ITBO20130224A1 - Metodo per il riconoscimento dei fenomeni di detonazione in un motore a combustione interna - Google Patents

Metodo per il riconoscimento dei fenomeni di detonazione in un motore a combustione interna

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ITBO20130224A1
ITBO20130224A1 IT000224A ITBO20130224A ITBO20130224A1 IT BO20130224 A1 ITBO20130224 A1 IT BO20130224A1 IT 000224 A IT000224 A IT 000224A IT BO20130224 A ITBO20130224 A IT BO20130224A IT BO20130224 A1 ITBO20130224 A1 IT BO20130224A1
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Filippo Cavanna
Nicola Garagnani
Riccardo Lanzoni
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Magneti Marelli Spa
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Description

DESCRIZIONE
“METODO PER IL RICONOSCIMENTO DEI FENOMENI DI DETONAZIONE IN UN MOTORE A COMBUSTIONE INTERNAâ€
SETTORE DELLA TECNICA
La presente invenzione à ̈ relativa ad un metodo di riconoscimento dei fenomeni di detonazione in un motore a combustione interna.
ARTE ANTERIORE
Un motore a combustione interna ad accensione comandata comprende un numero di cilindri, ciascuno dei quali à ̈ provvisto di un pistone che scorre ciclicamente all’interno del cilindro e di una candela che viene ciclicamente pilotata da una centralina elettronica per fare scoccare una scintilla tra i propri elettrodi e determinare quindi l’accensione dei gas compressi all’interno del cilindro stesso. La centralina di controllo comprende una memoria, in cui vengono memorizzate una serie di mappe che forniscono i valori di pilotaggio delle candele in funzione del punto motore corrente; in particolare, per ciascuna candela le mappe forniscono il valore dell’anticipo di accensione, cioà ̈ il valore dell’intervallo angolare che intercorre tra l’accensione, cioà ̈ tra lo scocco della scintilla tra gli elettrodi della candela, ed il punto morto superiore o PMS del pistone; se il valore dell’anticipo di accensione à ̈ zero, allora l’accensione, cioà ̈ lo scocco della scintilla tra gli elettrodi della candela, avviene esattamente in corrispondenza del punto morto superiore o PMS del pistone.
I valori dell’anticipo di accensione memorizzati nella mappe contenute nella centralina di controllo vengono determinati nella fase di messa a punto del motore per cercare di garantire una buona combustione in tutte le possibili condizioni di funzionamento in modo tale da avere un buon rendimento termico del motore e contemporaneamente salvaguardare l’integrità del motore stesso, cioà ̈ evitare la presenza di eccessivi fenomeni di detonazione all’interno dei cilindri. La detonazione à ̈ una combustione di tipo esplosivo di parte della miscela aria-carburante che ha luogo prima che essa sia raggiunta dal fronte della fiamma generato dalla candela; in seguito alla detonazione si crea una serie di onde di pressione che attraversano la camera di combustione andando a urtare con violenza contro le pareti metalliche. La detonazione avviene quando all'interno della camera si superano determinati valori critici di temperatura e di pressione (che possono variare anche considerevolmente da motore a motore) e, quando avviene a regimi medio-bassi spesso causa una tipica rumorosità metallica, chiaramente avvertibile e conosciuta come "battito in testa".
La detonazione si verifica di norma quando l'anticipo di accensione à ̈ eccessivo, quando si impiega un carburante con numero di ottano troppo basso (il potere antidetonante di un carburante viene appunto indicato dal suo numero di ottano) o, nei motori sovralimentati, quando la pressione di sovralimentazione à ̈ troppo alta.
L’andamento della combustione à ̈ influenzato da molti fattori (tra i più importanti le caratteristiche del carburante, la temperatura della testata del motore, il degrado delle candele) il cui effetto à ̈ sostanzialmente impossibile da prevedere con precisione. Per tale motivo risulta necessario rilevare l’eventuale presenza di eccessiva detonazione e, in caso di eccessiva detonazione in un cilindro, la centralina di controllo deve provvedere a ridurre per tale cilindro il valore dell’anticipo di accensione in modo tale da eliminare la detonazione nel cilindro stesso (in questo modo la massima pressione nel cilindro si riduce e viene raggiunta più tardi rispetto al PMS, rendendo “meno probabile†l’evento detonante).
Tuttavia, in termini di efficienza della combustione, ridurre l’anticipo di accensione di un cilindro corrisponde ad una perdita di rendimento termodinamico: la massa d’aria al cilindro e di conseguenza anche la massa di benzina iniettata vengono mantenute costanti, ma, riducendo l’anticipo di accensione, si riduce il rendimento di combustione, ovvero la frazione di energia chimica convertita in energia meccanica. Ciò evidentemente ha ripercussioni negative sul consumo di combustibile e sulla generazione di sostanza inquinanti.
Per questo motivo disporre di una strategia che consenta di riconoscere in modo efficace l’insorgere di eccessiva detonazione risulta di fondamentale importanza. DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE
Scopo della presente invenzione à ̈ fornire un metodo di riconoscimento dei fenomeni di detonazione in un motore a combustione interna, il quale metodo di controllo sia privo degli inconvenienti sopra descritti e, in particolare, sia di facile ed economica implementazione.
Ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire una unità di controllo elettronica predisposta per il riconoscimento dei fenomeni di detonazione in un motore a combustione interna, la quale unità sia esente dagli inconvenienti dello stato dell’arte.
Secondo la presente invenzione vengono forniti una unità di controllo ed un metodo per il riconoscimento dei fenomeni di detonazione 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 per il riconoscimento dei fenomeni di detonazione oggetto della presente invenzione;
- la figura 2 Ã ̈ una vista schematica di un cilindro del motore a combustione interna della figura 1; e - la figura 3 Ã ̈ uno schema a blocchi del metodo per il riconoscimento dei fenomeni di detonazione oggetto della presente invenzione.
FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL’INVENZIONE
Nella figura 1, con il numero 1 à ̈ indicato nel suo complesso un motore a combustione interna ad accensione comandata 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.
Secondo quanto illustrato nella figura 2, il motore 1 a combustione interna comprende un collettore 5 di aspirazione che à ̈ collegato a ciascun cilindro 2 mediante due valvole 6 di aspirazione (solo una delle quali à ̈ illustrata nella figura 2) e riceve aria fresca (cioà ̈ aria proveniente dall’ambiente esterno) attraverso una valvola 7 a farfalla mobile tra una posizione di chiusura ed una posizione di massima apertura. Inoltre, il motore 1 a combustione interna comprende un collettore 8 di scarico che à ̈ collegato a ciascun cilindro 2 mediante due valvole 9 di scarico (solo una delle quali à ̈ illustrata nella figura 2) che confluisce in un condotto di emissione (non illustrato) per emettere i gas prodotti dalla combustione nell’atmosfera.
La posizione di ciascuna valvola 9 di scarico viene direttamente controllata da un albero 10 a camme che riceve il moto dell’albero 4 motore; invece, la posizione delle valvole 6 di aspirazione viene controllata da un dispositivo 11 di controllo di apertura valvole che comanda le valvole 6 di aspirazione gestendone angolo di apertura ed alzata in modo da controllare la coppia erogata mediante le valvole 6 di aspirazione. Il dispositivo 11 di controllo di apertura valvole utilizza un tradizionale albero 12 a camme che riceve il moto dell’albero 4 motore e per ciascuna valvola 6 di aspirazione comprende un attuatore 13 idraulico elettrocontrollato (cioà ̈ controllato mediante una elettrovalvola), il quale à ̈ interposto tra uno stelo della valvola 6 di aspirazione e l’albero 12 a camme. Pilotando opportunamente ciascun attuatore 13 idraulico à ̈ possibile regolare il moto trasmesso dall’albero 12 a camme allo stelo della valvola 6 di aspirazione e quindi à ̈ possibile regolare l’effettiva alzata della valvola 6 di aspirazione. Quindi, l’azione del dispositivo 11 di controllo permette di variare per ciascun cilindro 2 e ad ogni ciclo motore l’effettiva alzata di ciascuna valvola 6 di aspirazione in modo indipendente dalle altre valvole 6 di aspirazione.
Per ciascun cilindro 2 à ̈ previsto un corrispondente iniettore 14; secondo la forma di attuazione illustrata nella figura 2, l’iniezione à ̈ di tipo indiretto e quindi ciascun iniettore 14 à ̈ disposto a monte del cilindro 2 in un condotto di aspirazione che collega il collettore 5 di aspirazione al cilindro 2. Secondo una alternativa forma di attuazione non illustrata, l’iniezione à ̈ di tipo diretto e quindi ciascun iniettore 14 à ̈ parzialmente disposto all’interno del cilindro 2.
Inoltre, ciascun cilindro 2 comprende una candela 15, la quale à ̈ disposta attraverso il cielo del cilindro 2 in posizione centrale tra le valvole 5 di aspirazione e le valvole 9 di scarico e viene ciclicamente attivata per determinare l’accensione dei gas compressi all’interno del cilindro 2 al termine di ciascuna fase di compressione.
Il motore 1 comprende una unità 16 di controllo, la quale sovraintende al funzionamento del motore 1 a combustione e, tra le altre cose, pilota le candele 15 per determinare l’accensione dei gas compressi all’interno di ciascun cilindro 2. L’unità 16 di controllo comprende una memoria 17, in cui vengono memorizzate una serie di mappe che forniscono i valori di pilotaggio delle candele 15 in funzione del punto motore corrente; in particolare, per ciascuna candela 15 (cioà ̈ per ciascun cilindro 2) le mappe memorizzate nella memoria 17 forniscono un anticipo di accensione standard.
Viene di seguito descritta la modalità di controllo della detonazione nel motore 1 a combustione interna che à ̈ implementata dalla unità 16 di controllo.
La modalità di controllo della detonazione che à ̈ implementata dalla unità 16 di controllo prevede di fornire una indicazione dell’intensità del fenomeno di detonazione nel motore 1 a combustione interna attraverso un opportuno trattamento di un segnale proveniente da uno o più sensori di detonazione connessi alla unità 16 di controllo. Ad esempio, à ̈ previsto un sensore di detonazione per ciascuna candela 15 predisposta per determinare l’accensione dei gas compressi all’interno di ciascun cilindro 2.
Secondo una preferita variante, ciascun sensore di detonazione comprende un misuratore di tensione, il quale à ̈ collegato e disposto in serie al circuito elettrico della candela 15 per misurare la tensione ai capi degli elettrodi della candela 15 durante la combustione.
Secondo una ulteriore variante, ciascun sensore di detonazione comprende invece un misuratore di pressione che rileva la massima ampiezza (MAPO – Maximum Amplitude Pressure Oscillation) della intensità delle onde di pressione generate nei cilindri 2 del motore 1 a combustione interna.
La figura 3 illustra schematicamente la modalità di controllo della detonazione che à ̈ implementata dalla unità 16 di controllo, in cui il blocco 20 riceve in ingresso il/i segnale/i proveniente/i dal detto uno o più sensori di detonazione connessi alla unità 16 di controllo e comprendenti ciascuno un rispettivo misuratore di tensione; il blocco 20 provvede ad elaborare il/i segnale/i proveniente/i dal detto uno o più sensori di detonazione connessi alla unità 16 di controllo e fornisce poi il segnale elaborato al successivo blocco 30.
In particolare, il/i segnale/i proveniente/i dal detto uno o più sensori di detonazione connessi alla unità 16 di controllo viene campionato ad una frequenza costante e determinata in una fase preliminare di settaggio e messa a punto. Secondo una preferita variante tale frequenza di campionamento à ̈ pari a 50 kHz. Secondo una preferita variante quando sono previsti almeno due sensori di detonazione, la frequenza di campionamento assume lo stesso valore per tutti i sensori di detonazione. Una volta che il segnale proveniente dal detto uno o più sensori di detonazione connessi alla unità 16 di controllo à ̈ stato campionato, si ottiene un segnale alternato che viene successivamente raddrizzato. Il segnale raddrizzato à ̈ ulteriormente elaborato per poter essere trasmesso al blocco 30.
Secondo una prima variante, a partire dal segnale raddrizzato se ne calcola la derivata ed il segnale derivato viene quindi trasmesso al blocco 30. L’azione derivativa sul segnale raddrizzato presenta però l’inconveniente di rendere la modalità di controllo della detonazione che à ̈ implementata dalla unità 16 di controllo troppo sensibile alle variazioni del segnale stesso.
Secondo una seconda e preferita variante, a partire dal segnale raddrizzato se ne calcola l’integrale ed il segnale integrato viene quindi trasmesso al blocco 30. L’azione integrale sul segnale raddrizzato consente che la modalità di controllo della detonazione che à ̈ implementata dalla unità 16 di controllo abbia memoria dei valori passati del segnale. Secondo quanto illustrato nella figura 3, il segnale integrato viene quindi trasmesso al blocco 30.
E’ altresì importante evidenziare che il segnale integrato che viene trasmesso al blocco 30 non rappresenta altro che l’energia di combustione. Tale energia di combustione à ̈ chiaramente dipendente dal cilindro 2 e dal punto motore di cui si sta osservando la combustione dal momento che il segnale proviene da un sensore di detonazione, che à ̈ collegato al circuito elettrico di una rispettiva candela 15 per misurare la tensione ai capi degli elettrodi della candela 15 stessa durante la combustione in un determinato punto motore del rispettivo cilindro 2.
Si à ̈ verificato sperimentalmente come l’energia di detonazione di ciascuna combustione presa in esame (cioà ̈ per il cilindro 2 in esame in un determinato punto motore) à ̈ variabile tra un valore nullo che indica la completa assenza di detonazione ed un valore massimo che indica una combustione completamente detonante. In particolare, l’energia di detonazione di ciascuna combustione presa in esame (cioà ̈ per il cilindro 2 in esame in un determinato punto motore) assume una distribuzione χ<2>log-normale. Tale distribuzione χ<2>log-normale può essere distorta con un artificio matematico (ovvero con il passaggio attraverso una curva logaritmica) e trasformata in una distribuzione gaussiana o normale, caratterizzata da un valore µ1medio e da una deviazione σ1standard.
Chiaramente, la distribuzione χ<2>log-normale non rappresenta altro che la distribuzione di probabilità di una variabile aleatoria il cui logaritmo segue una distribuzione normale caratterizzata da un valore µ1medio e da una deviazione σ1standard.
Il blocco 30 à ̈ quindi predisposto per ricevere in ingresso la distribuzione χ<2>log-normale dell’energia di detonazione di ciascuna combustione presa in esame (cioà ̈ per il cilindro 2 in esame in un determinato punto motore) ed elaborarla in modo da fornire in uscita la distribuzione normale dell’energia di detonazione di ciascuna combustione presa in esame (cioà ̈ per il cilindro 2 in esame in un determinato punto motore).
L’elaborazione al blocco 30 della distribuzione χ<2>log-normale dell’energia di detonazione di ciascuna combustione presa in esame (cioà ̈ per il cilindro 2 in esame in un determinato punto motore) viene compiuta perché nella distribuzione normale il valore µ1medio la deviazione σ1standard sono indipendenti anche se dipendono entrambi dal punto motore .
In particolare, la distribuzione normale dell’energia di detonazione di ciascuna combustione presa in esame (cioà ̈ per il cilindro 2 in esame in un determinato punto motore) à ̈ caratterizzata da un valore µimedio e da una deviazione σistandard.
Il valore µimedio rappresenta il contributo nominale di rumorosità della combustione presa in esame (cioà ̈ per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente). In altre parole, il valore µimedio rappresenta l’energia ovvero la rumorosità media della combustione presa in esame (cioà ̈ per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente).
La deviazione σistandard à ̈ determinata invece dalla variabilità ciclica, compresi gli eventuali fenomeni di errate combustioni (misfire, detonazione…). In altre parole, lo scostamento del valore dell’i-esima combustione dal valor medio consentono di identificare anche la tendenza o la predisposizione della combustione presa in esame (cioà ̈ per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente) a detonare.
Appare da subito evidente come una corretta determinazione del valore µimedio (ovvero del contributo nominale di rumorosità della combustione presa in esame, cioà ̈ per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente) e della deviazione σistandard (ovvero della tendenza o della predisposizione della combustione presa in esame cioà ̈ per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente) a detonare rappresentino il cuore della modalità di controllo della detonazione nel motore 1 a combustione interna che à ̈ implementato dalla unità 16 di controllo.
Il blocco 30 fornisce quindi un valore rappresentativo del rumore complessivo (rumorosità nominale media /-rumorosità dovuta ai fenomeni specifici del ciclo di combustione che si à ̈ verificato per il cilindro 2 in esame e nel punto motore corrente, che sono impossibili da scindere a priori dalla rumorosità nominale media). In altre parole ancora, il blocco 30 fornisce l’energia µidi combustione complessiva della i-esima combustione presa in esame per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente.
L’energia µidi combustione della i-esima combustione presa in esame per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente in uscita dal blocco 30 viene trasmessa in ingresso ad un blocco 40 che à ̈ predisposto per determinare l’energia media µi_mdi combustione per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente.
Il blocco 40 non rappresenta altro che un filtro, preferibilmente del tipo bassa passo. Secondo una preferita variante tale filtro à ̈ un filtro del primo ordine. Anche in questo caso à ̈ chiaro che una corretta determinazione della costante k di filtraggio del filtro nel blocco 40 rappresenti un aspetto fondamentale della modalità di controllo della detonazione nel motore 1 a combustione interna che à ̈ implementato dalla unità 16 di controllo. La costante k di filtraggio deve infatti risultare come il compromesso fra l’esigenza di indipendenza della singola iesima combustione presa in esame per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente e la capacità del filtro stesso di reagire al cambiamento delle condizioni, ovvero la capacità del filtro stesso di adattarsi al variare del cilindro 2 in esame e del punto motore corrente (in altre parole ancora, il filtro non deve essere eccessivamente “sordo†al variare del cilindro 2 in esame e del punto motore corrente).
All’interno della unità 16 di controllo sono memorizzate un gruppo di mappe MAPS1. Secondo una preferita variante, il gruppo di mappe MAPS1comprende una mappa MAPS1per ciascun cilindro 2 del motore 1 a combustione interna. A sua volta ciascuna mappa MAPS1per ciascun cilindro 2 del motore 1 a combustione interna comprende un numero di celle variabili in funzione dei punti motore che possono essere esplorati durante la marcia del motore 1 a combustione interna. Ciascuna mappa MAPS1per ciascun cilindro 2 del motore 1 a combustione interna comprende un numero di celle identificate univocamente dal regime di rotazione (rpm) e dal carico.
Il valore filtrato dell’energia µidi combustione della i-esima combustione presa in esame per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente in uscita dal blocco 40 viene utilizzato per aggiornare la corrispondente cella nel gruppo di mappe MAPS1; ovvero il valore filtrato viene utilizzato per aggiornare la mappa MAPS1del cilindro 2 preso in esame nella sua i-esima combustione nel punto motore corrente definito dal regime di rotazione (rpm) e dal carico (load).
L’aggiornamento della cella nel gruppo di mappe MAPS1à ̈ realizzata attraverso una media pesata fra il valore già memorizzato all’interno della detta cella nel gruppo di mappe MAPS1ed il valore filtrato dell’energia µidi combustione della i-esima combustione presa in esame per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente in uscita dal blocco 40.
L’energia media µi_mdi combustione per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente à ̈ ottenuta quindi attraverso la media pesata fra il valore già memorizzato all’interno della cella nel gruppo di mappe MAPS1ed il valore filtrato dell’energia µidi combustione della iesima combustione presa in esame ed à ̈ realizzata in modo tale che nell’aggiornamento della cella nel gruppo di mappe MAPS1il valore filtrato dell’energia µidi combustione della i-esima combustione presa in esame abbia un peso via via decrescente. In altre parole, da quante più i-esime combustioni del cilindro 2 preso in esame nel punto motore corrente si à ̈ stati in grado di derivare l’energia µidi combustione (ovvero la sua rumorosità nominale) allora tanto meno rilevante sarà il contributo del valore filtrato dell’energia µidi combustione della n-esima combustione presa in esame e tanto maggiore sarà il contributo del valore già memorizzato all’interno della cella nel gruppo di mappe MAPS1.
A questo scopo, all’interno della unità 16 di controllo sono memorizzate anche un gruppo di mappe MAPS2. Secondo una preferita variante, gruppo di mappe MAPS2presenta una struttura del tutto identica alla struttura del gruppo di mappe MAPS1.
In altre parole, secondo una preferita variante, il gruppo di mappe MAPS2comprende una mappa MAPS2per ciascun cilindro 2 del motore 1 a combustione interna; ovvero ancora ciascuna mappa MAPS2Ã ̈ associata ad una rispettiva mappa MAPS1del gruppo di mappe MAPS1. A sua volta inoltre ciascuna mappa MAPS2per ciascun cilindro 2 del motore 1 a combustione interna comprende un numero di celle variabili in funzione dei punti motore che possono essere esplorati durante la marcia del motore 1 a combustione interna. Ciascuna mappa MAPS2per ciascun cilindro 2 del motore 1 a combustione interna comprende un numero di celle identificate univocamente dal regime di rotazione (rpm) e dal carico (load). Anche in questo caso quindi a ciascuna cella che identifica un punto motore nelle mappe MAPS2corrisponde una rispettiva cella che identifica lo stesso punto motore nelle mappe MAPS1.
Il gruppo di mappe MAPS2comprende all’interno delle celle dei contatori del numero di combustioni che sono state prese in esame durante la vita del motore 1 a combustione interna per il corrispondente cilindro 2 e in un determinato punto motore.
I contatori all’interno delle celle del gruppo di mappe MAPS2sono inizializzate in una fase preliminare di settaggio e messa a punto delle unità 16 di controllo. Secondo una preferita forma di attuazione, i valori di inizializzazione dei contatori all’interno delle celle del gruppo di mappe MAPS2sono variabili in funzione del cilindro 2 e/o del punto motore preso in esame.
Inoltre, in una fase preliminare di settaggio e messa a punto, viene determinato anche un valore di saturazione inferiore. Secondo una preferita forma di attuazione, valore di saturazione inferiore à ̈ variabile in funzione del cilindro 2 e/o del punto motore preso in esame.
In uso, quando viene osservata una combustione durante la vita del motore 1 a combustione interna per un determinato cilindro 2 e in un determinato punto motore, il corrispondente contatore all’interno della cella del gruppo di mappe MAPS2che corrisponde a quel determinato cilindro 2 e a quel determinato punto motore viene decrementato di una unità.
All’aumentare del numero di combustioni osservate durante la vita del motore 1 a combustione interna per un determinato cilindro 2 e in un determinato punto motore (ovvero al diminuire del contatore all’interno della cella del gruppo di mappe MAPS2che corrisponde a quel determinato cilindro 2 e a quel determinato punto motore) aumenta il peso del valore già memorizzato all’interno della cella nel gruppo di mappe MAPS1e conseguentemente si riduce il peso del valore filtrato dell’energia µidi combustione della i-esima combustione presa in esame.
Nella media pesata fra il valore già memorizzato all’interno della cella nel gruppo di mappe MAPS1ed il valore filtrato dell’energia µidi combustione della iesima combustione presa in esame, i valori dei pesi sono quindi variabili durante la vita del motore 1 a combustione interna, in particolare in funzione del contatore all’interno della cella del gruppo di mappe MAPS2che corrisponde a quel determinato cilindro 2 e a quel determinato punto motore.
Secondo una prima variante, dal momento che quando viene osservata una combustione durante la vita del motore 1 a combustione interna per un determinato cilindro 2 e in un determinato punto motore, il corrispondente contatore all’interno della cella del gruppo di mappe MAPS2che corrisponde a quel determinato cilindro 2 e a quel determinato punto motore viene decrementato di una unità si può giungere alla condizione in cui il contatore à ̈ nullo per cui non si tiene più conto del valore filtrato dell’energia µidi combustione della i-esima combustione presa in esame; in altre parole l’energia media µidi combustione della i-esima combustione presa in esame per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente à ̈ pari al valore già memorizzato all’interno della cella nel gruppo di mappe MAPS1.
Secondo una seconda e preferita variante, quando viene osservata una combustione durante la vita del motore 1 a combustione interna per un determinato cilindro 2 e in un determinato punto motore, il corrispondente contatore all’interno della cella del gruppo di mappe MAPS2che corrisponde a quel determinato cilindro 2 e a quel determinato punto motore viene decrementato di una unità fino a raggiungere il corrispondente valore di saturazione inferiore. Una volta che il contatore ha raggiunto il corrispondente valore di saturazione inferiore non viene ulteriormente decrementato, ma viene mantenuto costante al valore di saturazione inferiore. In questo modo non à ̈ possibile giungere alla condizione in cui non si tiene più conto del valore filtrato dell’energia µidi combustione della i-esima combustione presa in esame. E in questo modo l’energia media µidi combustione della i-esima combustione presa in esame per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente continuerà ad essere pari alla media pesata fra il valore già memorizzato all’interno della cella nel gruppo di mappe MAPS1ed il valore filtrato dell’energia µidi combustione della i-esima combustione presa in esame; in cui il valore già memorizzato all’interno della cella nel gruppo di mappe MAPS1avrà un peso predominante e il valore filtrato dell’energia µidi combustione della i-esima combustione presa in esame un peso ridotto.
Il blocco 40 fornisce quindi in uscita l’energia media µi_mdi combustione per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente che viene trasmesso in ingresso ad un blocco 50. Il blocco 50 riceve quindi in ingresso sia il l’energia media µi_mdi combustione per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente dal blocco 40 sia l’energia µidi combustione della i-esima combustione presa in esame per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente dal blocco 30. Il blocco 50 à ̈ inoltre predisposto per confrontare il valore di energia µi_mdi combustione media per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente con l’energia µidi combustione della i-esima combustione presa in esame per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente.
Così facendo il blocco 50 à ̈ in grado di stabilire quanto l’energia µidi combustione della i-esima combustione presa in esame per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente si discosta dal valore di energia media µi_mdi combustione per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente. Il blocco 50 determina quindi la deviazione della i-esima combustione presa in esame per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente che rappresenta la variabilità ciclica, ovvero la tendenza o la predisposizione della i-esima combustione presa in esame per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente a detonare.
Il blocco 50 fornisce quindi in uscita la deviazione della i-esima combustione presa in esame per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente che viene trasmessa in ingresso ad un blocco 60. Il blocco 60 riceve in ingresso sia la deviazione della i-esima combustione presa in esame per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente dal blocco 50 sia lo scostamento massimo tollerabile per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente.
Il blocco 60 Ã ̈ inoltre predisposto per confrontare la deviazione della i-esima combustione presa in esame per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente con la deviazione massima per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente.
Viene di seguito descritta la modalità con cui determinare la deviazione σi_MAXstandard massima per ciascun cilindro 2 per ciascun punto motore esplorato durante il funzionamento del motore 1 a combustione interna.
L’unità 16 di controllo à ̈ predisposta per implementare una strategia “intrusiva†per il controllo dell’anticipo di accensione secondo la quale per ciascun cilindro 2 in ciascun punto motore l’anticipo di accensione standard fornito dal controllo motore attraverso le mappe 17 viene degradato per porsi nelle condizioni in cui non si verificherà l’insorgenza di fenomeni di detonazione. Tipicamente, tale strategia “intrusiva†prevede quindi per ciascun cilindro 2 in ciascun punto motore di ridurre l’anticipo di accensione attuato fino a porsi nelle condizioni in cui con certezza non si verificherà alcun fenomeno detonante.
All’interno della unità 16 di controllo sono memorizzate un gruppo di mappe MAPS3. Secondo una preferita variante, il gruppo di mappe MAPS3comprende una mappa MAPS3per ciascun cilindro 2 del motore 1 a combustione interna. A sua volta ciascuna mappa MAPS3per ciascun cilindro 2 del motore 1 a combustione interna comprende un numero di celle variabili in funzione dei punti motore che possono essere esplorati durante la marcia del motore 1 a combustione interna. Ciascuna mappa MAPS3per ciascun cilindro 2 del motore 1 a combustione interna comprende un numero di celle identificate univocamente dal regime di rotazione (rpm) e dal carico (load).
All’interno della unità 16 di controllo sono memorizzate anche un gruppo di mappe MAPS4. Secondo una preferita variante, il gruppo di mappe MAPS4presenta una struttura del tutto identica alla struttura del gruppo di mappe MAPS3.
In altre parole, secondo una preferita variante, il gruppo di mappe MAPS4comprende una mappa MAPS4per ciascun cilindro 2 del motore 1 a combustione interna; ovvero ancora ciascuna mappa MAPS4Ã ̈ associata ad una rispettiva mappa MAPS3del gruppo di mappe MAPS3. A sua volta inoltre ciascuna mappa MAPS4per ciascun cilindro 2 del motore 1 a combustione interna comprende un numero di celle variabili in funzione dei punti motore che possono essere esplorati durante la marcia del motore 1 a combustione interna. Ciascuna mappa MAPS4per ciascun cilindro 2 del motore 1 a combustione interna comprende un numero di celle identificate univocamente dal regime di rotazione (rpm) e dal carico (load). Anche in questo caso quindi a ciascuna cella che identifica un punto motore nelle mappe MAPS4corrisponde una rispettiva cella che identifica lo stesso punto motore nelle mappe MAPS3.
Il gruppo di mappe MAPS4comprende all’interno delle celle dei contatori del numero di combustioni che sono state prese in esame durante la vita del motore 1 a combustione interna per il corrispondente cilindro 2 e in un determinato punto motore.
I contatori all’interno delle celle del gruppo di mappe MAPS4sono inizializzate in una fase preliminare di settaggio e messa a punto della unità 16 di controllo. Secondo una preferita forma di attuazione, i valori di inizializzazione dei contatori all’interno delle celle del gruppo di mappe MAPS4sono variabili in funzione del cilindro 2 e/o del punto motore preso in esame. In uso, quando viene osservata una combustione durante la vita del motore 1 a combustione interna per un determinato cilindro 2 e in un determinato punto motore, il corrispondente contatore all’interno della cella del gruppo di mappe MAPS4che corrisponde a quel determinato cilindro 2 e a quel determinato punto motore viene decrementato di una unità.
Poiché l’unità 16 di controllo à ̈ predisposta per attuare un anticipo di accensione per ciascun cilindro 2 in ciascun punto motore tale da evitare l’insorgenza di fenomeni di detonazione, à ̈ possibile osservare un numero di combustioni per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente pari al corrispondente contatore all’interno della cella del gruppo di mappe MAPS4che corrisponde a quel determinato cilindro 2 e a quel determinato punto motore in cui sicuramente non si verificheranno fenomeni detonativi.
Per ciascuna i-esima combustione presa in esame per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente à ̈ possibile analizzare il segnale della i-esima combustione stessa presa in esame e, in particolare, à ̈ possibile apprendere il valore nominale di picco della rumorosità della i-esima combustione presa in esame per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente (rispetto alle precedenti, a partire dall’istante di inizio della procedura di apprendimento) per determinare la deviazione σi_MAXstandard massima per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente.
Il valore nominale di picco della rumorosità della iesima combustione presa in esame per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente viene utilizzato per aggiornare la corrispondente cella nel gruppo di mappe MAPS3; ovvero, il valore nominale di picco della rumorosità della i-esima combustione presa in esame per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente viene utilizzato per aggiornare la mappa MAPS3del cilindro 2 preso in esame nel punto motore corrente definito dal regime di rotazione (rpm) e dal carico (load).
L’aggiornamento della cella nel gruppo di mappe MAPS3à ̈ realizzata attraverso una media pesata fra il valore già memorizzato all’interno della detta cella nel gruppo di mappe MAPS3ed il valore nominale di picco della rumorosità della i-esima combustione presa in esame per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente.
La media pesata fra il valore già memorizzato all’interno della cella nel gruppo di mappe MAPS3ed il valore nominale di picco della rumorosità della i-esima combustione presa in esame per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente (rispetto alle precedenti, a partire dall’istante di inizio della procedura di apprendimento) à ̈ realizzata in modo tale che il valore nominale di picco della rumorosità della i-esima combustione presa in esame per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente abbia un peso via via crescente. In altre parole, per quante più i-esime combustioni del cilindro 2 preso in esame nel punto motore corrente si à ̈ in grado di osservare l’energia µidi combustione (ovvero la sua rumorosità nominale), allora tanto più rilevante sarà il contributo del valore nominale di picco della rumorosità della i-esima combustione presa in esame per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente e tanto meno rilevante sarà il contributo del valore già memorizzato all’interno della rispettiva cella nel gruppo di mappe MAPS3.
All’aumentare del numero di combustioni osservate durante la vita del motore 1 a combustione interna per un determinato cilindro 2 e in un determinato punto motore (ovvero al diminuire del contatore all’interno della cella del gruppo di mappe MAPS4che corrisponde a quel determinato cilindro 2 e a quel determinato punto motore) aumenta il peso del valore nominale di picco della rumorosità della i-esima combustione presa in esame per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente.
Nella media pesata fra il valore già memorizzato all’interno della cella nel gruppo di mappe MAPS3ed il valore nominale di picco della rumorosità della i-esima combustione presa in esame per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente, i valori dei pesi sono quindi variabili durante la fase di apprendimento del motore 1 a combustione interna, in particolare in funzione del contatore all’interno della cella del gruppo di mappe MAPS4che corrisponde a quel determinato cilindro 2 e a quel determinato punto motore.
Secondo una prima variante, dal momento che quando viene osservata una combustione durante la vita del motore 1 a combustione interna per un determinato cilindro 2 e in un determinato punto motore, il corrispondente contatore all’interno della cella del gruppo di mappe MAPS4che corrisponde a quel determinato cilindro 2 e a quel determinato punto motore viene decrementato di una unità si giunge alla condizione in cui il contatore à ̈ nullo e può dirsi conclusa la fase di apprendimento.
Tuttavia, poiché in termini di efficienza della combustione, ridurre l’anticipo di accensione di un cilindro 2 corrisponde ad una perdita di rendimento termodinamico in quanto la massa d’aria al cilindro 2 e di conseguenza anche la massa di benzina iniettata vengono mantenute costanti, ma, riducendo l’anticipo di accensione, si riduce il rendimento di combustione, ovvero la frazione di energia chimica convertita in energia meccanica e poiché la fase di apprendimento per ciascun cilindro à ̈ piuttosto lunga, secondo una preferita variante viene condotta la fase di apprendimento di un solo cilindro per volta in moda da evitare ripercussioni negative sul consumo di combustibile e sulla generazione di sostanza inquinanti.
Il blocco 60 riceve quindi in ingresso sia la deviazione σistandard della i-esima combustione presa in esame per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente dal blocco 50 sia la deviazione σi_MAXstandard massima per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente. Il blocco 60 à ̈ inoltre predisposto per confrontare la deviazione σistandard della i-esima combustione presa in esame per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente con la deviazione σi_MAXstandard massima per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente. Il blocco 60 à ̈ inoltre predisposto per determinare l’insorgere di fenomeni di detonazione in funzione del confronto fra la deviazione σistandard della i-esima combustione presa in esame per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente (che altresì rappresenta la tendenza della i-esima combustione presa in esame per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente a detonare) con la deviazione σi_MAXstandard massima per il cilindro 2 in esame nel punto motore corrente.
Nella trattazione che precede, le dimensioni dei gruppi di mappe indicati rispettivamente con MAPS1, MAPS2, MAPS3e MAPS4dipendono dal numero di cilindri (ncyl) e dal punto motore, ovvero dal regime di rotazione (rpm) e dal carico (load).
Inoltre, secondo una prima variante, l’unità 16 di controllo à ̈ predisposta per re-inizializzare i gruppi di mappe indicati rispettivamente con MAPS1, MAPS2, MAPS3e MAPS4in corrispondenza degli eventi di accensione dell’unità 16 di controllo medesima.
Secondo una possibile variante, i contatori all’interno delle celle del gruppo di mappe MAPS2e del gruppo di mappe MAPS4sono inizializzate in una fase preliminare di settaggio e messa a punto della unità 16 di controllo a valori nulli. Inoltre, in una fase preliminare di settaggio e messa a punto, vengono determinati dei valori di saturazione superiore. Secondo una preferita forma di attuazione, i valori di saturazione superiore sono variabili in funzione del cilindro 2 e/o del punto motore preso in esame. In uso, quando viene osservata una combustione durante la vita del motore 1 a combustione interna per un determinato cilindro 2 e in un determinato punto motore, il corrispondente contatore all’interno della rispettiva cella del gruppo di mappe MAPS2e all’interno della rispettiva cella del gruppo di mappe MAPS4che corrisponde a quel determinato cilindro 2 e a quel determinato punto motore viene incrementato di una unità fino al raggiungimento del rispettivo valore di saturazione superiore.
Il sopra descritto metodo di controllo della detonazione presenta numerosi vantaggi.
Innanzitutto la modalità di controllo sopra descritta viene applicata in modo individuale a ciascun cilindro 2, in questo modo à ̈ possibile tenere conto delle inevitabili differenze che esistono tra i vari cilindri 2 sia per effetto delle tolleranze costruttive, sia per effetto delle differenze di temperatura delle pareti dei cilindri 2 dovute alle diverse posizione dei cilindri 2 all’interno del motore 1 a combustione interna.
In secondo luogo, la modalità di controllo sopra descritta à ̈ di semplice ed economica implementazione in una centralina elettronica di controllo di un motore 1 a combustione interna in quanto non richiede alcuna modifica fisica ed impegna una modesta capacità di calcolo della unità 6 di controllo.
Inoltre, il sopra descritto metodo di controllo della detonazione permette di riconoscere in modo efficace l’insorgere dei fenomeni di detonazione e mantenere sotto controllo la detonazione nei vari cilindri 2 senza effetti negativi rilevanti sul rendimento termodinamico delle combustioni che viene mantenuto prossimo ai massimi valori possibili con evidenti benefici sui consumi e sul contenimento degli inquinanti.

Claims (1)

  1. RIVENDICAZIONI 1.- Metodo per il riconoscimento dell’insorgere di fenomeni di detonazione in un motore (1) a combustione interna provvisto di un numero di cilindri (2), di una unità (16) di controllo e di un numero di sensori di detonazione connessi alla unità (16) di controllo; il metodo prevede le fasi di: acquisire il segnale (S) proveniente dal detto numero di sensori di detonazione connessi alla unità (16) di controllo; elaborare il segnale (S) proveniente dal detto numero di sensori di detonazione connessi alla unità (16) di controllo in modo da ottenere l’energia (µi) di detonazione di ciascuna combustione presa in esame per un determinato cilindro (2) e in un determinato punto motore; filtrare l’energia (µi) di detonazione di ciascuna combustione presa in esame per un determinato cilindro (2) e in un determinato punto motore; calcolare l’energia (µi_m) di detonazione media per un determinato cilindro (2) e in un determinato punto motore mediante il valore filtrato della l’energia (µi) di detonazione di ciascuna combustione presa in esame per un determinato cilindro (2) e in un determinato punto motore; confrontare l’energia (µi) di detonazione di ciascuna combustione presa in esame per un determinato cilindro (2) e in un determinato punto motore con l’energia (µi_m) di detonazione media per un determinato cilindro (2) e in un determinato punto motore; determinare la varianza (σi) di ciascuna combustione presa in esame per un determinato cilindro (2) e in un determinato punto motore in funzione del confronto fra l’energia (µi) di detonazione di ciascuna combustione presa in esame per un determinato cilindro (2) e in un determinato punto motore con l’energia (µi_m) di detonazione media per un determinato cilindro (2) e in un determinato punto motore; calcolare la varianza (σi_max) massima per un determinato cilindro (2) e in un determinato punto motore mediante una riduzione dell’anticipo di accensione attuato nel determinato cilindro (2); confrontare la varianza (σi_max) massima per un determinato cilindro (2) e in un determinato punto motore con la varianza (σi) di ciascuna combustione presa in esame per un determinato cilindro (2) e in un determinato punto motore; e determinare l’insorgere di fenomeni di detonazione per ciascuna combustione presa in esame per un determinato cilindro (2) e in un determinato punto motore in funzione del confronto fra la varianza (σi_max) massima per un determinato cilindro (2) e in un determinato punto motore e la varianza (σi) di ciascuna combustione presa in esame per un determinato cilindro (2) e in un determinato punto motore. 2.- Metodo secondo la rivendicazione 2 e comprendente le ulteriori fasi di: inizializzare in una fase preliminare di settaggio e messa a punto, una prima mappa (MAPS1) con i valori della energia (µi_m) di detonazione media per un determinato cilindro (2) e in un determinato punto motore; e aggiornare la prima mappa (MAPS1) con il valore filtrato della l’energia (µi) di detonazione di ciascuna combustione presa in esame per un determinato cilindro (2) e in un determinato punto motore. 3.- Metodo secondo la rivendicazione 2 e comprendente l’ulteriore fase di aggiornare la prima mappa (MAPS1) con il valore filtrato della l’energia (µi) di detonazione di ciascuna combustione presa in esame per un determinato cilindro (2) e in un determinato punto motore mediante una media pesata fra il valore filtrato della l’energia (µi) di detonazione di ciascuna combustione presa in esame per un determinato cilindro (2) e in un determinato punto motore e il valore contenuto all’interno della prima mappa (MAPS1) di energia (µi_m) di detonazione media per un determinato cilindro (2) e in un determinato punto motore. 4.- Metodo secondo la rivendicazione 3 e comprendente le ulteriori fasi di: inizializzare in una fase preliminare di settaggio e messa a punto, una seconda mappa (MAPS2) di contatori delle combustioni prese in esame per un determinato cilindro (2) e in un determinato punto motore; e determinare i pesi da attribuire al valore filtrato della l’energia (µi) di detonazione di ciascuna combustione presa in esame per un determinato cilindro (2) e in un determinato punto motore e al valore contenuto all’interno della prima mappa (MAPS1) di energia (µi_m) di detonazione media per un determinato cilindro (2) e in un determinato punto motore in funzione della seconda mappa (MAPS2) di contatori delle combustioni prese in esame per un determinato cilindro (2) e in un determinato punto motore. 5.- Metodo secondo la rivendicazione 4, in cui il valore filtrato della energia (µi) di detonazione di ciascuna combustione presa in esame per un determinato cilindro (2) ha un peso via via decrescente. 6.- Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti e comprendente le ulteriori fasi di: inizializzare in una fase preliminare di settaggio e messa a punto, una terza mappa (MAPS3) con i valori della varianza (σi_max) massima per un determinato cilindro (2) e in un determinato punto motore; e aggiornare, durante una fase di apprendimento, la terza mappa (MAPS1) con il valore nominale di picco della rumorosità della i-esima combustione presa in esame per un determinato cilindro (2) e in un determinato punto motore. 7.- Metodo secondo la rivendicazione 6 e comprendente l’ulteriore fase di aggiornare la terza mappa (MAPS3) con il valore nominale di picco della rumorosità della i-esima combustione presa in esame per un determinato cilindro (2) e in un determinato punto motore mediante una media pesata fra il valore nominale di picco della rumorosità della i-esima combustione presa in esame per un determinato cilindro (2) e in un determinato punto motore e il valore contenuto all’interno della terza mappa (MAPS3) di varianza (σi_max) massima per un determinato cilindro (2) e in un determinato punto motore. 8.- Metodo secondo la rivendicazione 7 e comprendente le ulteriori fasi di: inizializzare in una fase preliminare di settaggio e messa a punto, una quarta mappa (MAPS4) di contatori delle combustioni prese in esame per un determinato cilindro (2) e in un determinato punto motore; e determinare i pesi da attribuire valore nominale di picco della rumorosità della i-esima combustione presa in esame per un determinato cilindro (2) e in un determinato punto motore e al valore contenuto all’interno della terza mappa (MAPS3) di di varianza (σi_max) massima per un determinato cilindro (2) e in un determinato punto motore in funzione della quarta mappa (MAPS4) di contatori delle combustioni prese in esame per un determinato cilindro (2) e in un determinato punto motore. 9.- Metodo secondo la rivendicazione 8, in cui il valore nominale di picco della rumorosità della i-esima combustione presa in esame per un determinato cilindro (2) e in un determinato punto motore ha un peso via via crescente. 10.- Metodo secondo una delle rivendicazioni da 2 a 9, in cui la prima mappa (MAPS1) e/o la seconda mappa (MAPS2) e/o la terza mappa (MAPS3) e/o la quarta mappa (MAPS4) presentano un numero di celle variabili in funzione del numero (Ncyl) di cilindri (2) e dei punti motore individuati dal regime di rotazione (rpm) e dal carico (load). 11.- Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti in cui la fase di calcolare la varianza (σi_max) massima per un determinato cilindro (2) e in un determinato punto motore mediante una riduzione dell’anticipo di accensione attuato nel determinato cilindro (2) à ̈ realizzata degradando l’anticipo di accensione attuato nel determinato cilindro (2) fino ad un valore tale per cui non si verificheranno fenomeni detonanti. 12.- Unità (16) di controllo elettronica predisposta per implementare un metodo per il riconoscimento dell’insorgere di fenomeni di detonazione in un motore (1) a combustione interna realizzato in accordo con una o più delle rivendicazioni da 1 a 11.
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