ITBO20110400A1 - Metodo di controllo della velocita' di un motore a combustione interna sovralimentato - Google Patents
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Description
D E S C R I Z I O N E
“METODO DI CONTROLLO DI UN MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA SOVRALIMENTATOâ€
SETTORE DELLA TECNICA
La presente invenzione à ̈ relativa ad un metodo di controllo di un motore a combustione interna sovralimentato.
ARTE ANTERIORE
Come à ̈ noto, alcuni motori a combustione interna sono provvisti di un sistema di sovralimentazione a turbocompressore, il quale à ̈ in grado di aumentare la potenza sviluppata dal motore sfruttando l’entalpia dei gas di scarico per comprimere l’aria aspirata dal motore e quindi aumentare il rendimento volumetrico dell’aspirazione.
Un sistema di sovralimentazione a turbocompressore comprende un turbocompressore provvisto di una turbina, la quale à ̈ disposta lungo un condotto di scarico per ruotare ad alta velocità sotto la spinta dei gas di scarico espulsi dal motore, e di un compressore, il quale à ̈ portato in rotazione dalla turbina ed à ̈ disposto lungo il condotto di alimentazione dell’aria per comprimere l’aria aspirata dal motore.
Solitamente, quando da una condizione di coppia oppure potenza motrice modesta (bassi regimi di rotazione e velocità contenuta) si verifica una improvvisa e rapida richiesta di aumento considerevole della coppia oppure potenza motrice (cioà ̈ quando il pilota affonda decisamente il pedale dell’acceleratore ad esempio per eseguire un sorpasso) à ̈ presente un ritardo del turbo (“turbo-lag†) abbastanza evidente. Questo fenomeno conosciuto come ritardo del turbo o risposta del turbo rappresenta la tendenza dei motori dotati di turbocompressore nel mancare di risposta in potenza all'azionamento veloce del comando acceleratore ed à ̈ particolarmente fastidioso nel caso di applicazioni su vetture sportive in cui il sistema di sovralimentazione a turbocompressore consente di raggiungere prestazioni elevate. Il ritardo del turbo à ̈ causato principalmente dal momento di inerzia del rotore che si verifica in occasione di una improvvisa e rapida richiesta di maggiore coppia oppure potenza motrice, e dal fatto che il volume complessivo del circuito posto a valle del compressore deve aumentare la pressione al suo interno.
Nel corso degli anni sono state proposte diverse soluzioni per cercare di ridurre il ritardo del turbo e migliorare ulteriormente le prestazioni dei motori dotati di turbocompressore. Ad esempio, à ̈ possibile utilizzare un turbocompressore a geometria variabile oppure un turbocompressore comprendente una pluralità di turbine in una configurazione in serie o in parallelo, ecc. Tutte le soluzioni fin qui note sono però particolarmente svantaggiose in termini di costi e di ingombro complessivo. DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE
Scopo della presente invenzione à ̈ di fornire un metodo di controllo di un motore a combustione interna sovralimentato mediante un turbocompressore, il quale metodo di controllo sia di facile ed economica implementazione e, in particolare, sia in grado di ridurre drasticamente il fenomeno del ritardo del turbo senza compromettere i consumi.
Secondo la presente invenzione viene fornito un metodo di controllo di un motore a combustione interna sovralimentato mediante un turbocompressore 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 illustra schematicamente una prima forma di attuazione di un motore a combustione interna sovralimentato mediante un turbocompressore e provvisto di una centralina elettronica di controllo che implementa un metodo di controllo realizzato secondo la presente invenzione;
- la figura 2 illustra schematicamente un particolare di una seconda forma di attuazione del motore a combustione interna sovralimentato della figura 1; e
- la figura 3 Ã ̈ una diagramma a blocchi di un possibile algoritmo di controllo che fornisce la pressione obiettivo a partire dalla richiesta di coppia motrice.
FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL’INVENZIONE
Nella figura 1, con il numero 1 Ã ̈ indicato nel suo complesso un motore a combustione interna sovralimentato mediante un sistema 2 di sovralimentazione a turbocompressore.
Il motore 1 a combustione interna comprende quattro cilindri 3, ciascuno dei quali à ̈ collegato ad un collettore 4 di aspirazione tramite almeno una rispettiva valvola di aspirazione (non illustrata) e ad un collettore 5 di scarico tramite almeno una rispettiva valvola di scarico (non illustrata). Il collettore 4 di aspirazione riceve aria fresca (cioà ̈ aria proveniente dall’ambiente esterno) attraverso un condotto 6 di aspirazione, il quale à ̈ provvisto di un filtro 7 aria ed à ̈ regolato da una valvola 8 a farfalla. Lungo il condotto 6 di aspirazione à ̈ disposto un intercooler 9 avente la funzione di raffreddare l’aria aspirata. Al collettore 5 di scarico à ̈ collegato un condotto 10 di scarico che alimenta i gas di scarico prodotti dalla combustione ad un sistema di scarico, il quale emette i gas prodotti dalla combustione nell’atmosfera e comprende normalmente almeno un catalizzatore 11 ed almeno un silenziatore (non illustrato) disposto a valle del catalizzatore 11.
Il sistema 2 di sovralimentazione del motore 1 a combustione interna comprende un turbocompressore 12 provvisto di una turbina 13, che à ̈ disposta lungo il condotto 10 di scarico per ruotare ad alta velocità sotto l’azione dei gas di scarico espulsi dai cilindri 3, ed un compressore 14, il quale à ̈ disposto lungo il condotto 6 di aspirazione ed à ̈ collegato meccanicamente alla turbina 13 per venire trascinato in rotazione dalla turbina 13 stessa così da aumentare la pressione dell’aria alimentata nel condotto 6 di alimentazione.
Lungo il condotto 10 di scarico à ̈ previsto un condotto 15 di bypass, il quale à ̈ collegato in parallelo alla turbina 13 in modo da presentare le proprie estremità collegate a monte e a valle della turbina 13 stessa. Lungo il condotto 15 di bypass à ̈ disposta una valvola 16 di wastegate, la quale à ̈ atta a regolare la portata dei gas di scarico che fluiscono attraverso il condotto 15 di bypass ed à ̈ pilotata da un attuatore 17. Lungo il condotto 6 di scarico à ̈ previsto un condotto 18 di bypass, il quale à ̈ collegato in parallelo al compressore 14 in modo da presentare le proprie estremità collegate a monte e a valle del compressore 14 stesso. Lungo il condotto 18 di bypass à ̈ disposta una valvola 19 Poff, la quale à ̈ atta a regolare la portata dell’aria che fluisce attraverso il condotto 18 di bypass ed à ̈ pilotata da un attuatore 20.
La trattazione che precede fa esplicito riferimento ad un motore 1 a combustione interna sovralimentato mediante un turbocompressore 12. In alternativa, il metodo di controllo sopra descritto può trovare vantaggiosa applicazione in un qualsiasi motore a combustione interna sovralimentato, mediante ad esempio un compressore dinamico o volumetrico.
Secondo una prima variante, il motore 1 a combustione interna à ̈ provvisto di una macchina elettrica connessa meccanicamente al turbocompressore 12 e predisposta per il recupero dell’energia dei gas di scarico; secondo questa variante, à ̈ possibile sia erogare la coppia motrice necessaria assorbendo energia elettrica, sia frenare erogando energia elettrica.
In alternativa à ̈ possibile applicare il metodo di controllo di seguito descritto ad un motore a combustione interna sovralimentato del tipo descritto nella domanda di brevetto EP-A1-2096277 e comprendente una turbina, un compressore meccanicamente indipendente dalla turbina, un generatore elettrico portato in rotazione dalla turbina per generare corrente elettrica ed un motore elettrico che porta in rotazione il compressore.
In generale, le forme di attuazione sopra descritte sono accumunate dal fatto di presentare un volume d’aria fra il compressore 14 ed i cilindri 3. La massa di aria intrappolata in ciascun cilindro 3 per ogni ciclo motore, può essere regolata mediante la rispettiva valvola di aspirazione (non illustrata), per mezzo di un dispositivo di attuazione valvola con legge di apertura variabile come ad esempio camless elettromagnetico o elettroidraulico. Oppure in alternativa, la massa di aria intrappolata in ciascun cilindro 3 per ogni ciclo motore à ̈ regolata mediante l’interposizione di una valvola 27, preferibilmente a farfalla e illustrata nella figura 2, fra il compressore 14 e le valvole di aspirazione. Oppure come ulteriore alternativa, à ̈ possibile prevedere sia un dispositivo di attuazione valvola con legge di apertura variabile sia l’inserimento di una valvola 27, preferibilmente a farfalla, fra il compressore 14 e le valvole di aspirazione.
Il motore 1 a combustione interna à ̈ controllato da una centralina 21 elettronica di controllo, la quale sovrintende al funzionamento di tutte le componenti del motore 1 a combustione interna tra le quali il sistema 2 di sovralimentazione. In particolare, la centralina 21 elettronica di controllo pilota gli attuatori 17 e 20 della valvola 16 di wastegate e della valvola 19 Poff. La centralina 21 elettronica di controllo à ̈ collegata a dei sensori 22 che misurano la temperatura Toe la pressione Polungo il condotto 6 di aspirazione a monte del compressore 14, a dei sensori 23 che misurano la temperatura e la pressione lungo il condotto 6 di aspirazione a monte della valvola 8 a farfalla, ed a dei sensori 24 che misurano la temperatura e la pressione all’interno del collettore 4 di aspirazione. Inoltre, la centralina 21 elettronica di controllo à ̈ collegata ad un sensore 25 che misura la posizione angolare (e quindi la velocità di rotazione) di un albero motore del motore 1 a combustione interna ed un sensore 26 che misura la fase delle valvole di aspirazione e/o di scarico. É altresì importante evidenziare che non sono necessari sensori atti a misurare la velocità di rotazione del turbocompressore 12.
Tra le altre cose, la centralina 21 elettronica di controllo à ̈ predisposta per gestire una riserva di sovralimentazione che consente di ottimizzare le prestazioni del motore 1 a combustione interna. Viene di seguito descritta la modalità di controllo utilizzata dalla centralina 21 elettronica di controllo per gestire la riserva di sovralimentazione.
Questa modalità di controllo prevede di mantenere una pressione Pobj di sovralimentazione effettiva (corrispondente alla pressione Pobj obiettivo per il controllo) superiore alla pressione Pobj_carico di sovralimentazione obiettivo minima in grado di garantire il carico obiettivo, ossia Ptmin. Questa modalità può essere à ̈ penalizzante dal punto di vista dei consumi, in quanto può obbligare il controllo motore a chiudere parzialmente la valvola 8 a farfalla con una conseguente riduzione del rendimento; in questo caso, il lavoro di compressione del turbocompressore 12 à ̈ parzialmente inutile,aumenta la contropressione allo scarico e quindi aumenta il lavoro di pompaggio dei pistoni con un conseguente aumento dei consumi. Dall’altro lato, questa modalità di controllo migliora le prestazioni in transitorio dal momento che il turbocompressore 12 viene sempre mantenuto attivo e quindi à ̈ in grado di entrare in azione molto rapidamente (cioà ̈ la riserva di sovralimentazione à ̈ utilizzabile in caso di bisogno).
Quando da una condizione di coppia o potenza motrice modesta (bassi regimi di rotazione e velocità contenuta) si verifica una improvvisa e rapida richiesta di ad esempio il pilota affonda decisamente il pedale dell’acceleratore), il turbocompressore 12 risponde rapidamente senza un ritardo del turbo apprezzabile.
In particolare, la suddetta modalità di controllo prevede di determinare un valore Ptminminimo della pressione di sovralimentazione ed un valore Ptmaxmassimo della pressione di sovralimentazione, che garantiscano il carico obiettivo, ossia la massa di aria necessaria al motore per generare la coppia motrice desiderata.
La differenza fra il valore Ptmaxmassimo della pressione di sovralimentazione ed il valore Ptminminimo della pressione di sovralimentazione definisce una riserva RDSmaxdi sovralimentazione massima.
La pressione Pobj di sovralimentazione effettiva, che diventa l’obbiettivo del controllo, à ̈ mantenuta superiore alla pressione Ptmin di sovralimentazione obiettivo minima e pari ad un valore compreso all’interno della riserva RDSmaxdi sovralimentazione massima.
Per questo motivo, à ̈ possibile definire una riserva RDS di sovralimentazione effettiva, che à ̈ pari alla differenza fra il valore della pressione Pobj di sovralimentazione effettiva e la pressione Ptmin di sovralimentazione obiettivo minima necessaria per garantire il carico obiettivo. La riserva RDS di sovralimentazione effettiva consente, in caso di necessità , al turbocompressore 12 di entrare in azione molto rapidamente.
E’ inoltre possibile definire un grado GRDS di riserva di sovralimentazione come il rapporto fra la riserva RDS di sovralimentazione effettiva e la riserva RDSmax di sovralimentazione massima.
L’ampiezza della riserva RDS di sovralimentazione effettiva può essere determinata in funzione di una pluralità di obiettivi. In particolare, à ̈ possibile ipotizzare di voler ottimizzare alternativamente uno dei seguenti obiettivi oppure una loro combinazione:
- l’efficienza globale del motore 1 a combustione interna e del turbocompressore 12 (vale a dire ottimizzare il consumo csspecifico globale del motore 1 a combustione interna);
- il consumo csspecifico per ciascun punto motore; - il consumo per un singolo ciclo guida;
- l’accelerazione del motore 1 a combustione interna; - la riduzione del ritardo del turbocompressore 12 (in altre parole il “turbo lag†);
- la gestione dell’energia in caso sia presente anche una macchina elettrica (non illustrata) connessa meccanicamente al turbocompressore o elettricamente;
- ecc.
Inoltre, l’ampiezza della riserva RDS di sovralimentazione effettiva à ̈ variabile in funzione di pluralità di parametri. Alcuni di questi parametri possono essere determinati in una fase preliminare di settaggio e messa a punto della centralina 21 elettronica di controllo mentre altri parametri possono essere determinati, durante la guida, dal pilota del veicolo.
L’ampiezza della riserva RDS di sovralimentazione effettiva può essere variata in funzione della posizione del manettino che determina la modalità di funzionamento scelta dal pilota. In particolare, secondo una prima variante à ̈ possibile differenziare fra una modalità di funzionamento sportiva ed una modalità di funzionamento normale; tipicamente, infatti, una modalità di funzionamento sportiva privilegia le prestazioni mentre una modalità di funzionamento normale privilegia la riduzione dei consumi. Quando viene selezionata la modalità di funzionamento normale che privilegia la riduzione dei consumi viene utilizzato un “controllo meno reattivo†(riserva RDS di sovralimentazione minore o nulla), mentre quando viene selezionata la modalità di funzionamento sportiva viene utilizzato un “controllo più reattivo†(maggiore riserva RDS di sovralimentazione) per cercare di diminuire sensibilmente il ritardo del turbo o turbo-lag.
Secondo una ulteriore variante, il pilota può scegliere fra un pluralità (tipicamente quattro) distinte posizioni del manettino a cui corrispondono rispettive riserve di sovralimentazione di ampiezza diversa, ad esempio sui veicoli per formula 1.
L’ampiezza della riserva RDS di sovralimentazione effettiva può essere variata in funzione del punto del circuito o della strada che si sta percorrendo.
La riserva RDS di sovralimentazione può essere determinata in funzione del punto del circuito allo scopo di garantire la massima accelerazione in uscita dalle curve ed una ripresa nel rettilineo e velocità massima, ottimizzando il compromesso fra prestazioni e consumi.
Secondo una variante, la centralina 21 elettronica di controllo à ̈ collegata al navigatore del veicolo in modo da poter acquisire le informazioni necessarie attraverso le mappe del navigatore. Il punto del circuito o della strada che si sta percorrendo può essere espresso sia come la distanza da un predeterminato punto di un circuito (tipicamente, ad esempio, il traguardo) nel caso di applicazioni sportive oppure, generalizzando, attraverso le sue coordinate (latitudine, longitudine e quota).
In caso di applicazione sportiva, l’ampiezza della riserva RDS di sovralimentazione effettiva à ̈ variabile in funzione del punto del circuito della gara che si sta disputando e del numero di giri rimasti da percorrere per completare la gara.
L’ampiezza della riserva RDS di sovralimentazione effettiva può essere variata anche in funzione dello stato di riempimento del serbatoio. In questo caso, l’ampiezza della riserva RDS di sovralimentazione effettiva può essere determinata in funzione della quantità di combustibile rimasto nel serbatoio ed in funzione del numero di giri rimasti da percorrere di una gara che si sta disputando, in caso di applicazioni sportive. Oppure, per applicazione si veicoli di serie, l’ampiezza della riserva RDS di sovralimentazione effettiva può essere determinata in funzione della quantità di combustibile residuo nel serbatoio ed in funzione dei km rimasti da percorrere per giungere a destinazione, nel caso in cui la centralina 21 elettronica di controllo sia collegata al navigatore del veicolo e il pilota abbia precedentemente impostato un itinerario. Oppure ancora, secondo una possibile variante l’ampiezza della riserva RDS di sovralimentazione effettiva à ̈ determinata in funzione della autonomia residua desiderata dal pilota del veicolo.
Infine, l’ampiezza della riserva RDS di sovralimentazione effettiva può essere variata in funzione della differenza fra la massima coppia Cmax erogabile dal motore 1 a combustione interna e la coppia effettiva C erogata dal motore 1 a combustione interna. In questo caso, la riserva RDS di sovralimentazione effettiva tende a zero quando la coppia effettiva C erogata dal motore 1 a combustione interna tende alla massima coppia Cmax erogabile dal motore 1 a combustione interna; e viceversa.
In sostanza si verifica che, quando il veicolo percorre una curva, la coppia effettiva C erogata dal motore 1 a combustione interna sia inferiore alla massima coppia Cmax erogabile dal motore 1 a combustione interna; quindi, la riserva RDS di sovralimentazione effettiva à ̈ diversa da zero. Quando all’uscita dalla curva, il pilota affonda decisamente il pedale dell’acceleratore per richiedere una coppia maggiore per affrontare il successivo rettilineo, la riserva RDS di sovralimentazione effettiva consente di poter erogare rapidamente la coppia richiesta. Quando il veicolo percorre invece il rettilineo, la coppia effettiva C erogata dal motore 1 a combustione interna tende ad essere pari alla massima coppia Cmax erogabile dal motore 1 a combustione interna e quindi la riserva RDS di sovralimentazione effettiva tende ad azzerarsi.
Appare altresì evidente che la riserva RDS di sovralimentazione effettiva possa essere determinata selettivamente in funzione di uno dei fattori sopra elencati oppure da una combinazione dei detti fattori.
Secondo un preferita variante, allo scopo di ottimizzare il consumo del motore 1 a combustione interna, la pressione Pobjdi sovralimentazione obiettivo à ̈ pari ad un valore di pressione compreso fra il valore Ptminminimo della pressione di sovralimentazione ed il valore Ptmaxmassimo della pressione di sovralimentazione. Il valore di pressione Ptobj_csmin di sovralimentazione obiettivo in grado di minimizzare il consumo csspecifico à ̈ un valore può essere determinato per via sperimentale per tutti i punti motore.
La pressione Pobjdi sovralimentazione obiettivo in grado di minimizzare il consumo csspecifico à ̈ variabile in funzione della velocità n di rotazione espressa in giri al minuto [rpm] e del carico C. Il carico C può, a sua volta, essere determinato dalla coppia Ce effettiva erogata, dalla coppia Ci+ indicata positiva, dalla coppia Ci indicata oppure ancora dal rendimento volumetrico di aspirazione (ottenuto dal rapporto fra la massa di aria intrappolata per ciascun cilindro 3 per ogni ciclo e la massa di aria che riempie ciascun cilindro 3 per ogni ciclo in condizioni di riferimento).
Più genericamente la pressione Pobjdi sovralimentazione può essere espressa come segue:
Ptobj_csmin=f(C, n, posizione farfalla, posizione vvt, alzata vva, EGR)
In altre parole, la pressione Ptobj_csmin di sovralimentazione in grado di minimizzare il consumo specifico del motore à ̈ determinata in funzione del punto motore, del carico e della velocità di rotazione, della posizione della valvola a farfalla (se presente), della legge di alzata valvola variabile, della fasatura e infine della posizione o della quantità dell’egr.
Nel caso di un motore semplice, vale a dire provvisto di un turbocompressore 12, farfalla motorizzata e di una legge di distribuzione tradizionale (vale a dire con fasatura fissa e alzata valvola fissa) la riserva RDS di sovralimentazione in grado di minimizzare il consumo specifico del motore tende ad annullarsi ossia la farfalla tende alla posizione WOT tutta aperta.
Secondo una preferita variante, il valore Ptminminimo della pressione di sovralimentazione ed il valore Ptmaxmassimo della pressione di sovralimentazione possono essere determinati come segue.
Secondo una preferita variante, il valore Ptmaxmassimo della pressione di sovralimentazione rappresenta la massima pressione di sovralimentazione ammissibile per il turbocompressore 12 e/o il valore di pressione a cui corrisponde la coppia Cmaxmassima erogata dal motore 1 a combustione interna.
Il valore Ptmaxmassimo della pressione di sovralimentazione à ̈ variabile in funzione della portata MRmassica ridotta del compressore 14.
In una fase preliminare di settaggio e messa a punto del motore 1 a combustione interna viene determinata in modo sperimentale Pt_max_ass(Mrid) ossia la massima pressione realizzabile in funzione della portata massica ridotta assoluta, vale a dire nelle condizioni ambiente di riferimento più favorevoli (pressione atmosferica e temperatura ambiente) e in funzione della macchina elettrica nel caso del turbo compound (legge che corrisponde in sostanza alla valvola 16 di wastegate tendenzialmente chiusa compatibilmente con i limiti strutturali del turbocompressore 12 o turbo compound).
Durante una fase di progettazione e messa a punto del motore 1 a combustione interna, vengono analizzate le curve caratteristiche del compressore 14 (fornite dal produttore del turbocompressore 12) in un piano portata massica ridotta / rapporto di compressione. Mediante l’analisi delle curve caratteristiche di funzionamento del compressore 14 viene determinata delle curve che limita la velocità di rotazione del turbocompressore ed il pompaggio del turbocompressore 12; ed in funzione delle suddette curve caratteristiche viene limitato l’obiettivo di pressione a valle del compressore 14. Il valore Pt_max_ass(Mrid) massimo della pressione di sovralimentazione definito sopra viene quindi limitato dal valore della pressione di sovralimentazione ottenuto dal prodotto fra il rapporto di compressione limite (variabile in funzione della portata massica ridotta e ricavato dall’analisi delle curve caratteristiche del compressore 14) ed il valore di pressione presente a monte del compressore 14 che altro non à ̈ che la pressione atmosferica, a meno delle relative perdite di carico.
Secondo una preferita variante, il rapporto di compressione limite à ̈ variabile in funzione di un indice Δdyn dinamico che consente la modifica delle dette curve caratteristiche di funzionamento del compressore 14; il detto indice Δdyn dinamico à ̈ determinato, secondo una preferita variante, in funzione della portata massica ridotta del compressore 14 e della dinamica della portata massica ridotta del compressore 14.
Per una migliore comprensione delle strategie sopra descritte (per la determinazione del valore Ptmaxmassimo della pressione di sovralimentazione, dell’indice Δdyn dinamico, ecc) si fa esplicito riferimento a quanto descritto nel brevetto europeo EP-B1-1741895, nel brevetto europeo EP-B1-2014894, nella domanda di brevetto italiano BO2010A000579, nella domanda di brevetto italiano BO2010A000604 e nella domanda di brevetto italiano BO2010A000605.
In generale, il valore Ptmax massimo della pressione di sovralimentazione può essere espresso in questo modo:
Ptmax(Mrid)=min(Pt_max_ass(Mrid),(RRCOMPLIM(Mrid)+∆dyn (Mdyn,Mrid))*Pmonte_compressore)
Oppure, secondo una variante:
Ptmax(Mrid)=(RRCOMPLIM(Mrid)+∆dyn(Mdyn,Mrid))*Pmonte_c ompressore
Secondo una variante, il valore Ptmax massimo della pressione di sovralimentazione viene saturato in questo modo:
Ptmax= min(Ptmax(Mrid),Ptcmax(n))
al valore di pressione minimo fra il valore di pressione cui corrisponde la massima coppia motrice erogata in funzione della velocità n di rotazione espressa in giri al minuto [rpm] ed il valore Ptmaxmassimo della pressione di sovralimentazione in funzione della portata MRmassica ridotta del compressore 14 sopra descritto. Secondo una ulteriore variante, il valore Ptmax massimo della pressione di sovralimentazione à ̈ pari al valore di pressione cui corrisponde la massima coppia motrice erogata in funzione della velocità N di rotazione espressa in giri al minuto [rpm]. É valida la seguente equazione: Ptmax=Ptcmax(n).
Il valore Ptminminimo della pressione di sovralimentazione rappresenta la pressione di sovralimentazione minima che consente di realizzare la coppia motore effettiva desiderata; in sostanza la Ptminà ̈ la pressione minima che garantisce la massa di aria intrappolata necessaria per fornire la coppia desiderata all’albero motore, tenendo conto delle friction, del lavoro di pompaggio e dei carichi ausiliari (condizionatore, tergilunotto ecc.) e di tutti i parametri motore (anticipo di accensione, titolo miscela, posizione attuatori ecc.).
Ad esempio, nel caso di un motore 1 a combustione interna sovralimentato del tipo illustrato nella figura 1 (e cioà ̈ provvisto di un turbocompressore 12 con valvola 16 wastegate, una valvola 19 Poff, una valvola 8 a farfalla, in particolare del tipo DBW), il valore Ptminminimo della pressione di sovralimentazione può essere determinato in una fase preliminare di settaggio e messa a punto del motore 1 a combustione interna sovralimentato mediante una serie di analisi al banco motore e può essere calcolato mediante un modello di riempimento del motore 1 a combustione interna, ad es. del tipo speed density p=f(massa, velocità motore, posizione attuatori, temperatura aria, temperatura acqua…)
Nella figura 3 Ã ̈ rappresentato un possibile modello di controllo che fornisce la Ptmin partendo dalla richiesta di coppia motrice.
La richiesta di coppia Ce_obj effettiva (all’albero motore) da parte del pilota del veicolo viene determinata dalla posizione del pedale Ped acceleratore, ad esempio mediante una mappa. Oltre alla richiesta di coppia Ce_obj effettiva, occorre tenere conto anche delle richieste per le friction motore, il lavoro Pomp di pompaggio ed i carichi Aux ausiliari. Si determina in questo modo la coppia Ci_obj media indicata positiva. Viene quindi utilizzata una mappa che, in funzione della coppia Ci_obj media indicata positiva e della velocità n motore, fornisce la massa m’objdi aria necessaria. Tale mappa rappresenta l’inverso del consumo Cs specifico.
La massa m’objdi aria necessaria così ottenuta à ̈ saturata ad un valore massimo di massa mmax(n) di aria, che à ̈ a sua volta determinato dalla massima coppia motrice ed à ̈ variabile in funzione della velocità n motore.
Dalla massa mobjdi aria effettiva che si ricava, à ̈ possibile determinare la pressione Pt’obj necessaria a monte della valvola di aspirazione, attraverso il modello di riempimento; tale pressione Pt’obj a meno delle perdite di carico, rappresenta la pressione minima necessaria nel circuito di sovralimentazione, che saturata alla pressione Patmatmosferica, fornisce la pressione Ptmin minima di sovralimentazione obiettivo.
In alcuni casi può verificarsi che la riserva RDS sovralimentazione sia tale da ridurre il consumo csspecifico nel caso in cui la legge di alzata della valvola di aspirazione variabile porti ad una riduzione del lavoro di pompaggio. In altre parole, la riserva RDS di sovralimentazione può consentire di erogare la stessa coppia motrice con una pressione più elevata della pressione Ptmin di sovralimentazione obiettivo minima e, di conseguenza, a parità di coppia motrice erogata, si riduce il consumo csspecifico e si à ̈ reattivi in caso di richiesta di incremento di coppia e/o accelerazione grazie alla riserva di sovralimentazione. L’attuatore con legge di alzata variabile che comanda la valvola di aspirazione può essere ad esempio del tipo camless elettromagnetico (che consente qualsiasi fasatura)oppure elettroidraulico (che consente qualsiasi tipo di alzata, quindi alzata massima e fasatura).
In sostanza, ciò che si verifica à ̈ che ad una richiesta di coppia C motrice da parte del pilota del veicolo che affonda il pedale dell’acceleratore, la centralina 21 elettronica di controllo determina la coppia Ci_objmotrice obiettivo. Alla coppia (indicata positiva, o indicata, o effettiva) Ci_objmotrice obiettivo corrisponde una massa di aria obiettivo da intrappolare nei cilindri 3 che deve essere saturata ad un valore massimo di massa di aria obiettivo variabile in funzione della velocità N di rotazione espressa in giri al minuto [rpm], cui à ̈ associata la coppia massima del motore. A sua volta, alla massa di aria obiettivo la centralina 21 elettronica di controllo fa corrispondere una pressione Ptobj’ obiettivo nel collettore 4 di aspirazione, che saturata alla pressione atmosferica fornisce (a meno delle perdite di carico) la pressione minima obiettivo di sovralimentazione Ptmin.
Secondo una variante, nel caso in cui con l’obiettivo di minimizzare il consumo Cs specifico la riserva RDS di sovralimentazione sia nulla, à ̈ possibile determinare la riserva RDS di sovralimentazione per cercare di ottimizzare un ulteriore parametro. In particolare, à ̈ la riserva RDS di sovralimentazione può essere determinata per ottimizzare il rendimento ηturbodel turbocompressore 12. Come noto il rendimento ηturbodel turbocompressore 12 à ̈ ottenuto dal prodotto del rendimento ηtdella turbina 13, del rendimento ηcdel compressore 14 e del rendimento ηoorganico. Solitamente poi il rendimento ηcdel compressore 14 à ̈ variabile in funzione del rapporto di sovralimentazione e della portata massica ridotta del compressore 14; mentre il rendimento ηtdella turbina 13 à ̈ variabile in funzione del rapporto di espansione e della portata massica della turbina 13. Così facendo, à ̈ possibile limitare l’incremento del consumo Cs specifico e, al contempo, à ̈ possibile beneficiare del vantaggio dinamico che deriva dalla riserva RDS di sovralimentazione.
In altre parole quindi, secondo questa variante, la pressione Pobjdi sovralimentazione obiettivo à ̈ pari alla pressione Petactmaxche consente di ottimizzare il rendimento ηturbodel turbocompressore 12.
Secondo una ulteriore variante invece, nel caso in cui con l’obiettivo di minimizzare il consumo Cs specifico la riserva RDS di sovralimentazione sia nulla, à ̈ possibile determinare la riserva RDS di sovralimentazione per cercare di ottimizzare un ulteriore parametro. In particolare, à ̈ la riserva RDS di sovralimentazione può essere determinata per ottimizzare il rendimento complessivo del turbocompressore 12 e di una eventuale macchina elettrica, ad esso collegata, per il recupero di energia. Questa variante può trovare vantaggiosa applicazione in particolare per allinearsi ai nuovi regolamenti di F1.
In altre parole quindi, secondo questa variante, la pressione Pobjdi sovralimentazione obiettivo à ̈ pari alla pressione Petatcelmaxche consente di ottimizzare l’efficienza complessiva del turbocompressore 12 e della macchina elettrica collegata al turbocompressore 12 per il recupero dell’energia e/o l’accelerazione del rotore. È possibile inserire anche una pluralità di macchine elettriche. Alla pressione di sovralimentazione e alla portata massica ridotta à ̈ associata la velocità di rotazione della turbomacchina 12 e di conseguenza della eventuale macchina elettrica meccanicamente connessa. Mentre alla velocità di rotazione della turbomacchina 12 e al carico elettrico à ̈ associato il rendimento.
Nel caso di un veicolo che affronta un gran premio, il grado di riserva di sovralimentazione può essere determinato in questo modo:
GRDS = f0(xc, manettino_sat) * f1(Cmax- C)
in cui:
manettino_sat = min (manettino, manettino_lim)
e a sua volta:
manettino_lim = f2(L / Ngara_residui * f3(L))
Con xcsi intende la posizione del veicolo lungo il circuito del gran premio; la posizione del veicolo viene tipicamente espressa come la distanza dal traguardo.
Con manettino si intende invece la posizione del manettino che à ̈ stata selezionata dal pilota del veicolo. Le posizioni del manettino fra cui scegliere possono ad es. essere quattro indicate con numeri/cifre crescenti. E’ importante notare che al crescere della posizione selezionata del manettino, aumenta anche l’ampiezza della riserva RDS di sovralimentazione e, di conseguenza, anche i consumi. Quindi, per esempio, ad una posizione 3 del manettino corrisponde una riserva RDS di sovralimentazione più ampia e consumi elevati rispetto a quelli che corrispondono ad una posizione 1 del manettino.
Con L si indica la massa di combustibile residua disponibile nel serbatoio e con Ngara_residui si indica il numero di giri rimasti da percorrere per portare a termine il gran premio.
Con manettino_lim si intende invece la posizione manettino a cui corrisponde la massima riserva RDS di sovralimentazione residua che consente al veicolo di portare a termine la gara. La funzione f2à ̈ la funzione inversa del consumo per ogni giro del gran premio a seconda della posizione selezionata per il manettino, ossia della mappatura del grado GRDS di riserva di sovralimentazione nella posizione del circuito. Tipicamente questa funzione à ̈ rappresentata da un vettore in cui, a ciascuna posizione selezionabile del manettino corrisponde una mappatura della riserva di sovralimentazione e quindi un consumo per giro con tale grado GRDS di riserva di sovralimentazione mappato per giro.
Con manettino_sat si intende invece la posizione del manettino a cui corrisponde la riserva di sovralimentazione selezionata dal pilota (attraverso la selezione della posizione del manettino) che à ̈ saturata al valore della riserva di sovralimentazione che consente al veicolo di portare al termine il gran premio (e calcolata attraverso manettino_lim).
La funzione f1à ̈ una funzione della differenza fra la coppia Cmaxmassima erogabile e la coppia C erogata. Il valore della funzione f1 riduce l’ampiezza della riserva di sovralimentazione tanto più la coppia C erogata si avvicina alla coppia Cmaxmassima erogabile.
La funzione f0à ̈ una funzione, tipicamente rappresentata da un mappa, che per ogni posizione del veicolo lungo il circuito del gran premio e per ogni posizione selezionabile del manettino, definisce la riserva RDS di sovralimentazione; ossia può essere definito come tante mappature del grado GRDS di riserva di sovralimentazione per posizione nel circuito in funzione della posizione manettino. Come già evidenziato, l’ampiezza del grado di riserva GRDS di sovralimentazione à ̈ maggiore in corrispondenza delle posizioni più alte del manettino. Il compromesso fra prestazioni e consumi à ̈ implicito nella funzione f0(xc,manettino).
In alternativa, nel caso in cui il veicolo venga utilizzato durante le qualifiche e non durante il gran premio à ̈ possibile ipotizzare di spingere al massimo le prestazioni del veicolo (e quindi aumentare l’ampiezza della riserva RDS di sovralimentazione) a discapito dei consumi del veicolo.
Secondo una ulteriore alternativa, à ̈ possibile determinare manettino_sat in modo diverso. Nel caso in cui la posizione selezionata per il manettino sia diversa dalla massima posizione selezionabile (ad esempio la posizione indicata con “4†), vale a dire quella a cui corrisponde la riserva RDS di sovralimentazione di ampiezza massima, allora manettino_sat viene determinato come spiegato nella trattazione che precede, vale a dire come la riserva di sovralimentazione selezionata dal pilota (attraverso la selezione della posizione del manettino) che à ̈ saturata al valore della riserva di sovralimentazione che consente al veicolo di portare al termine il gran premio (e calcolata attraverso manettino_lim).
Nel caso in cui la posizione selezionata per il manettino sia uguale alla massima posizione selezionabile (ad esempio la posizione indicata con “4†), vale a dire quella a cui corrisponde la riserva RDS di sovralimentazione di ampiezza massima, allora manettino_sat viene determinato diversamente, in funzione del valore assegnato alla variabile manettino_lim. Nel caso in cui manettino_lim sia uguale a 1, allora anche manettino_sat viene uguagliato a 1. Nel caso in cui manettino_lim sia invece maggiore di 1, allora manettino_sat viene uguagliato alla variabile manettino decrementato di 1.
Poiché manettino_sat rappresenta la riserva di sovralimentazione selezionata dal pilota ma che, al contempo, consente al veicolo di portare al termine il gran premio, nel caso in cui manettino_lim sia uguale a 1 (cioà ̈ alla posizione cui corrisponde la riserva di sovralimentazione di ampiezza minima) à ̈ importante mantenere una riserva di alimentazione di ampiezza modesta per poter garantire al veicolo di portare a termine il gran premio. Nel caso in cui manettino_lim sia diverso da 1 (cioà ̈ dalla posizione cui corrisponde la riserva di sovralimentazione di ampiezza minima) à ̈ invece possibile aumentare l’ampiezza della riserva di sovralimentazione per un periodo di tempo di durata limitata.
Ad esempio, questa condizione può verificarsi nel caso in cui, il pilota selezioni la posizione 4 del manettino per consentire al veicolo di effettuare un sorpasso lungo un rettilineo oppure per compiere un giro spingendo il veicolo con prestazioni al limite. Chiaramente, la riserva RDS di sovralimentazione media nei giri residui della gara sarà compromessa, ma sarà in ogni modo possibile portare a termine il gran premio.
La trattazione che precede trova vantaggiosa applicazione anche nel caso di un motore 1 a combustione interna con, cosidetto funzionamento aspirato, vale a dire anche nel caso in cui la pressione che garantisce il carico desiderato sia minore della pressione atmosferica.
Il sopra descritto metodo di controllo del motore 1 a combustione interna sovralimentato presenta numerosi vantaggi.
In primo luogo, il sopra descritto metodo di controllo à ̈ di semplice ed economica implementazione in una centralina elettronica di controllo di un motore 1 a combustione interna sovralimentato in quanto non richiede modifiche hardware e non richiede né una elevata capacità di calcolo, né una grande occupazione di memoria.
Inoltre, il sopra descritto metodo di controllo permette di ottenere, in qualsiasi modalità di funzionamento del motore 1 a combustione interna sovralimentato, una risposta sempre molto rapida in quanto il circuito di aria di sovralimentazione à ̈ già pressurizzato ed il turbocompressore 12 ha già una velocità elevata per rispondere alla richieste di maggior coppia C motrice. Oltre a ridurre drasticamente il fenomeno del ritardo del turbo o turbo-lag, il sopra descritto metodo di controllo consente di variare la risposta del turbocompressore 12 in funzione di una pluralità di parametri ed in funzione dei desideri del pilota e al contempo, consente di ottimizzare il compromesso fra consumi e prestazioni.
Claims (1)
- R I V E N D I C A Z I O N I 1.- Metodo di controllo di un motore (1) a combustione interna sovralimentato, in particolare mediante un turbocompressore (12) provvisto di una turbina (13) e di un compressore (14); il metodo di controllo comprende le fasi di: - determinare una pressione (Ptmin) di sovralimentazione obiettivo tale da garantire la coppia (Ci_obj) motrice obiettivo; - determinare una pressione (Pobj) di sovralimentazione effettiva superiore alla pressione (Ptmin) di sovralimentazione obiettivo; - determinare una riserva (RDS) di sovralimentazione effettiva da utilizzare in caso di un aumento della richiesta di coppia (Ci_obj) motrice obiettivo e pari alla differenza fra la pressione (Pobj) di sovralimentazione effettiva e la pressione (Ptmin) di sovralimentazione obiettivo; e - comandare il motore (1) a combustione interna sovralimentato in funzione della riserva (RDS) di sovralimentazione effettiva. 2.- Metodo di controllo secondo la rivendicazione 1, in cui la pressione (Ptmin) di sovralimentazione obiettivo corrisponde alla pressione (Ptmin) di sovralimentazione minima tale da garantire la coppia (Ci_obj) motrice obiettivo. 3.- Metodo di controllo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui la pressione (Pobj) di sovralimentazione effettiva à ̈ pari ad un valore di pressione compreso fra la pressione (Ptmin) di sovralimentazione obiettivo e la pressione (Ptmax) di sovralimentazione massima; in cui, la pressione (Ptmax) di sovralimentazione massima à ̈ superiore alla pressione (Ptmin) di sovralimentazione obiettivo. 4.- Metodo di controllo secondo la rivendicazione 3, in cui la pressione (Ptmax) di sovralimentazione massima rappresenta la massima pressione di sovralimentazione ammissibile per il turbocompressore (12) ed à ̈ variabile in funzione della portata (MR) massica ridotta del compressore (14). 5.- Metodo di controllo secondo la rivendicazione 4 e comprendente le ulteriori fasi di: determinare un rapporto di compressione limite, variabile in funzione della portata (MR) massica ridotta; e determinare la pressione (Ptmax) di sovralimentazione massima in funzione del prodotto fra il rapporto di compressione limite e la pressione presente a monte del compressore (14). 6.- Metodo di controllo secondo la rivendicazione 5 e comprendente le ulteriori fasi di: determinare, in una fase preliminare di settaggio e messa a punto del motore (1) a combustione interna, la massima pressione (Pt_max_ass) realizzabile in funzione della portata (MR_ass) massica ridotta assoluta, vale a dire nelle condizioni ambiente di riferimento più favorevoli; e determinare la pressione (Ptmax) di sovralimentazione massima in funzione della massima pressione (Pt_max_ass) realizzabile in funzione della portata (MR_ass) massica ridotta assoluta limitata al prodotto fra il rapporto di compressione limite e la pressione presente a monte del compressore (14). 7.- Metodo di controllo secondo la rivendicazione 5 o 6, in cui il rapporto di compressione limite à ̈ variabile in funzione di un indice (Δdyn) dinamico variabile in funzione della portata (MR) massica ridotta del compressore (14) e della dinamica della portata (MR) massica ridotta del compressore (14). 8.- Metodo di controllo secondo una delle rivendicazioni precedenti in cui la pressione (Pobj) di sovralimentazione effettiva à ̈ pari ad un valore di pressione in grado di minimizzare il consumo (cs) specifico del motore (1) a combustione interna sovralimentato. 9.- Metodo di controllo secondo una delle rivendicazioni precedenti in cui la pressione (Pobj) di sovralimentazione effettiva à ̈ variabile in funzione della velocità (n) di rotazione e del carico (C) del motore (1) a combustione interna sovralimentato. 10.- Metodo di controllo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la pressione (Pobj) di sovralimentazione effettiva à ̈ pari ad un valore di pressione in grado di minimizzare il consumo del motore (1) a combustione interna sovralimentato per un ciclo guida oppure di minimizzare il consumo del motore (1) a combustione interna sovralimentato per un singolo giro di una gara che si sta disputando. 11.- Metodo di controllo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la pressione (Pobj) di sovralimentazione effettiva à ̈ pari ad un valore di pressione in grado di ottimizzare il rendimento del turbocompressore (12). 12.- Metodo di controllo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la pressione (Pobj) di sovralimentazione effettiva à ̈ pari ad un valore di pressione in grado di ottimizzare l’efficienza complessiva del turbocompressore (12) e di un numero di macchine elettriche collegate al turbocompressore (12). 13.- Metodo di controllo secondo una delle rivendicazioni precedenti e comprendente le ulteriori fasi di: selezionare una modalità di funzionamento desiderata fra un numero di modalità di funzionamento possibili, di cui una modalità di funzionamento sportiva che privilegia le prestazioni ed una modalità di funzionamento standard che privilegia la riduzione dei consumi; e variare l’ampiezza della riserva (RDS) di sovralimentazione effettiva in funzione della modalità selezionata. 14.- Metodo di controllo secondo una delle rivendicazioni precedenti e comprendente le ulteriori fasi di: determinare il punto del circuito e/o della strada che si sta percorrendo; e variare l’ampiezza della riserva (RDS) di sovralimentazione effettiva in funzione del punto del circuito e/o della strada che si sta percorrendo. 15.- Metodo di controllo secondo una delle rivendicazioni precedenti e comprendente le ulteriori fasi di: determinare il punto del circuito di una gara che si sta disputando, ed il numero di giri rimasti da percorrere per completare la gara oppure una distanza desiderata residua da percorrere; e variare l’ampiezza della riserva (RDS) di sovralimentazione effettiva in funzione del punto del circuito della gara che si sta disputando e del numero di giri rimasti da percorrere per completare la gara o della distanza desiderata residua da percorrere. 16.- Metodo di controllo secondo una delle rivendicazioni precedenti e comprendente le ulteriori fasi di: determinare lo stato di riempimento di un serbatoio di combustibile del motore (1) a combustione interna sovralimentato; e variare l’ampiezza della riserva (RDS) di sovralimentazione effettiva in funzione dello stato di riempimento del serbatoio. 17.- Metodo di controllo secondo una delle precedenti rivendicazioni e comprendente le ulteriori fasi di: - selezionare una modalità di funzionamento desiderata fra un numero di modalità di funzionamento possibili, di cui una modalità di funzionamento sportiva che privilegia le prestazioni ed una modalità di funzionamento standard che privilegia la riduzione dei consumi; e - determinare la riserva (RDS) di sovralimentazione desiderata da utilizzare in caso di un aumento della richiesta di coppia (Ci_obj) motrice obiettivo e variabile in funzione della modalità di funzionamento desiderata e della posizione lungo il circuito di un gran premio. 18.- Metodo di controllo secondo la rivendicazione 17 e comprendente le ulteriori fasi di: determinare la massima riserva (RDS_max) di sovralimentazione ammissibile che consente al motore (1) a combustione interna sovralimentato di portare a termine il gran premio; e comandare il motore (1) a combustione interna sovralimentato in funzione della riserva (RDS) di sovralimentazione effettiva e della massima riserva (RDS_max) di sovralimentazione ammissibile. 19.- Metodo di controllo secondo la rivendicazione 18, e comprendente l’ulteriore fase di: determinare la massima riserva (RDS_max) di sovralimentazione ammissibile in funzione della massa di combustibile residua disponibile nel serbatoio e del numero di giri rimasti da percorrere per portare a termine il gran premio. 20.- Metodo di controllo secondo una delle precedenti rivendicazioni e comprendente le ulteriori fasi di: determinare la coppia effettiva (C) erogata dal motore (1) a combustione interna sovralimentato; calcolare la differenza fra la massima coppia (Cmax) erogabile dal motore (1) a combustione interna e la coppia effettiva (C) erogata dal motore (1) a combustione interna sovralimentato; e variare l’ampiezza della riserva (RDS) di sovralimentazione effettiva in funzione della differenza fra la massima coppia (Cmax) erogabile dal motore (1) a combustione interna e la coppia effettiva (C) erogata dal motore (1) a combustione interna sovralimentato.
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