ITMI20000254A1 - Procedimento e dispositivo per il funzionamento di un motore endotermico specialmente di un autoveicolo con miscela magra combustibile/aria - Google Patents

Procedimento e dispositivo per il funzionamento di un motore endotermico specialmente di un autoveicolo con miscela magra combustibile/aria Download PDF

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Description

Stato della tecnica
L'invenzione riguarda un procedimento per funzionamento di un motore endotermico, specialmente di un autoveicolo, in cui in un ciclo di combustione una massa d'aria e una massa di combustibile vengono addotte ad una camera di combustione, laddove è possibile preimpostare la composizione lambda della miscela di massa d'aria rispetto alla massa di combustibile. Inoltre l'invenzione riguarda un corrispondente apparecchio di comando per un tale motore endotermico .
In motori endotermici di tipo convenzionale a massa d'aria necessaria per la combustione tramite un condotte di aspirazione viene addotto alla camera di combustione. La massa di combustibile pure necessaria per la combustione in questi motori tramite una conduttura del combustibile e in corrispondenti valvole di iniezione, oppure nel caso di motori diesel o dei più moderni motori a benzina con iniezione diretta della benzina BDE, tramite un immagazzinatore intermedio del combustibile (fuel rail), in cui è presente combustibile altamente complesso a circa 100 bar, viene addotta la camera di combustione.
In una precedente domanda di brevetto successivamente pubblicata DE.... {AZ R 32348-1 della richiedente), vengono descritti un procedimento e un dispositivo per determinare una carica di gas del motore endotermico. La miscela gassosa contenuta del prodotto di aspirazione si compone di gas fresco e gas di scarico. In particolare viene ivi descritto un procedimento per determinare la quantità di gas fresco che affluisce nella camera di combustione per poter dimensionare precisamente in modo corrispondente la quantità del combustibile da rendere disponibile per la combustione. Per risolvere questa problematica viene proposto di determinare la tensione parziale della parte di gas fresco sull'intera corrente di massa circolante la camera di combustione, mediante attuazione di un bilancio di massa e di porre in tal caso la derivata in funzione del tempo alla base dell'equazione generale del gas. Questo bilanciamento separato di gas fresco e gas di scarico presenta il vantaggio consistente nel fatto che è possibile calcolare esattamente il volume di gas fresco caricato. Pertanto l'oggetto della presente domanda di brevetto riguarda soltanto l'aria residua che in seguito ad un riciclo esterno del gas di scarico si trova nel condotto di aspirazione, e tuttavia non il gas residuo presenta internamente nella camera di combustione.
In noti motori termici, specialmente motori endotermici, viene completamente trascurata la quantità d'aria del gas residuo, che nel caso del funzionamento con miscela magra dopo ogni ciclo di combustione si trova ancora nel gas residuo. Anzi ivi si opera come se nel gas residuo della camera di combustione non si trovasse affatto aria residua. In tal modo la stechiometria di aria e combustibile, supposta per un ciclo di combustione, presenta per lo più un considerevole rumore .
Inoltre, in moderni motori endotermici con un catalizzatore dei gas di scarico a tre vie si evita fondamentalmente un funzionamento con miscela magra (lambda >=1) poiché con il funzionamento con miscela magra vengono formati in modo accentuato ossidi di azoto (NOx), che si arricchiscono nel catalizzatore e per tanto ne riducono considerevolmente la durata utile. A differenza di ciò, però i più recenti catalizzatori consentono anche il funzionamento con miscela magra, poiché NOx, immagazzinato ad esempio nel catalizzatore, in seguito a regolare funzionamento del motore con miscela grassa con lambda < 1 viene risolto di nuovo a formare N2 ed 02. Non da ultimo a causa di questa più recente tecnica del catalizzatore i motori a benzina possono essere fatti ora funzionare come motori diesel, il che del resto ha considerevolmente favorito anche lo sviluppo dei motori endotermici BDE.
Pertanto l'invenzione si pone il compito di realizzare un procedimento ed un dispositivo per il funzionamento di un motore endotermico menzionato all'inizio, che superano gli inconvenienti precedentemente descritti e consentono una conoscenza più precisa della stecchiometria della miscela combustibile/aria nel corso della combustione. In particolare si intende far si che il modo ancora più preciso sia possibile tenere conto della quantità di aria residua, che ancora si trova durante il funzionamento con miscela magra nella camera di combustione nel gas residuo, per la rispettiva composizione della miscela.
Il problema viene risolto mediante i procedimenti e dispositivi illustrati nelle rivendicazioni indipendenti. Nelle sottorivendicazioni sono illustrate particolari modalità di realizzazione dell'invenzione.
Il compito precedentemente menzionato viene risolto per un procedimento secondo l'invenzione, specialmente in quanto per un ciclo di combustione con una composizione della miscela lambda superiore ad 1 si determina una quantità di aria residua ancora presente nella camera di combustione una volta avvenuta la combustione, e si riduce corrispondentemente in ragione della quantità di aria residua la massa d'aria addotta alla camera di combustione in un successivo ciclo di combustione. Pertanto alla base dell'invenzione sta' il concetto di tener conto della preassegnazione di lambda dell'aria residua disponibile per un rispettivo successivo ciclo di combustione .
Il concetto dell'invenzione pertanto comprende le seguenti fasi di procedimento:
- rilevamento di un ciclo di combustione con un rapporto della miscela aria/combustibile superiore ad 1,
- determinazione di una quantità di aria residua una volta avvenuta la combustione del rispettivo ciclo di combustione,
- riduzione della massa d'aria, che in un ciclo di combustione seguente al ciclo precedente dal condotto di aspirazione è rilasciata nella camera di combustione in ragione di questa quantità di aria residua.
Il procedimento secondo l'invenzione tiene conto della quantità d'aria nel gas residue pertanto assicura un comando preliminare di lambda, più preciso rispetto all'attuale stato della tecnica, e quinti un migliore gas di scarico e migliore comportamento di marcia.
Viene evidenziato che il campo di impiego della presente invenzione non è limitato a motori endotermici funzionanti con BDE, ma fondamentalmente comprende anche tutti i motori presentanti un catalizzatore con l'idoneità NOx, ossia anche quei motori con convenzionali iniezione del combustibile per una lambda di circa 1,6.
Per un apparecchio di comando secondo l'invenzione con mezzi per addurre la massa d'aria e la massa di combustibile nella camera di combustione e con mezzi per comandare la composizione della miscela lambda di massa d'aria rispetto alla massa di combustibile, per risolvere il problema menzionato sono previsti in particolare mezzi per rilevare la presenza di un ciclo di combustione con una composizione lambda della miscela superiore ad 1, mezzi per determinare una quantità di aria residua, presente nella camera di combustione dopo che è avvenuta la combustione nonché mezzi per calcolare dalla quantità di aria residua la massa d'aria ridotta da addurre alla camera di combustione in un successivo ciclo di combustione.
Ulteriori vantaggi, particolarità e caratteristiche del procedimento secondo l'invenzione nonché dell'apparecchio di comando secondo l'invenzione, prevista specialmente per un motore endotermico, risultano dalla seguente descrizione, in cui un esempio di realizzazione viene descritto più dettagliatamente in base a disegni .
In particolare:
la figura 1 mostra una vista di assieme di combustione su un condotto di aspirazione oltre alla sensodica e a valvole a farfalla di un convenzionale motore endotermico, in cui è possibile impiegare il procedimento secondo l'invenzione e l'apparecchio di comando secondo l'invenzione.
La figura 2 mostra mostra una rappresentazione a blocchi schematica di un condotto di aspirazione e di una camera di combustione per illustrare l'adduzione di aria conformemente allo stato della tecnica,
la figura 3 mostra un andamento tipico della relazione fra massa d'aria nella camera di combustione ri e pressione ps nel condotto di aspirazione,
la figura 4 mostra uno schema a blocchi della ripartizione dell'aria in un convenzionale motore endotermico in esercizio con lambda <=1; nonché la figura 5 mostra uno schema a blocchi, corrispondente alla figura 4, per un motore endotermico operante rispettivamente predisposto conformemente al procedimento secondo l'invenzione nel funzionamento con miscela magra con lambda > 1.
Il motore endotermico 1, rappresentato semplificato schematicamente in figura 1 presenta un condotto di aspirazione 2, che tramite valvole di iniezione, di cui nella sezione mostrata è rappresentata soltanto la valvola di iniezione 3, è collegato con una camera di combustione 4 del motore 1. In particolare a monte delle diverse valvole di iniezione è disposto anche un distributore del combustibile qui non mostrato comandante le singole valvole in sintonia con un sistema di accensione 5. Un sistema di accensione 5 opera in corrispondenza di ognuna delle camere di combustione 4 mediante candele di accensione cooperanti rispettivamente con bobine di accensione. Il combustibile viene addotto alle singole valvole di iniezione da una unità costruttiva 6 di serbatoio tramite un qui non mostrato immagazzinatore intermedio di combustibile (fuel rail).
L'adduzione d'aria nel condotto di aspirazione dura avviene tramite un'apertura 7. Nel condotto di aspirazione 2, in prossimità dell'apertura 7, inoltre è previsto una valvola a farfalla 8, mediante la quale è possibile regolare la corrente d'aria affluente nel condotto di aspirazione 2. Tramite un'aggiuntiva conduttura di aggiramento 9 si può assicurare che nel funzionamento al minimo del motore 1 venga addotta sufficientemente aria al condotto di aspirazione 2. Il comando della conduttura di avvitamento 9 avviene in particolare tramite un organo di impostazione 10 del minimo disposto vicino alla conduttura di aggiramento 9.
Inoltre in corrispondenza del condotto di aspirazione 2 è previsto un sensore di pressore 11 consentente la misurazione della pressione esistente nel condotto di aspirazione 2. Il segnale fornito dal sensore di pressione 11 viene trasmesso ad un apparecchio di comando elettronico 12. Corrispondentemente il segnale di uscita dell'organo di impostazione 10 del minimo viene addotto all'apparecchio di comando elettronico 12. Inoltre la posizione della valvola a farfalla 8 viene determinata tramite un potenziometro 13 della valvola a farfalla ed il corrispondente segnale di misurazione viene parimenti addotto all'apparecchio di comando elettronico 12.
Il gas di scarico prodotto con la combustione viene portato all'esterno per mezzo di un impianto di scarico 14. Lungo la conduttura 15 del gas di scarico (scappamento) è disposto un catalizzatore 16. Rispettivamente a monte e a valle del catalizzatore 16 inoltre sono previste due sonde lambda 17, 18 cooperanti con una regolazione lambda integrata preferibilmente nell'apparecchio di comando elettronico 12.
Conformemente alle norme OBD-II dovrà aver luogo una sorveglianza continua del rendimento del catalizzatore. A tale scopo a valle del catalizzatore 16 dovrà essere installata la seconda sonda 18. Un confronto dei segnali della sonda a monte e a valle del catalizzatore 16 consente indicazioni in merito al rendimento del catalizzatore 16. Poiché la seconda sonda 18, situata a valle del catalizzatore 16, è protetta da componenti nocive del gas di scarico meglio della prima sonda 17, è possibile correggere fenomeni di invecchiamento della prima sonda 17.
La regolazione lambda dovrà ora impostare la miscela nella camera di combustione 4 del motore 1, in modo che i catalizzatore 16 opera in maniera ottimale e pertanto vengono rispettati valori limite del gas di scarico prestabiliti per legge. In particolare il catalizzatore 16 ha il compito di convertire i tre componenti del gas di scarico CO, HC e NOx in CO2, H2O e N2. Entrambe le sonde lambda 17, 18 misurano la differenza della concentrazione di ossigeno fra aria ambiente e corrente di gas di scarico. In tal modo il segnale misurato fornito dalle sonde 17, 18 costituisce una misura diversa per la quantità d'aria nel gas di scarico. In seguito ad un rivestimento catalitico miscela bruciata in maniera incompleta viene sempre spostata sulla superficie della sonda .
Come già menzionato la regolazione lambda dovrà garantire che sia sempre presente nel gas di scarico un ottimale quantità d'aria. A tale scopo la regolazione lambda modifica soltanto la quantità di combustibile da iniettare. La massa d'aria nella camera di combustione 4 e il sistema di accensione 5 pertanto non vengono influenzati. Si ottiene una regolazione della composizione del gas di scarico mediante continua oscillazione attorno all'intervallo lambda=l.
E' già stato precisato che il catalizzatore 16 possiede una considerevole capacità di immagazzinamento per ossigeno. Inoltre il catalizzatore 16 soltanto in un intervallo assai stretto di lambda=0.995...0,999 può produrre rendimenti ottimali. Pertanto specialmente nel funzionamento del motore 1 con miscela magra con lambda=l ad intervalli di tempo regolari è necessario accelerare la rigenerazione del catalizzatore 16 con l'ausilio di combustibile iniettato aggiuntivamente (cosiddetto "sgombero del catalizzatore"). A tale scopo la posizione di regolazione della regolazione lambda viene spostata mediante corrispondente comando preliminare in direzione "miscela grassa". Dopo il passaggio di una determinata massa di gas di scarico viene di nuovo effettuato lo smagrimento della miscela.
Inoltre nella figura 1 è rilevabile che una parte del gas di scarico, rilasciata all'esterno tramite l'impianto di scarico 14, tramite un condotto di riciclo 19 del gas di scarico e corrispondente valvola di riciclo 20 nel gas di scarico viene riportata di nuovo nel condotto di aspirazione 2.
La figura 2 mostra un diagramma a blocchi completamente schematico di un condotto di aspirazione di una camera di combustione per illustrare l'adduzione dell'aria conformemente all'attuale stato della tecnica. La variazione delta_ps della pressione ps nel condotto di aspirazione risulta dalla differenza fra la massa d'aria risulta dalla differenza fra la massa d'aria rlroh, addotta al condotto di aspirazione 2 e la massa d'aria rlab scaricata dal condotto di aspirazione 2 nella camera di combustione 4. Per una supposta pressione parziale del gas residuo pirg nella camera di combustione 4 la massa d'aria rlab addotta alla camera di combustione 4 è proporzionale alla differenza della pressione ps nel condotto di aspirazione e nella pressione parziale, esistente nella camera di combustione 4, del gas residuo pirg. Secondo l'invenzione nel funzionamento con miscela magra del motore 1 tutta la massa d'aria presente nella camera di combustione 4 è formata dalla somma della massa d'aria rlab, addotta ad ogni fase dal condotto di aspirazione 2, e l'aria residua ancora presente dal circolo di combustione di volta in volta trascorso, in base al supposto funzionamento con miscela magra.
La tipica relazione matematica mostrata in figura 3 fra carica d'aria nella camera di combustione ri e pressione ps nel condotto di aspirazione viene descritta da una retta con offset e pendenza. Il valore offset viene interpretato come quantità di gas inerte. La pendenza corrisponde alla costante fupsrl per convertire pressioni in massa e viceversa. Questa relazione lineare vale tuttavia soltanto in caso di completa combustione dell'aria nella camera di combustione .
Nel procedimento, noto nello stato della tecnica e mostrato in figura 4, per determinare la massa d'aria defluente nella camera di combustione, la differenza fra la massa d'aria rlroh 30, circolante per ogni fase nel condotto di aspirazione, e la massa d'aria rlab 31, defluente dal condotto di aspirazione nella camera di aspirazione, tramite un fattore di conversione fvisrm 32 viene convertita 33 in una variazione della pressione nel condotto di aspirazione e sommata 34 rispettivamente integrata 35 alla vecchia pressione ps nel condotto di aspirazione.
La massa d'aria rlab 31 defluente nella camera di conduzione è proporzionale alla differenza fra pressione ps 34 nel condotto di aspirazione e la pressione parziale nel gas residuo pirg 36 nella camera di combustione
laddove fupsrl 37 è il fattore per convertire pressione in massa.
Nell'ipotesi che procedimenti noti dell'attuale stato della tecnica, e precisamente che per il gas residuo presente nella camera di combustione non è presente alcuna quantità di aria residua, la massa d'aria nella camera di combustione r1 38 corrisponde all'aria rlab 31,m defluita dal condotto di aspirazione, ossia vale la relazione
Lo schema a blocchi mostrato in figura 1 mostra ora il corrispondente procedimento per il procedimento composto secondo l'invenzione per determinare -la composizione della miscela lambda per il funzionamento con miscela magra con lambda > 1. Secondo l'invenzione componenti funzionali in aggiunta rispetto alla figura 4 sono delimitati mediante la linea tratteggiata 40 dai componenti noti dall'attuale stato della tecnica. Nel funzionamento con miscela magra non brucia nella camera di combustione tutto l'ossigeno. La tensione parziale pirg 41 del gas residuo che rimane nella camera di combustione pertanto si compone di aria e di gas inerte. La quantità d'aria pirgl di questo gas residuo dipende ora dalla composizione lambda' della miscela dell'ultima combustione ed e:
Viene evidenziato il fatto che l'equazione 4 è valida soltanto per il funzionamento con miscela magra, ossia lambda' >1.
Alla massa d'aria rlab 42 defluito dal condotto di aspirazione, nel funzionamento con miscela magra si aggiunge la quantità d'aria del gas residuo, che viene calcolata con il fattore di conversione fupsrl 43 dalla tensione parziale della quantità d'aria del gas residuo pirgl, ossia conformemente alla relazione
Secondo l'invenzione in un primo momento lambda' 44, ossia il valore lambda del ciclo di combustione di volta in volta precedente viene confrontato con "1" 45 e in base ad una funzione di massimo 46 viene valutato se in presenza del funzionamento con miscela magra con lambda' >1. Se ciò avviene allora all'uscita della funzione di massimo 46 si ha il valore lambda'; altrimenti si ha il valore "1". Nel caso del valore lambda' in base ad un ulteriore elemento funzionale 50 dal valore di lambda' previa sottrazione 47 di un secondo valore addotto "1" 48 viene formato il quoziente (lambda'-1)/lambda'. Nell'altro caso nella presenza di un "1" all'uscita della funzione di massimo 46 tuttavia all'uscita dell'elemento funzionale 50 si ottiene il valore "0". Il valore presente all'uscita dell'elemento funzionale 50 viene addotto dapprima ad un primo moltiplicatore 51, dove corrispondentemente all'equazione (5) ha luogo una moltiplicazione per il fattore di conversione fupsrl, e successivamente il valore del prodotto così risultante viene addotto ad un secondo moltiplicatore 52 mediante il quale viene formato il prodotto con pirg conformemente all'equazione (4). Successivamente il valore fupsrl*pirgl così ricavato conformemente all'equazione (5) viene addotto ad un addizionatore (53), in cui questo valore viene sommato ad rlab, per cui da ultimo risulta il valore di ri, ossia tutta la quantità presente nella camera di combustione.
In particolare importanza è la realizzazione del procedimento secondo l'invenzione nella forma di un elemento di comando previsto per un apparecchio di comando di un motore endotermico, specialmente di un autoveicolo. A riguardo sull'elemento di comando è memorizzato ·un programma, che può girare su un apparecchio di calcolo, specialmente su un microprocessore ed è adatto all'esecuzione del procedimento secondo l'invenzione. In questo caso pertanto l'invenzione viene realizzata mediante un programma memorizzato sull'elemento di comando, cosicché questo elemento di comando dotato del programma rappresenta l'invenzione nello stesso modo come il procedimento per la cui esecuzione è adatto il programma. Come elemento di comando si può impiegare in particolare un mezzo di memoria elettrico, ad esempio una Read-Only-Memory.

Claims (10)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per il funzionamento di un motore endotermico (1) specialmente di un autoveicolo e in cui in un ciclo di combustione una massa (42) ed una massa di combustibile (3) vengono addotte ad una camera di combustione (4), laddove è possibile preimpostare la composizione lambda della miscela di massa d'aria con riferimento alla massa di combustibile, caratterizzato dal fatto che per un ciclo di combustione con una composizione lambda della miscela superiore ad (1) si determina una quantità di aria residua, che è presente nella camera di combustione (4) una volta avvenuta la combustione, e la quantità d'aria addotta alla camera di combustione (4) in un successivo ciclo di combustione viene ridotta corrispondentemente in ragione della quantità di aria residua.
  2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la quantità di aria residua (pirgl) che rimane nella camera di combustione (4) una volta avvenuta la combustione, viene calcolata dalla tensione parziale del gas residuo (pirg) tramite la composizione lambda' (44) della miscela della rispettiva precedente combustione, tramite la relazione
  3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 1 oppure 2, caratterizzato dal fatto che la massa d'aria (42) addotta in un ciclo di combustione alla camera di combustione (4) viene impostata mediante un comando preliminare di lambda e per il rispettivo ciclo di combustione seguente ha luogo la riduzione in ragione della quantità di aria residua per mezzo di un corrispondente comando preliminare di lambda.
  4. 4. Procedimento secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che la massa d'aria (38), presente nella camera di combustione (4) in un ciclo di combustione, viene determinata dalla relazione
  5. 5. Procedimento secondo una o più delle rivendicazioni precedenti per un motore endotermico con un condotto di aspirazione (2), dal quale aria può essere addotta alla camera di combustione (4), caratterizzato dal fatto che la massa d'aria (7) addotta al condotto di aspirazione (2) viene ridotta corrispondentemente conformemente alla massa d'aria (42) addotta di volta in volta ridotta alla camera di combustione (4).
  6. 6. Elemento di comando, specialmente Read-Only-Memory, per una parete di comando di un motore endotermico specialmente di un autoveicolo, sul quale è memorizzato un programma, che può girare su un apparecchio di calcolo, specialmente su un microprocessore ed è adatto all'esecuzione di un procedimento secondo una delle rivendicazioni 1 fino a 5.
  7. 7. Apparecchio di comando per un motore endotermico 1, specialmente di un autoveicolo, in cui sono previsti mezzi (2) per addurre una massa d'aria (42) ed una massa di combustibile (3) in una camera di combustione (4), nonché mezzi (12, 16-18) per comandare una composizione lambda della miscela di massa d'aria con riferimento alla massa di combustibile, caratterizzato da mezzi (45, 46) per rilevare la presenza di un ciclo di combustione con una composizione lambda della miscela superiore ad 1; mezzi (12, 50) per determinare una quantità di aria residua presente nella camera di combustione (4) una volta avvenuta la combustione; mezzi (12, 50, 51 - 53) per calcolare dalla quantità di aria residua una massa d'aria ridotta da addurre alla camera di combustione (4) in un successivo ciclo di combustione.
  8. 8. Apparecchio di comando secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che è caratterizzato da mezzi per calcolare la quantità di aria residua (pirgl) , che rimane nella camera di combustione (4) una volta avvenuto la combustione la combustione dalla tensione parziale (pirg) del gas residuo tramite la composizione lambda' della miscela della rispettiva precedente combustione tramite la relazione
  9. 9. Apparecchio di comando secondo la rivendicazione 7 oppure 8, caratterizzato da mezzi per cooperare con una regolazione lambda (12, 16-18), laddove la massa d'aria (42) addotta alla camera di combustione (4) in un ciclo di combustione è impostabile mediante un comando preliminare di lambda e la massa d'aria addotta nel rispettivo successivo ciclo di combustione è impostabile mediante un corrispondente comando preliminare lambda.
  10. 10. Motore endotermico specialmente di un autoveicolo caratterizzato da un procedimento per il suo funzionamento secondo una o più delle rivendicazioni da 1 fino a 5 e, oppure da un apparecchio di comando secondo una o più delle rivendicazioni da 7 fino a 9 e, oppure da un elemento di comando secondo la rivendicazione 6, previsto per l'apparecchio di comando.
IT2000MI000254A 1999-02-26 2000-02-15 Procedimento e dispositivo per il funzionamento di un motoreendotermico,specialmente di un autoveicolo,con miscela magra IT1316635B1 (it)

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DE19908401A DE19908401C2 (de) 1999-02-26 1999-02-26 Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs bei magerem Kraftstoff/Luft-Gemisch

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