ITBO20110122A1 - Metodo di riconoscimento di almeno una caratteristica del carburante in un motore a combustione interna - Google Patents

Description

“METODO DI RICONOSCIMENTO DI ALMENO UNA CARATTERISTICA DEL CARBURANTE IN UN MOTORE A COMBUSTIONE INTERNAâ€

SETTORE DELLA TECNICA

La presente invenzione à ̈ relativa ad un metodo di riconoscimento di almeno una caratteristica del carburante in un motore a combustione interna.

ARTE ANTERIORE

In alcune aree del mondo (ad esempio in Brasile) già da molti anni i motori a combustione interna ad accensione comandata possono venire alimentati con diversi tipi di carburante liquido (ad esempio benzina pura, alcool idrato, oppure una miscela di benzina ed alcool) che presentano caratteristiche diverse (ad esempio rapporti stechiometrici aria/carburante diversi). Recentemente, anche i moderni motori diesel hanno la possibilità di usare combustibili diversi dal gasolio puro, i quali sono commercialmente definiti “biodiesel†e sono costituiti da una miscela di gasolio e di combustibili provenienti da bio-massa (ad esempio oli vegetali come l’olio di colza).

Di conseguenza, per l’unità elettronica di controllo del motore à ̈ importante conoscere il tipo di carburante che viene effettivamente utilizzato dal motore a combustione interna in modo tale da potere ottimizzare il controllo della combustione in funzione delle caratteristiche del carburante effettivamente utilizzato (ad esempio à ̈ fondamentale conoscere l’effettivo rapporto stechiometrico aria/carburante per minimizzare la generazione di inquinanti ed à ̈ molto utile conoscere la volatilità per garantire un corretto avviamento “freddo†del motore a combustione interna).

Sono stati proposti diversi metodi di riconoscimento del tipo di carburante che sono basati sulle informazioni fornite dalla sonda lambda presente allo scarico. Tuttavia, à ̈ sentita l’esigenza di potere utilizzare anche altri metodi di riconoscimento del tipo di carburante che non sfruttano le informazioni fornite dalla sonda lambda presente allo scarico, sia per avere una possibilità di riconoscere il tipo di carburante anche in modalità di “recovery†quando la sonda lambda non funziona correttamente, sia per avere la possibilità di confrontare il riconoscimento del tipo di carburante eseguito partendo della informazioni fornite dalla sonda lambda con un altro riconoscimento indipendente in modo da aumentare la confidenza del riconoscimento.

DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE

Scopo della presente invenzione à ̈ fornire un metodo di riconoscimento di almeno una caratteristica del carburante in un motore a combustione interna, il quale metodo di riconoscimento non utilizzi le informazioni fornite dalla sonda lambda presente allo scarico e, in particolare, sia di facile ed economica implementazione.

Secondo la presente invenzione viene fornito metodo di riconoscimento di almeno una caratteristica del carburante in 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 à ̈ una vista schematica di un motore a combustione interna provvisto di una unità di controllo che implementa il metodo di riconoscimento di almeno una caratteristica del carburante oggetto della presente invenzione;

- la figura 2 Ã ̈ un grafico che illustra la FFT del rumore generato dal motore a combustione interna della figura 1 quando il motore a combustione interna stesso utilizza due diversi tipi di carburante; e

- la figura 3 à ̈ un grafico che illustra l’andamento di un indice sintetico determinato in funzione della FFT del rumore generato dal motore a combustione interna della figura 1 quando il motore a combustione interna utilizza due diversi tipi di carburante ed in diversi punti motore.

FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL’INVENZIONE

Nella figura 1, con il numero 1 à ̈ indicato nel suo complesso un motore a combustione interna comprendente quattro cilindri 2 disposti in linea. Ciascun cilindro 2 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.

Il motore 1 a combustione interna à ̈ pilotato da una unità 5 di controllo elettronica (denominata normalmente “ECU†– “Electronic Control Unit†) che à ̈ disposta in prossimità del motore 1 a combustione interna ed à ̈ normalmente alloggiata all’interno di un vano motore del veicolo (non illustrato). L’unità 5 di controllo elettronica comprende un microfono 6 (ovvero un sensore 6 di pressione di tipo acustico), il quale à ̈ alloggiato all’interno della unità 5 di controllo ed à ̈ atto a rilevare l’intensità del rumore generato dal motore 1 a combustione interna (ovvero à ̈ atto a rilevare l’intensità delle onde di pressione acustiche – sonore - generate dal motore 1 a combustione interna).

In uso, l’unità 5 di controllo elettronica rileva, mediante il microfono 6, l’intensità S del rumore generato dal motore 1 a combustione interna (ovvero di vibrazioni generate dal motore 1 a combustione interna) in una finestra temporale di misura di ampiezza determinata (normalmente dell’ordine 1-5 decimi di secondo). Nella unità 5 di controllo elettronica, l’intensità S del rumore generato dal motore 1 a combustione interna viene digitalizzata utilizzando una campionatura a frequenza relativamente elevata (dell’ordine di 50 kHz). Successivamente, l’unità 5 di controllo elettronica determina il valore di almeno un indice sintetico I elaborando l’intensità S del rumore generato dal motore 1 a combustione interna nella finestra temporale di misura. L’indice sintetico I viene confrontato con almeno una grandezza TH di confronto predeterminata e quindi una caratteristica (cioà ̈ la composizione) del carburante utilizzato dal motore 1 a combustione interna viene riconosciuta in funzione del confronto tra l’indice sintetico I e la grandezza TH di confronto. La grandezza TH di confronto viene determinata sperimentalmente durante una fase di calibrazione che viene eseguita alimentando carburanti aventi caratteristiche note al motore 1 a combustione interna opportunamente dotato di strumenti di laboratorio.

Normalmente, alla grandezza TH di confronto viene associato un determinato punto di funzionamento di riconoscimento del motore 1 a combustione interna; in altre parole, la grandezza TH di confronto viene determinata nel punto di funzionamento di riconoscimento ed à ̈ quindi valida solo in corrispondenza del punto di funzionamento di riconoscimento stesso. Il punto di funzionamento del motore 1 (detto anche punto motore) à ̈ generalmente identificato da un valore del regime di rotazione e da un valore del carico (fornito dalla pressione di aspirazione oppure dalla efficienza di aspirazione ovvero dal rapporto tra la quantità di aria effettivamente aspirata e la massima quantità di aria aspirabile). Il confronto tra l’indice sintetico I e la grandezza TH di confronto viene eseguito solo quando il punto di funzionamento corrente del motore 1 a combustione interna à ̈ in un intorno del punto di funzionamento di riconoscimento, ovvero quando la differenza tra i parametri correnti (regime di rotazione e carico) ed i parametri del punto di funzionamento di riconoscimento à ̈ “contenuta†(ovvero inferiore, in valore assoluto, ad una soglia).

Secondo una preferita forma di attuazione, l’intensità S del rumore generato dal motore 1 a combustione interna nella finestra temporale di misura viene preventivamente filtrata mediante un filtro passa-banda oppure mediante un filtro con “pesatura A†(detta anche “ponderazione A†che à ̈ un particolare tipo di equalizzazione che esalta le frequenze maggiormente percepite dall’uomo e taglia quelle meno udibili).

Durante la calibrazione del sistema, il punto di funzionamento di riconoscimento viene scelto in modo tale da ottimizzare (massimizzare) le differenze esistenti tra carburanti diversi; in altre parole, le differenze percepibili nel rumore generato dal motore 1 a combustione interne in funzione del tipo di carburante utilizzato sono meno evidenti in alcuni punti di funzionamento e più evidenti in altri punti di funzionamento. Per semplificare il riconoscimento del tipo di carburante utilizzato, à ̈ evidente che à ̈ conveniente scegliere il punto di funzionamento di riconoscimento in una zona in cui le differenze esistenti tra carburanti diversi sono massime. Per aumentare le possibilità di operare il riconoscimento à ̈ possibile utilizzare più grandezze TH di confronto, ciascuna delle quali à ̈ associata ad un proprio punto di funzionamento di riconoscimento diverso dagli altri punti di funzionamento di riconoscimento delle altre grandezze TH di confronto.

Secondo una prima modalità di riconoscimento semplificata (quindi più robusta), l’unità 5 di controllo elettronica assegna alla caratteristica del carburante un primo valore se l’indice sintetico I à ̈ maggiore (minore) della grandezza TH di confronto, ed assegna alla caratteristica del carburante un secondo valore diverso dal primo valore se l’indice sintetico I à ̈ minore (maggiore) della grandezza TH di confronto. Questa prima modalità semplificata à ̈ di tipo “binario†, ovvero prevede la scelta solo tra due diversi valori in funzione del confronto tra l’indice sintetico I e la grandezza TH di confronto. Secondo una seconda modalità di riconoscimento più raffinata (quindi, almeno potenzialmente, meno robusta), l’unità 5 di controllo elettronica calcola il valore della caratteristica del carburante mediante una interpolazione eseguita in funzione del confronto tra l’indice sintetico I e la grandezza TH di confronto. In questa seconda modalità di riconoscimento più raffinata vengono normalmente utilizzate almeno due grandezze TH di confronto che delimitano una finestra all’interno della quale si trova l’indice sintetico I, ed il valore della caratteristica del carburante viene determinato mediante una interpolazione tra i valori della caratteristica del carburante associati alle due grandezze TH di confronto.

Secondo una prima forma di attuazione, l’unità 5 di controllo elettronica calcola la FFT (Fast Fourier Transform) dell’intensità S del rumore generato dal motore 1 a combustione interna nella finestra temporale di misura e quindi calcola il valore dell’indice sintetico I nel dominio della frequenza in funzione della ampiezza di almeno una armonica della FFT. In alcune tipologie di motori 1 a combustione interna, il valore dell’indice sintetico I à ̈ funzione solo dell’ampiezza della seconda armonica della FFT; in altre parole, l’indice sintetico I à ̈ pari al livello energetico della seconda armonica della FFT. In altre tipologie di motori 1 a combustione interna, il valore dell’indice sintetico I à ̈ funzione solo della somma delle ampiezze di almeno due armoniche pari della FFT (tipicamente la somma delle ampiezze della seconda armonica della FFT e della quarta armonica della FFT). In alternativa, il valore dell’indice sintetico I à ̈ funzione solo del rapporto tra l’ampiezza di una armonica pari della FFT e l’ampiezza di una armonica dispari della FFT (ad esempio il rapporto tra l’ampiezza della seconda armonica della FFT e l’ampiezza della prima armonica della FFT), oppure à ̈ funzione solo del rapporto tra la somma delle ampiezze di almeno due armoniche pari della FFT e la somma delle ampiezze di almeno due armoniche dispari della FFT ad esempio il rapporto tra la somma dell’ampiezza della seconda armonica della FFT e della quarta armonica della FFT e la somma dell’ampiezza della prima armonica della FFT e della terza armonica della FFT). Il valore dell’indice sintetico I à ̈ anche correlabile alla piccosità delle ampiezze delle armoniche della FFT, ovvero quanto grande e/o ripida à ̈ la differenza tra picco e valle nello spettro delle armoniche della FFT.

Secondo una diversa forma di attuazione, l’unità 5 di controllo elettronica calcola l’indice sintetico I direttamente in funzione della variazione nel tempo dell’intensità S del rumore generato dal motore 1 a combustione interna e quindi calcola il valore dell’indice sintetico I nel dominio del tempo. In questo caso l’indice sintetico I à ̈ correlato alla timbrica dell’intensità S delle vibrazioni.

E’ importante osservare che in funzione delle caratteristiche costruttive del motore 1 a combustione interna (numero di cilindri, posizione e conformazione degli scarichi, numero ed attuazione delle valvole...) può variare notevolmente la timbrica del rumore generato; quindi per ciascun motore 1 a combustione interna à ̈ necessario determinare sperimentalmente quale sia il modo migliore per calcolare l’indice sintetico I, cioà ̈ con quale modalità di calcolo dell’indice sintetico I à ̈ possibile ottimizzare il riconoscimento della caratteristica ricercata.

Nella forma di attuazione sopra descritta, il sensore utilizzato dalla unità 5 di controllo elettronica à ̈ un microfono 6 e rileva l’intensità S del rumore generato dal motore 1 a combustione interna. In una equivalente forma di attuazione, il sensore utilizzato dalla unità 5 di controllo elettronica à ̈ un accelerometro 7 che à ̈ direttamente montato sul motore 1 a combustione interna e rileva l’intensità S delle vibrazioni meccaniche generate dal motore 1 a combustione interna. In altre parole, per riconoscere le caratteristiche del carburante l’unità 5 di controllo elettronica utilizza l’intensità S di vibrazioni generate dal motore 1 a combustione interna e tali vibrazioni possono essere acustiche (sonore) e quindi rilevate dal microfono 6 oppure meccaniche e quindi rilevate dall’accelerometro 7. E’ importante osservare che le vibrazioni meccaniche generate dal motore 1 a combustione interna sono strettamente correlate con il rumore generato dal motore 1 a combustione interna, in quanto vengono entrambe originate dagli stessi fenomeni fisici originati dalla combustione del carburante nei cilindri 2.

Secondo una preferita forma di attuazione, l’intensità S delle vibrazioni meccaniche misurate dall’accelerometro 7 nella finestra temporale di misura viene preventivamente filtrata mediante un filtro passa-banda che agisce nella finestra 3-12 kHz (cioà ̈ il filtro passa-banda attenua le frequenze minori di 3 kHz e maggiori a 12 kHz ed esalta le frequenze comprese tra 3-12 kHz).

Secondo una preferita forma di attuazione, la caratteristica del carburante che viene riconosciuta dalla unità 5 di controllo elettronica in funzione dell’intensità S di vibrazioni generate dal motore 1 a combustione interna à ̈ la percentuale di etanolo presente nel carburante (ovviamente per un motore 1 a combustione interna ad accensione comandata della miscela operante secondo il ciclo “Otto†). Secondo altre forme di attuazione à ̈ possibile determinare altre caratteristiche del carburante, quali, ad esempio, la percentuale di oli vegetali (come l’olio di colza) presente nel carburante (ovviamente per un motore 1 a combustione interna ad accensione spontanea della miscela operante secondo il ciclo “Diesel†).

La figura 2 à ̈ un grafico che illustra la FFT dell’intensità S del rumore generato dal motore 1 a combustione interna quando il motore 1 a combustione interna utilizza due diversi tipi di carburante (con linea continua il carburante à ̈ costituito dal 100% di etanolo, mentre con linea tratteggiata il carburante à ̈ costituito dal 22% di etanolo e 78% di benzina ed à ̈ denominato commercialmente “gasolina†). Si noti nella figura 2 la differenza esistente nella seconda armonica della FFT variando il tipo di carburante. La differenza nella timbrica del rumore generato dal motore 1 a combustione interna variando il tipo di carburante à ̈ dovuta al fatto che variando il tipo di carburante varia la dinamica della combustione all’interno dei cilindri 2 e quindi variano, tra le altre cose, la velocità di combustione, il gradiente di pressione interna dei cilindri 2, e la pressione interna dei cilindri 2 all’apertura delle valvole di scarico.

La figura 3 à ̈ un grafico che illustra l’andamento dell’indice sintetico I determinato solo in funzione della ampiezza della seconda armonica della FFT quando il motore 1 a combustione interna utilizza due diversi tipi di carburante (con linea continua il carburante à ̈ costituito dal 100% di etanolo, mentre con linea tratteggiata il carburante à ̈ costituito dal 22% di etanolo e 78% di benzina ed à ̈ denominato commercialmente “gasolina†). Nella parte sinistra della figura 3 sono rappresentanti i valori di quattro indici sintetici I calcolati in quattro diversi punti motore di riconoscimento (identificati con i numeri 1-4) durante un funzionamento normale; invece, nella parte destra della figura 3 sono rappresentanti i valori di due indici sintetici I calcolati in due diversi punti motore di riconoscimento (identificati con i numeri 5-6) durante un funzionamento di emergenza (“recovery†) in cui una sonda lambda posta nello scarico del motore 1 a combustione interna non funziona correttamente.

Il metodo di riconoscimento sopra descritto può venire utilizzato in modalità di “recovery†quando la sonda lambda presente nello scarico del motore 1 a combustione interna non funziona correttamente; in altre parole, normalmente le caratteristiche del carburante vengono normalmente riconosciute utilizzando le informazioni fornite dalla sonda lambda, ed in caso di malfunzionamento della sonda lambda le caratteristiche del carburante vengono riconosciute secondo il metodo di riconoscimento sopra descritto che non prevede l’utilizzo delle informazioni fornite dalla sonda lambda.

Inoltre, il metodo di riconoscimento sopra descritto può venire utilizzato come campione di confronto con lo stesso riconoscimento eseguito utilizzando le informazioni fornite dalla sonda lambda in modo da aumentare la confidenza del riconoscimento.

Il metodo di riconoscimento sopra descritto presenta numerosi vantaggi in quanto à ̈ facilmente implementabile anche in una unità 5 di controllo elettronica già esistente, in quanto non richiede un elevato onere computazionale aggiuntivo.

Inoltre, il metodo di riconoscimento sopra descritto permette di stimare con una precisione ed una confidenza abbastanza elevate le caratteristiche del carburante effettivamente utilizzato dal motore 1 a combustione interna.

Infine, il metodo di riconoscimento sopra descritto à ̈ completamente indipendente dalle informazioni fornite dalla sonda lambda presente nello scarico del motore 1 a combustione interna e quindi può venire utilizzato sia in modalità di “recovery†quando la sonda lambda non funziona correttamente, sia come campione di confronto per lo stesso riconoscimento eseguito utilizzando le informazioni fornite dalla sonda lambda.

Claims (15)

1. RIVENDICAZIONI 1) Metodo di riconoscimento di almeno una caratteristica del carburante in un motore (1) a combustione interna; il metodo di riconoscimento comprende le fasi di: rilevare, mediante almeno un sensore, l’intensità (S) di vibrazioni generate dal motore (1) a combustione interna in una finestra temporale di misura; e determinare il valore di almeno un indice sintetico (I) elaborando l’intensità (S) delle vibrazioni generate dal motore (1) a combustione interna nella finestra temporale di misura; il metodo di riconoscimento à ̈ caratterizzato dal fatto di comprendere le ulteriori fasi di: confrontare l’indice sintetico (I) con almeno una grandezza (TH) di confronto predeterminata; e riconoscere la caratteristica del carburante in funzione del confronto tra l’indice sintetico (I) e la grandezza (TH) di confronto.
2. 2) Metodo di riconoscimento secondo la rivendicazione 1, in cui la fase di riconoscere la caratteristica del carburante comprende le ulteriori fasi di: assegnare alla caratteristica del carburante un primo valore se l’indice sintetico (I) à ̈ maggiore della grandezza (TH) di confronto; ed assegnare alla caratteristica del carburante un secondo valore diverso dal primo valore se l’indice sintetico (I) à ̈ minore della grandezza (TH) di confronto.
3. 3) Metodo di riconoscimento secondo la rivendicazione 1, in cui la fase di riconoscere la caratteristica del carburante comprende l’ulteriore fase di calcolare il valore della caratteristica del carburante mediante una interpolazione eseguita in funzione del confronto tra l’indice sintetico (I) e la grandezza (TH) di confronto.
4. 4) Metodo di riconoscimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui la fase di determinare il valore dell’indice sintetico (I) comprende le ulteriori fasi di: calcolare la FFT dell’intensità (S) delle vibrazioni generate dal motore (1) a combustione interna nella finestra temporale di misura; calcolare il valore dell’indice sintetico (I) in funzione solo della ampiezza di almeno una armonica della FFT.
5. 5) Metodo di riconoscimento secondo la rivendicazione 4, in cui il valore dell’indice sintetico (I) à ̈ funzione solo dell’ampiezza della seconda armonica della FFT.
6. 6) Metodo di riconoscimento secondo la rivendicazione 4, in cui il valore dell’indice sintetico (I) à ̈ funzione solo della somma delle ampiezze di almeno due armoniche pari della FFT.
7. 7) Metodo di riconoscimento secondo la rivendicazione 6, in cui il valore dell’indice sintetico (I) à ̈ funzione solo della somma delle ampiezze della seconda armonica della FFT e della quarta armonica della FFT.
8. 8) Metodo di riconoscimento secondo la rivendicazione 4, in cui il valore dell’indice sintetico (I) à ̈ funzione solo del rapporto tra l’ampiezza di una armonica pari della FFT e l’ampiezza di una armonica dispari della FFT.
9. 9) Metodo di riconoscimento secondo la rivendicazione 4, in cui il valore dell’indice sintetico (I) à ̈ funzione solo del rapporto tra la somma delle ampiezze di almeno due armoniche pari della FFT e la somma delle ampiezze di almeno due armoniche dispari della FFT.
10. 10) Metodo di riconoscimento secondo la rivendicazione 4, in cui l’indice sintetico à ̈ correlato alla piccosità delle ampiezze delle armoniche della FFT.
11. 11) Metodo di riconoscimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui l’indice sintetico (I) viene determinato direttamente in funzione della variazione nel tempo dell’intensità (S) delle vibrazioni generate dal motore (1) a combustione interna ed à ̈ correlato alla timbrica dell’intensità (S) delle vibrazioni.
12. 12) Metodo di riconoscimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 11 e comprendente le ulteriori fasi di: associare la grandezza (TH) di confronto ad un determinato punto di funzionamento di riconoscimento del motore (1) a combustione interna; ed effettuare il confronto tra l’indice sintetico (I) e la grandezza (TH) di confronto solo quando il punto di funzionamento corrente del motore (1) a combustione interna à ̈ in un intorno del punto di funzionamento di riconoscimento.
13. 13) Metodo di riconoscimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 12, in cui la caratteristica del carburante à ̈ la percentuale di etanolo presente nel carburante.
14. 14) Metodo di riconoscimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 13, in cui il sensore à ̈ un microfono (6) che rileva l’intensità (S) del rumore generate dal motore (1) a combustione interna.
15. 15) Metodo di riconoscimento secondo una delle rivendicazioni da 1 a 13, in cui il sensore à ̈ un accelerometro (7) che rileva l’intensità (S) delle vibrazioni meccaniche generate dal motore (1) a combustione interna.