ITBO20100562A1 - Metodo di stima di un indice di combustione e/o della coppia indicata in un cilindro di un motore a combustione interna - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per Invenzione Industriale dal titolo:

“METODO DI STIMA DI UN INDICE DI COMBUSTIONE E/O DELLA COPPIA INDICATA IN UN CILINDRO DI UN MOTORE A COMBUSTIONE INTERNAâ€

SETTORE DELLA TECNICA

La presente invenzione à ̈ relativa ad un metodo di stima di un indice di combustione e/o della coppia indicata in un cilindro di un motore a combustione interna.

La presente invenzione trova vantaggiosa applicazione alla stima dell’indice MFB50 di combustione (50% Mass Fraction Burnt - cioà ̈ l’angolo motore al quale all’interno di un cilindro à ̈ stato bruciato il 50% della massa di combustibile) in un motore a combustione interna ad accensione spontanea della miscela cui la trattazione che segue farà esplicito riferimento senza per questo perdere di generalità.

ARTE ANTERIORE

Nei motori a combustione interna ad accensione comandata della miscela (cioà ̈ nei motori a combustione interna operanti secondo il ciclo “Otto†ed alimentati a benzina, metano, EPL o simili) à ̈ noto da molti anni di utilizzare come grandezza di controllo l’indice MFB50 di combustione. In un motore a combustione interna ad accensione comandata della miscela l’istante di inizio della combustione (cioà ̈ l’istante di scocco della scintilla di accensione) à ̈ noto con certezza e precisione e viene scelto a priori dalla strategia di controllo del motore mediante il controllo dell’anticipo di accensione, quindi la determinazione l’indice MFB50 di combustione à ̈ relativamente semplice.

Invece, nei motori a combustione interna ad accensione spontanea della miscela (cioà ̈ nei motori a combustione interna operanti secondo il ciclo “Diesel†ed alimentati a gasolio o simili) non viene utilizzato come grandezza di controllo l’indice MFB50 di combustione a causa delle notevole difficoltà di stimare tale indice MFB50 di combustione in modo efficiente (cioà ̈ con una adeguata precisione), efficace (cioà ̈ rapidamente e senza impegnare una eccessiva potenza di calcolo), ed economico (cioà ̈ senza richiedere l’installazione di componenti aggiuntivi rispetto a quelli normalmente presenti).

Attualmente, per determinare l’indice MFB50 di combustione vengono utilizzati dei sensori di pressione da laboratorio capaci di misurare direttamente la pressione presente all’interno dei cilindri; tuttavia, tali sensori di pressione da laboratorio risultano estremamente costosi e presentano una limitata affidabilità nel tempo e quindi risultano adatti unicamente a prove di laboratorio e non ad un utilizzo estensivo in vetture di serie.

Nel prossimo futuro à ̈ stata annunciata la disponibilità di una nuova generazione di sensori di pressione per applicazioni di massa che sono capaci di misurare direttamente la pressione presente all’interno dei cilindri e sono integrati nelle candelette di preriscaldamento. Tuttavia, questi nuovi sensori di pressione saranno almeno inizialmente molto costosi e non essendo ancora stati utilizzati nella produzione di serie la loro effettiva affidabilità del tempo non à ̈ stata ancora completamente dimostrata.

Per risolvere i sopra descritti inconvenienti, nella domanda di brevetto EP2022967A1 à ̈ stato proposto un metodo di stima dell’indice MFB50 di combustione e della coppia indicata in un cilindro di un motore a combustione interna ad accensione spontanea della miscela provvisto di un albero motore accoppiato ad una ruota fonica presentante un numero di denti. Il metodo di stima prevede le fasi di:

leggere il passaggio di ciascun dente della ruota fonica davanti ad un sensore;

determinare la velocità angolare dell’albero motore ad ogni evento dente della ruota fonica;

determinare, mediante una analisi frequenziale delle velocità angolari dell’albero motore, almeno una armonica del segnale di velocità caratterizzata da un proprio modulo e da una propria fase;

determinare un modello meccanico inverso della trasmissione che rappresenta, nel dominio della frequenza, il rapporto tra le trasformate di Fourier della velocità angolare e della coppia del motore a combustione interna; determinare almeno una armonica di coppia caratterizzata da un proprio modulo e da una propria fase applicando all’armonica del segnale di velocità il modello meccanico inverso della trasmissione;

determinare una prima funzione algebrica che mette in relazione l’indice MFB50 di combustione con la fase dell’armonica di coppia n-esima ed una seconda funzione algebrica che mette in relazione la coppia indicata con il modulo dell’armonica di coppia n-esima; e

determinare l’indice MFB50 di combustione applicando la funzione algebrica all’armonica di coppia n-esima e determinare la coppia indicata applicando la seconda funzione algebrica all’armonica di coppia n-esima.

Il metodo di stima descritto nella domanda di brevetto EP2022967A1 à ̈ efficiente (cioà ̈ permette di stimare l’indice MFB50 di combustione e la coppia indicata con una notevole precisione), efficace (cioà ̈ permette di stimare l’indice MFB50 di combustione e la coppia indicata rapidamente e senza impegnare una eccessiva potenza di calcolo), ed economico (cioà ̈ non richiede l’installazione di componenti aggiuntivi rispetto a quelli normalmente presenti in un moderno motore a combustione interna operante secondo il ciclo “Diesel†).

Tuttavia, Il metodo di stima descritto nella domanda di brevetto EP2022967A1 propone di utilizzare un modello meccanico inverso della trasmissione relativamente complesso che per fornire stime precise necessita di considerare anche le coppie inerziali dovute alle masse in moto alternativo (ad esempio le masse dei pistoni). Considerare le coppie inerziali richiede la conoscenza di diversi parametri del motore e comporta un aumento sensibile della potenza di calcolo richiesta e delle prove di calibrazione necessarie alla definizione del modello. DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE

Scopo della presente invenzione à ̈ di fornire un metodo di stima di un indice di combustione e/o della coppia indicata in un cilindro di un motore a combustione interna, il quale metodo sia privo degli inconvenienti sopra descritti e, in particolare, permetta di utilizzare un modello meccanico inverso della trasmissione più semplice. Secondo la presente invenzione viene fornito un metodo di stima di un indice di combustione e/o della coppia indicata in un cilindro 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 Ã ̈ una vista schematica di un motore a combustione interna provvisto di una centralina di controllo che implementa il metodo di stima oggetto della presente invenzione; e

· la figura 2 Ã ̈ uno schema a blocchi che illustra il funzionamento della centralina di controllo della figura 1.

FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL’INVENZIONE

Nella figura 1, con il numero 1 à ̈ indicato nel suo complesso un motore a combustione interna alimentato a gasolio (cioà ̈ operante secondo il ciclo Diesel che prevede l’accensione spontanea della miscela) e montato a bordo di un veicolo stradale (non illustrato) che à ̈ provvisto di una linea di trasmissione (non illustrata) per trasmettere a terra la coppia motrice generata dal motore 1 a combustione. Il motore 1 a combustione interna comprende quattro cilindri 2, ciascuno dei quali alloggia un rispettivo pistone 3 meccanicamente collegato mediante una biella ad un albero 4 motore per trasmettere all’albero 4 motore stesso la forza generata dalla combustione all’interno del cilindro 2.

All’albero 4 motore à ̈ calettata una ruota 5 fonica provvista di un numero N (ad esempio 60) di denti 6 ed accoppiata ad un sensore 7, il quale à ̈ atto a rilevare il tempo intercorso tra il passaggio di due denti 6 consecutivi. I denti 6 della ruota 5 fonica sono tra loro equispaziati ad eccezione di una coppia di denti 6 che sono disposti tra loro ad una distanza maggiore degli altri per costituire una singolarità che permette di identificare con precisione ciascun dente 6 e quindi la posizione angolare della ruota 5 fonica (cioà ̈ dell’albero 4 motore). Il motore 1 comprende, inoltre, una centralina 8 di controllo, la quale à ̈ collegata al sensore 7 ed à ̈ atta a stimare per ciascun cilindro 2 il rispettivo indice MFB50 (50% Mass Fraction Burnt) di combustione che rappresenta l’angolo motore (cioà ̈ l’angolo di manovella) al quale all’interno del cilindro 2 à ̈ stato bruciato il 50% della massa di combustibile.

Con riferimento alla figura 2, viene di seguito descritta la modalità utilizzata dalla centralina 8 di controllo per stimare l’indice MFB50 di combustione in ciascun cilindro 2 utilizzando le informazioni fornite dal sensore 7 accoppiato alla ruota 5 fonica.

Come detto in precedenza, la ruota 5 fonica à ̈ provvista di un numero N (ad esempio 60) di denti 6, i quali sono tra loro equispaziati ad eccezione di una coppia di denti 6 che sono disposti tra loro ad una distanza maggiore degli altri per costituire una singolarità che permette di identificare con precisione ciascun dente 6; in questo modo ciascun dente 6 viene identificato da un proprio numero progressivo i compreso tra 1 ed N.

Il sensore 7 rileva il numero i del dente 6 corrente (dente i-esimo), la durata Tidel dente 6 corrente, cioà ̈ l’intervallo di tempo che intercorre tra i rilevamenti dei due eventi angolari che caratterizzano il dente 6 corrente, la velocità wraw,iangolare grezza del dente 6 corrente, e l’angolo α motore (cioà ̈ la posizione angolare dell’albero 4 motore che à ̈ compresa tra 0 e 4Ï€ radianti). La velocità wraw,iangolare grezza del dente 6 i-esimo viene fornita dalla seguente equazione:

[1] wi,raw= Δαi/ Ti

wi,rawvelocità angolare grezza del dente 6 i-esimo [rad/s];

Δαiampiezza angolare del dente 6 i-esimo [rad]; Tidurata del dente 6 i-esimo [s].

Le sopra elencate grandezze rilevate dal sensore 7 vengono trasmesse ad un blocco 9 di compensazione, il quale corregge ciascuna velocità wraw,iangolare grezza per compensare gli errori derivanti dalle inevitabili tolleranze realizzative dei denti 6. In teoria, tutti i denti 6 hanno la stessa ampiezza angolare, ma in realtà a causa delle inevitabili tolleranze realizzative ciascun dente 6 presenta un proprio errore di forma, cioà ̈ presenta una propria ampiezza angolare più o meno diversa dalla ampiezza angolare teorica; di conseguenza, le velocità wraw,iangolari sono afflitte da un intenso rumore che rende praticamente impossibile il loro utilizzo senza una adeguata compensazione. Per compensare gli errori di forma dei denti 6, viene memorizzato un vettore (Î ́Î1⁄41, Î ́Î1⁄42,…,Î ́Î1⁄4i,…,Î ́Î1⁄4N) composto da N valori Î ́Î1⁄4idi compensazione, ciascuno dei quali à ̈ associato ad un rispettivo dente 6 iesimo e rappresenta la differenza tra la ampiezza angolare effettiva del dente 6 i-esimo e la ampiezza angolare teorica del dente 6 i-esimo.

Nel blocco 9 di compensazione viene calcolata per ciascun dente 6 la rispettiva velocità wiangolare compensata utilizzando la seguente equazione:

[2] wi= (Δαi+ Î ́Î1⁄4i) / Ti

wivelocità angolare compensata del dente 6 iesimo [rad/s];

Δαiampiezza angolare del dente 6 i-esimo [rad]; Î ́Î1⁄4ivalore Î ́Î1⁄4idi compensazione del dente 6 i-esimo [rad];

Tidurata del dente 6 i-esimo [s].

La modalità di taratura utilizzata per determinare i valori Î ́Î1⁄4idi compensazione dei denti 6 à ̈ descritta nella domanda di brevetto EP2022967A1 qui incorporata per riferimento.

Le velocità wiangolari compensate calcolate dal blocco 9 di compensazione vengono fornite ad un blocco 10 di analisi, in cui viene eseguita una analisi frequenziale di tipo noto (preferibilmente una analisi di Fourier applicando le trasformate di Fourier) delle velocità wiangolari compensate per determinare almeno una armonica Wndel segnale di velocità. La generica armonica Wndel segnale di velocità n-esima à ̈ sempre un numero complesso, caratterizzato da un proprio modulo |Wn| e da una propria fase Arg(Wn).

Le armoniche Wndel segnale di velocità calcolate dal blocco 10 di analisi vengono fornite ad un blocco 11 di calcolo, in cui à ̈ implementato un algoritmo basato su di un modello meccanico inverso della trasmissione che à ̈ indicato simbolicamente dalla equazione H(jÏŽ) = T / Ω e rappresenta, nel dominio della frequenza ÏŽ, il rapporto tra le trasformate di Fourier della velocità angolare Ω e della coppia T del motore 1 a combustione interna. La funzione H(jÏŽ) à ̈ a valori complessi e permette di ricavare l’armonica Tndi coppia n-esima mediante l’equazione:

[3] Tn= H(jWn) * Wn;Tnarmonica di coppia n-esima; ;H(jWn) modello meccanico inverso della trasmissione; Wnarmonica del segnale di velocità n-esima. ;E’ importante precisare che la coppia Temotrice generata dal motore 1 a combustione interna à ̈ data dalla somma della coppia Tindindicata che à ̈ generata dal fluido di lavoro all'interno dei cilindri 2 dalla coppia Talt alternata (inerziale) dovuta alle masse in moto alternativo (ad esempio, le masse dei pistoni 3). Ovviamente, dal punto di vista del controllo motore il parametro importante à ̈ la coppia Tindindicata che dipende direttamente dal processo di combustione nei cilindri 2, mentre la coppia Taltalternata à ̈ solo un “disturbo†che non à ̈ possibile governare in alcun modo. ;A titolo di esempio non vincolante, le equazioni del modello H(jÏŽ) meccanico diretto della trasmissione nel dominio della frequenza possono essere le seguenti: ;Coppia lato motore ;;;2 ;[4] T j~<J>1<J>2w<~>e -<(J>1+<J>2<)(j>w<~>e reb<K>eb<)>;<e ,n>= w<e>× ;J ~2~ ×we , n;2we - jwe reb - K eb ;[5] w ~ n ;e =we2 ;;Coppia di inerzia ;m × r 2 ;<2 j>[6] T<alt>;alt<,>n=<eq>×we× e<q>;;2 ;;Coppia cilindri ;[7] Tind,n=Te,n- Talt , n;;J1momento d’inerzia del motore 1 a combustione interna; ;J2momento d’inerzia del veicolo riportato all’albero 4 motore; ;Kebrigidezza della linea di trasmissione; ;reb coefficiente di smorzamento della linea di trasmissione; ;j unità immaginaria; ;n ordine dell’armonica; ;ÏŽepulsazione; ;ωevelocità angolare dell’albero 4 motore; ;Tecoppia motrice media generata dal motore 1 a combustione interna; ;Talt,ncoppia alternata dovuta alle masse in moto alternativo; ;meqmasse in moto alternativo; ;qaltfattore di fase della coppia d’inerzia (moto alternativo); ;Tindcoppia indicata. ;Il modello H(jÏŽ) meccanico inverso della trasmissione viene ricavato dalle tre equazioni [4], [6] e [7] sopra riportate del modello meccanico diretto della trasmissione sostituendo l’equazione [4] e l’equazione [6] nella equazione [7] ed in modo tale da mettere in relazione la coppia Tind,nindicata con la velocità ωe,nangolare dell’albero 4 motore; il rapporto tra la coppia Tind,nindicata e la velocità ωe,nangolare dell’albero 4 motore fornisce il modello meccanico inverso della trasmissione (la formula finale del modello meccanico inverso della trasmissione non à ̈ stata riportata perché non aggiunge ulteriori informazioni ed à ̈ complessa da scrivere). E’ importante osservare che nella pratica viene eseguita una metodologia sperimentale per ricavare sperimentalmente per punti la funzione di trasferimento del modello meccanico inverso della trasmissione. ;E’ importante osservare che affinché si possano ottenere stime precise, il modello H(jÏŽ) meccanico inverso della trasmissione deve considerare le coppie inerziali dovute alle masse in moto alternativo (ad esempio, le masse dei pistoni 3). Quindi, per potere utilizzare direttamente l’equazione [3] à ̈ necessario utilizzare un modello H (jÏŽ) meccanico inverso della trasmissione completo che consideri le coppie inerziali dovute alle masse in moto alternativo (come descritto dalla equazione [6]). Tuttavia, considerare le coppie inerziali dovute alle masse in moto alternativo à ̈ complicato ed aumenta notevolmente la complessità della determinazione e della calibrazione sperimentale in laboratorio del modello H(jÏŽ) meccanico inverso della trasmissione. ;L’armonica Tndi coppia n-esima à ̈ data dalla somma dell’armonica Tind,ndi coppia indicata n-esima e dell’armonica Talt,ndi coppia alternata (inerziale) n-esima (come espresso nell’equazione [8]); questo vale anche in condizione di cut-off (cioà ̈ in assenza di combustione nei cilindri 2 per l’assenza di iniezione di carburante) come espresso nell’equazione [9]. E’ importante osservare che a parità di regime di rotazione (cioà ̈ a parità di velocità angolare di rotazione), le coppie alternate (inerziali) sono identiche indipendentemente dalla combustione nei cilindri 2, in quanto dipendono unicamente dalla masse in moto alternativo; quindi a parità di regime di rotazione l’armonica Talt,ndi coppia alternata n-esima à ̈ identica all’armonica TaltC,ndi coppia alternata n-esima in condizione di cut-off. ;;[8] Tn= Tind,n+ Talt,n;[9] TnC= TindC,n+ Talt,n;;Tnarmonica di coppia n-esima; ;Tind,narmonica di coppia indicata n-esima; ;Talt,narmonica di coppia alternata n-esima; ;TnCarmonica di coppia n-esima in condizione di cut-off analoga; ;TindC,narmonica di coppia indicata n-esima in condizione di cut-off analoga; ;TaltC,narmonica di coppia alternata n-esima in condizione di cut-off analoga. ;;Di conseguenza, eseguendo una differenza tra le equazioni [8] e [9] a parità di regime di rotazione e quindi semplificando le espressioni delle coppie alternate si ottiene l’equazione [10] che riferisce l’armonica Tind,ndi coppia indicata n-esima alla differenza rispetto ad analoghe condizioni di cut-off (cioà ̈ in assenza di combustione nei cilindri 2 per l’assenza di iniezione di carburante ed allo stesso regime di velocità). ;;[10] Tind,n= (Tn- TnC) TindC,n;;Tind,narmonica di coppia indicata n-esima; ;Tnarmonica di coppia n-esima; ;TnCarmonica di coppia n-esima in condizione di cut-off analoga; ;TindC,narmonica di coppia indicata n-esima in condizione di cut-off analoga. ;;Inserendo l’equazione [3] nell’equazione [10] si ottiene l’equazione [11] sotto riportata: ;;[11] Tind,n= H(jWn) * (Wn- WnC) TindC,n

Tind,narmonica di coppia indicata n-esima;

H(jWn) modello meccanico inverso della trasmissione; Wnarmonica del segnale di velocità n-esima;

WnCarmonica del segnale di velocità n-esima in condizione di cut-off analoga;

TindC,narmonica di coppia indicata n-esima in condizione di cut-off analoga.

Nell’equazione [11] l’armonica Tind,ndi coppia indicata n-esima viene calcolata come differenza rispetto all’armonica TindC,ndi coppia indicata n-esima in condizione di cut-off analoga (cioà ̈ allo stesso regime di rotazione). Nell’equazione [11], il modello H(jÏŽ) meccanico inverso della trasmissione à ̈ semplificato in quanto non considera le coppie inerziali dovute alle masse in moto alternativo.

Tale semplificazione non introduce alcun tipo di errore perché il modello H(jÏŽ) meccanico inverso della trasmissione viene utilizzato non termini assoluti, ma solo in termini differenziali rispetto ad una analoga condizione di cut-off; utilizzando il modello H(jÏŽ) meccanico inverso della trasmissione solo in termini differenziali rispetto ad una analoga condizione di cut-off, il contributo delle coppie inerziali dovute alle masse in moto alternativo si annulla e quindi può venire ignorato senza commettere alcun errore (cioà ̈ alcuna approssimazione).

Ovviamente per potere utilizzare l’equazione [11] che permette l’impiego di un modello H(jÏŽ) meccanico inverso della trasmissione semplificato à ̈ necessario conoscere a tutti i regimi di rotazione i parametri in condizioni di cut-off, cioà ̈ l’armonica WnCdel segnale di velocità nesima in condizione di cut-off e l’armonica TindC,ndi coppia indicata n-esima in condizione di cut-off (che sono numeri complessi caratterizzati da un proprio modulo |WnC| e |TindC,n| e da una propria fase Arg(WnC) e Arg(TindC,n)). A titolo di esempio, à ̈ sufficiente conoscere i parametri in condizioni di cut-off in tutto il campo di funzionamento del motore 1 a combustione interne in termini di frequenza (dal regime massimo al regime minimo) a passi minimi di 100-300 rpm (ed interpolando per ottenere i valori intermedi).

Per determinare i parametri in condizioni di cut-off una prima strada à ̈ eseguire una serie di misure anche mediante sensori di misura da laboratorio aggiuntivi durante una fase di calibrazione sperimentale in laboratorio.

Per determinare i parametri in condizioni di cut-off una seconda strada à ̈ utilizzare una strategia di apprendimento che viene implementata nella centralina 8 di controllo e viene eseguita durante il normale funzionamento del motore 1 a combustione interna (in particolare la strategia di apprendimento può venire eseguita ogni qual volta il motore 1 a combustione interna si trova in condizioni di cut-off). Tale strategia di apprendimento prevede di determinare mediante semplici analisi frequenziali sulle velocità wiangolari compensate l’armonica WnCdel segnale di velocità n-esima in condizione di cut-off e prevede di determinare l’armonica TindC,ndi coppia indicata n-esima in condizione di cut-off mediante una funzione Λ algebrica che utilizza un insieme P di parametri motoristici del motore 1 a combustione interna secondo la seguente equazione:

[12] TindC,n= Λ (EP)

TindC,narmonica di coppia indicata n-esima in condizione di cut-off;

EP insieme di parametri motoristici del motore 1 a combustione interna (normalmente la velocità di rotazione dell’albero 4 motore e la pressione di aspirazione, cioà ̈ la pressione presente all’interno di un condotto di aspirazione).

E’ importante osservare che la funzione Λ algebrica à ̈ nello stesso tempo di semplice definizione e di buona precisione in quanto durante il funzionamento in cut-off la coppia di combustione à ̈ nulla per cui la coppia residua à ̈ dovuta solo al pompaggio e alle masse alterne e quindi à ̈ ben correlabile alla velocità di rotazione ed alla pressione di aspirazione. Normalmente, viene utilizzata una metodologia sperimentale per ricavare sperimentalmente per punti la funzione Λ algebrica.

Secondo una preferita forma di attuazione, per determinare i parametri in condizioni di cut-off vengono seguite entrambe le strade sopra descritte: in una memoria 12 della centralina 8 di controllo nuova vengono memorizzati i parametri in condizioni di cut-off determinati in una fase di calibrazione sperimentale in laboratorio e quindi durante la vita del motore 1 a combustione interna i parametri in condizioni di cut-off iniziali vengono continuamente (ciclicamente) aggiornati per inseguire sia le derive temporali, sia le derive costruttive, cioà ̈ le specificità del motore 1 a combustione interna (i parametri in condizioni di cut-off caricati inizialmente sono delle medie riferite ad un motore 1 a combustione interna).

E’ opportuno osservare che nel caso di stima della coppia Tindindicata e dell’indice MFB50 di combustione medi di un ciclo motore completo (4 combustioni consecutive nei quattro cilindri 2) à ̈ sufficiente memorizzare una sola serie di valori dei parametri in condizioni di cut-off ad ogni ciclo di funzionamento del motore 1 a combustione interno (pari a 4 rotazioni complete dell’albero 4 motore), mentre se si vuole effettuare la stima della coppia Tindindicata e dell’indice MFB50 di combustione ad ogni combustione (cioà ̈ per ciascun cilindro) ad ogni ciclo di funzionamento del motore 1 a combustione interno (pari a 4 rotazioni complete dell’albero 4 motore) vanno memorizzati quattro serie di valori dei parametri in condizioni di cutoff, ciascuna delle quali corrispondente ad ogni cilindro 2 (cioà ̈ calcolata nella finestra angolare corrispondente al cilindro 2).

Come risulta evidente nella figura 2, il blocco 11 di calcolo della centralina 8 di controllo utilizza il modello H(jώ) meccanico inverso della trasmissione semplificato per calcolare l’armonica Tind,ndi coppia indicata n-esima mediante l’equazione [11] ed utilizzando i parametri della condizione di cut-off forniti dalla memoria 12.

Come detto anche in precedenza, l’armonica Tind,ndi coppia (come l’armonica Wndel segnale di velocità) à ̈ un numero complesso caratterizzato da un proprio modulo |Tind,n| e da una propria fase Arg(Tind,n). Il modulo |Tind,n| dell’armonica Tind,ndi coppia indicata n-esima calcolata dal blocco 11 di calcolo viene fornito ad un blocco 13 di calcolo, in cui à ̈ implementata una funzione G algebrica che mette in relazione la coppia Tindindicata con il modulo |Tind,n| dell’armonica Tind,ndi coppia indicata n-esima secondo la seguente equazione:

[13] Tind= G (|Tind,n|, EP)

Tindcoppia indicata;

|Tind,n| modulo dell’armonica Tind,ndi coppia indicata n-esima;

EP insieme di parametri motoristici del motore 1 a combustione interna (normalmente la velocità di rotazione dell’albero 4 motore e la pressione di aspirazione, cioà ̈ la pressione presente all’interno di un condotto di aspirazione).

A titolo di esempio non vincolante, la funzione G algebrica che mette in relazione la coppia Tindindicata con il modulo |Tind,n| dell’armonica Tind,ndi coppia indicata nesima potrebbe essere definita dalla seguente equazione:

[14] Tind= b0+ b1|Tind,n| b2p b3n

Tindcoppia Tindindicata;

|Tind,n| modulo dell’armonica Tind,ndi coppia indicata n-esima;

p pressione di aspirazione;

n velocità di rotazione dell’albero 4 motore; bicoefficienti.

I valori dei coefficienti bipossono venire ricavati per via sperimentale minimizzando l’errore quadratico medio tra una serie di valori misurati della coppia Tindindicata ed una corrispondente serie di valori stimati della coppia Tindindicata.

La fase Arg(Tind,n) delle armoniche Tndi coppia calcolate dal blocco 11 di calcolo viene fornito ad un blocco 14 di calcolo, in cui à ̈ implementata una funzione Y algebrica che mette in relazione l’indice MFB50 di combustione con la fase Arg(Tind,n) dell’armonica Tn,inddi coppia indicata n-esima secondo la seguente equazione:

[15] MFB50 = Y (Arg(Tind,n), EP)

MFB50 indice MFB50 di combustione;

Arg(Tind,n) fase dell’armonica Tind,ndi coppia indicata nesima;

EP insieme di parametri motoristici del motore 1 a combustione interna (normalmente la velocità di rotazione dell’albero 4 motore e la pressione di aspirazione, cioà ̈ la pressione presente all’interno di un condotto di aspirazione).

A titolo di esempio non vincolante, la funzione Y algebrica che mette in relazione l’indice MFB50 di combustione con la fase Arg(Tn,ind) dell’armonica Tn,inddi coppia indicata n-esima potrebbe essere definita dalla seguente equazione:

[16] MFB50 = c0+ c1F c2F<2>+ c3p F c4p<2>F

MFB50 indice di combustione;

F fase dell’armonica Tind,ndi coppia indicata nesima;

p pressione di aspirazione;

cicoefficienti.

I valori dei coefficienti cipossono venire ricavati per via sperimentale minimizzando l’errore quadratico medio tra una serie di valori misurati dell’indice MFB50 di combustione ed una corrispondente serie di valori stimati dell’indice MFB50 di combustione.

Nelle sopra descritte equazioni [3]-[16] à ̈ sempre fatto riferimento all’armonica n-esima; l’effettivo ordine dell’armonica n-esima (cioà ̈ l’effettivo valore del numero “n†) dipende dal numero di cilindri 2 del motore 1 a combustione interna e dal tipo di stima che si vuole ricavare. Ad esempio, à ̈ possibile considerare solo l'armonica caratteristica del motore 1 a combustione interna che dipende dal numero di cilindri 2 e dalla successione delle combustioni (l'armonica di ordine quattro per un motore 1 a combustione interna con quattro cilindri 2 e con combustioni equispaziate) In alternativa, à ̈ possibile consideare più armoniche di ordine diverso in particolare per il bilanciamento in relativo dei cilindri 2.

Secondo una possibile forma di attuazione, l’equazione [11] può venire utilizzata per ricavare sperimentalmente il modello H(jώ) meccanico inverso della trasmissione esprimendo il modello H(jώ) meccanico inverso della trasmissione in funzione degli altri elementi come avviene nella seguente equazione:

[17] H(jWn) = (Tind,n- TindC,n)/(Wn- WnC)

H(jWn) modello meccanico inverso della trasmissione; Tind,narmonica di coppia indicata n-esima;

TindC,narmonica di coppia indicata n-esima in condizione di cut-off analoga;

Wnarmonica del segnale di velocità n-esima;

WnCarmonica del segnale di velocità n-esima in condizione di cut-off analoga.

Durante una fase di calibrazione sperimentale in laboratorio, il modello H(jώ) meccanico inverso della trasmissione viene determinato mediante l’equazione [17] utilizzando una serie di misure effettuate mediante l’aggiunta di sensori di misura da laboratorio che leggono la pressione all’interno di ciascun cilindro 2.

Il metodo di stima sopra descritto può venire utilizzato in un motore a combustione interna privo di sensori di pressione che misurano direttamente la pressione all’interno dei cilindri per stimare l’indice MFB50 di combustione e la coppia Tindindicata.

Inoltre, il metodo di stima sopra descritto può venire utilizzato in un motore 1 a combustione interna provvisto in solo una parte dei cilindri di sensori di pressione che misurano direttamente la pressione all’interno dei cilindri per stimare l’indice MFB50 di combustione e la coppia Tindindicata riferiti ai cilindri privi dei sensori di pressione che misurano direttamente la pressione all’interno dei cilindri; in altre parole, in alcuni cilindri provvisti dei sensori di pressione l’indice MFB50 di combustione e la coppia Tindindicata vengono calcolati mediante la misura diretta della pressione all’interno dei cilindri, mentre negli altri cilindri privi dei sensori di pressione l’indice MFB50 di combustione e la coppia Tindindicata vengono stimati mediante il metodo di stima sopra descritto.

Infine, il metodo di stima sopra descritto può venire utilizzato in un motore 1 a combustione interna provvisto di sensori 15 di pressione che misurano direttamente la pressione all’interno dei cilindri 2 per diagnosticare un malfunzionamento dei sensori 15 di pressione stessi; tale diagnosi avviene confrontando i valori dell’indice MFB50 di combustione e della coppia Tindindicata determinati mediante la misura della pressione con i valori dell’indice MFB50 di combustione e della coppia Tindindicata determinati mediante il metodo di stima sopra descritto: se la differenza (in percentuale) à ̈ troppo elevata (cioà ̈ superiore ad una soglia predeterminata) allora viene diagnostica un malfunzionamento del corrispondente sensore 15 di pressione.

Il metodo di stima sopra descritto dell’indice MFB50 di combustione e della coppia Tindindicata presenta numerosi vantaggi, in quanto à ̈ efficiente (cioà ̈ permette di stimare l’indice MFB50 di combustione e la coppia Tindindicata con una notevole precisione), efficace (cioà ̈ permette di stimare l’indice MFB50 di combustione e la coppia Tindindicata rapidamente e senza impegnare una eccessiva potenza di calcolo), ed economico (cioà ̈ non richiede l’installazione di componenti aggiuntivi rispetto a quelli normalmente presenti in un moderno motore a combustione interna operante secondo il ciclo “Diesel†).

Grazie alla possibilità di stimare l’indice MFB50 di combustione e la coppia Tindindicata in ciascun cilindro 2, risulta possibile effettuare un controllo in retroazione del processo di combustione (utilizzando l’indice MFB50 di combustione come variabile di retroazione) grazie al quale à ̈ possibile ridurre il consumo di carburante e le emissioni inquinanti a parità di prestazioni; ad esempio, grazie a tale controllo in retroazione à ̈ possibile migliorare notevolmente il controllo della stabilità di combustioni premiscelate ad alto tasso di EGR. Inoltre, l’indice MFB50 di combustione in ciascun cilindro 2 può venire vantaggiosamente utilizzato per governare lo sforzo sulle bielle ed i fenomeni di detonazione. Infine, anche la coppia Tindindicata prodotta da ciascun cilindro 2 può venire efficacemente utilizzata per migliorare ulteriormente il controllo del processo di combustione.

Infine, il metodo di stima sopra descritto permette di utilizzare un modello H(jÏŽ) meccanico inverso della trasmissione semplificato che non considera le coppie inerziali dovute alle masse in moto alternativo; tale semplificazione da un lato non comporta alcun errore (cioà ̈ alcuna approssimazione) e dall’altro lato permette di ridurre in modo notevole la complessità del modello H(jÏŽ) meccanico inverso della trasmissione con evidenti vantaggi in termini di potenza di calcolo richiesta e di prove di calibrazione necessarie alla definizione del modello.

E’ importante precisare che il metodo di stima sopra descritto trova vantaggiosa applicazione sia in un motore a combustione interna ad accensione spontanea della miscela (cioà ̈ operante secondo il ciclo Diesel), sia in un motore a combustione interna ad accensione comandata della miscela (cioà ̈ operante secondo il ciclo Otto).

Claims (6)

1. RIVENDICAZIONI 1) Metodo di stima di un indice (MFB50) di combustione e/o della coppia (Tind) indicata in un cilindro (2) di un motore (1) a combustione interna provvisto di un albero (4) motore accoppiato ad una ruota (5) fonica presentante un numero N di denti (6); il metodo di stima comprende le fasi di: determinare la velocità (wi) angolare dell’albero (4) motore; determinare, mediante una analisi frequenziale della velocità (wi) angolare dell’albero (4) motore, almeno una armonica (Wn) del segnale di velocità caratterizzata da un proprio modulo (|Wn|) e da una propria fase (Arg(Wn)); determinare un modello (H(jÏŽ)) meccanico inverso della trasmissione che rappresenta, nel dominio della frequenza (ÏŽ), il rapporto tra le trasformate di Fourier della velocità angolare (Ω) e della coppia (T) del motore (1) a combustione interna; determinare almeno una armonica (Tind,n) di coppia indicata caratterizzata da un proprio modulo (|Tind,n|) e da una propria fase (Arg(Tind,n)) applicando all’armonica (Wn) del segnale di velocità il modello (H(jÏŽ)) meccanico inverso della trasmissione; determinare una prima funzione (Y) algebrica che mette in relazione l’indice (MFB50) di combustione con la fase (Arg(Tind,n)) dell’armonica (Tind,n) di coppia indicata n-esima e/o determinare una seconda funzione (G) algebrica che mette in relazione una coppia (Tind) indicata con il modulo (|Tind,n|) dell’armonica (Tn) di coppia indicata nesima; e determinare l’indice (MFB50) di combustione applicando la prima funzione (Y) algebrica all’armonica (Tind,n) di coppia indicata n-esima e/o determinare la coppia (Tind) indicata applicando la seconda funzione (G) algebrica all’armonica (Tind,n) di coppia indicata n-esima; il metodo di stima à ̈ caratterizzato dal fatto che la fase di determinare almeno una armonica (Tind,n) di coppia indicata utilizza la seguente equazione: [11] Tind,n= H(jWn) * (Wn- WnC) TindC,nTind,narmonica di coppia indicata n-esima; H(jWn) modello meccanico inverso della trasmissione; Wnarmonica del segnale di velocità n-esima; WnCarmonica del segnale di velocità n-esima in condizione di cut-off analoga; TindC,narmonica di coppia indicata n-esima in condizione di cut-off analoga.
2. 2) Metodo di stima secondo la rivendicazione 1, in cui il modello (H(jώ) = T / Ω) meccanico inverso della trasmissione non considera le coppie inerziali dovute alle masse in moto alternativo del motore (1) a combustione interna.
3. 3) Metodo di stima secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui la fase di determinare il modello (H(jώ)) meccanico inverso della trasmissione utilizza la seguente equazione che viene applicata ad una serie di dati sperimentali riferiti a tutto il campo di funzionamento del motore (1) a combustione interna: [17] H(jWn) = (Tind,n- TindC,n)/(Wn- WnC) H(jWn) modello meccanico inverso della trasmissione; Tind,narmonica di coppia indicata n-esima; TindC,narmonica di coppia indicata n-esima in condizione di cut-off analoga; Wnarmonica del segnale di velocità n-esima; WnCarmonica del segnale di velocità n-esima in condizione di cut-off analoga.
4. 4) Metodo di stima secondo la rivendicazione 1, 2 o 3 e comprendente l’ulteriore fase di memorizzare in una memoria (12) a tutti i regimi di rotazione i parametri in condizioni di cut-off, cioà ̈ l’armonica (WnC) del segnale di velocità n-esima in condizione di cut-off e l’armonica (TindC,n) di coppia indicata n-esima in condizione di cutoff.
5. 5) Metodo di stima secondo la rivendicazione 4 e comprendente le ulteriori fasi di: memorizzare inizialmente nella memoria (12) dei parametri in condizioni di cut-off standard determinati durante una fase di calibrazione sperimentale in laboratorio; e aggiornare ciclicamente i parametri in condizioni di cut-off durante la vita del motore (1) a combustione interna.
6. 6) Metodo di stima secondo una delle rivendicazioni da 1 a 5 e comprendente le ulteriori fasi di: misurare direttamente la pressione all’interno del cilindro (2) mediante un sensore (15) di pressione; determinare l’indice (MFB50) di combustione e/o la coppia (Tind) indicata in funzione della pressione all’interno del cilindro (2); e diagnosticare il corretto funzionamento del sensore (15) di pressione confrontando l’indice (MFB50) di combustione e/o la coppia (Tind) indicata determinati in funzione della pressione all’interno del cilindro (2) con i corrispondenti indice (MFB50) di combustione e/o coppia (Tind) indicata determinati secondo il metodo di stima.