ITBO960355A1

ITBO960355A1 - Metodo e dispositivo di controllo del regime di un motore endotermico

Info

Publication number: ITBO960355A1
Application number: IT96BO000355A
Authority: IT
Inventors: Pierluigi Poggi
Original assignee: Magneti Marelli Spa
Priority date: 1996-06-27
Filing date: 1996-06-27
Publication date: 1997-12-27
Also published as: EP0816655A1; ITBO960355A0; IT1285972B1; BR9702537A

Description

D E S C R I Z I O N E

del brevetto per invenzione industriale

La presente invenzione è relativa ad un metodo di controllo del regime di un motore endotermico.

La presente invenzione è inoltre relativa ad un dispositivo di controllo del regime di un motore endotermico, integrante il metodo della presente invenzione.

il metodo della presente invenzione trova vantaggiosa applicazione nei motori endotermici per il controllo del regime di minimo, cui la descrizione farà esplicito riferimento senza per questo perdere in generalità.

Come è noto, lo scopo di un metodo di controllo del regime di minimo è la stabilizzazione di tale regime ad un valore prefissato. I metodi di controllo attualmente impiegati prevedono l’utilizzo di un controllo a catena chiusa. In questi sistemi di controllo, in ingresso è dato il valore del regime voluto; tale valore è confrontato con il valore del regime attuale per ottenere un segnale di errore che viene dato in ingresso ad un blocco controllore che in uscita fornisce il segnale di controllo del regime motore.

Nei metodi di controllo attualmente impiegati, il controllo del regime del motore viene attuato agendo sulla sezione del condotto di aspirazione (tipicamente agendo sulla posizione della valvola a farfalla) e/o sul valore dell’anticipo, e di conseguenza sulla quantità di carburante iniettato per mantenere il titolo della miscela, cioè il rapporto aria-carburante, costante.

Tali soluzioni presentano però alcuni inconvenienti; principalmente la complessità del sistema a catena chiusa ed in particolare del blocco controllore e la lentezza di risposta del sistema alle variazioni di regime. Tale lentezza è dovuta essenzialmente a due fattori: il fatto di controllare la sezione del condotto di aspirazione, tipicamente agendo sulla posizione della valvola a farfalla, i cui effetti si manifestano con un certo ritardo sul regime del motore, ed i ritardi introdotti dalla catena di controllo, in particolare dal blocco controllore. Il controllo della sezione del condotto di aspirazione è necessario anche se molto lento, in quanto il controllo sull'anticipo è molto rapido, ma ha un effetto decisamente limitato.

Scopo della presente invenzione è quindi quello di realizzare un metodo di controllo del regime di un motore endotermico, esente dagli inconvenienti sopra descritti.

Ulteriore scopo della presente invenzione è quello di realizzare un dispositivo di controllo del regime per un motore endotermico, che attui il metodo citato.

Secondo la presente invenzione viene realizzato un metodo di controllo del regime di un motore endotermico, il detto motore funzionante con una successione di cicli termodinamici per portare in rotazione almeno un albero motore e comprendendo almeno un iniettore per effettuare l’iniezione di carburante; il detto metodo essendo caratterizzato dal fatto di comprendere una fase in cui il detto iniettore è attivato in uno dei detti cicli del detto motore durante un intervallo definito da un angolo meccanico dì rotazione de! detto albero motore

Secondo la presente invenzione viene inoltre realizzato un dispositivo di controllo del regime di un motore endotermico, il detto motore comprendendo almeno un albero motore, almeno un iniettore per effettuare l'iniezione di carburante, ed un sensore per rilevare l’angolo di rotazione del detto albero motore; il detto dispositivo essendo caratterizzato dal fatto di comprendere un’unità di controllo dell'iniettore collegata al detto sensore, per attivare l’iniettore durante un intervallo definito da un angolo meccanico di rotazione del detto albero motore.

Per una migliore comprensione della presente invenzione viene ora descritta una forma di realizzazione preferita, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la figura 1 illustra schematicamente un motore endotermico funzionante secondo il metodo di controllo della presente invenzione;

- la figura 2 illustra un diagramma multiplo dell’evoluzione temporale di alcune grandezze relative al procedimento della presente invenzione; e - la figura 3 illustra un diagramma di alcune grandezze relative al motore di figura 1.

In figura 1 è indicato con 1 un motore endotermico comprendente un impianto di alimentazione carburante 2 senza ritorno.

Il motore 1 comprende almeno un albero motore (non illustrato), un cilindro 3 contenente un pistone collegato meccanicamente all’albero motore e comunicante con un rispettivo collettore di aspirazione 4 terminante in una valvola di aspirazione del detto cilindro 3 ed in cui è presente almeno un iniettore 5 per effettuare l’iniezione del carburante ne! collettore di aspirazione 4 stesso, un serbatoio 6 carburante, una pompa del carburante 7 sostanzialmente posizionata nel serbatoio 6 per inviare il carburante all'iniettore 5 attraverso un condotto di mandata 8, una centralina di controllo 9, una batteria (non illustrata), un circuito di raffreddamento (non illustrato).

L’iniettore 5 viene comandato dalla centralina 9 mediante un comando di tipo ON-OFF, cioè l’iniettore 5 può trovarsi unicamente in due stati: acceso (ON) o spento (OFF). In tali stati l’iniettore 5 rispettivamente effettua o non effettua l'iniezione di carburante nel condotto di aspirazione 4. La portata del carburante iniettata dall’iniettore 5, dipende, oltre che dalle caratteristiche costruttive dell'iniettore 5 stesso, dalla differenza di pressione presente ai due estremi dell’iniettore 5. Tale differenza di pressione si può ritenere in prima approssimazione costante durante il normale funzionamento del motore, è così evidente che la quantità di carburante iniettata risulta direttamente proporzionale al tempo per cui è attivato l’iniettore.

La pompa del carburante 7 comprende una pompa 10 operante ad una pressione relativa tipicamente compresa tra i 4 e i 6 bar, ed un regolatore di pressione 11 per mantenere la pressione di invio del carburante ad un valore costante (tipicamente compreso tra i 3 ed i 3.5 bar rispetto alla pressione presente nel serbatoio 6).

Nel collettore di aspirazione 4 è presente, oltre che l’iniettore 5, anche una valvola a farfalla 12. Nel caso di motori ad iniezione multi-point, cioè con un iniettore per ogni cilindro 3, gli iniettori 5 sono posti (come illustrato in figura 1) normalmente il più vicino possibile alla valvola di aspirazione, mentre nel caso di motori ad iniezione single-point, cioè con un unico iniettore per tutti i cilindri 3, l’iniettore 5 è posto normalmente immediatamente a monte della valvola a farfalla 12.

La centralina di controllo 9 presenta diversi collegamenti di ingresso e di uscita per il controllo di tutte le funzioni del motore 1: in figura 1 sono illustrati i collegamenti significativi ai fini della descrizione del metodo della presente invenzione ed altri collegamenti come esempio.

In particolare: è indicato con 13 il collegamento tra la centralina di controllo 9 e l'iniettore 5 mediante il quale la centralina di controllo comanda il funzionamento dell’iniettore 5 stesso; è indicato con 14a il collegamento con un sensore 14, in particolare un encoder, per il rilevamento della posizione angolare dell’albero motore (derivando tale valore, la centralina di controllo 9 può calcolare il valore della velocità angolare dell’albero motore), è indicato con 15a il collegamento con un sensore 15 per il rilevamento della temperatura del liquido di raffreddamento, è indicato con 16a il collegamento con un sensore 16 per il rilevamento della sezione del condotto di aspirazione, tipicamente agendo sulla posizione della valvola a farfalla, 12, è indicato con 17a il collegamento con un sensore 17 per il rilevamento della temperatura dell’aria presente nel collettore di aspirazione 4, è indicato con 18a il collegamento con un sensore 18 per il rilevamento della pressione dell'aria presente nel collettore di aspirazione 4 (tale valore di pressione è spesso indicato come valore di carico motore), ed è indicato con 19a il collegamento con un sensore 19 per il rilevamento della tensione della batteria. Il sensore 18 per il rilevamento della pressione dell'aria presente nel collettore di aspirazione 4 è normalmente posizionato in corrispondenza dell' iniettore 5, in modo da poter rilevare il valore della pressione nella zona del collettore 4 prossima all’iniettore 5 stesso.

Viene di seguito descritto il metodo di controllo oggetto della presente invenzione, applicato al motore 1 illustrato in figura 1 .

Nella descrizione successiva con il termine ciclo del cilindro 3 si vuole intendere l'insieme delle fasi di funzionamento tipiche di un motore endotermico; nel caso di un motore endotermico a quattro tempi tali fasi sono: aspirazione, compressione, combustione, e scarico.

La centralina di controllo 9 contiene al suo interno una unità 20 preposta al controllo del regime di minimo del motore 1. L’unità 20 viene attivata dalla centralina di controllo 9 quando si realizzano le condizioni di controllo del regime, tipicamente quando viene a mancare un comando di acceleratore ed il regime del motore è inferiore ad un prestabilito valore di soglia.

Quando viene attivata, l’unità 20 di controllo del regime di minimo riceve in ingresso un valore del regime desiderato (tale valore è normalmente memorizzato in una memoria 21 della centralina 9) ed il suo compito è di realizzare le operazioni necessarie affinché il regime effettivo di rotazione del motore si discosti il meno possibile da tale valore desiderato.

Secondo il procedimento delia presente invenzione, la regolazione del regime di minimo viene effettuata controllando il titolo della miscela aria-carburante, cioè il rapporto in massa esistente nella miscela tra le parti di aria e le parti di carburante, il funzionamento di un moderno motore endotermico avviene normalmente con un titolo della miscela ariacarburante pari al rapporto stechiometrico per problemi di contenimento delle emissioni inquinanti (essenzialmente per un buon funzionamento del catalizzatore allo scarico).

E’ cosa nota, che in un intervallo centrato sul titolo stechiometrico, se si arricchisce il titolo della miscela, si aumenta di conseguenza la coppia motrice prodotto dal motore; mentre se si smagrisce il titolo della miscela, si diminuisce di conseguenza la coppia motrice prodotto dal motore. Fuori da questo intervallo, invece, la variazione del titolo della miscela comporta invece, sostanzialmente, una perdita di coppia in entrambi i casi, in quanto se il titolo è eccessivamente alto, la combustione della miscela nel cilindro peggiora notevolmente rendendo inutile o addirittura dannosa l'aggiunta di ulteriore carburante.

Tale situazione è ben illustrata nel diagramma di figura 3 in cui in ordinate è riportata la coppia motrice massima C di un motore endotermico (riferita come rapporto rispetto alla coppia motrice massima a funzionamento stechiometrico), ed in ascissa è riportato un parametro LAMBDA inversamente proporzionale al titolo; un valore di LAMBDA pari ad 1 corrisponde al titolo stechiometrico, un valore di LAMBDA superiore ad 1 corrisponde ad un titolo inferiore al titolo stechiometrico, ed un valore di LAMBDA inferiore ad 1 corrisponde ad un titolo superiore al titolo stechiometrico.

Risulta così chiaro che, entro certi limiti, è possibile controllare il regime di un motore variando opportunamente il titolo della miscela.

Tale tipologia di controllo si presta ottimamente al controllo del regime di minimo, in quanto durante il controllo del regime di minimo sono necessarie variazioni di coppia motrice modeste (dell'ordine di qualche percento) in quanto tali variazioni non devono compensare corrispondenti variazioni di carico, ma unicamente corrispondenti variazioni di coppie resistenti originate da attriti, ventilazioni, alternatore ed altri. La limitazione sul valore massimo di aumento di coppia motrice ottenibile variando il titolo non costituisce così un problema.

Variando il titolo della miscela dal valore stechiometrico vi può essere un aumento complessivo delle emissioni inquinanti del motore, normalmente modesto. Nel controllo del regime di minimo tale aumento è però trascurabile in quanto influisce in una condizione di funzionamento, il regime di minimo, che globalmente produce qualche percento (fino al 3%) delle emissioni inquinanti totali di un motore.

Per controllare il titolo della miscela vi sono sostanzialmente due tipi di intervento possibili: agire sulla quantità di carburante oppure agire sulla quantità di aria, rispettivamente controllando l'iniettore 5 oppure la valvola a farfalla 12.

In generale e da preferirsi un controllo dell'iniettore 5, in quanto più rapido e preciso, particolarmente per piccole variazioni quali quelle utilizzate nel controllo del titolo, rispetto ad un controllo della valvola a farfalla 12.

Il controllo del regime di minimo variando il titolo della miscela può essere implementato con un semplice controllo a catena chiusa in cui in ingresso è dato il valore del regime di minimo voluto; tale valore è confrontato con il valore del regime attuale per ottenere un segnale di errore; tale segnale di errore viene dato in ingresso ad un blocco controllore che in uscita fornisce il segnale di comando all'organo di controllo del titolo della miscela.

Secondo la presente invenzione viene presentato un innovativo metodo di controllo del titolo della miscela, utilizzando come organo di controllo l’iniettore 5.

invece di utilizzare un comune controllo a catena chiusa, è possibile controllare il regime del motore a catena aperta calcolando, in base al valore del regime di minimo desiderato, una prefissato intervallo di funzionamento dell’iniettore 5 calcolato non, come già noto, in termini di intervallo di tempo, ma calcolato invece in termini di angolo meccanico di rotazione del motore 1.

Con particolare riferimento al diagramma di figura 2, ad ogni ciclo del cilindro 3 l’iniettore 5 non viene attivato a partire da un primo istante temporale fino ad un secondo istante temporale, ma viene invece attivato a partire da un primo angolo meccanico del motore aliai fino ad un secondo angolo meccanico del motore alfa2.

Tale soluzione è facilmente implementata mediante l’encoder 14 in quanto l'unità di controllo del regime di minimo della centralina 9 riceve in ingresso dall’encoder 14 il valore dell’angolo motore corrente ed attiva l’iniettore 5 quando l’angolo motore è compreso tra aliai ed alfa2.

Il funzionamento di tale metodo di controllo è semplice: si consideri di partire da una situazione di equilibrio in cui il motore 1 gira al regime di minimo desiderato e l’iniettore 5 venga attivato per un intervallo angolare delta, pari alla differenza tra alfa2 ed alfal.

Se il motore 1 accelera, cioè aumenta la velocità angolare dell'albero motore, il tempo per cui l’iniettore 5 viene attivato è inferiore, in quanto girando il motore più velocemente, impiegherà un tempo minore a percorrere l'intervallo angolare delta. Di conseguenza nel cilindro 3 viene iniettata meno carburante, quindi la coppia motrice risulterà diminuita, di conseguenza il motore 1 tenderà a rallentare, cioè a diminuire la velocità angolare dell’albero motore, tornando alle condizioni iniziali.

Viceversa, se il motore 1 rallenta, il tempo per cui l’iniettore 5 viene attivato è superiore, in quanto girando il motore più lentamente, impiegherà un tempo superiore a percorrere l’intervallo angolare delta. Di conseguenza nel cilindro 3 viene iniettata più carburante, quindi la coppia motrice risulterà aumentata, di conseguenza il motore 1 tenderà ad accelerare tornando alle condizioni iniziali.

Si considerino le seguenti equazioni dove: con G è indicata la portata dell’iniettore (5) supposta costante, con t è indicato l’intervallo di tempo di iniezione, con q è indicata la quantità di carburante iniettata in un ciclo del cilindro 3, con A è indicato l’intervallo angolare di funzionamento dell’iniettore 5, con n è indicata la velocità angolare del motore, c la coppia motrice del motore:

q=G*t

t=A/n

si ipotizzi di linearizzare in un piccolo intervallo la funzione CoppiaTitolo e si supponga in prima approssimazione che in tate intervallo la coppia sia proporzionale al titolo. Si supponga inoltre che la quantità di aria, cioè la posizione della farfalla 12, sia costante: il titolo, e di conseguenza la coppia, risultano proporzionali alla quantità di carburante iniettata q:

c-K<*>q

c=k<*>G<*>t

c=K*G*A/n

da cui si ricava per derivazione:

dc=-(K*G*A)/(n*n)*dn

è cioè evidente che la variazione della coppia motrice è, in un intervallo limitato attorno ad un punto di lavoro ed in prima approssimazione, proporzionale e contraria alla variazione del numero di giri (cioè se il motore 1 rallenta, aumenta la coppia motrice e viceversa). E' così evidente come il metodo di controllo proposto dalla presente invenzione è efficace ed efficiente nel mantenere costante il regime di rotazione di minimo del motore 1. Tale efficacia ed efficienza è stata confermata da simulazioni teoriche e prove pratiche sul comportamento di un motore endotermico a carburante.

E’ infine da evidenziare come la variazione della coppia motrice (de) dipende anche dal quadrato del numero di giri, quindi se il regime del motore è in transitorio, cioè varia nel tempo, a parità di intervallo angolare di apertura dell’iniettore la quantità di carburante iniettata, e quindi la coppia motrice prodotta, varia con il variare dell'istante di inizio dell’iniettata. Ad esempio se il motore rallenta, iniziare l’iniettata più tardi, a parità di angolo di apertura, permette di ottenere una maggiore coppia motrice, in quanto il motore gira più lento, quindi impiega più tempo a percorre l'angolo di apertura, quindi inietta più carburante.

Il metodo ed il dispositivo della presente invenzione presentano numerosi vantaggi.

Principalmente il dispositivo della presente invenzione presenta una estrema semplicità costruttiva e quindi una notevole economicità. Infatti l'unico sensore richiesto, cioè l’encoder, è già previsto per altri utilizzi in tutti i motori endotermici dell'ultima generazione.

Inoltre il dispositivo ed il metodo della presente invenzione garantiscono una velocità di risposta molto elevata. Tale velocità è data da due fattori: l’assenza di ritardi di risposta del controllo e la rapidità di risposta del regime al variare del titolo della miscela aria-carburante. L'assenza di ritardi di risposta è intrinseca al metodo stesso in quanto la quantità di carburante iniettata dipende direttamente (cioè senza alcuno stadio intermedio quindi senza alcun ritardo) dal regime del motore. E’ dimostrato infine che i motori endotermici rispondono in termini di regime molto più rapidamente a variazioni del titolo della miscela rispetto alle variazioni sulla sezione del condotto di aspirazione (tipicamente ottenute agendo sulla posizione della valvola a farfalla). Tale differenza di velocità è notevole e può variare con un fattore che varia da un minimo di 5 ad un massimo di 10. Inoltre, diversamente dal controllo dell'anticipo, Il controllo del titolo oltre che garantire una notevole rapidità di risposta, permette di ottenere un effetto sostanziale sul regime del motore,

Risulta infine chiaro che al metodo di controllo qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti.

In particolare il metodo della presente invenzione può utilmente essere impiegato alla stabilizzazione di un qualsiasi regime, non necessariamente di minimo. Può quindi essere impiegato nel controllo di motori endotermici che debbano ruotare a regimi costanti quali, ad esempio, i motori di gruppi elettrogeni.

In combinazione con il metodo della presente invenzione potrebbe essere prevista anche una strategia di controllo della posizione della farfalla e/o del valore dell’anticipo, per massimizzare in ogni condizione l’efficienza del motore. Potrebbe, ad esempio, essere utilizzato il metodo della presente invenzione per rispondere rapidamente alle variazioni di regime con un successivo, e molto più lento, adattamento delle altre variabili di controllo (farfalla, anticipo ed altri). Cioè il punto di lavoro del motore nel suo complesso viene determinato da una combinazione ottimizzata di tutte le variabili di controllo (iniezione, farfalla, anticipo ed altre), mentre le variazioni attorno a tale punto di lavoro vengono effettuate unicamente o principalmente mediante un controllo del titolo delia miscela secondo il procedimento della presente invenzione.

Tale combinazione risulta particolarmente utile nel caso di stabilizzazione di regimi di lavoro, in cui, a differenza del regime di minimo, l’efficienza del motore e la riduzione delle emissioni inquinanti sono un requisito fondamentale.

Nel calcolo dell'intervallo delta, cioè dell'intervallo angolare di funzionamento dell'iniettore 5, potrebbe essere previsto un fattore di correzione dipendente da un valore stimato della portata dell’iniettore 5 stesso, in modo da ottenere in ogni situazione di funzionamento il valore di regime desiderato.

Claims

R I V E N D I C A Z I O N I 1) Metodo di controllo del regime di un motore (1) endotermico, il detto motore (1) funzionante con una successione di cicli termodinamici per portare in rotazione almeno un albero motore e comprendendo almeno un iniettore (5) per effettuare l’iniezione di carburante; il detto metodo essendo caratterizzato dal fatto di comprendere una fase in cui il detto iniettore (5) è attivato in uno dei detti cicli del detto motore (1) durante un intervallo definito da un angolo meccanico di rotazione, di ampiezza determinata, del detto albero motore.
2) Metodo secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che il detto motore (1) comprende almeno un cilindro (3) ed un collettore di aspirazione (4) collegato al detto cilindro (3) in cui il detto iniettore (5) effettua l’iniezione di carburante.
3) Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 e 2, caratterizzato dal fatto che il detto intervallo dipende solo da un valore di regime desiderato per il motore (1 ).
4) Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 e 2, caratterizzato dal fatto che il detto intervallo dipende da un valore di regime desiderato per il motore (1) e da un valore stimato della portata del detto iniettore (5).
5) Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 e 2, caratterizzato dal fatto che il detto intervallo dipende da un valore di regime desiderato per il motore (1 ) e da un valore della portata di comburente del detto motore (1).
6) Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il detto regime controllato è il regime di minimo.
7) Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la detta fase di attivazione del detto iniettore (5) è combinata con successive fasi in cui un valore di portata di comburente ed un valore di anticipo del motore (1) vengono adattati alle nuove condizioni di funzionamento del motore (1).
8) Dispositivo di controllo del regime di un motore (1) endotermico; il detto motore (1) comprendendo almeno un albero motore, almeno un iniettore (5) per effettuare l’iniezione di carburante, ed un sensore (14) per rilevare l'angolo di rotazione del detto albero motore; il detto dispositivo essendo caratterizzato dal fatto di comprendere un'unità (20) di controllo dell’iniettore (5) collegata al detto sensore (14), per attivare l’iniettore (5) durante un intervallo definito da un angolo meccanico di rotazione, di ampiezza determinata, del detto albero motore.
9) Dispositivo secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che il detto motore (1) comprende almeno un cilindro (3) ed un collettore di aspirazione (4) collegato al detto cilindro (3) in cui il detto iniettore (5) effettua l'iniezione di carburante.
10) Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 8 e 9, caratterizzato dal fatto che il detto sensore (14) è definito da un encoder meccanicamente collegato al detto albero motore.
11 ) Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 8 a 10, caratterizzato dal fatto che la detta unità (20) di controllo comprende un organo di calcolo per la stima di un valore della portata del detto iniettore (5).