non ha raggiunto la totale efficienza. Una soluzione proposta per ridurre i tempi di riscaldamento del catalizzatore principale, e più in generale di un catalizzatore, è quella di convogliare un flusso di aria all’interno del catalizzatore stesso in modo da innescare una reazione di ossidazione e provocare un aumento della temperatura del materiale catalizzatore. A tale scopo vengono previsti dei circuiti dedicati a convogliare, in modo controllato, l’aria nel catalizzatore. Tali circuiti sono dunque forniti di mezzi di regolazione meccanica e/o elettromeccanica piuttosto complessi. Questi rappresentano però un fattore critico in termini di costi e affidabilità.

La Richiedente ha dunque rilevato la necessità di disporre di nuove soluzioni tecniche alternative che consentano la riduzione delle emissioni di inquinanti nella fase di riscaldamento del motore senza richiedere una variazione della configurazione del gruppo di trattamento dei gas di scarico e senza intervenire sulle dimensioni, layout e materiale del catalizzatore e del pre-catalizzatore.

SOMMARIO DELL’INVENZIONE

Il compito principale della presente invenzione è dunque quello di fornire un veicolo a sella cavalcabile che consenta un rispetto delle normative in termini di emissioni di inquinanti. Nell’ambito di questo compito, un primo scopo della presente invenzione è quello di fornire un metodo di controllo di un motore di un veicolo a sella cavalcabile che consenta una forte riduzione delle emissioni soprattutto nella fase di riscaldamento del motore. Ancora un altro scopo della presente invenzione è quello di fornire un metodo di controllo che non impatti sulla struttura e sui materiali impiegati per i catalizzatori. Non ultimo scopo è quello di fornire un metodo di controllo che sia affidabile e di facile realizzazione a costi competitivi.

La Richiedente ha constatato che il compito e gli scopi sopra indicati possono essere raggiunti introducendo, attraverso dei cicli a vuoto del motore termico, aria nel catalizzatore (o nel pre-catalizzatore a seconda della configurazione del gruppo di trattamento) per aumentare rapidamente la temperatura dello stesso per effetto della reazione di ossidazione. Più precisamente, il compito e gli scopi sopra indicati sono raggiunti attraverso un metodo di controllo di un motore termico di un veicolo a sella cavalcabile, in cui detto motore termico comprende una camera per la combustione di una miscela generata dall’iniezione di combustibile in un flusso di comburente, un gruppo di trattamento dei gas di scarico generati nella camera, in cui il gruppo di trattamento include almeno un catalizzatore comunicante con detta camera, mezzi di iniezione del combustibile in un flusso di aria comburente; una unità di controllo (ECU) configurata per controllare detti mezzi di iniezione, in cui il metodo di controllo è atto ad essere eseguito da detta unità di controllo (ECU) e comprende le fasi di:

A) interrompere l’iniezione di combustibile per almeno un ciclo di detto motore termico, in cui detta fase di interrompere definisce un ciclo a vuoto;

B) attivare l’iniezione di combustibile per un numero (n) prestabilito di cicli di detto motore (10) successivi a detti almeno un ciclo a vuoto;

C) ripetere le fasi A) e B) fino a quando il valore della temperatura di detto almeno un catalizzatore non raggiunge un valore prestabilito.

In accordo ad una possibile forma di attuazione il metodo comprende la fase di rilevare la temperatura reale di detto almeno un catalizzatore e di attuare la fase C) fino a quando il valore reale della temperatura di detto almeno un catalizzatore non raggiunge detto valore prestabilito.

In accordo ad una forma di attuazione alternativa, la fase C) è ripetuta per un intervallo di tempo prestabilito al termine del quale è previsto che il valore della temperatura di detto almeno un catalizzatore abbia raggiunto un valore prestabilito, in cui tale intervallo di tempo è stabilito sulla base di un modello predittivo.

In accordo ad una possibile forma di attuazione, nell’ambito della esecuzione della fase B, il metodo di controllo prevede di regolare/variare la quantità di combustibile da iniettare nei cicli standard immediatamente successivi alla fase A in modo da ristabilire la corretta carburazione in ogni singolo ciclo standard eseguito nella fase B.

ELENCO DELLE FIGURE

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del metodo secondo l’invenzione risulteranno meglio evidenti dall’esame della seguente descrizione dettagliata e con riferimento ad alcune forme di realizzazione preferite, ma non esclusive, di un veicolo a sella cavalcabile in cui il metodo di controllo può essere implementato, illustrate a titolo indicativo e non limitativo, col supporto dei disegni allegati, in cui:

- la figura 1 è uno schema di un veicolo secondo la presente invenzione;

- le figure 2 e 3 sono viste schematiche di un motore e di un gruppo di trattamento dei gas di scarico di un veicolo secondo la presente invenzione;

- le figura 4 e 5 sono diagrammi relative alle emissioni di idrocarburi generati da test effettuati su un motore di un veicolo secondo la presente invenzione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

Con riferimento alle citate figure la presente invenzione è dunque relativa ad un metodo di controllo di un motore termico 10 di un veicolo a sella cavalcabile 1. Per gli scopi della presente invenzione, con l’espressione veicolo a sella cavalcabile si vuole intendere in generale un ciclomotore o motoveicolo a due, tre o quattro ruote, destinato principalmente al trasporto di persone.

In particolare, il metodo è destinato al controllo di un motore 10 provvisto di una camera 5 entro la quale avviene il processo di combustione di una miscela formata da combustibile (benzina) e aria comburente. Secondo un principio di per sé noto, la miscela viene formata a seguito dell’iniezione di combustibile, attraverso mezzi di iniezione 47, in un flusso di aria comburente. Il funzionamento dei mezzi di iniezione 47 è preferibilmente regolato da una unità di controllo (di seguito indicata con la sigla ECU). Secondo una soluzione nota, i mezzi di iniezione 47 comprendono degli ugelli a sezione costante la cui apertura è comandata dalla ECU e in cui la quantità di combustibile iniettata è regolata variando il tempo di apertura degli ugelli.

Il motore 10 è provvisto di un gruppo 15 di trattamento dei gas di combustione che vengono generati all’interno della camera 5 di combustione. Tale gruppo 15 comprende una linea di scarico 20 lungo la quale è disposto almeno un catalizzatore 21, 25 avente lo scopo di convertire le sostanze inquinanti contenute all’interno di detti gas di combustione.

In una possibile, forma di realizzazione schematizzata in figura 2, il gruppo 15 di trattamento comprende un solo catalizzatore 25. In una forma di realizzazione alternativa, schematizzata in Figura 3, il gruppo 15 comprende un catalizzatore principale 24 e un pre-catalizzatore 21 disposto fra il catalizzatore e principale 24 e lo scarico della camera 5 in modo da essere attraversato dai gas di scarico generati nella stessa prima che questi raggiungano il catalizzatore principale 24. Il metodo di controllo del motore 10 secondo l’invenzione prevede, in una sua prima fase (di seguito indicata come fase A) di interrompere l’iniezione di combustibile per almeno un ciclo del motore termico. In questo modo il motore termico 10 realizza un ciclo a vuoto, volendo indicare con questa espressione un ciclo che avviene con sola aria comburente e dunque senza la fase di combustione. Durante questo almeno un ciclo a vuoto, il motore termico 10 non sviluppa potenza, ma al contrario pompa aria comburente direttamente allo scarico e dunque direttamente nel catalizzatore predisposto a valle della sezione di scarico del motore.

Al completamente di detto almeno un ciclo a vuoto, il metodo secondo l’invenzione prevede la fase (di seguito indicata come fase B) di attivare nuovamente l’iniezione di combustibile per realizzare un numero n prestabilito di cicli standard. Con l’espressione “ciclo standard” si vuole indicare un ciclo che avviene con presenza combustibile ovvero un ciclo durante il quale il motore sviluppa potenza. La fase B viene dunque attuata in sequenza alla fase A per cui i cicli standard n sono consecutivi e successivi a detto almeno un ciclo a vuoto.

Il metodo include almeno una terza fase (di seguito indicata come fase C) che prevede di ripetere, in sequenza, la fase A e la fase B fino a quando la temperatura del catalizzatore non raggiunge un valore prestabilito. Questo ultimo dipende dalle caratteristiche del catalizzatore impiegato e rappresenta un valore di temperatura minimo di esercizio al raggiungimento del quale, o oltre il quale, viene sviluppata una efficace reazione di catalisi delle sostanze inquinanti.

Per gli scopi della presente invenzione, nella esecuzione della fase C, il catalizzatore da considerare è il primo ad essere attraversato dai gas di scarico uscenti dalla camera 5 di combustione. Pertanto, nella forma di realizzazione di Figura 3, viene considerata la temperatura del pre-catalizzatore 25.

La fase C prevede di ripetere in sequenza le fasi A e B fino a quando la temperatura reale del catalizzatore non raggiunge il valore prestabilito. A tal proposito, la temperatura reale viene rilevata attraverso opportuni mezzi sensori 45. Quando il valore di temperatura è maggiore o uguale a quello prestabilito, la sequenza di fasi A, B e C viene interrotta e il motore funziona realizzando cicli standard (cioè con iniezione di combustibile).

Secondo una forma di realizzazione alternativa, la fase C prevede di ripetere le fasi A e B per un intervallo di tempo prestabilito al termine del quale viene previsto che la temperatura attesa del catalizzatore 21, 25 abbia raggiunto un valore prestabilito. Come più avanti meglio descritto, la durata dell’intervallo di tempo è stabilita sulla base di un modello predittivo che considera il comportamento termico del catalizzatore in determinate condizioni di funzionamento del motore e a seguito della ripetizione delle fasi A e B.

Si è visto che le fasi A, B e C del metodo secondo l’invenzione portano ad una riduzione delle emissioni di idrocarburi nella fase di riscaldamento del motore. Ciò è dovuto al rapido aumento della temperatura del catalizzatore 21, 25 per effetto dell’aria che viene pompata nella fase A. Vantaggiosamente, l’aria è pompata verso il catalizzatore dal motore stesso (cioè dal movimento del pistone nella camera) senza dunque l’aggiunta di circuiti e dunque di parti meccaniche e/o elettromeccaniche dedicate al convogliamento di aria nel catalizzatore, come accadde invece nelle soluzioni note.

Come già sopra indicato, il metodo di controllo viene implementato dalla ECU del veicolo. Come indicato nelle Figure 2 e 3, preferibilmente, i mezzi sensori 45 sono elettricamente collegati alla ECU per fornire alla stessa un segnale caratteristico della temperatura reale del catalizzatore 21 o del pre-catalizzatore 25 a seconda della configurazione del sistema di trattamento 15. L’attuazione del metodo secondo l’invenzione può essere decisa direttamente dall’utente o attivata automaticamente dalla ECU, ad esempio in base alla temperatura del motore termico 10. Questa ultima viene rilevata da ulteriori mezzi sensori di temperatura 49 elettricamente collegati alla ECU.

In accordo ad una forma di realizzazione alternativa, già sopra accennata, la fase C) viene attuata in base ad un modello predittivo della variazione di temperatura del catalizzatore in un certo intervallo di tempo, a partire da una temperatura iniziale del motore termico e in determinate condizioni di funzionamento (carico) del motore stesso. Questo modello predittivo può essere definito attraverso un processo di taratura effettuato a banco che prevede diverse prove per ciascuna delle quali il motore termico viene azionato in condizioni predefinite, partendo da una temperatura iniziale e attuando il metodo secondo l’invenzione. Per ciascuna delle prove viene rilevato il comportamento termico, ovvero la variazione di temperatura, del catalizzatore 21, 25 durante la prova stessa. Sulla base della temperatura iniziale del motore e delle condizioni di funzionamento, la ECU stabilisce la durata dell’intervallo di tempo, o il numero di volte, nel quale attuare la sequenza di fasi A, B e C, intervallo al termine del quale il catalizzatore 21, 25 avrà raggiunto il valore di temperatura desiderato.

In una forma di realizzazione preferita, nella fase B il numero di cicli n è scelto in modo da essere un multiplo di 8.

In accordo ad una possibile forma di attuazione dell’invenzione, nell’ambito della fase B, il metodo di controllo prevede di regolare/variare la quantità di combustibile da iniettare nei cicli standard immediatamente successivi alla fase A in modo da ristabilire la corretta carburazione in ogni singolo ciclo standard eseguito nella fase B. Infatti, nella fase A il combustibile si limita a bagnare le pareti del condotto di aspirazione senza partecipare alla combustione così da realizzare il ciclo a vuoto. La quota-parte di combustibile deve dunque essere re-introdotta nei cicli standard successivi per garantire la corretta carburazione

Al fine di apprezzare i vantaggi derivanti dalla presente invenzione, si fa ora riferimento alle Figure 4 e 5 che riportano le emissioni di idrocarburi generati da un motore nell’ambito di due test condotti secondo la normativa WMTC (Worldwide Motorcycle Test Cycles). Un test secondo la normativa WMTC prevede di rilevare le emissioni del motore mentre lo stesso riproduce un profilo di velocità prestabilito in un determinato intervallo di tempo (1200 secondi). In Figura 4, la curva C1 riproduce il profilo di velocità secondo la normativa WMTC in un intervallo di tempo di 200 secondi. Le curve C2 e C3 si riferiscono a due differenti test. La curva C2 mostra l’andamento delle emissioni in una condizione di normale funzionamento (cioè senza l’attuazione del metodo secondo l’invenzione per tutto il test), mentre la curva C3 mostra l’andamento delle emissioni durante un test in cui il metodo secondo l’invenzione viene attuato per i primi 33 secondi.

In particolare, i due test sono stati eseguiti su un motore a 4 tempi, con un rapporto di compressione pari a 12, un alesaggio di 52 mm, una corsa di 58, 7 mm per una cilindrata totale di 124.7 cm<3>. Il rapporto stechiometrico della miscela è stato mantenuto a 1. Il motore testato è stato collegato ad un gruppo di trattamento dei gas di scarico secondo lo schema indicato in Figura 1 ovvero comprendente, lungo una linea di scarico 20, un pre-catalizzatore 25 e un catalizzatore principale 21.

Nei test effettuati la linea di scarico 20, nel tratto compreso fra il motore 10 e il precatalizzatore 25 e nel tratto fra il pre-catalizzatore 25 e il catalizzatore principale 21 è stato previsto un diametro di 24 mm e una superficie pari a 4,53 cm<2>. Nel test in cui è stato attivato il metodo secondo l’invenzione, nella fase A) è stato realizzato un ciclo a vuoto, mentre nella fase B) sono stati realizzati 15 cicli standard.

Le emissioni sono state rilevate a valle del catalizzatore principale 21 ovvero in corrispondenza della sezione di uscita della linea di scarico dei gas.

È stato dunque condotto un primo test (come da procedura WMTC) in condizioni di funzionamento standard, cioè senza la realizzazione di cicli a vuoto. Da tale test è stata ricavata la curva C2. Dopo il raffreddamento del motore 10 è stato condotto un secondo test (come da procedura WMTC) attuando il metodo secondo l’invenzione (fase A, B e C) per un tempo di 33 secondi a partire dall’accensione del motore. Dal confronto fra le curve C2 e C3 è evidente la forte riduzione delle emissioni di idrocarburi (indicati con la sigla HC) proprio nei primi 33 secondi in cui viene attivata la parzializzazione dello scarico. Le due curve in esame C2 e C3 presentano sostanzialmente lo stesso andamento dopo 200 secondi dall’accensione per effetto del completo riscaldamento del catalizzatore principale 21.

Il grafico di Figura 5 consente di apprezzare un ulteriore vantaggio derivante dall’attuazione del metodo secondo l’invenzione. La curva C5 indica l’andamento della temperatura al centro del pre-catalizzatore 21 nei primi 200 s durante l’esecuzione del primo test sopra descritto (assenza di cicli a vuoto-solo cicli standard). La curva C6 indica invece l’andamento della temperatura al centro del pre-catalizzatore 21 durante l’esecuzione del secondo test (solo cicli standard). Dal confronto fra le curve C5 e C6 si osserva come l’attuazione del metodo secondo l’invenzione determini vantaggiosamente un incremento di temperatura al centro del pre-catalizzatore nella sua fase iniziale.

Claims

RIVENDICAZIONI 1) Metodo di controllo di un motore termico di un veicolo (1) a sella cavalcabile, in cui detto motore termico (10) comprende una camera (5) per la combustione di una miscela generata dall’iniezione di combustibile in un flusso di comburente, in cui detto veicolo comprende: - un gruppo (15) di trattamento dei gas di scarico generati in detta camera (5), in cui detto gruppo (15) include almeno un catalizzatore (21, 25) comunicante con detta camera (5); - mezzi di iniezione (47) per l’iniezione di detto combustibile in un flusso di aria comburente; - una unità di controllo (ECU) configurata per controllare detti mezzi di iniezione (47), in cui detto metodo è atto ad essere eseguito da detta unità di controllo (ECU) e comprende le fasi di: A) interrompere l’iniezione di combustibile per almeno un ciclo di detto motore termico; B) attivare l’iniezione di combustibile per un numero (n) prestabilito di cicli di detto motore (10) successivi a detti almeno un ciclo; C) ripetere le fasi A) e B) fino a quando il valore della temperatura di detto almeno un catalizzatore non raggiunge un valore prestabilito.
2) Metodo di controllo secondo la rivendicazione 1, in cui detto numero (n) prestabilito di cicli è un multiplo di 8.
3) Metodo di controllo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto metodo comprende anche la fase di rilevare la temperatura reale di detto almeno un catalizzatore (21, 25) e in cui la fase C) è ripetuta fino a quanto il valore reale della temperatura di detto almeno un catalizzatore (21, 25) non raggiunge detto valore prestabilito.
4) Metodo di controllo secondo la rivendicazione 1, in cui la fase C) è ripetuta per un intervallo di tempo prestabilito al termine del quale il valore atteso della temperatura di detto almeno un catalizzatore (21, 25) non raggiunge detto valore prestabilito, in cui la durata di detto intervallo prestabilito è determinata sulla base di un modello predittivo.
5) Metodo di controllo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, in cui durante l’esecuzione della fase B), detto metodo prevede di regolare la quantità di combustibile da iniettare nei cicli standard immediatamente successivi alla fase A in modo da ristabilire la corretta carburazione in ogni singolo ciclo standard eseguito nella fase B.