ITBO20000624A1 - Metodo di correzzione dell'anticipo di accensione per un motore a combustione interna con variatore di fase continuo in aspirazione e/o scar - Google Patents
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Description
D E S C R I Z I O N E
del brevetto per invenzione industriale
La presente invenzione si riferisce ad un metodo di correzione dell'anticipo di accensione per un motore a combustione interna con variatore di fase continuo in aspirazione e/o scarico.
Come è noto, in un motore endotermico l'anticipo ottimale di accensione è funzione del regime di rotazione e del carico motore (rappresentabile, nei sistemi con combustione a rapporto di miscelazione stechiometrico, dalla carica d'aria incamerata durante la fase di aspirazione). Ad una combustione innescata con un anticipo di accensione ottimale corrisponde la massima generazione di coppia (escludendo la comparsa di fenomeni detonanti), mentre ad una combustione innescata con un qualsiasi altro anticipo corrisponde un degrado di rendimento della combustione.
Oltre alla carica d'aria incamerata durante la fase di aspirazione, anche la quantità di gas residuo combusto (intrappolato all'interno del cilindro alla fine della fase di scarico e del tutto inerte nei confronti della combustione) gioca un ruolo determinante nella definizione dell'anticipo ottimale, in quanto sia la quantità, sia la qualità del comburente presente nel cilindro alla fine della fase di aspirazione influenzano la velocità di propagazione del fronte di fiamma e la temperatura di combustione. In particolare, la velocità di propagazione del fronte di fiamma (che influenza in modo determinante l'anticipo di accensione applicabile) a parità di carica fresca incamerata (aria) si riduce all'aumentare della percentuale di gas combusto presente in camera di combustione.
La presenza di un variatore di fase continuo in aspirazione/scarico modifica sia la quantità, sia la qualità del comburente incamerato e quindi la velocità di propagazione del fronte di fiamma. Infatti, nei motori con dispositivi di fasatura aspirazione/scarico variabili in modo continuo è possibile, a parità di regime di rotazione motore, ottenere la stessa quantità di carica aria incamerata nel cilindro con differenti valori di fasatura di aspirazione/scarico ed ai diversi valori di fasatura di aspirazione/scarico corrisponde una diversa massa di gas inerte intrappolata nel cilindro alla fine della fase di scarico.
Da quanto sopra esposto risulta chiaro che per determinare un corretto valore dell'anticipo da applicare è necessario tenere conto anche della massa di gas inerte intrappolata nel cilindro alla fine della fase di aspirazione. Nei motori a combustione interna noti, vengono utilizzate delle mappature (o piani quotati), le quali vengono determinate in fase di progettazione, vengono memorizzate in una memoria di una unità di controllo, e sono in grado di fornire il valore corretto dell'anticipo in funzione del punto motore (definito dal regime di rotazione e dal carico motore) ed in funzione delle fasature di aspirazione/scarico (comprese tra i loro valori di minimo e massimo).
Tuttavia, l'utilizzo delle mappature sopra descritte risulta particolarmente costoso, in quanto tali mappature per venire memorizzate in una unità di controllo del motore richiedono una quantità di memoria relativamente molto elevata. Inoltre, la logica di utilizzo di tali mappature è completamente diversa dalla logica implementata dal controllo di motori con circuito EGR esterno (cioè di un circuito esterno di ricircolo dei gas di combustione), quindi lo sviluppo di tali mappature non può in alcun modo mutuare le conoscenze sviluppate durante lo studio della logica di controllo di motori con circuito EGR esterno con evidente maggiore impegno di tempo in fase di progettazione e di messa a punto.
Scopo della presente invenzione è di fornire un metodo di correzione dell'anticipo di accensione per un motore a combustione interna con variatore di fase continuo in aspirazione e/o scarico, che sia privo degli inconvenienti descritti e, in particolare, sia di facile ed economica attuazione.
In accordo con la presente invenzione viene fornito un metodo di correzione dell'anticipo di accensione per un motore a combustione interna con variatore di fase continuo in aspirazione e/o scarico secondo quanto licitato nella rivendicazione 1.
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 uno schema a blocchi di una modellizzazione di un motore a combustione interna;
la figura 2 è uno schema a blocchi di una unità di calcolo operante secondo il metodo oggetto della presente invenzione;
la figura 3 è una vista dettagliata di un blocco dell'unità di calcolo della figura 2; la figura 4 è una curva correlante due grandezze utilizzate dall'unità di calcolo della figura 2.
Nella figura 1, con 1 è indicato nel suo complesso un motore a combustione interna con variatore di fase continuo in aspirazione e/o scarico di tipo noto; nella figura 1, il motore 1 viene rappresentato mediante una modellizzazione illustrata da uno schema a blocchi e nota in letteratura.
Il motore 1 comprende quattro cilindri 2 (rappresentati dai blocchi identificati dalla dicitura "cylinder"), i quali sono collegati mediante rispettive valvole di aspirazione (non illustrate) ad un collettore 3 di aspirazione (rappresentato dal blocco identificato dalla dicitura "intake manifold") regolato da una rispettiva valvola 4 a farfalla (rappresentata dal blocco identificato dalla dicitura "throttle") e sono collegati mediante rispettive valvole di scarico (non illustrate) ad un collettore 5 di scarico (rappresentato dal blocco identificato dalla dicitura "exhaust manifold") collegato ad un dispositivo 6 di scarico dei gas combusti (rappresentato dal blocco identificato dalla dicitura "exhaust") . Ciascun cilindro 2 è provvisto di una rispettiva candela 7, la quale è comandata da una centralina 8 di controllo ed è atta a determinare in modo noto l'accensione dei gas compressi all'interno del rispettivo cilindro 2 al termine della fase di compressione .
Secondo quanto illustrato nella modellizzazione della figura 1, una parte (identificata dalla dicitura "intake mass flow rate") dei gas scaricati dai cilindri 2 viene reimmessa nel collettore 3 di aspirazione, mentre la restante parte (identificata dalla dicitura "exhaust mass flow rate") dei gas scaricati dai cilindri 2 viene immessa nel collettore 5 di scarico. Il collettore 3 di aspirazione riceve, inoltre, una quantità di aria fresca (identificata dalla dicitura "inlet mass flow rate") attraverso la valvola 4 a farfalla.
La centralina 8 di controllo è provvista di una unità 9 di calcolo, la quale è atta, in uso, a calcolare per ciascun cilindro 2 un rispettivo valore AAeff effettivo dell'anticipo di accensione in modo da ottenere dal cilindro 2 stesso il massimo rendimento corrisponde alla massima generazione di coppia (escludendo la comparsa di fenomeni detonanti).
Secondo quanto illustrato nella figura 2, l'unità 9 di calcolo comprende un blocco 10 di calcolo, il quale è atto a calcolare in modo noto per ciascun cilindro 2 un rispettivo valore AAth teorico dell'anticipo di accensione in funzione del punto motore corrente.
L'unità 9 di calcolo comprende, inoltre, due blocchi 11 e 12 di calcolo, i quali sono rispettivamente atti a calcolare due valori AAC1 e AAC2 di correzione dell'anticipo di accensione; i valori AAC1 e AAC2 di correzione vengono sommati algebricamente al valore AAth teorico mediante due rispettivi blocchi 13 e 14 sommatori per ottenere un valore Aaeff effettivo dell'anticipo di accensione .
Prima di venire applicato al motore 1, il valore Aaeff effettivo dell'anticipo di accensione viene elaborato mediante una funzione di saturazione implementata in un blocco 15 di saturazione per mantenere il valore Aaeff effettivo stesso all'interno di un intervallo limitato sia inferiormente (valore minimo), sia superiormente (valore massimo).
Il valore AAC1 di correzione viene calcolato nel rispettivo blocco 11 di calcolo in funzione del regime RPM di rotazione del motore 1 ed in funzione della massa %EGR di gas combusto intrappolato nel cilindro 2 alla fine della fase di aspirazione; la massa %EGR di gas combusto viene convenzionalmente espressa come percentuale rispetto alla massa totale di gas presente nel cilindro 2 alla fine della fase di aspirazione. Il blocco 11 di calcolo è in grado di associare a ciascuna coppia di valori regime RPM di rotazione/massa %EGR di gas combusto un rispettivo valore AAC1 di correzione secondo metodologie note in quanto del tutto analoghe a quelle utilizzate nei motori a combustione interna provvisti di circuito EGR esterno, cioè di un circuito esterno di ricircolo dei gas di combustione (EGR: Exhaust Gas Recirculation).
Il valore AAC2 di correzione viene calcolato nel rispettivo blocco 12 di calcolo in base al valore del rapporto tra la coppia CMI motore generata e la coppia CMIMAX motore massima; in particolare, il blocco 12 di calcolo implementa una curva parabolica, la quale è nota in letteratura con la denominazione di "curva unica", è illustrata a titolo di esempio nella figura 4, e correla secondo una relazione biunivoca ciascun valore del tra la coppia CMI motore generata richiesta e la coppia CMIMAX motore massima con un rispettivo valore AAC2 di correzione dell'anticipo di accensione. Infatti, è ben noto che è possibile correlare l'anticipo di accensione applicato con la coppia CMI motore generata attraverso una curva, detta "curva unica", indipendente dal punto motore e di tipo parabolico.
In analogia con quanto generalmente si fa nei motori a combustione interna con circuito EGR esterno, si individua nella percentuale %EGR di gas inerte contenuto nella miscela di gas intrappolato in un cilindro 2 la variabile di stato della miscela che contribuisce a definire, attraverso il valore AACl di correzione, il valore Aaeff effettivo dell'anticipo di accensione. In pratica la percentuale %EGR di gas inerte determina l'offset di anticipo d'accensione (valore AACl di correzione) da applicare alla "curva unica" (valore AAC2 di correzione), descritta in precedenza, per garantire la validità della "curva unica".
La massa %EGR di gas combusto viene stimata in un rispettivo blocco 16 stimatore in funzione del regime RPM di rotazione del motore 1, in funzione del valore W T di fasatura in aspirazione e/o scarico del motore 1 (valore W T espresso dalla correzione angolare applicata alla fase delle valvole), ed in funzione della differenza ΔΡ di pressione tra il collettore 5 di scarico ed il collettore 3 di aspirazione.
La massa %EGR di gas combusto intrappolato in un cilindro 2 alla fine della fase di aspirazione viene stimata mediante una superficie e (RPM, ΔΡ, W T) tridimensionale nel dominio regime RPM di rotazione, valore W T di fasatura in aspirazione e/o scarico, e differenza ΔΡ di pressione tra il collettore 5 di scarico ed il collettore 3 di aspirazione.
L'implementazione nel blocco 16 stimatore della superficie e(RPM, ΔΡ, W T) tridimensionale risulta onerosa in termini di occupazione della memoria, e, quindi, in termini di costo del blocco 16 stimatore stesso. Al fine di ridurre il peso di implementazione della superficie e(RPM, ΔΡ, W T) tridimensionale nel blocco 16 stimatore senza perdere, in modo significativo, la consistenza dei dati ottenuti è stato scelto di parametrizzare la superficie e (RPM, ΔΡ, W T) tridimensionale rispetto al regime RPM di rotazione motore 1 mediante proiezioni ortogonali della superficie e (RPM, ΔΡ, W T) tridimensionale nel dominio differenza ΔΡ di pressione e valore W T di fasatura.
Le superfici bidimensionali derivanti dalle proiezioni ortogonali della superficie e(RPM, ΔΡ, W T) tridimensionale vengono successivamente ridefinite a partire da una unica superficie h(AP, W T) bidimensionale nel dominio differenza ΔΡ di pressione e valore W T di fasatura; l'orientamento della superficie h(AP, W T) bidimensionale nel dominio tridimensionale regime RPM di rotazione, valore W T di fasatura, differenza ΔΡ di pressione è funzione del regime RPM di rotazione motore. In altre parole, la superficie tridimensionale e(RPM, ΔΡ, W T) viene rappresentata mediante il prodotto tra una superficie h(AP, W T) bidimensionale nel dominio valore W T di fasatura e differenza ΔΡ di pressione ed un vettore g(RPM) nel dominio regime RPM di rotazione.
La sopra descritta ricostruzione della superficie e (RPM, ΔΡ, W T) tridimensionale mediante il prodotto tra una unica superficie h(AP, W T) bidimensionale ed un vettore g(RPM) è effettuata mediante metodi di calcolo numerici convergenti per approssimazioni successive ed applicando il criterio dell'errore quadratico minimo.
Quanto sopra descritto è riassunto dalle seguenti equazioni :
La scomposizione della superficie tridimensionale e (RPM, ΔΡ, W T) mediante il prodotto tra la superficie h(AP, W T) bidimensionale ed il vettore g(RPM) è direttamente implementabile nel blocco 16 stimatore con una occupazione di memoria relativamente ridotta. Secondo quanto illustrato nella figura 3, il blocco 16 stimatore comprende due blocchi 17 e 18 di calcolo implementati rispettivamente la superficie h(AP, W T) bidimensionale ed il vettore g(RPM), ed un blocco 19 moltiplicatore atto a moltiplicare tra loro i valori di uscita dai blocchi 17 e 18.
In generale, la costruzione della superficie e(RPM, ΔΡ, W T) tridimensionale avviene in fase di progettazione della unità 9 di calcolo mediante l'ausilio di una serie di prove sperimentali effettuate sul motore 1. Tuttavia, nel caso specifico dei motori provvisti di sistemi a variazione di fase aspirazione/scarico continui non è possibile effettuare una misura diretta della quantità %EGR di gas combusto intrappolato in un cilindro 2; si deve, quindi, utilizzare un modello del motore 1 grazie al quale determinarne in modo indiretto una stima della quantità %EGR di gas combusto intrappolato in un cilindro 2 in corrispondenza di vari punti motore.
Per costruire in modo corretto la superficie e(RPM, ΔΡ, W T) tridimensionale è necessario utilizzate una modellizzazione del motore 1, la quale permetta di definirne una stima coerente con le reazioni motoristiche osservate; cioè il modello del motore 1 a fronte di stimolazioni d'ingresso misurabili deve determinare delle risposte approssimabili alle reali risposte misurate. Uno dei modello motore utilizzabili per la costruzione della superficie e {RPM, ΔΡ, W T) tridimensionale è quello illustrato nella figura 1, il quale è di per se noto in letteratura, ed è costituito da una serie di sotto-modelli rappresentanti il circuito di aspirazione, il riempimento della camera di combustione, il processo di combustione, lo svuotamento della camera di combustione, ed il circuito di scarico. In particolare, la ricostruzione della stima %EGR dell'inerte intrappolato in un cilindro 2 è fatta attraverso un modello semplificato dei fenomeni fluidodinamici di riempimento svuotamento del cilindro 2 e della combustione; il risultato ottenuto non può rappresentare in termini assoluti la reale quantità di inerte intrappolato nel cilindro a fine fase aspirazione, ma più propriamente ne fornisce un'indicazione qualitativa, la quale, tuttavia, è già sufficiente per permettere un calcolo sufficientemente preciso della valore Aaeff effettivo dell'anticipo di accensione.
Il modello matematico del motore è definito da una serie di equazioni (note e non dettagliate) correlanti tra loro le grandezze caratteristiche del motore 1; ciascuna equazione comprende un numero di coefficienti numerici, il cui valore viene determinato mediante una serie di prove sperimentali sul motore. In particolare, mediante una griglia di acquisizioni sui punti di lavoro regime RPM di rotazione, coppia CMI motore generata viene identificato il valore dei coefficienti in modo tale da ottenere in simulazione reazioni motore molto prossime alle reali reazioni motore.
Da quanto sopra esposto risulta chiaro che l'utilizzo dell'indicatore %EGR del tasso di gas inerte permette di applicare la correzione AAC1 dell'anticipo di accensione in modo del tutto simile a quanto fatto per i motori con circuito EGR esterno, permettendo di riutilizzare le stesse strategie di controllo motore sviluppate per sistemi con circuito EGR esterno con evidenti benefici di standardizzazione delle strategie di controllo motore.
In generale, in un motore a combustione interna oltre alla carica d'aria incamerata durante la fase di aspirazione, anche la quantità di gas residuo combusto (intrappolato all'interno del cilindro alla fine della fase di scarico e del tutto inerte nei confronti della combustione) gioca un ruolo determinante nella definizione dell'anticipo di accensione ottimale, in quanto sia la quantità, sia la qualità del comburente presente nel cilindro alla fine della fase di aspirazione influenzano la velocità di propagazione del fronte di fiamma e la temperatura di combustione. In particolare, la velocità di propagazione del fronte di fiamma (che influenza in modo determinante l'anticipo di accensione applicabile) a parità di carica fresca incamerata (aria) si riduce all'aumentare della percentuale di gas combusto presente in camera di combustione.
La presenza di un variatore di fase continuo in aspirazione/scarico modifica sia la quantità, sia la qualità del comburente incamerato e quindi la velocità di propagazione del fronte di fiamma. Infatti, nei motori con dispositivi di fasatura aspirazione/scarico variabili in modo continuo è possibile, a parità di regime di rotazione motore, ottenere la stessa quantità di carica aria incamerata nel cilindro con differenti valori di fasatura di aspirazione/scarico ed ai diversi valori di fasatura di aspirazione/scarico corrisponde una diversa massa di gas inerte intrappolata nel cilindro alla fine della fase di scarico.
Secondo quanto sopra esposto, il valore Aath teorico dell'anticipo di accensione viene corretto in dipendenza di una stima della velocità di propagazione del fronte di fiamma, e la stima della velocità di propagazione del fronte di fiamma viene effettuata utilizzando la massa di gas combusto intrappolato nel cilindro alla fine della fase di aspirazione come variabile di stato.
Claims (10)
- R I V E N D I C A Z I O N I 1) Metodo di correzione dell'anticipo di accensione per un motore (1) a combustione interna con variatore di fase continuo in aspirazione e/o scarico; il metodo prevedendo per ciascun cilindro (2) di calcolare un valore (AAth) teorico dell'anticipo di accensione ottimale in funzione del punto motore, di calcolare un primo valore (AAC1) di correzione dipendente dalla massa (%EGR) di gas combusto intrappolato nel cilindro (2) alla fine della fase di aspirazione, e di calcolare il valore (AAeff) effettivo dell'anticipo di accensione sommando algebricamente al valore (AAth) teorico dell'anticipo di accensione il detto primo valore (AACl) di correzione; il metodo essendo caratterizzato dal fatto che il primo valore (AACl) di correzione viene calcolato in funzione della massa (%EGR) di gas combusto intrappolato nel cilindro (2) alla fine della fase di aspirazione; e la massa (%EGR) di gas combusto intrappolato nel cilindro (2) alla fine della fase di aspirazione venendo stimata in funzione del regime (RPM) di rotazione, in funzione del valore (W T) di fasatura in aspirazione e/o scarico, ed in funzione della differenza (ΔΡ) di pressione tra il collettore (5) di scarico ed il collettore (3) di aspirazione .
- 2) Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui il detto primo valore (AAC1) di correzione viene calcolato in funzione del regime (RPM) di rotazione del motore (1) ed in funzione della massa (%EGR) di gas combusto intrappolato nel cilindro (2) alla fine della fase di aspirazione.
- 3) Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui viene calcolato un secondo valore (AAC2) di correzione dipendente dal valore (CMI) di coppia generata; i detti primo e secondo valore (AAC1, AAC2) di correzione venendo sommati algebricamente al detto valore (AAth) teorico dell'anticipo di accensione per calcolare il detto valore (AAeff) effettivo dell'anticipo di accensione.
- 4) Metodo secondo la rivendicazione 3, in cui il detto secondo valore (AAC2) di correzione viene ricavato in base al valore del rapporto tra la coppia (CMI) motore generata e la coppia (CMIMAX) motore massima; il detto secondo valore (AAC2) di correzione ed il valore del detto rapporto tra la coppia (CMI) motore generata e la coppia (CMIMAX) motore massima essendo tra loro correlati attraverso la curva di tipo parabolico denominata "curva unica".
- 5) Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il detto valore (AAeff) effettivo dell'anticipo di accensione prima di venire applicato al motore (1) viene elaborato mediante una funzione di saturazione per mantenere il valore (AAeff) effettivo stesso all'interno di un intervallo limitato sia inferiormente, sia superiormente.
- 6) Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la massa (%EGR) di gas combusto intrappolato nel cilindro (2) alla fine della fase di aspirazione viene stimata mediante una superficie (e()) tridimensionale nel dominio regime (RPM) di rotazione, valore (VVT) di fasatura in aspirazione e/o scarico, e differenza (ΔΡ) di pressione tra il collettore (5) di scarico ed il collettore (3) di aspirazione.
- 7) Metodo secondo la rivendicazione 6, in cui la detta superficie (e()) tridimensionale viene rappresentata mediante il prodotto tra una superficie (h()) bidimensionale nel dominio valore (VVT) di fasatura in aspirazione e/o scarico e differenza (ΔΡ) di pressione tra il collettore (5) di scarico ed il collettore (3) di aspirazione, ed un vettore (g()) nel dominio regime (RPM) di rotazione.
- 8) Metodo secondo la rivendicazione 7, in cui la scomposizione della detta superficie (e()) tridimensionale nel prodotto tra la detta superficie (h()) bidimensionale ed il detto vettore (g()) viene effettuata secondo la tecnica dei minimi quadratici.
- 9) Metodo secondo una delle rivendicazioni da 6 a 8, in cui la detta superficie ( e ()) tridimensionale viene costruita utilizzando un modello matematico del motore (1), il quale è definito da una serie di equazioni correlanti tra loro le grandezze caratteristiche del motore (1); ciascuna equazione comprendendo un numero di coefficienti numerici, il cui valore viene determinato mediante una serie di prove sperimentali sul motore (1); dal modello matematico venendo ricavata la massa (%EGR) di gas combusto intrappolato nel cilindro (2) alla fine della fase di aspirazione in funzione dei valori di regime (RPM) di rotazione, valore (VVT) di fasatura in aspirazione e/o scarico, e differenza (ΔΡ) di pressione tra il collettore (5) di scarico ed il collettore (3) di aspirazione .
- 10) Metodo di correzione dell'anticipo di accensione per un motore (1) a combustione interna con variatore di fase continuo in aspirazione e/o scarico; il metodo prevedendo per ciascun cilindro (2) di calcolare un valore (AAth) teorico dell'anticipo di accensione ottimale in funzione del punto motore, di calcolare un valore di correzione dipendente dalla stima della velocità di propagazione del fronte di fiamma, e di calcolare il valore (AAeff) effettivo dell'anticipo di accensione sommando algebricamente al valore (AAth) teorico dell'anticipo di accensione il detto primo valore (AAC1) di correzione; la detta stima della velocità di propagazione del fronte di fiamma venendo effettuata utilizzando la massa (%EGR) di gas combusto intrappolato nel cilindro (2) alla fine della fase di aspirazione come variabile di stato.
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