ITBO20130480A1 - Metodo di correzione della portata massica ridotta di un compressore in un motore a combustione interna turbocompresso mediante un turbocompressore - Google Patents

Metodo di correzione della portata massica ridotta di un compressore in un motore a combustione interna turbocompresso mediante un turbocompressore

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ITBO20130480A1
ITBO20130480A1 IT000480A ITBO20130480A ITBO20130480A1 IT BO20130480 A1 ITBO20130480 A1 IT BO20130480A1 IT 000480 A IT000480 A IT 000480A IT BO20130480 A ITBO20130480 A IT BO20130480A IT BO20130480 A1 ITBO20130480 A1 IT BO20130480A1
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Magneti Marelli Spa
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Description

DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
“METODO DI CORREZIONE DELLA PORTATA MASSICA RIDOTTA DI UN COMPRESSORE IN UN MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA TURBOCOMPRESSO MEDIANTE UN TURBOCOMPRESSOREâ€
SETTORE DELLA TECNICA
La presente invenzione à ̈ relativa ad un metodo di correzione della portata massica ridotta di un compressore in un motore a combustione interna turbocompresso mediante un turbocompressore.
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. In un sistema di sovralimentazione a turbocompressore à ̈ necessario mantenere il campo di funzionamento del turbocompressore all’interno di una zona utile dipendente dal punto motore sia per motivi funzionali (cioà ̈ per evitare funzionamenti irregolari o comunque a basso rendimento), sia per motivi strutturali (cioà ̈ per evitare danneggiamento del turbocompressore). Per potere limitare la pressione di sovralimentazione (cioà ̈ la pressione dell’aria compressa a valle del compressore), in parallelo alla turbina à ̈ disposto un condotto di bypass regolato da una valvola wastegate; quando la valvola wastegate si apre una parte dei gas di scarico fluisce lungo il condotto di bypass e quindi by-passa la turbina e questo comporta una diminuzione della velocità di rotazione della girante e, quindi, una diminuzione della sovralimentazione.
Per controllare la valvola wastegate viene utilizzato un attuatore pneumatico pilotato da una elettrovalvola di regolazione che permette di regolare l’intervento della valvola wastegate. L’attuatore pneumatico comprende un guscio sigillato che internamene supporta una membrana flessibile, la quale divide il guscio sigillato in due camere tra loro stagne. La membrana flessibile à ̈ meccanicamente collegata ad una asta rigida che pilota la valvola wastegate per comandare l’apertura e la chiusura della valvola wastegate stessa. Una prima camera à ̈ collegata alla pressione atmosferica, mentre una seconda camera à ̈ collegata alla pressione di sovralimentazione ed à ̈ collegabile anche alla pressione atmosferica attraverso un condotto regolato dalla elettrovalvola di regolazione di tipo proporzionale che à ̈ atta a parzializzare il condotto tra una posizione chiusa, in cui il condotto à ̈ completamente chiuso, ed una posizione di massima apertura.
Nella prima camera à ̈ disposta una molla di contrasto che à ̈ compressa tra una parete del guscio e la membrana 28 flessibile e si appoggia alla membrana flessibile dal lato opposto dell’asta. Quando la differenza di pressione tra le due camere à ̈ inferiore ad una soglia di intervento (determinato dal precarico della molla di contrasto), l’asta mantiene la valvola wastegate in una posizione completamente chiusa, mentre quando la differenza di pressione tra le due camere à ̈ superiore alla soglia di intervento, la molla di contrasto inizia a comprimersi sotto la spinta della membrana flessibile che quindi si deforma determinando uno spostamento dell’asta che sposta di conseguenza la valvola wastegate verso la posizione di apertura. Pilotando l’elettrovalvola di regolazione à ̈ possibile collegare la seconda camera alla pressione atmosferica con una luce di passaggio variabile, quindi à ̈ possibile regolare la differenza di pressione tra le due camere che, a sua volta, determina l’apertura o la chiusura della valvola wastegate. E’ importante osservare che fino a quando la differenza tra la pressione di sovralimentazione e la pressione atmosferica non supera la soglia di intervento (pari al precarico generato dalla molla di contrasto diviso per l’area della membrana flessibile), la valvola wastegate non può venire aperta dall’azione che viene esercitata dalla elettrovalvola di regolazione (che può solo ridurre e non aumentare la differenza tra la pressione di sovralimentazione e la pressione atmosferica).
Nei motori a combustione interna noti, viene generata una pressione di sovralimentazione obiettivo che viene utilizzata per generare un comando della valvola wastegate sommando un contributo ad anello aperto ed un contributo ad anello chiuso: il contributo ad anello aperto viene generato utilizzando una mappa di controllo ricavata sperimentalmente mentre il contributo ad anello chiuso viene fornito da un regolatore PID che cerca di annullare un errore di pressione, ovvero una differenza tra la pressione di sovralimentazione obiettivo e la pressione di sovralimentazione effettiva misurata da un sensore.
Tuttavia, il precarico generato dalla molla di contrasto dell’attuatore pneumatico presenta una elevata dispersione costruttiva, una rilevante deriva termica, ed anche una certa deriva temporale. Inoltre, l’attuatore pneumatico presenta una isteresi rilevante, cioà ̈ il comportamento dell’attuatore pneumatico varia sensibilmente tra il movimento di apertura ed il movimento di chiusura contrario. Di conseguenza, la mappa di controllo utilizzata per determinare il contributo ad anello chiuso à ̈ fortemente non-lineare e l’inseguimento della pressione di sovralimentazione obiettivo risulta complicato; quindi, nei motori a combustione interna noti l’inseguimento della pressione di sovralimentazione obiettivo tende a presentare grandi sovraelongazioni o sottoelongazioni (cioà ̈ la pressione di sovralimentazione effettiva supera o à ̈ inferiore in modo anche rilevante alla pressione di sovralimentazione obiettivo), e quindi dare oscillazioni particolarmente quando la pressione di sovralimentazione si trova a cavallo della soglia di intervento al di sotto della quale la valvola wastegate non può venire aperta dall’azione che viene esercitata dalla elettrovalvola di regolazione.
Le sovraelongazioni (cioà ̈ i picchi) della pressione di sovralimentazione sono particolarmente fastidiose perché determinano delle sollecitazioni rilevanti (e quindi potenzialmente dannose nel tempo) nelle componenti meccaniche del motore a combustione interna e perché possono generare sia una rumorosità avvertibile dagli occupanti del veicolo, sia delle corrispondenti oscillazioni indesiderate nella coppia motrice generata dal motore a combustione interna.
Per ridurre l’entità delle sovraelongazioni à ̈ possibile ridurre il contributo integrativo del regolatore PID utilizzato per calcolare il contributo ad anello chiuso del comando della valvola wastegate.
Ad esempio, il brevetto EP2314850 descrive un metodo di controllo della valvola wastegate comprendente le fasi di determinare, in una fase di progettazione, una legge di controllo che fornisce una apertura obiettivo di un attuatore di pilotaggio della valvola wastegate in funzione di una pressione di sovralimentazione; determinare una pressione di sovralimentazione obiettivo; misurare una pressione di sovralimentazione effettiva; determinare un primo contributo ad anello aperto di una posizione obiettivo dell’attuatore di pilotaggio della valvola wastegate mediante la legge di controllo ed in funzione della pressione di sovralimentazione obiettivo; determinare un secondo contributo ad anello chiuso della posizione obiettivo dell’attuatore di pilotaggio della valvola wastegate; calcolare la posizione obiettivo dell’attuatore di pilotaggio della valvola wastegate sommando i due contributi; e pilotare l’attuatore di pilotaggio della valvola wastegate per inseguire la posizione obiettivo dell’attuatore di pilotaggio della valvola wastegate.
In cui, la fase di determinare il secondo contributo ad anello chiuso prevede di determinare una posizione fittizia dell’attuatore di pilotaggio della valvola wastegate mediante la legge di controllo ed in funzione della pressione di sovralimentazione effettiva; calcolare un errore di posizione eseguendo la differenza tra il primo contributo ad anello aperto della posizione obiettivo dell’attuatore di pilotaggio della valvola wastegate e la posizione fittizia dell’attuatore di pilotaggio della valvola wastegate; e determinare il secondo contributo ad anello chiuso processando l’errore di posizione mediante un primo regolatore che cerca di annullare l’errore di posizione stesso.
Il metodo di controllo descritto nel brevetto EP2314850 à ̈ però piuttosto robusto, pronto e privo di oscillazioni solo nella condizione operativa in cui non esista un significativo passaggio di aria dal collettore di aspirazione direttamente allo scarico del motore 1 a combustone interna.
DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE
Scopo della presente invenzione à ̈ fornire un metodo di correzione della portata massica ridotta di un compressore in un motore a combustione interna turbocompresso mediante un turbocompressore, il quale metodo di correzione sia privo degli inconvenienti sopra descritti e, in particolare, sia di facile ed economica implementazione.
Secondo la presente invenzione viene fornito un metodo di correzione della portata massica ridotta di un compressore in un motore a combustione interna turbocompresso 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 à ̈ una vista schematica di un motore a combustione interna sovralimentato mediante un turbocompressore e provvisto di una unità di controllo che implementa il metodo di correzione della portata massica ridotta di un compressore oggetto della presente invenzione;
- la figura 2 Ã ̈ vista schematica di un attuatore pneumatico della valvola wastegate;
- la figura 3 Ã ̈ un grafico che illustra una mappa di controllo sperimentale; e
- la figura 4 Ã ̈ uno schema a blocchi di una logica di controllo della valvola wastegate.
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 wastegate, la quale à ̈ atta a regolare la portata dei gas di scarico che fluiscono attraverso il condotto 15 di bypass ed à ̈ controllata da un attuatore 17 pneumatico. Lungo il condotto 6 di aspirazione 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 elettrico.
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 wastegate e della valvola 19 Poff. La centralina 21 elettronica di controllo à ̈ collegata a dei sensori 22 che misurano la temperatura e la pressione lungo 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.
Secondo quanto illustrato nella figura 2, l’attuatore 17 pneumatico della valvola 16 wastegate comprende un guscio 27 sigillato che internamene supporta una membrana 28 flessibile, la quale divide il guscio 27 sigillato in due camere 29 e 30 tra loro isolate. La membrana 28 flessibile à ̈ meccanicamente collegata ad una asta 31 rigida che pilota la valvola 16 wastegate per comandare l’apertura e la chiusura della valvola 16 wastegate stessa. La camera 29 à ̈ collegata mediante un condotto 32 alla pressione atmosferica (prelevata a monte del compressore 14), mentre la camera 30 à ̈ collegata mediante un condotto 33 alla pressione di sovralimentazione (prelevata a valle del compressore 14) ed à ̈ collegata mediante un condotto 34 alla pressione atmosferica (prelevata a monte del compressore 14). Il condotto 34 non à ̈ libero, ma à ̈ regolato da una elettrovalvola 35 di regolazione che à ̈ atta a parzializzare il condotto 34 tra una posizione chiusa, in cui il condotto 34 à ̈ completamente chiuso, ed una posizione di massima apertura.
Nella camera 29 à ̈ disposta una molla 36 di contrasto che à ̈ compressa tra una parete del guscio 27 e la membrana 28 flessibile e si appoggia alla membrana 28 flessibile dal alto opposto dell’asta 31. Quando la differenza di pressione tra la camera 30 e la camera 29 à ̈ inferiore ad una soglia di intervento (determinato dal precarico della molla 36 di contrasto), l’asta 31 mantiene la valvola 16 wastegate in una posizione completamente chiusa, mentre quando la differenza di pressione tra la camera 30 e la camera 29 à ̈ superiore alla soglia di intervento, la molla 36 di contrasto inizia a comprimersi sotto la spinta della membrana 28 flessibile che quindi si deforma determinando uno spostamento dell’asta 31 che sposta di conseguenza la valvola 16 wastegate verso la posizione di apertura. Pilotando l’elettrovalvola 35 di regolazione à ̈ possibile collegare la camera 30 alla pressione atmosferica con una luce di passaggio variabile, quindi à ̈ possibile regolare la differenza di pressione tra le due camere 29 e 30 che, a sua volta, determina l’apertura o la chiusura della valvola 16 wastegate.
E’ importante osservare che fino a quando la differenza tra la pressione P di sovralimentazione e la pressione Patmatmosferica non supera la soglia di intervento (pari al precarico generato dalla molla 36 di contrasto diviso per l’area della membrana 28 flessibile), la valvola 16 wastegate non può venire aperta dall’azione che viene esercitata dalla elettrovalvola 35 di regolazione (che può solo ridurre e non aumentare la differenza tra la pressione P di sovralimentazione e la pressione Patmatmosferica). A causa della dispersione costruttiva, della deriva termica, e della deriva temporale, il precarico generato dalla molla 36 di contrasto à ̈ conosciuto solo con una incertezza abbastanza rilevante (dell’ordine del ±20%).
In una fase di progettazione del motore 1 a combustione interna viene determinata in modo sperimentale una legge CL di controllo che fornisce una apertura WG obiettivo della elettrovalvola 35 di regolazione della valvola 16 wastegate in funzione di una pressione P di sovralimentazione (o meglio di un rapporto RP di sovralimentazione che à ̈ pari al rapporto tra la pressione P di sovralimentazione e la pressione Patmatmosferica ed à ̈ equivalente alla pressione P di sovralimentazione) e di una portata MRmassica ridotta del compressore 14. In altre parole, la legge CL di controllo fornisce l’apertura WG della elettrovalvola 35 di regolazione della valvola 16 wastegate che dovrebbe permette di ottenere una desiderata pressione P di sovralimentazione (o meglio un desiderato rapporto RP di sovralimentazione) in presenza di una certa portata MRmassica ridotta. Secondo una preferita forma di attuazione illustrata ad esempio nella figura 3, la legge CL di controllo à ̈ costituita da una mappa (cioà ̈ una tabella o meglio una matrice) sperimentale (che, come appare evidente nella figura 3, à ̈ fortemente non lineare); in alternativa, la legge CL di controllo potrebbe essere costituita da una funzione matematica. La legge CL di controllo viene memorizzata in una memoria della centralina 21 elettronica di controllo per venire utilizzata come sotto descritto.
In uso, durante il normale funzionamento del motore 1 a combustione interna la centralina 21 elettronica di controllo misura la pressione P di sovralimentazione effettiva (cioà ̈ la pressione dell’aria lungo il condotto 6 di aspirazione a valle del compressore 14), misura o stima (in modo noto) la pressione Patmatmosferica, e stima (in modo noto) la portata MRmassica ridotta effettiva del compressore 14. Inoltre, durante il normale funzionamento del motore 1 a combustione interna la centralina 21 elettronica di controllo determina in modo noto una pressione Pobjdi sovralimentazione obiettivo che deve venire inseguita pilotando, se necessario, l’elettrovalvola 35 di regolazione della valvola 16 wastegate. Per pilotare l’elettrovalvola 35 di regolazione della valvola 16 wastegate, la centralina 21 elettronica di controllo determina una posizione WGobjobiettivo della elettrovalvola 35 di regolazione della valvola 16 wastegate che viene generalmente attuata con un controllo ad anello aperto.
Secondo quanto illustrato nella figura 4, la posizione WGobjobiettivo della elettrovalvola 35 di regolazione della valvola 16 wastegate viene calcolata sommando algebricamente (cioà ̈ tenendo conto del segno) quattro contributi: un contributo WGOLad anello aperto, un contributo WGCL1ad anello chiuso, un contributo WGCL2ad anello chiuso, ed un contributo WGAadattativo.
Il contributo WGOLad anello aperto viene determinato utilizzando la legge CL di controllo: in funzione della pressione Pobjdi sovralimentazione obiettivo viene determinato un rapporto RPobjdi compressione obiettivo (che à ̈ pari al rapporto tra la pressione Pobjdi sovralimentazione obiettivo e la pressione Patmatmosferica ed à ̈ equivalente alla pressione Pobjdi sovralimentazione obiettivo); quindi il rapporto RPobjdi compressione obiettivo e la portata MRmassica ridotta effettiva vengono forniti ad un blocco 37 di calcolo che utilizzando la legge CL di controllo fornisce il contributo WGOLad anello aperto.
Preferibilmente, prima di venire fornito al blocco 37 di calcolo il rapporto RPobjdi compressione obiettivo viene filtrato mediante un filtro 38 passa-basso del primo ordine per ridurre la rapidità di variazione; in altre parole, il rapporto RPobjdi compressione obiettivo viene filtrato mediante il filtro 38 passa-basso in modo da rallentare l’evoluzione del rapporto RPobjdi compressione obiettivo “smussando†quindi eventuali variazioni a gradino. La funzione del filtro 38 passa-basso à ̈ di rendere l’evoluzione del rapporto RPobjdi compressione obiettivo più “reale†(cioà ̈ più aderente a quanto avviene nella realtà), in quanto à ̈ evidente che variazioni a gradino (o comunque molto rapide) della pressione P di sovralimentazione effettiva non sono possibili per evidenti limiti fisici dovuti alle inerzie in gioco. Secondo una preferita forma di attuazione, una frequenza di taglio del filtro 38 passa-basso viene determinata in funzione della portata MRmassica ridotta del compressore 14 e del rapporto RP di sovralimentazione effettivo secondo una legge determinata sperimentalmente.
Secondo una preferita forma di attuazione, il contributo WGOLad anello aperto fornito dal blocco 37 di calcolo viene prima compensato mediante tre parametri Katm, KH2Oe Kairdi compensazione e viene successivamente filtrato mediante un filtro 39 passa-basso del primo ordine per ridurre la rapidità di variazione. Il parametro Kairdi compensazione viene determinato da un blocco 40 di calcolo in funzione della temperatura Tairdell’aria aspirata ed utilizzando una equazione lineare avente dei coefficienti determinati sperimentalmente, il parametro KH2Odi compensazione viene determinato da un blocco 41 di calcolo in funzione della temperatura TH2Odi un liquido di raffreddamento del motore 1 a combustione interna ed utilizzando una equazione lineare avente dei coefficienti determinati sperimentalmente, ed il parametro Katmdi compensazione viene determinato da un blocco 42 di calcolo in funzione della pressione Patmatmosferica ed utilizzando una equazione lineare avente dei coefficienti determinati sperimentalmente; i coefficienti della equazione lineare che fornisce il parametro Katmdi compensazione in funzione della pressione Patmatmosferica potrebbero non essere costanti ma variare in funzione della portata MRmassica ridotta del compressore 14 e del rapporto RP di sovralimentazione effettivo secondo una legge determinata sperimentalmente.
Il contributo WGOLad anello aperto viene filtrato mediante il filtro 39 passa-basso in modo da rallentare l’evoluzione del contributo WGOLad anello aperto “smussando†quindi eventuali variazioni a gradino. La funzione del filtro 39 passa-basso à ̈ di rendere l’evoluzione del contributo WGOLad anello aperto più “reale†(cioà ̈ più aderente a quanto avviene nella realtà), in quanto à ̈ evidente che variazioni a gradino (o comunque molto rapide) della posizione della elettrovalvola 35 di regolazione non sono possibili per evidenti limiti fisici dovuti alle inerzie in gioco. Secondo una preferita forma di attuazione, una frequenza di taglio del filtro 39 passabasso viene determinata in funzione del rapporto RP di sovralimentazione effettivo secondo una legge determinata sperimentalmente. Secondo una preferita forma di attuazione, il contributo WGOLad anello aperto viene filtrato mediante il filtro 39 passa-basso in modo asimmetrico: il contributo WGOLad anello aperto viene filtrato mediante il filtro 39 passa-basso solo quando il contributo WGOLad anello aperto varia per aprire la valvola 16 wastegate e non quando il contributo WGOLad anello aperto varia per chiudere la valvola 16 wastegate; in questo modo, l’intervento del compressore 14 à ̈ più rapido (reattivo) favorendo la prontezza di risposta del motore 1 a combustione interna (quindi riducendo il “turbolag†) mentre lo spegnimento del compressore 14 à ̈ più dolce. E’ importante osservare che quando viene ricercata la massima prestazione à ̈ accettata (anzi, in alcuni casi desiderata) una reazione “brusca†del motore 1 a combustione interna, mentre in altre situazioni si desidera essenzialmente un comportamento “dolce†, cioà ̈ privo di interventi troppo rapidi e decisi. E’ importante osservare che grazie alla presenza del filtro 39 passa-basso vengono anche eliminati o fortemente attenuati eventuali fenomeni oscillatori nell’attuatore 17 pneumatico della valvola 16 wastegate; tale risultato viene ottenuto grazie al fatto che l’azione del filtro 39 passa-basso evita di fornire alla membrana 28 flessibile ed alla molla 36 di contrasto delle sollecitazioni troppo rapide che potrebbero innescare fenomeni oscillatori.
Il contributo WGCL1ad anello chiuso della posizione WGobjobiettivo della elettrovalvola 35 di regolazione della valvola 16 wastegate viene ottenuto utilizzando come variabile di retroazione una posizione WGF fittizia della valvola 16 wastegate (quindi una grandezza di controllo che non ha una precisa corrispondenza nella realtà fisica) che viene determinata non mediante una misura diretta con un sensore di misura reale, ma utilizzando come sensore di misura la legge CL di controllo. In altre parole, un blocco 43 di calcolo fornisce la posizione WGF fittizia della valvola 16 wastegate applicando la legge CL di controllo in funzione della pressione P di sovralimentazione effettiva (o meglio del rapporto RP di sovralimentazione effettivo) e della portata MRmassica ridotta del compressore 14; quindi la posizione WGF fittizia della valvola 16 wastegate corrispondente alla posizione che la valvola 16 wastegate dovrebbe avere secondo la legge CL di controllo (quindi affetta da tutti gli errori della legge CL di controllo) in concomitanza con il rapporto RP di sovralimentazione effettivo e la portata MRmassica ridotta effettiva del compressore 14. La posizione WGF fittizia della valvola 16 wastegate viene confrontata con il contributo WGOLad anello aperto che corrisponde alla posizione che la valvola 16 wastegate dovrebbe avere secondo la legge CL di controllo (quindi affetta da tutti gli errori della legge CL di controllo) in concomitanza con il rapporto RPobjdi compressione obiettivo e la portata MRmassica ridotta effettiva del compressore 14; in altre parole, il contributo WGOLad anello aperto rappresenta un obiettivo della posizione WGF fittizia in quanto à ̈ calcolato utilizzando il rapporto RPobjdi compressione obiettivo. In particolare, viene calcolato un errore εWGdi posizione eseguendo la differenza tra il contributo WGOLad anello aperto della posizione WGobjobiettivo della elettrovalvola 35 di regolazione della valvola 16 wastegate e la posizione WGF fittizia della valvola 16 wastegate e tale errore εWGdi posizione viene fornito ad un regolatore 44 PID che cerca di annullare l’errore εWGdi posizione stesso.
Il fatto di confrontare due valori (il contributo WGOLad anello aperto che rappresenta un obiettivo della posizione WGF fittizia e la posizione WGF fittizia) ottenuti dalla legge CL di controllo permette di compensare gli errori della legge CL di controllo e di linearizzare il comportamento fortemente non lineare della valvola 16 wastegate; in questo modo il regolatore 44 PID può lavorare con maggior stabilità e la calibrazione dei parametri di controllo (cioà ̈ dei coefficienti proporzionale, integrativo, derivato e delle soglie di saturazione) del regolatore 44 PID à ̈ relativamente semplice. Inoltre, l’anello di controllo del regolatore 44 PID à ̈ autocompensato rispetto alla temperatura Tairdell’aria aspirata, alla temperatura TH2Odi un liquido di raffreddamento del motore 1 a combustione interna, ed alla pressione Patmatmosferica.
Il contributo WGCL2ad anello chiuso della posizione WGobjobiettivo della elettrovalvola 35 di regolazione della valvola 16 wastegate viene determinato utilizzando la pressione P di sovralimentazione come variabile di retroazione; quindi, viene calcolato un errore εPdi pressione eseguendo la differenza tra la pressione Pobjdi sovralimentazione obiettivo e la pressione P di sovralimentazione effettiva e l’errore εWGdi pressione viene fornito ad un regolatore 45 PID che cerca di annullare l’errore εWGdi pressione stesso.
Preferibilmente, prima di venire confrontata con la pressione P di sovralimentazione effettiva la pressione Pobjdi sovralimentazione obiettivo viene filtrata mediante un filtro 46 passa-basso del primo ordine per ridurre la rapidità di variazione; in altre parole, la pressione Pobjdi sovralimentazione obiettivo viene filtrata mediante il filtro 46 passa-basso in modo da rallentare l’evoluzione della pressione Pobjdi sovralimentazione obiettivo “smussando†quindi eventuali variazioni a gradino. La funzione del filtro 46 passa-basso à ̈ di rendere l’evoluzione della pressione Pobjdi sovralimentazione obiettivo più “reale†(cioà ̈ più aderente a quanto avviene nella realtà), in quanto à ̈ evidente che variazioni a gradino (o comunque molto rapide) della pressione P di sovralimentazione effettiva non sono possibili per evidenti limiti fisici dovuti alle inerzie in gioco. Secondo una preferita forma di attuazione, una frequenza di taglio del filtro 46 passa-basso viene determinata in funzione della portata MRmassica ridotta del compressore 14 e del rapporto RP di sovralimentazione effettivo secondo una legge determinata sperimentalmente.
Per evitare interferenze negative tra l’azione del regolatore 44 e l’azione del regolatore 45, la dinamica del regolatore 44 à ̈ diversa dalla dinamica del regolatore 45; in particolare, il regolatore 44 à ̈ essenzialmente proporzionale e derivativo (cioà ̈ presenta dei coefficienti proporzionale e derivativo elevati ed un coefficiente integrale piccolo) per essere pronto (cioà ̈ agire con rapidità) mentre il regolatore 45 à ̈ essenzialmente integrale (cioà ̈ presenta dei coefficienti proporzionale e derivativo piccoli ed un coefficiente integrale elevato)per garantire la convergenza tra la pressione Pobjdi sovralimentazione obiettivo e la pressione P di sovralimentazione effettiva. Quindi il regolatore 44 viene utilizzato per reagire con rapidità e prontezza alle variazioni della pressione Pobjdi sovralimentazione obiettivo, mentre il regolatore 45 viene utilizzato per fare convergere la pressione P di sovralimentazione effettiva alla pressione Pobjdi sovralimentazione obiettivo al termine del transitorio.
Il contributo WGAadattativo della posizione WGobjobiettivo della elettrovalvola 35 di regolazione della valvola 16 wastegate à ̈ in sostanza una “memoria storica†delle precedenti attuazioni della valvola 16 wastegate e tiene conto degli interventi di controllo effettuati nel passato. Il contributo WGAadattativo viene memorizzato in una memoria 47 della centralina 21 elettronica di controllo e viene ciclicamente aggiornato quando il turbocompressore 12 si trova in regime stabilizzato (ad esempio quando la portata MRmassica ridotta del compressore 14 ed il rapporto RP di sovralimentazione rimangono all’incirca costanti per almeno un intervallo di tempo di durata predeterminata) ed utilizzando un termine integrale del regolatore 45 PID e/o del regolatore 44 PID; in sostanza, il contributo WGAadattativo à ̈ pari ad una “media†dei passati termini integrali del regolatore 45 PID e/o del regolatore 44 PID in corrispondenza di regimi stabili del turbocompressore 12. Il contributo WGAadattativo memorizzato nella memoria 47 viene aggiornato, quando il turbocompressore 12 si trova in regime stabilizzato, utilizzando il termine integrale del regolatore 45 PID e/o del regolatore 44 PID pesato mediante un peso W che à ̈ essenzialmente funzione di una posizione WG effettiva della elettrovalvola 35 di regolazione della valvola 16 wastegate in modo tale che il peso W sia minimo quando l’isteresi nel controllo della valvola 16 wastegate à ̈ massima; in questo modo l’adattività à ̈ sempre graduale (cioà ̈ l’ultimo termine integrale del regolatore 45 PID e/o del regolatore 44 PID non può stravolgere il contributo WGAadattativo memorizzato nella memoria 47) e si evita di caricare nel contributo WGAadattativo valori deformati dall’isteresi.
Generalmente, il contributo WGAadattativo à ̈ variabile in funzione della portata MRmassica ridotta del compressore 14 e del rapporto RP di sovralimentazione. Inoltre, il contributo WGAadattativo viene filtrato mediante un filtro 48 passa-basso del primo ordine per ridurre la rapidità di variazione; in altre parole, il contributo WGAadattativo non viene fornito bruscamente, ma viene fornito in modo graduale per evitare interventi a gradino che non corrispondono mai alla realtà fisica e quindi per favorire la convergenza del controllo. Secondo una preferita forma di attuazione, la frequenza di taglio del filtro 48 passa-basso à ̈ costante; in alternativa, la frequenza di taglio del filtro 48 passa-basso potrebbe venire variata in funzione della portata MRmassica ridotta del compressore 14 e del rapporto RP di sovralimentazione.
Il termine integrale dei regolatori 44 e 45 PID contiene in sé una “memoria†degli errori che si sono manifestati nell’immediato passato; quindi quando avvengono delle variazioni delle condizioni al contorno la “memoria†degli errori che si sono manifestati nell’immediato passato contenuta nel termine integrale dei regolatori 44 e 45 PID può avere degli effetti negativi in quanto rappresenta una situazione che non à ̈ più presente.
La centralina 21 elettronica di controllo azzera (o, eventualmente, “congela†, cioà ̈ impedisce una ulteriore crescita) ciascun termine integrale dei regolatori 44 e 45 PID in caso di variazione rapida, cioà ̈ di forte transitorio, della pressione Pobjdi sovralimentazione obiettivo se il termine integrale stesso à ̈ elevato, cioà ̈ à ̈ maggiore in valore assoluto di un valore di soglia predefinito; in altre parole, quando si manifesta una rapida variazione della pressione Pobjdi sovralimentazione obiettivo ed un termine integrale dei regolatori 44 e 45 PID à ̈ maggiore in valore assoluto di un valore di soglia predefinito, allora il termine integrale stesso viene azzerato oppure congelato (cioà ̈ non viene più fatto variare fino al termine del forte transitorio).
Per stabilire se si à ̈ in presenza di un forte transitorio della pressione Pobjdi sovralimentazione obiettivo (cioà ̈ di una variazione rapida della pressione Pobjdi sovralimentazione obiettivo) la centralina 21 elettronica di controllo confronta la pressione Pobjdi sovralimentazione obiettivo con una pressione Pobj-Fdi sovralimentazione obiettivo filtrata mediante un filtro 49 passa-basso per determinare un gradiente ∆Pobjdella pressione Pobjdi sovralimentazione obiettivo che indica la velocità di variazione della pressione Pobjdi sovralimentazione obiettivo. In altre parole, il gradiente ∆Pobjdella pressione Pobjdi sovralimentazione obiettivo viene calcolato eseguendo la differenza tra la pressione Pobjdi sovralimentazione obiettivo e la pressione Pobj-Fdi sovralimentazione obiettivo filtrata mediante il filtro 49 passa-basso. Quando il gradiente ∆Pobjdella pressione Pobjdi sovralimentazione obiettivo à ̈ superiore ad un valore di soglia, allora la centralina 21 elettronica di controllo stabilisce la presenza di un forte transitorio della pressione Pobjdi sovralimentazione obiettivo (cioà ̈ di una variazione rapida della pressione Pobjdi sovralimentazione obiettivo) e quindi azzera (o, eventualmente, “congela) il termine integrale dei regolatori 44 e 45 PID; tale valore di soglia può essere funzione del rapporto RP di sovralimentazione e della portata MRmassica ridotta del compressore 14. Secondo una preferita forma di attuazione, una frequenza di taglio del filtro 49 passa-basso viene determinata in funzione della portata MRmassica ridotta del compressore 14 e del rapporto RP di sovralimentazione effettivo secondo una legge determinata sperimentalmente.
Secondo una preferita forma di attuazione, la centralina 21 elettronica di controllo varia i coefficienti integrali dei regolatori 44 e 45 PID funzione dell’errore εPdi pressione, in modo tale da variare le caratteristiche del controllo al variare dell’entità dell’errore εPdi pressione. In particolare, la centralina 21 elettronica di controllo varia i coefficienti integrali dei regolatori 44 e 45 PID in modo inversamente proporzionale all’errore εPdi pressione in modo tale che i coefficienti integrali dei regolatori 44 e 45 PID siano tanto più grandi quanto più piccolo à ̈ l’errore εPdi pressione, e varia i coefficienti proporzionali dei regolatori 44 e 45 PID in modo direttamente proporzionale all’errore εPdi pressione in modo tale che i coefficienti proporzionali dei regolatori 44 e 45 PID siano tanto più grandi quanto più grande à ̈ l’errore εPdi pressione. In altre parole, il termine integrale dei regolatori 44 e 45 PID (direttamente proporzionale ai coefficienti integrali dei regolatori 44 e 45 PID) serve a garantire la convergenza tra la pressione P di sovralimentazione effettiva e la pressione Pobjdi sovralimentazione obiettivo, ma tale convergenza viene raggiunta al termine di un transitorio quando l’errore εPdi pressione à ̈ relativamente piccolo; all’inizio del transitorio quando l’errore εPdi pressione à ̈ grande, il termine intergale dei regolatori 44 e 45 PID può generare delle oscillazioni e quindi per evitare tale rischio i coefficienti integrali dei regolatori 44 e 45 PID vengono ridotti all’inizio del transitorio quando l’errore εPdi pressione à ̈ grande. Discorso opposto si applica al termini proporzionale dei regolatori 44 e 45 PID (direttamente proporzionali ai coefficienti proporzionale e derivativo dei regolatori 44 e 45 PID) che deve essere grande quando l’errore εPdi pressione à ̈ grande per assicurare velocità di risposta e deve essere piccolo quando l’errore εPdi pressione à ̈ piccolo per assicurare convergenza.
Nei filtri 38, 46 e 49 passa-basso sopra descritti, la frequenza di taglio viene determinata in funzione della portata MRmassica ridotta del compressore 14 e del rapporto RP di sovralimentazione effettivo; secondo una equivalente forma di attuazione, la frequenza di taglio viene determinata in funzione della velocità di rotazione del motore 1 a combustione interna ed in funzione di una marcia innestata in una trasmissione che riceve il moto dal motore 1 a combustione interna. A tale proposito, à ̈ importante osservare che la dinamica del turbocompressore 12 varia decisamente in funzione della marcia innestata, in quanto nelle marce basse la salita della velocità di rotazione del motore 1 a combustione interna à ̈ rapida, quindi à ̈ altrettanto rapido l’aumento della velocità di rotazione del turbocompressore 12; invece, nelle marce alte la salita della velocità di rotazione del motore 1 a combustione interna à ̈ lenta, quindi à ̈ altrettanto lento l’aumento della velocità di rotazione del turbocompressore 12.
Analogamente anche il valore di soglia con cui viene confrontato il gradiente ∆Pobjdella pressione Pobjdi sovralimentazione obiettivo per stabilire se si à ̈ in presenza di un forte transitorio della pressione Pobjdi sovralimentazione obiettivo può essere funzione della portata MRmassica ridotta del compressore 14 e del rapporto RP di sovralimentazione effettivo oppure può essere funzione della velocità di rotazione del motore 1 a combustione interna di una marcia innestata in una trasmissione che riceve il moto dal motore 1 a combustione interna.
E’ importante sottolineare che la pressione P di sovralimentazione ed il rapporto RP di sovralimentazione sono tra loro perfettamente equivalenti, in quanto la pressione Patmatmosferica à ̈ all’incirca costante e presenta un valore attorno al valore unitario; quindi utilizzare il rapporto RP di sovralimentazione à ̈ equivalente ad utilizzare la pressione P di sovralimentazione e viceversa. Nello schema di controllo illustrato nella figura 4 e sopra descritto viene utilizzato il rapporto RP di sovralimentazione, ma secondo una equivalente forma di attuazione non illustrata à ̈ possibile utilizzare la pressione P di sovralimentazione invece del rapporto RP di sovralimentazione.
Nella forma di attuazione sopra descritta, la legge CL di controllo fornisce una apertura WG obiettivo della elettrovalvola 35 di regolazione della valvola 16 wastegate in funzione di una pressione P di sovralimentazione (o meglio di un rapporto RP di sovralimentazione che à ̈ pari al rapporto tra la pressione P di sovralimentazione e la pressione Patmatmosferica ed à ̈ equivalente alla pressione P di sovralimentazione) e di una portata MRmassica ridotta del compressore 14; secondo una equivalente forma di attuazione, la legge CL di controllo fornisce una apertura WG obiettivo della elettrovalvola 35 di regolazione della valvola 16 wastegate in funzione di una potenza erogata dal motore 1 a combustione interna e di un rendimento volumetrico del motore 1 a combustione interna, oppure in funzione di una velocità di rotazione del motore 1 a combustione interna e di un rendimento volumetrico del motore 1 a combustione interna (ovviamente sono possibili anche diverse combinazioni dei parametri del motore 1 a combustione interna).
La centralina 21 elettronica di controllo à ̈ predisposta inoltre per comandare il motore 1 a combustione interna sovralimentato in modo da ridurre quanto più possibile il fenomeno noto come ritardo del turbo (o “turbolag†) ovvero il ritardo nella risposta della sovralimentazione da parte del turbocompressore 12.
In particolare, la centralina 21 elettronica di controllo à ̈ predisposta per comandare il motore 1 a combustione interna sovralimentato per il funzionamento in modalità “scavenging†in cui à ̈ previsto un significativo passaggio di aria dal collettore 4 di aspirazione direttamente nel condotto 10 di scarico del motore 1 a combustone interna.
Sono quindi possibili due differenti configurazioni di funzionamento, di cui una prima configurazione di seguito indicata come configurazione normale o tradizionale ed una seconda configurazione di seguito indicata come configurazione scavenging in cui à ̈ presente un significativo passagg-o di aria al collettore 4 di aspirazione direttamente nel condotto 10 di scarico del motore 1 a combustone interna.
Tipicamente, il passaggio di aria dal collettore 4 di aspirazione direttamente nel condotto 10 di scarico à ̈ realizzato mediante una opportuna fasatura delle valvole di aspirazione (non illustrate) che collegano ciascun cilindro 3 al collettore 4 di aspirazione e delle valvole di scarico (non illustrate) che collegano ciascun cilindro 3 al collettore 5 di scarico per consentire il passaggio di aria fresca direttamente dal collettore 4 di aspirazione al collettore 5 di scarico e quindi nel condotto 10 di scarico del motore 1 a combustone interna.
Appare evidente che l’attuazione delle valvole di aspirazione (non illustrate) che collegano ciascun cilindro 3 al collettore 4 di aspirazione e delle valvole di scarico (non illustrate) che collegano ciascun cilindro 3 al collettore 5 di scarico può essere realizzata mediante un attuatore di tipo noto, come ad esempio un attuatore di tipo VVT (Variable Valve Timing), oppure ancora con un attuatore camless elettromagnetico oppure elettroidraulico.
Secondo una ulteriore variante, la centralina 21 elettronica di controllo à ̈ predisposta inoltre per comandare il motore 1 a combustione interna sovralimentato in modo da aumentare la portata massica e volumetrica di aria e/o gas di scarico che attraversano il compressore 14 e la turbina 13, rispetto alla portata di aria effettivamente utilizzata dal motore 1 a combustione interna sovralimentato nella combustione per generare la potenza desiderata
Per implementare la suddetta strategia di controllo, la centralina 21 elettronica di controllo à ̈ predisposta per differenziare la gestione dei cilindri 3, in particolare, per differenziare la portata di aria aspirata e aria intrappolata da ciascun cilindro 3, e per differenziare la modalità di funzionamento. La centralina 21 elettronica di controllo à ̈ predisposta per generare la coppia obiettivo richiesta dal guidatore del veicolo solo con una parte dei cilindri 3 in combustione, mentre i rimanenti cilindri 3 aspirano quanto più aria possibile. Ad esempio, in un motore 1 a combustione interna sovralimentato con quattro cilindri 3, due cilindri 3 sono attivi e realizzano la coppia desiderata aspirando una massa di aria che à ̈ circa doppia rispetto alla massa di aria che aspirerebbero in condizioni di funzionamento normali (vale a dire nel caso in cui fossero attivi tutti i quattro cilindri 3). I rimanenti due cilindri 3 non sono attivi e vengono comandati per aspirare il massimo dell’aria ma non sono coinvolti nella combustione. La massa di aria che attraversa i due cilindri non attivi non partecipando alla combustione passa direttamente dal collettore di aspirazione allo scarico.
Sono quindi possibili due differenti configurazioni di funzionamento, di cui una prima configurazione con quattro cilindri attivi nella combustione (di seguito indicata configurazione normale) ed una seconda configurazione con due cilindri 3 attivi nella combustione e due cilindri 3 che sono comandati in aspirazione, ma non sono coinvolti nella iniezione e nella combustione (di seguito indicata configurazione scavenging virtuale).
Le strategie di controllo della configurazione scavenging o scavenging virtuale e della configurazione normale sono descritte nelle domande di brevetto BO2012A000322, BO2012A000323 e BO2012A000324 qui incorporate interamente per riferimento.
Nel caso in cui il motore 1 a combustione interna sia in configurazione scavenging o scavenging virtuale, vale la seguente relazione:
in cui
m: portata massica (preferibilmente ridotta) di aria totale che attraversa il motore 1 a combustione interna; mcom: portata massica di aria intrappolata nei cilindri 3 attivi che partecipano alla combustione; e
mscav: portata massica di aria che non à ̈ coinvolta nella combustione e passa direttamente dal collettore 4 di aspirazione allo scarico.
Consideriamo ora la formula differenziale generica dell’entalpia a pressione costante per unità di massa secondo cui:
in cui
h: entalpia per unità di massa;
Cp: calore specifico del gas a pressione costante; e T: temperatura del gas.
Attraverso la formula [2] à ̈ possibile ricavare la formula differenziale dell’entalpia per la portata m massica (preferibilmente ridotta) di aria totale che attraversa il motore 1 a combustione interna secondo cui:
in cui
H: entalpia per la portata m massica (preferibilmente ridotta) di aria totale che attraversa il motore 1 a combustione interna;
m: portata massica (preferibilmente ridotta) di aria totale che attraversa il motore 1 a combustione interna;
Cp: calore specifico del gas a pressione costante; e T: temperatura del gas.
Integrando la formula [3] otteniamo quanto segue:
in cui
H: entalpia per la portata m massica (preferibilmente ridotta) di aria totale che attraversa il motore 1 a combustione interna;
m: portata massica (preferibilmente ridotta) di aria totale che attraversa il motore 1 a combustione interna;
Cp: calore specifico del gas a pressione costante;
T: temperatura del gas; e
Tref: temperatura di riferimento del gas.
Ipotizzando che la temperatura Trefdi riferimento del gas sia pari a zero, allora à ̈ possibile semplificare la formula [4] ottenendo:
in cui
H: entalpia per la portata m massica (preferibilmente ridotta) di aria totale che attraversa il motore 1 a combustione interna;
m: portata massica (preferibilmente ridotta) di aria totale che attraversa il motore 1 a combustione interna;
Cp: calore specifico del gas a pressione costante; e T: temperatura del gas.
Nel caso in cui il motore 1 a combustione interna sia in configurazione scavenging, il valore di entalpia dei gas combusti à ̈ ottenuto sostituendo nella [5] mediante la formula che segue:
in cui
Hcom: entalpia per la portata mcommassica di aria intrappolata nei cilindri 3 che partecipa alla combustione;
mcom: portata massica di aria intrappolata nei cilindri 3 che partecipa alla combustione;
Cp: calore specifico del gas a pressione costante; e Text: temperatura dei gas combusti cha vanno allo scarico stimata all’interno della centralina elettronica di controllo.
Il valore di entalpia della miscela di gas combusti e aria fresca à ̈ ottenuto sostituendo nella [5] mediante la formula che segue:
in cui
H: entalpia per la portata m massica (preferibilmente ridotta) di aria totale che attraversa il motore 1 a combustione interna;
m: portata massica (preferibilmente ridotta) di aria totale che attraversa il motore 1 a combustione interna;
Cp: calore specifico del gas a pressione costante; e Tmixt: temperatura della miscela di gas combusti e aria fresca.
La temperatura Tmixtdella miscela di gas combusti e aria fresca può essere calcolata mediante la formula che segue:
in cui
Tmixt: temperatura della miscela di gas combusti e aria fresca;
m: portata massica (preferibilmente ridotta) di aria totale che attraversa il motore 1 a combustione interna;
Text: temperatura dei gas combusti cha vanno allo scarico stimata all’interno della centralina elettronica di controllo;
mcom: portata massica di aria intrappolata nei cilindri 3 che partecipa alla combustione;
Tair: temperatura dell’aria all’interno del collettore 4 di aspirazione misurata attraverso un sensore di temperatura disposto all’interno del collettore 4 di aspirazione stesso; e
mscav: portata massica di aria che non à ̈ coinvolta nella combustione e passa direttamente dal collettore 4 di aspirazione allo scarico.
La temperatura Tmixtdella miscela di gas combusti e aria fresca può essere calcolata mediante la formula [7] che rappresenta il bilancio del mescolamento di due masse di gas che presentano temperature differenti, ma che à ̈ possibile ipotizzare presentino la stessa pressione e lo stesso calore Cp specifico a pressione costante.
Dal rapporto fra il valore di entalpia della miscela di gas combusti e aria fresca ottenuto nella [7] ed il valore di entalpia dei gas combusti ottenuto nella [6] deriva che:
Sostituendo la temperatura Tmixtdella miscela di gas combusti e aria fresca calcolata mediante la formula [8] nella equazione [9] appena ricavata, si ottiene che:
Sostituendo la portata mscavmassica di aria che non à ̈ coinvolta nella combustione e passa direttamente dal collettore 4 di aspirazione allo scarico mediante la formula [1*] nella equazione [10] appena ricavata, si ottiene che:
In cui ηscavrappresenta il rendimento di “scavenging†dei cilindri 3 ed à ̈ ottenuto dal rapporto fra la portata m massica (preferibilmente ridotta) di aria totale che attraversa il motore 1 a combustione interna e la portata mcommassica di aria intrappolata nei cilindri 3 che partecipa alla combustione.
Infine, dalla formula [11] Ã ̈ possibile calcolare il valore di entalpia della miscela di gas combusti e aria fresca come segue:
Possiamo quindi definire un valore Hcorr_1correttivo di entalpia che à ̈ pari a:
E’ importante evidenziare che il metodo di determinazione del valore Hcorr_1correttivo di entalpia fin qui descritto prevede di ipotizzare le seguenti condizioni di lavoro:
- la pressione di scarico che si mantiene sostanzialmente costante;
- vengono utilizzati gas perfetti; e
- la massa mfueldi combustibile à ̈ trascurabile.
Il valore Hcorr_1correttivo di entalpia viene impiegato nella legge CL di controllo che fornisce l’apertura WG obiettivo della elettrovalvola 35 di regolazione della valvola 16 wastegate in funzione della pressione P di sovralimentazione (o meglio di un rapporto RP di sovralimentazione che à ̈ pari al rapporto tra la pressione P di sovralimentazione e la pressione Patmatmosferica ed à ̈ equivalente alla pressione P di sovralimentazione) e della portata MRmassica ridotta del compressore 14. In particolare, il valore Hcorr_1correttivo di entalpia viene impiegato nella legge CL di controllo per la correzione della portata MRmassica ridotta del compressore 14; à ̈ opportuno utilizzare il valore Hcorr_1correttivo di entalpia per la correzione della portata MRmassica ridotta del compressore 14 dal momento che il lavoro di espansione in turbina 13 à ̈ sostanzialmente pari al salto entalpico del fluido che attraversa la turbina 13 stessa.
La portata MR_corrmassica ridotta corretta può essere calcolata come segue:
in cui
MR_corr: portata massica ridotta corretta del compressore 14;
MR: portata massica ridotta del compressore 14; e
Hcorr_1: primo valore correttivo di entalpia calcolato mediante la formula [13].
E’ quindi possibile correggere la portata MRmassica ridotta del compressore 14 in funzione della entalpia della miscela di gas che attraversa la turbina 13 del turbocompressore 12.
E’ importante evidenziare che la portata MRmassica ridotta del compressore 14 corrisponde alla portata m massica (preferibilmente ridotta) di aria totale che attraversa il motore 1 a combustione interna utilizzata nella trattazione che precede nelle formule da [1] a [13].
Secondo una ulteriore variante, la portata MR_corrmassica ridotta corretta del compressore 14 può essere calcolata come segue:
in cui
MR_corr: portata massica ridotta corretta del compressore 14;
MR: portata massica ridotta del compressore 14;
Hcorr_1: primo valore correttivo di entalpia calcolato mediante la formula [13]; e
Hcorr_2: secondo valore correttivo di entalpia.
Anche in questo caso à ̈ importante evidenziare che la portata MRmassica ridotta del compressore 14 corrisponde alla portata m massica (preferibilmente ridotta) di aria totale che attraversa il motore 1 a combustione interna utilizzata nella trattazione che precede nelle formule da [1] a [13].
Il secondo valore Hcorr_2correttivo di entalpia può essere espresso come segue:
in cui
Hcorr_2: secondo valore correttivo di entalpia;
Text: temperatura dei gas combusti cha vanno allo scarico stimata all’interno della centralina elettronica di controllo;
Tair: temperatura dell’aria all’interno del collettore di aspirazione misurata attraverso un sensore di temperatura disposto all’interno del collettore di aspirazione stesso; e
ηscav: rendimento di “scavenging†dei cilindri 3 ottenuto dal rapporto fra la portata m massica (preferibilmente ridotta) di aria totale che attraversa il motore 1 a combustione interna e la portata mcommassica di aria intrappolata nei cilindri 3 che partecipa alla combustione.
Il secondo valore Hcorr_2correttivo di entalpia à ̈ rappresentato da una mappa che à ̈ funzione dei parametri sopra elencati ed à ̈ calibrabile in una fase preliminare di settaggio e messa a punto ed à ̈ memorizzabile all’interno della centralina elettronica di controllo.
Secondo una ulteriore variante, la portata MR_corrmassica ridotta corretta del compressore 14 può essere calcolata come segue:
in cui
MR_corr: portata massica ridotta corretta del compressore 14;
MR: portata massica ridotta del compressore 14; e
Hcorr_2: secondo valore correttivo di entalpia.
Anche in questo caso à ̈ importante evidenziare che la portata MRmassica ridotta del compressore 14 corrisponde alla portata m massica (preferibilmente ridotta) di aria totale che attraversa il motore 1 a combustione interna utilizzata nella trattazione che precede nelle formule da [1] a [13].
Il secondo valore Hcorr_2correttivo di entalpia può essere espresso come indicato nella formula [15] in cui il secondo valore Hcorr_2correttivo di entalpia à ̈ rappresentato da una mappa che à ̈ funzione dei parametri sopra elencati, à ̈ calibrabile in una fase preliminare di settaggio e messa a punto ed à ̈ memorizzabile all’interno della centralina elettronica di controllo.
E’ altresì importante evidenziare che il primo valore Hcorr_1correttivo di entalpia ed il secondo valore Hcorr_2correttivo di entalpia sono del tutto indipendenti uno dall’altro; ovvero il primo valore Hcorr_1correttivo di entalpia può essere utilizzato per calcolare la portata MR_corrmassica ridotta corretta del compressore 14 indipendentemente dal secondo valore Hcorr_2correttivo di entalpia, e viceversa.
In conclusione, la portata MR_corrmassica ridotta corretta del compressore 14 può essere espressa come segue:
MR_corr: portata massica ridotta corretta del compressore 14;
MR: portata massica ridotta del compressore 14;
Hcorr: valore correttivo complessivo di entalpia;
Hcorr_1: primo valore correttivo di entalpia (che può essere uguagliato a 1);
Hcorr_2: secondo valore correttivo di entalpia (che può essere uguagliato a 1); e
ηscav: rendimento di “scavenging†dei cilindri 3 ottenuto dal rapporto fra la portata m massica (preferibilmente ridotta) di aria totale che attraversa il motore 1 a combustione interna e la portata mcommassica di aria intrappolata nei cilindri 3 che partecipa alla combustione.
Appare evidente come, il metodo di correzione della portata MRmassica ridotta del compressore 14 fin qui descritto possa trovare vantaggiosa applicazione non solo per pilotare l’elettrovalvola 35 di regolazione della valvola 16 wastegate ovvero per determinare una posizione WGobjobiettivo della elettrovalvola 35 di regolazione della valvola 16 wastegate, ma anche nel caso di una regolazione meccanica della valvola 16 wastegate (mediante ad esempio un attuatore elettromeccanico) per determinare una posizione WGobjobiettivo della valvola 16 wastegate stessa.
Il sopra descritto metodo di correzione della portata MRmassica ridotta del compressore 14 presenta numerosi vantaggi.
In primo luogo, il sopra descritto metodo di correzione della portata MRmassica ridotta del compressore 14 à ̈ di semplice ed economica implementazione in una centralina 21 elettronica di controllo di un motore 1 a combustione interna in quanto utilizza misure fornite da sensori che sono sempre presenti nei moderni motori 1 a combustione interna e non richiede né una elevata capacità di calcolo, né una grande occupazione di memoria.
Inoltre, il sopra descritto metodo di correzione della portata MRmassica ridotta del compressore 14 consente di rendere il controllo della valvola 16 wastegate robusto, pronto e privo di oscillazioni in tutte le condizioni operative; in particolare anche nella condizione operativa in cui esista un significativo passaggio di aria dal collettore di aspirazione direttamente allo scarico del motore 1 a combustone interna.

Claims (11)

  1. R I V E N D I C A Z I O N I 1) Metodo di correzione della portata massica ridotta di un compressore (14) in un motore (1) a combustione interna turbocompresso mediante un turbocompressore (12) provvisto di una turbina (13) e di un compressore (14); il motore (1) a combustione interna comprendendo un collettore (4) di aspirazione ed un collettore (5) di scarico ed essendo predisposto per consentire un passaggio di aria dal collettore (4) di aspirazione al collettore (5) di scarico; il metodo prevede le fasi di: determinare, in una fase di progettazione, una legge (CL) di controllo che fornisce una apertura obiettivo di una valvola (16) wastegate in funzione di una pressione (P) di sovralimentazione effettiva e di una portata (MR) massica ridotta del compressore (14); e correggere la portata (MR) massica ridotta del compressore (14) in funzione della entalpia di una miscela di gas che attraversa la turbina (13) del turbocompressore (12).
  2. 2) Metodo di correzione secondo la rivendicazione 1 e comprendente le ulteriori fasi di: determinare una pressione (Pobj) di sovralimentazione obiettivo; misurare una pressione (P) di sovralimentazione effettiva; determinare un primo contributo (WGOL) ad anello aperto di una posizione (WGobj) obiettivo della valvola (16) wastegate mediante la legge (CL) di controllo ed in funzione della pressione (Pobj) di sovralimentazione obiettivo; determinare un secondo contributo (WGCL1) ad anello chiuso della posizione (WGobj) obiettivo della valvola (16) wastegate mediante la legge (CL) di controllo ed in funzione di una pressione (P) di sovralimentazione effettiva; calcolare la posizione (WGobj) obiettivo della valvola (16) wastegate sommando il primo contributo (WGOL) ad anello aperto ed il secondo contributo (WGCL1) ad anello chiuso; e pilotare la valvola (16) wastegate per inseguire la posizione (WGobj) obiettivo della valvola (16) wastegate.
  3. 3.- Metodo di correzione secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui la correzione della portata (MR) massica ridotta del compressore (14) in funzione della entalpia della miscela di gas che attraversa la turbina (13) del turbocompressore (12) à ̈ realizzata mediante la formula: in cui MR_corr: portata massica ridotta corretta del compressore (14); MR: portata massica ridotta del compressore (14); ηscav: rendimento; e Hcorr_1: primo valore correttivo di entalpia calcolato mediante la formula che segue: Hcorr_1= [1 (Tair/ Text) * (ηscav- 1)] dove Text: temperatura dei gas combusti cha vanno allo scarico; e Tair: temperatura misurata dell’aria all’interno del collettore (4) di aspirazione.
  4. 4.- Metodo di correzione secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui la correzione della portata (MR) massica ridotta del compressore (14) in funzione della entalpia della miscela di gas che attraversa la turbina (13) del turbocompressore (12) à ̈ realizzata mediante la formula: in cui MR_corr: portata massica ridotta corretta del compressore (14); MR: portata massica ridotta del compressore (14); ηscav: rendimento; e Hcorr_2: secondo valore correttivo di entalpia.
  5. 5.- Metodo di correzione secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui la correzione della portata (MR) massica ridotta del compressore (14) in funzione della entalpia della miscela di gas che attraversa la turbina (13) del turbocompressore (12) à ̈ realizzata mediante la formula: MR_corr= MR/ ηscav *Hcorr_1 *Hcorr_2 in cui MR_corr: portata massica ridotta corretta del compressore (14); MR: portata massica ridotta del compressore (14); Hcorr_2: secondo valore correttivo di entalpia; ηscav: rendimento; e Hcorr_1: primo valore correttivo di entalpia calcolato mediante la formula che segue: Hcorr_1= [1 (Tair/ Text) * (ηscav- 1)] dove Text: temperatura dei gas combusti cha vanno allo scarico; e Tair: temperatura misurata dell’aria all’interno del collettore (4) di aspirazione.
  6. 6.- Metodo di correzione secondo la rivendicazione 4 o 5, in cui il secondo valore (Hcorr_2) correttivo di entalpia à ̈ calcolato mediante una mappa calibrabile che à ̈ funzione dei seguenti parametri: Hcorr_2= f (ηscav, Tair/ Text) Text: temperatura dei gas combusti cha vanno allo scarico; Tair: temperatura misurata dell’aria all’interno del collettore di aspirazione; e ηscav: rendimento.
  7. 7.- Metodo di correzione secondo una delle rivendicazioni da 3 a 6, in cui il rendimento (ηscav) à ̈ ottenuto dal rapporto fra la portata (MR) massica ridotta del compressore (14) che rappresenta l’aria totale che attraversa il motore (1) a combustione interna ed una portata (mcom) massica di aria intrappolata nei cilindri (3) che partecipa alla combustione.
  8. 8.- Metodo di correzione secondo la rivendicazione 7, in cui la portata (MR) massica ridotta del compressore (14) che rappresenta l’aria totale che attraversa il motore (1) a combustione interna à ̈ calcolata come segue: MR= mcom+ mscav in cui MR: portata massica ridotta del compressore (14) che rappresenta l’aria totale che attraversa il motore (1) a combustione interna; mcom: portata massica di aria intrappolata nei cilindri (3) che partecipa alla combustione; e mscav: portata massica di aria che non à ̈ coinvolta nella combustione e passa direttamente dal collettore (4) di aspirazione al collettore (5) di scarico.
  9. 9.- Metodo di correzione secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui l’entalpia della miscela di gas che attraversa la turbina (13) del turbocompressore (12) à ̈ ottenuto mediante la formula che segue: in cui H: entalpia della portata (MR) massica ridotta del compressore (14) che rappresenta l’aria totale che attraversa il motore (1) a combustione interna; MR: portata massica ridotta del compressore (14) che rappresenta l’aria totale che attraversa il motore (1) a combustione interna; Cp: calore specifico del gas a pressione costante; e Tmixt: temperatura della miscela di gas che attraversa la turbina (13) del turbocompressore (12).
  10. 10.- Metodo di correzione secondo la rivendicazione 9, in cui la temperatura (Tmixt) della miscela di gas che attraversa la turbina (13) del turbocompressore (12) à ̈ calcolata come segue segue: in cui Tmixt: temperatura della miscela di gas combusti e aria fresca attraversa la turbina (13) del turbocompressore (12); MR: portata massica ridotta del compressore (14) che rappresenta l’aria totale che attraversa il motore (1) a combustione interna; Text: temperatura dei gas combusti cha vanno allo scarico; Tair: temperatura misurata dell’aria all’interno del collettore (4) di aspirazione; mcom: portata massica di aria intrappolata nei cilindri (3) che partecipa alla combustione; e mscav: portata massica di aria che non à ̈ coinvolta nella combustione e passa direttamente dal collettore (4) di aspirazione al collettore (5) di scarico.
  11. 11. Metodo di correzione secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il motore (1) a combustione interna comprende inoltre un numero di cilindri (3) ciascuno dei quali à ̈ collegato al collettore (4) di aspirazione tramite almeno una rispettiva valvola di aspirazione e al collettore (5) di scarico tramite almeno una rispettiva valvola di scarico; il detto numero di cilindri (3) essendo suddivisi in un numero di cilindri (3) attivi da comandare, quando in uso, per l’iniezione e la combustione ed un numero di cilindri (3) non attivi da comandare, quando in uso, per aspirare una quantità di aria in modo tale da consentire il passaggio di aria dal collettore (4) di aspirazione al collettore (5) di scarico.
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