ITMI20091080A1 - EGR CONTROL SYSTEM AND EQUIPMENT IN THE POWER SUPPLY SYSTEM FOR SUPERVISED INTERNAL COMBUSTION ENGINES - Google Patents
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Description
SISTEMA ED APPARECCHIATURA DI CONTROLLO DI EGR NELL'IMPIANTO DI ALIMENTAZIONE DI MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA SOVRALIMENTATI EGR CONTROL SYSTEM AND EQUIPMENT IN THE POWER SYSTEM OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES
DESCRIZIONE DESCRIPTION
CAMPO DELL'INVENZIONE FIELD OF THE INVENTION
L'invenzione riguarda un sistema che consente di implementare il ricircolo controllato dei gas di scarico in un motore a combustione interna ad accensione comandata ed un sistema di controllo di questo dispositivo. The invention relates to a system which allows to implement the controlled recirculation of the exhaust gases in an internal combustion engine with positive ignition and to a control system of this device.
Più precisamente, l'ambito tecnico entro cui si colloca l'invenzione è quello dell'utilizzo di EGR (acronimo di "Exhaust Gas Recycling" ovvero "Ricircolazione dei gas di scarico"), sia in regime stazionario sia transitorio (fase di accelerazione o di decelerazione), al fine di mitigare i fenomeni di detonazione e il surriscaldamento di alcuni organi del motore; ciò in particolare in motori ad accensione comandata alimentati con benzina o con combustibili alternativi liquidi o gassosi. More precisely, the technical field within which the invention is placed is that of the use of EGR (acronym for "Exhaust Gas Recycling" or "Exhaust Gas Recirculation"), both in steady state and transient (acceleration phase or of deceleration), in order to mitigate the knocking phenomena and overheating of some parts of the engine; this in particular in positive ignition engines fueled with petrol or with liquid or gaseous alternative fuels.
La detonazione è il principale limite al miglioramento di prestazioni dei motori ad accensione comandata. L'insorgenza del fenomeno della detonazione è accentuata dalle scelte progettuali, che comportano l'ottenimento di elevate pressioni medie effettive in presenza di alti rapporti di compressione. Tali scelte, ordinariamente mirate al miglioramento dell'efficienza e della potenza specifica dei propulsori, possono determinare condizioni critiche per la detonazione allorché non è possibile sfruttare l'azione refrigerante dell'eccesso di combustibile liquido vaporizzato, come accade nei motori a gas naturale. Knocking is the main limitation to the performance improvement of positive ignition engines. The onset of the knock phenomenon is accentuated by the design choices, which involve obtaining high effective average pressures in the presence of high compression ratios. These choices, ordinarily aimed at improving the efficiency and specific power of the engines, can determine critical conditions for detonation when it is not possible to exploit the cooling action of the excess vaporized liquid fuel, as occurs in natural gas engines.
L'esperienza ha mostrato che, l'uso di EGR raffreddato, consente di conseguire un notevole aumento della resistenza alla detonazione. Infatti, il ricircolo dei gas combusti raffreddati provoca l'abbassamento delle temperature del ciclo di combustione, oltre che la riduzione delle velocità delle reazioni di ossidazione responsabili dell'autoaccensione della porzione della miscela aria combustibile presente a valle del fronte di fiamma (denominata anche con il termine inglese "end gas"). Experience has shown that the use of cooled EGR allows a significant increase in resistance to detonation to be achieved. In fact, the recirculation of the cooled combustion gases causes the lowering of the temperatures of the combustion cycle, as well as the reduction of the speed of the oxidation reactions responsible for the self-ignition of the portion of the fuel-air mixture present downstream of the flame front (also called with the English term "end gas").
L'uso di sistemi EGR può consentire, inoltre, di limitare la temperatura delle teste, a parità di potenza o, viceversa, di aumentare le potenze erogabili ai limiti della detonazione a parità di temperatura delle teste. The use of EGR systems can also allow to limit the temperature of the heads, with the same power or, vice versa, to increase the powers that can be delivered to the limits of detonation with the same temperature of the heads.
La detonazione è infatti un fenomeno che interviene soprattutto a carichi elevati e in condizioni di transitorio e può essere esaltata, piuttosto che limitata, se la quota di EGR introdotto nel collettore di aspirazione non è stata opportunamente refrigerata. In fact, detonation is a phenomenon that occurs above all at high loads and in transient conditions and can be enhanced rather than limited if the amount of EGR introduced into the intake manifold has not been suitably refrigerated.
L'efficacia dell'EGR per la limitazione della detonazione è legata, dunque, alla possibilità di controllare, anche ad alti carichi, sia la temperatura che il tenore di EGR, entro stretti limiti prefissati e ciò sia in regime stazionario che in regime transitorio. The effectiveness of the EGR for limiting detonation is therefore linked to the possibility of controlling, even at high loads, both the temperature and the EGR content, within strict predetermined limits, both in steady state and in transient conditions.
La presente invenzione propone innovazioni in merito: allo schema per attuare il ricircolo controllato; alle modalità di misura della portata di EGR, alle modalità di refrigerazione dell'EGR. The present invention proposes innovations regarding: the scheme for implementing controlled recirculation; to the measurement methods of the EGR flow rate, to the refrigeration methods of the EGR.
STATO DELLA TECNICA ANTERIORE STATE OF THE PRIOR ART
Particolari realizzazioni di valvole EGR che consentono di implementare la tecnica del ricircolo controllato dei gas di scarico sono già note; descritte per esempio nelle domande di brevetti italiani n. MI2005A-000407, MI2005A-000408, ed MI2008A-000450, depositate tutte a nome della stessa Richiedente. Particular embodiments of EGR valves which allow to implement the technique of controlled exhaust gas recirculation are already known; described for example in the Italian patent applications n. MI2005A-000407, MI2005A-000408, and MI2008A-000450, all filed in the name of the same Applicant.
Più specificamente, per quanto riguarda il presente trovato, nell'esame dello stato dell'arte, si porrà particolare attenzione ai seguenti aspetti: More specifically, with regard to the present invention, in examining the state of the art, particular attention will be paid to the following aspects:
• lo schema applicativo del circuito di EGR • the application diagram of the EGR circuit
• la misura della portata o del tenore di EGR, • le modalità di refrigerazione dello scambiatore di EGR In merito allo schema applicativo del circuito di EGR a motori ad accensione comandata alimentati con combustibile liquido o gassoso, in generale i vari costruttori di componenti propongono schemi di ricircolo che sfruttano in vario modo le tecnologie "short route+ long route" di derivazione diesel. • the measurement of the flow rate or the EGR content, • the refrigeration methods of the EGR exchanger. recirculation systems that exploit in various ways the "short route + long route" technologies derived from diesel.
Applicazioni dello short route sono illustrate nei brevetti US-5.617.726, US-5.611.204 a nome di Cummins. I dispositivi citati, concepiti per essere applicati a motori diesel, prevedono un prelievo di gas di ricircolo a monte della turbina, la refrigerazione dei gas di ricircolo attraverso un EGR cooler (con eventuale by-pass) e il miscelamento dei gas con l'aria a valle di un intercooler. Uno schema concettualmente simile è illustrato anche nel brevetto US-6.408.833 a nome di Caterpillar. Applications of the short route are illustrated in US-5,617,726, US-5,611,204 in the name of Cummins. The aforementioned devices, designed to be applied to diesel engines, provide for the withdrawal of recirculation gas upstream of the turbine, the refrigeration of the recirculation gases through an EGR cooler (with possible by-pass) and the mixing of the gases with the air. downstream of an intercooler. A conceptually similar scheme is also illustrated in US patent 6,408,833 in the name of Caterpillar.
Occorre tuttavia notare che un EGR ottenuto secondo la tecnica denominata "Short Route" presenta l'inconveniente che, seppur efficacemente raffreddato, può provocare aumenti significativi delle temperature della miscela aspirata dal motore. A titolo di esempio, ipotizzando una temperatura di 140°C dell'EGR raffreddato ed un tenore di ricircolo del 20%, ed una temperatura dell'aria all'uscita dell'intercooler di 50°C, si determina un incremento della temperatura della miscela aria-EGR, rispetto alla temperatura dell'aria, di poco inferiore ai 20°C. Tale aumento contrasta ovviamente con l'obiettivo di ottenere una maggiore resistenza alla detonazione. However, it should be noted that an EGR obtained according to the "Short Route" technique has the drawback that, even if effectively cooled, it can cause significant increases in the temperatures of the mixture drawn in by the engine. By way of example, assuming a temperature of 140 ° C of the cooled EGR and a recirculation content of 20%, and an air temperature at the outlet of the intercooler of 50 ° C, an increase in the temperature of the mixture is determined. air-EGR, compared to the air temperature, slightly below 20 ° C. This increase obviously contrasts with the aim of obtaining greater resistance to detonation.
I documenti US-2005/0235644 ed US-2007/0256413 illustrano dei sistemi cosiddetti "Long-Route", nei quali i gas da ricircolare sono prelevati a valle della turbina e vengono immessi alla aspirazione del motore. I sistemi long route si avvantaggiano dell'effetto dell'intercooler per contenere le temperature all'aspirazione. Documents US-2005/0235644 and US-2007/0256413 illustrate so-called "Long-Route" systems, in which the gases to be recirculated are taken downstream of the turbine and are introduced to the engine intake. Long route systems take advantage of the intercooler effect to contain intake temperatures.
Tuttavia, le prove condotte fino ad oggi dimostrano che tali sistemi risultano poco efficaci nei transitori. Inoltre, l'ingresso di gas più caldi all'aspirazione comporta un aumento del lavoro di compressione da parte del compressore del turbo, con un conseguente peggioramento del rendimento complessivo. However, the tests conducted to date show that these systems are not very effective in transients. Furthermore, the entry of hotter gases at the intake leads to an increase in the compression work by the turbo compressor, with a consequent worsening of the overall efficiency.
La misura della portata di EGR viene eseguita con metodologie molto diverse. La più diffusa utilizza le perdite di carico in restrizioni, spesso denominate "fori calibrati" (in inglese: "measuring orifices"): a tal proposito si citano US-6. 182.644 ed US-6.321.732. In alternativa a semplici restrizioni di misura sono stati proposti anche dei misuratori a tubo Venturi, come ad esempio in US-6.810.725. The measurement of the EGR flow rate is performed with very different methodologies. The most common uses pressure drops in restrictions, often called "calibrated holes" (in English: "measuring orifices"): in this regard, US-6 is mentioned. 182.644 and US-6.321.732. As an alternative to simple measurement restrictions, venturi tube meters have also been proposed, as for example in US-6,810,725.
Una alternativa all'uso di fori di calibratura o di Venturi per la misura della portata di EGR è quella di sfruttare la misura della caduta di pressione attraverso lo scambiatore di calore, come proposto in US-7.278.411. Tale sistema, in aggiunta ad un misuratore di pressione differenziale, contempla uno o due sensori di temperatura, a monte ed a valle dello scambiatore. Il segnale proveniente dal misuratore di pressione, con l'eventuale aggiunta di quelli derivati dai misuratori di temperatura, viene trattato in un processore dedicato per il calcolo della portata di EGR. An alternative to the use of calibration or venturi holes for the measurement of the EGR flow rate is to exploit the measurement of the pressure drop across the heat exchanger, as proposed in US-7,278,411. This system, in addition to a differential pressure meter, includes one or two temperature sensors, upstream and downstream of the exchanger. The signal coming from the pressure gauge, with the possible addition of those derived from the temperature meters, is processed in a dedicated processor for the calculation of the EGR flow rate.
Per quanto riguarda il circuito di refrigerazione dei gas nello EGR cooler, alcune soluzioni prevedono circuiti di refrigerazione con radiatori multipli, come ad esempio in US-6.244.256, US-7.380.544. Attualmente le soluzioni più diffuse in commercio prevedono l'impiego di un solo radiatore che utilizza lo stesso fluido del motore o fluidi ausiliari. As regards the gas refrigeration circuit in the EGR cooler, some solutions provide refrigeration circuits with multiple radiators, as for example in US-6.244.256, US-7.380.544. Currently the most common solutions on the market provide for the use of a single radiator which uses the same engine fluid or auxiliary fluids.
PROBLEMA E SOLUZIONE PROBLEM AND SOLUTION
Problema alla base dell'invenzione è di proporre un sistema EGR che superi gli inconvenienti o limiti della tecnica nota, nell'impiego della tecnica del ricircolo controllato dei gas di scarico, in termini di temperatura e portata dei gas di ricircolo, e questo sia in regime stazionario che in regime transitorio. The problem underlying the invention is to propose an EGR system that overcomes the drawbacks or limitations of the known art, in the use of the controlled exhaust gas recirculation technique, in terms of temperature and flow rate of the recirculating gases, and this both in terms of steady state and transitional regime.
Un secondo problema è quello di fornire un sistema di controllo che non sovraccarichi il lavoro della centralina elettronica di gestione del motore a combustione e dell'intero veicolo che lo utilizza. A second problem is to provide a control system that does not overload the work of the electronic control unit of the combustion engine and of the entire vehicle that uses it.
Questi scopi vengono raggiunti attraverso le caratteristiche menzionate nelle rivendicazioni indipendenti 1 e 10. Le rivendicazioni subordinate descrivono caratteristiche preferenziali dell'invenzione. These objects are achieved through the characteristics mentioned in the independent claims 1 and 10. The subordinate claims describe preferential characteristics of the invention.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione risultano comunque meglio evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di alcune forme di esecuzione preferite, date a puro titolo esemplificativo e non limitativo ed illustrate nei disegni allegati, nei quali: Further characteristics and advantages of the invention are however better evident from the following detailed description of some preferred embodiments, given purely by way of non-limiting example and illustrated in the attached drawings, in which:
fig. 1 mostra lo schema funzionale di un sistema EGR secondo una prima forma di esecuzione della presente invenzione; fig. 1 shows the functional diagram of an EGR system according to a first embodiment of the present invention;
fig. 2 mostra uno schema funzionale simile a quello di fig.l, relativo ad una seconda forma di esecuzione; fig. 2 shows a functional diagram similar to that of fig. 1, relating to a second embodiment;
fig. 3 mostra una possibile concreta forma di esecuzione del dispositivo di valvola a fungo e valvola deviatrice secondo l'invenzione, in sezione secondo l'asse della valvola; fig. 3 shows a possible concrete embodiment of the poppet valve and diverter valve device according to the invention, in section along the valve axis;
fig. 4 mostra un diagramma di confronto in cui si osserva che i valori predetti e quelli misurati, della portata di EGR che attraversa lo scambiatore di calore, si addensano lungo una stessa retta. fig. 4 shows a comparison diagram in which it is observed that the predicted and measured values of the EGR flow rate that crosses the heat exchanger are concentrated along the same straight line.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELLA PREFERITA FORMA DI ATTUA-ZIONE DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED FORM OF IMPLEMENTATION
Come già detto, l'invenzione propone dunque l'utilizzo della tecnica di EGR controllato, sia in regime stazionario sia transitorio (cioè in fase di accelerazione o di decelerazione), al fine di mitigare i fenomeni di detonazione e il surriscaldamento di alcuni organi del motore, in particolare in motori ad accensione comandata alimentati con benzina o con combustibili alternativi liquidi o gassosi. As already mentioned, the invention therefore proposes the use of the controlled EGR technique, both in steady state and transient (i.e. in the acceleration or deceleration phase), in order to mitigate the knocking phenomena and overheating of some organs of the engine, particularly in positive ignition engines fueled with petrol or with liquid or gaseous alternative fuels.
Come riportato nello schema funzionale della fig. 1, il sistema EGR secondo la presente invenzione si applica ad un motore a combustione interna (MCI), sovralimentato, che comprende un collettore di aspirazione 1 ed un collettore di scarico 2. Tramite una valvola a farfalla 3 viene controllata l'alimentazione d'aria, fornita mediante un turbocompressore formato da turbina 4 e compressore 5. As reported in the functional diagram of fig. 1, the EGR system according to the present invention is applied to an internal combustion engine (MCI), supercharged, which comprises an intake manifold 1 and an exhaust manifold 2. A throttle valve 3 controls the supply of air, supplied by means of a turbocharger formed by turbine 4 and compressor 5.
L'invenzione prevede che la portata principale di gas combusti, prelevata immediatamente a valle del collettore di scarico 2 venga inviata alla turbina 4, per il suo azionamento. Una ulteriore aliquota di gas di scarico passa attraverso una valvola regolatrice 6, attuata elettricamente. I gas di scarico, dopo avere attraversato la valvola 6, fluiscono attraverso lo scambiatore di calore 7 del sistema EGR, detto anche "EGR Cooler". The invention provides that the main flow of flue gases, taken immediately downstream of the exhaust manifold 2, is sent to the turbine 4, for its activation. A further portion of exhaust gas passes through an electrically actuated regulating valve 6. The exhaust gases, after passing through the valve 6, flow through the heat exchanger 7 of the EGR system, also known as the "EGR Cooler".
A valle dello scambiatore 7 è presente un deviatore 8, che permette di indirizzare i gas di EGR raffreddati, o direttamente a valle della valvola a farfalla 3, dove si miscelano con l'aria proveniente da un dispositivo intercooler 9 o, in alternativa, in un tubo Venturi 10, semplice o doppio, disposto a valle del compressore 5 e prima dell'intercooler 9. Downstream of the exchanger 7 there is a diverter 8, which allows to direct the cooled EGR gases, or directly downstream of the throttle valve 3, where they mix with the air coming from an intercooler device 9 or, alternatively, in a Venturi tube 10, single or double, arranged downstream of the compressor 5 and before the intercooler 9.
Per l'insieme di valvola a fungo 6 e valvola deviatrice 8 è da intendersi un sub-sistema in grado di operare la regolazione del flusso di gas ricircolati sia in termini di portata sia in termini di indirizzamento selettivo del gas stesso a monte intercooler o piuttosto a valle farfalla, secondo gli schemi riportati in fig.l e fig.2. The set of poppet valve 6 and diverter valve 8 is intended as a sub-system capable of regulating the flow of recirculated gases both in terms of flow rate and in terms of selective directing of the gas itself upstream of the intercooler or rather downstream of the throttle, according to the diagrams shown in fig. 1 and fig. 2.
Nella figura 3 è rappresentata, più in concreto, una possibile forma di esecuzione di questo insieme di valvola a fungo 6 e valvola deviatrice 8. Figure 3 shows, more concretely, a possible embodiment of this set of poppet valve 6 and diverter valve 8.
Il corpo valvola 6 comprende una valvola 6a a fungo, sospinta contro la propria sede 6b da una molla di compressione 6c, ed un sistema di movimentazione elettrico - per se noto e pertanto rappresentato attraverso il solo housing 6d contenente i diversi elementi costitutivi - che ne comanda l'apertura secondo una precisa strategia di controllo, attuata per mezzo di un sistema elettronico di controllo, dedicato, come meglio precisato nel seguito. The valve body 6 comprises a poppet valve 6a, pushed against its seat 6b by a compression spring 6c, and an electrical movement system - per se known and therefore represented only through the housing 6d containing the various constituent elements - which it commands opening according to a precise control strategy, implemented by means of a dedicated electronic control system, as better specified below.
Al corpo valvola 6 è inoltre associato un condotto 6e di entrata di gas di ricircolo proveniente dal sistema di scarico 2 del motore, la cui portata è regolata appunto attraverso la maggiore o minore apertura della valvola a fungo 6a; questa portata viene convogliata dal condotto di uscita 6f verso lo scambiatore 7, mentre la restante parte dei gas combusti viene separatamente inviata all'ingresso della turbina 4. The valve body 6 also has an inlet duct 6e for recirculation gas coming from the exhaust system 2 of the engine, the flow rate of which is regulated precisely through the greater or lesser opening of the poppet valve 6a; this flow rate is conveyed by the outlet duct 6f towards the exchanger 7, while the remaining part of the burnt gases is sent separately to the inlet of the turbine 4.
I gas che passano nello scambiatore 7 vengono raffreddati - come meglio precisato anche nel seguito - dal liquido di raffreddamento del motore MCI; questo liquido viene convogliato allo scambiatore attraverso la valvola di regolazione 13, secondo una prima forma di esecuzione dell'invenzione il cui schema è riportato in fig. 1, oppure attraverso la pompa elettrica ausiliaria 14, così come previsto da una seconda forma di esecuzione dell'invenzione il cui schema è riportato in fig. 2. The gases that pass into the exchanger 7 are cooled - as better specified also below - by the coolant of the MCI engine; this liquid is conveyed to the exchanger through the regulating valve 13, according to a first embodiment of the invention, the diagram of which is shown in fig. 1, or through the auxiliary electric pump 14, as envisaged by a second embodiment of the invention, the diagram of which is shown in fig. 2.
La portata di questo liquido che si rende necessaria per il raffreddamento dei gas EGR viene immessa nello scambiatore 7 attraverso un condotto 7a e ne esce attraverso un condotto 7b, per ritornare verso il radiatore 11 del motore MCI. The flow rate of this liquid which is necessary for cooling the EGR gases is introduced into the exchanger 7 through a duct 7a and exits through a duct 7b, to return towards the radiator 11 of the MCI engine.
A valle dello scambiatore 7 si raccorda il corpo 8 della valvola deviatrice, la quale è essenzialmente costituita da un deflettore 8a, che si muove tra due posizioni estreme a chiudere un condotto di mandata 8b, che porta direttamente a valle della valvola a farfalla 3, o rispettivamente un condotto di mandata 8c, che porta al tubo venturi 10, come meglio descritto nel seguito. Downstream of the exchanger 7, the body 8 of the diverter valve is connected, which essentially consists of a deflector 8a, which moves between two extreme positions to close a delivery duct 8b, which leads directly downstream of the butterfly valve 3, or respectively a delivery duct 8c, which leads to the Venturi tube 10, as better described below.
La disposizione secondo la fig. 3 è naturalmente una delle possibili di sposizioni che il tecnico del ramo potrà adottare. E' chiaro tuttavia che l'insieme di valvola regolatrice 6 di valvola deviatrice 8 può pensarsi realizzato anche con altri mezzi o sistemi, ovvero con una prima valvola regolatrice effettivamente presente a monte dello scambiatore di calore ed una seconda valvola per l'indirizzamento selettivo a valle dello scambiatore stesso; o piuttosto con un unico sistema, posto a valle del cooler EGR, in grado di svolgere entrambe le funzioni, ad esempio del tipo di quello oggetto della già citata domanda di brevetto MI2008A-000450 a nome della stessa Richiedente. The arrangement according to fig. 3 is naturally one of the possible arrangements that the person skilled in the art will be able to adopt. However, it is clear that the set of regulating valve 6 and diverter valve 8 can also be thought of as being made with other means or systems, that is with a first regulating valve actually present upstream of the heat exchanger and a second valve for selective addressing to downstream of the exchanger itself; or rather with a single system, located downstream of the EGR cooler, capable of performing both functions, for example of the type of the one referred to in the aforementioned patent application MI2008A-000450 in the name of the same Applicant.
Il dispositivo Venturi 10 ed il sistema di immissione dei gas di scarico sono progettati per lavorare in regime subsonico, con perdite di carico molto modeste. Il Venturi 10 assolve il compito di aumentare la differenza di pressione tra quella a monte della turbina 4 e quella a valle del compressore 5 e dunque di aumentare la rapidità di risposta del sistema. The Venturi device 10 and the exhaust gas inlet system are designed to work in subsonic conditions, with very modest pressure drops. The Venturi 10 performs the task of increasing the pressure difference between that upstream of the turbine 4 and that downstream of the compressor 5 and therefore of increasing the response speed of the system.
A monte dell'EGR cooler 7 sono disposti un misuratore di pressione ed un misuratore di temperatura, indicati rispettivamente con p2 e t2 (associati al gruppo della valvola 6, anche se non rappresentati in dettaglio). A valle dell'EGR Cooler 7 è disposto un misuratore di pressione p3 (eventualmente associato ad un misuratore di temperatura t3, entrambi associati al gruppo del deviatore 8, ma non rappresentati in figura). Upstream of the EGR cooler 7 there are a pressure gauge and a temperature gauge, indicated respectively with p2 and t2 (associated with the valve assembly 6, even if not shown in detail). A pressure gauge p3 is arranged downstream of the EGR Cooler 7 (possibly associated with a temperature gauge t3, both associated with the diverter assembly 8, but not shown in the figure).
Le misure di pressione e temperatura p2, t2, p3, vengono acquisite e utilizzate da parte di un processore, per il calcolo della portata e della temperatura dell'EGR. The pressure and temperature measurements p2, t2, p3 are acquired and used by a processor to calculate the flow rate and temperature of the EGR.
Secondo una importante caratteristica della presente invenzione, questo è un processore locale, dedicato esclusivamente al controllo della funzione EGR, a ciclo chiuso, ma che si integra con il sistema elettronico generale (ECU) di controllo dell’alimentazione del motore (MCI) According to an important feature of the present invention, this is a local processor, dedicated exclusively to the control of the EGR function, in a closed loop, but which integrates with the general electronic system (ECU) for controlling the engine power supply (MCI)
Questo microprocessore dedicato, governa almeno i seguenti elementi: detti mezzi (6) di azionamento della valvola EGR, detti mezzi (8) di deviazione dei gas, ed i mezzi - valvola di regolazione 13 o pompa di circolazione (14) - di controllo del fluido di raffreddamento. This dedicated microprocessor governs at least the following elements: said means (6) for activating the EGR valve, said means (8) for deviating the gases, and means - regulation valve 13 or circulation pump (14) - for controlling the cooling fluid.
Tale microprocessore, unitamente agli altri elementi della catena di misura-controllo, consente un efficace controllo, in tempo reale, sia in regime stazionario che in transitorio, delle portate e delle temperature della miscela in ingresso al motore. Esso raccoglie le richieste della ECU principale ed attua un controllo "model based" per inseguire i desiderati profili di temperatura e portata di EGR. This microprocessor, together with the other elements of the measurement-control chain, allows effective control, in real time, both in steady state and in transient conditions, of the flow rates and temperatures of the mixture entering the engine. It collects the requests from the main ECU and implements a "model based" control to follow the desired EGR temperature and flow rate profiles.
Questa disposizione è particolarmente vantaggiosa, da un lato, per il fatto che consente di scaricare la ECU principale dell'intero sistema di alimentazione del motore, dal compito del controllo della funzione EGR e, d'altro lato, per il fatto che è possibile utilizzare un microprocessore dedicato al solo controllo di questa funzione, ottenendo tempi di risposta più rapidi. This arrangement is particularly advantageous, on the one hand, due to the fact that it allows the main ECU of the entire engine fuel system to be unloaded, from the task of controlling the EGR function and, on the other hand, due to the fact that it is possible to use a microprocessor dedicated to the sole control of this function, obtaining faster response times.
Come già detto, i gas di scarico sono refrigerati, all'interno dello scambiatore di calore 7, per mezzo del fluido di refrigerazione del motore. Una quota del fluido di refrigerazione proveniente dal radiatore 11 del motore, viene prelevata a valle della relativa pompa di circolazione 12, prima dell'ingresso nel motore stesso. Questa quota di fluido di refrigerazione passa attraverso la valvola 13, che ne regola la portata che attraversa lo scambiatore 7. All'uscita dallo scambiatore 7 il fluido refrigerante si miscela a quello in uscita dal motore e rientra nel radiatore 11 del motore stesso. La portata di fluido refrigerante può essere regolata a ciclo chiuso, utilizzando come riferimento il sensore di temperatura t3 disposto all'uscita dello scambiatore 7. As already mentioned, the exhaust gases are cooled, inside the heat exchanger 7, by means of the engine cooling fluid. A portion of the refrigeration fluid coming from the radiator 11 of the engine is taken downstream of the relative circulation pump 12, before entering the engine itself. This portion of refrigeration fluid passes through the valve 13, which regulates its flow rate which passes through the exchanger 7. At the outlet from the exchanger 7, the refrigerant fluid mixes with that leaving the engine and re-enters the radiator 11 of the engine itself. The flow rate of the refrigerant fluid can be regulated in a closed cycle, using the temperature sensor t3 located at the outlet of the exchanger 7 as a reference.
Un'altra possibile forma di esecuzione dell'invenzione è illustrata nello schema di fig. 2; essa differisce da quella di fig. 1 per quanto riguarda il circuito di refrigerazione dello scambiatore 7 di EGR. Another possible embodiment of the invention is illustrated in the diagram of fig. 2; it differs from that of fig. 1 as regards the refrigeration circuit of the EGR exchanger 7.
Il fluido di refrigerazione proveniente dal radiatore 11 viene, infatti, prelevato a monte della pompa 12 di circolazione del fluido nel motore, prima dell'ingresso nel motore stesso. Il fluido prelevato passa attraverso la pompa elettrica ausiliaria 14, che ne regola la portata che attraversa lo scambiatore 7. All'uscita dallo scambiatore 7 il fluido refrigerante si miscela poi a quello in uscita dal motore e rientra nel radiatore 11 del motore stesso, allo stesso modo di quanto rappresentato in fig. 1. The refrigeration fluid coming from the radiator 11 is, in fact, withdrawn upstream of the pump 12 for circulating the fluid in the engine, before entering the engine itself. The fluid withdrawn passes through the auxiliary electric pump 14, which regulates its flow rate which passes through the exchanger 7. At the outlet from the exchanger 7, the coolant then mixes with that leaving the engine and re-enters the radiator 11 of the engine itself, to the same way as shown in fig. 1.
Anche in questo caso la portata del fluido refrigerante può essere regolata in ciclo chiuso, utilizzando come riferimento il sensore di temperatura t3, disposto all'uscita dallo scambiatore 7. Also in this case the flow rate of the refrigerant fluid can be regulated in a closed cycle, using the temperature sensor t3, located at the outlet from the exchanger 7 as a reference.
Lo schema di ricircolo secondo l'invenzione prevede dunque l'immissione dell'EGR immediatamente a valle del compressore 5 ed a monte del dispositivo intercooler 9 o, in alternativa, a valle farfalla 3. La valutazione di quale dei due percorsi debba essere utilizzato, di volta in volta ed istante per istante, è attuata tramite il citato microprocessore dedicato, a seconda delle condizioni istantanee di funzionamento del motore (MCI) The recirculation scheme according to the invention therefore provides for the introduction of the EGR immediately downstream of the compressor 5 and upstream of the intercooler device 9 or, alternatively, downstream of the throttle 3. The evaluation of which of the two paths is to be used, from time to time and moment by moment, it is implemented through the aforementioned dedicated microprocessor, according to the instantaneous operating conditions of the motor (MCI)
Lo schema descritto nelle figure 1 e 2 si differenzia sia dai tradizionali "Short Route" che dai "Long Route". In effetti, diversamente dalla tecnicanota, secondo il sistema EGR proposto dalla presente invenzione l'immissione del gas di ricircolo avviene a monte dell'Intercooler, nella zona ad alta pressione (a valle del compressore). The scheme described in figures 1 and 2 differs from both traditional "Short Routes" and "Long Routes". In fact, unlike the conventional technique, according to the EGR system proposed by the present invention, the recirculation gas is introduced upstream of the Intercooler, in the high pressure zone (downstream of the compressor).
Il vantaggio essenziale di questa disposizione secondo l'invenzione è dato dal fatto che essa rende più veloce la risposta nei transitori. The essential advantage of this arrangement according to the invention is that it makes the transient response faster.
Altro vantaggio è che proprio l'immissione dell'EGR a monte del dispositivo intercooler ed a valle del compressore consente un preciso controllo della temperatura della miscela di gas aspirata dal motore, con un effetto di raffreddamento paragonabile a quello ottenibile con l'impiego di un tradizionale schema Long Route, ma controllabile in modo molto più preciso. Another advantage is that the introduction of the EGR upstream of the intercooler device and downstream of the compressor allows precise control of the temperature of the gas mixture sucked in by the engine, with a cooling effect comparable to that obtainable with the use of a traditional Long Route scheme, but controllable in a much more precise way.
Ulteriore vantaggio è dato dalla presenza di un venturi a valle del compressore, nella zona di immissione dei gas ricircolati; esso consente un incremento della velocità di transito dell'EGR, con un netto miglioramento del controllo nei transitori. Con l'adozione di un doppio Venturi sarebbe inoltre possibile conseguire ulteriori vantaggi in termini di funzionalità del sistema. A further advantage is given by the presence of a venturi downstream of the compressor, in the inlet area of the recirculated gases; it allows an increase in the transit speed of the EGR, with a marked improvement in control in transients. By adopting a double Venturi it would also be possible to achieve further advantages in terms of system functionality.
Ancora un altro vantaggio si consegue nel controllo della portata dei gas di ricircolo. Come si è visto, essa si basa sulla possibilità di poter misurare con adeguata accuratezza la portata istantanea di EGR che, secondo l'invenzione ed in entrambe le due forme di esecuzione - che peraltro differiscono unicamente per un dettaglio del circuito di refrigerazione dello scambiatore di EGR - viene eseguita, da un lato, utilizzando i segnali di pressione p2 e di temperatura t2, prelevati a monte dello scambiatore, dopo che il gas EGR ha attraversato la valvola di regolazione V e, d'altro lato, utilizzando il segnale di pressione p3 prelevato a valle dello scambiatore di calore, prima che il gas EGR sia indirizzato dalla valvola deviatrice D nel Venturi, o nella valvola a farfalla (fig. 1 e 2). Per il calcolo di detta portata detto microprocessore dedicato utilizza una formula di correlazione che sfrutta gruppi funzionali ottenuti dalla combinazione delle grandezze misurate p2, p3, t2. Yet another advantage is achieved in controlling the flow rate of the recirculating gases. As we have seen, it is based on the possibility of being able to measure with adequate accuracy the instantaneous flow rate of EGR which, according to the invention and in both the two embodiments - which however differ only in a detail of the refrigeration circuit of the heat exchanger EGR - is performed, on the one hand, using the pressure p2 and temperature t2 signals, taken upstream of the exchanger, after the EGR gas has passed through the control valve V and, on the other hand, using the pressure signal p3 taken downstream of the heat exchanger, before the EGR gas is directed by the diverter valve D into the Venturi, or into the butterfly valve (fig. 1 and 2). For the calculation of said flow rate, said dedicated microprocessor uses a correlation formula which exploits functional groups obtained from the combination of the measured quantities p2, p3, t2.
Secondo un importante aspetto della presente invenzione, il controllo del funzionamento sia dell'una che dell'altra delle due varianti di esecuzione proposte (fig. 1 e 2) viene effettuato per mezzo di un processore dedicato. Con ciò si intende che il controllo di: valvola 6 di EGR, sistema 8 di deviazione dei gas con pompa elettrica 12 e valvola 13 di regolazione della circolazione del fluido di raffreddamento, nonché della pompa ausiliaria 14 sono attuati per mezzo di un microprocessore che è distinto dal microprocessore della ECU principale di gestione del motore. Esso attua un controllo "model based" per inseguire il profilo di temperatura e portata di EGR desiderata. According to an important aspect of the present invention, the operation control of both of the two proposed execution variants (fig. 1 and 2) is carried out by means of a dedicated processor. By this it is meant that the control of: EGR valve 6, gas diversion system 8 with electric pump 12 and valve 13 for regulating the circulation of the cooling fluid, as well as of the auxiliary pump 14 are carried out by means of a microprocessor which is distinct from the microprocessor of the main engine management ECU. It implements a "model based" control to follow the desired EGR temperature and flow rate profile.
In realtà, come già detto, in US-7.278.411 la misura della differenza di pressione tra monte e valle dello scambiatore e la misura delle temperature a monte e a valle dello EGR cooler sono utilizzate per il calcolo della portata dei gas ricircolati. Tuttavia, secondo la presente invenzione, viene proposta una diversa e più efficace metodologia di calcolo della portata di EGR. In particolare, la valutazione dell'EGR viene operata utilizzando una combinazione di parametri misurati a monte dello scambiatore di EGR, cioè pressione (p2) e temperatura (t2), nonché la pressione (p3) a valle dello scambiatore EGR. Utilizzando opportuni gruppi funzionali, tra cui: ((p2-p3)*p3/ t2)^n, è possibile ottenere una notevole precisione di misura. In particolare la variabile m2, portata in ingresso allo scambiatore, figura quale variabile dipendente mentre le principali variabili indipendenti sono la temperatura t3 e la combinazione (ρ2-ρ3)*ρ3Λ2)<Λ>η. In reality, as already mentioned, in US-7,278,411 the measurement of the pressure difference between upstream and downstream of the exchanger and the measurement of the temperatures upstream and downstream of the EGR cooler are used to calculate the flow rate of the recirculated gases. However, according to the present invention, a different and more effective methodology for calculating the EGR flow rate is proposed. In particular, the EGR evaluation is performed using a combination of parameters measured upstream of the EGR exchanger, i.e. pressure (p2) and temperature (t2), as well as the pressure (p3) downstream of the EGR exchanger. By using suitable functional groups, including: ((p2-p3) * p3 / t2) ^ n, it is possible to obtain a remarkable measurement accuracy. In particular, the variable m2, flow rate at the inlet to the exchanger, appears as a dependent variable while the main independent variables are the temperature t3 and the combination (ρ2-ρ3) * ρ3Λ2) <Λ> η.
Una conferma dell'efficacia di questo sistema è data in figura 4, ove viene riportato un confronto tra i valori predetti (linea diritta, obliqua) e quelli misurati (punti lungo detta linea), della portata di EGR che attraversa lo scambiatore. A confirmation of the effectiveness of this system is given in figure 4, where a comparison is reported between the predicted values (straight line, oblique) and those measured (points along said line) of the EGR flow rate that crosses the exchanger.
Per quanto riguarda le modalità di refrigerazione dello scambiatore di EGR, l'invenzione prevede che il fluido di raffreddamento sia costituito dal refrigerante del motore. Quest'ultimo viene prelevato all'uscita del radiatore Il e viene fatto circolare nello scambiatore EGR mediante una pompa elettrica a velocità variabile (14). Il sistema è controllato da detto processore dedicato, che governa la pompa elettrica di circolazione del fluido di raffreddamento. As regards the refrigeration methods of the EGR exchanger, the invention provides that the cooling fluid consists of the engine coolant. The latter is taken at the outlet of the radiator II and is circulated in the EGR exchanger by means of an electric variable speed pump (14). The system is controlled by said dedicated processor, which governs the electric pump for circulating the cooling fluid.
Dunque, i circuiti di refrigerazione descritti (fig. 1 e fig. 2) hanno la caratteristica di utilizzare lo stesso fluido refrigerante e lo stesso radiatore del motore. Tale scelta permette di contenere i costi di realizzazione a parità di efficacia complessiva di funzionamento. Inoltre, gli schemi proposti consentono di utilizzare portate variabili del fluido refrigerante. Therefore, the refrigeration circuits described (fig. 1 and fig. 2) have the characteristic of using the same coolant and the same radiator as the engine. This choice makes it possible to contain construction costs with the same overall operating efficiency. Furthermore, the proposed schemes allow to use variable flow rates of the refrigerant fluid.
S'intende comunque che l'invenzione non debba considerarsi limitata alla particolare disposizione illustrata sopra, che costituisce soltanto una forma di esecuzione esemplificativa di essa, ma che diverse varianti sono possibili, tutte alla portata di un tecnico del ramo, senza per questo uscire dall'ambito di protezione dell'invenzione stessa, come definito dalle rivendicazioni che seguono. However, it is understood that the invention should not be considered limited to the particular arrangement illustrated above, which constitutes only an exemplary embodiment thereof, but that various variants are possible, all within the reach of a person skilled in the art, without thereby departing from the scope of the invention itself, as defined by the following claims.
LISTA DEI CARATTERI DI RIFERIMENTO LIST OF REFERENCE CHARACTERS
1) collettore di aspirazione 1) intake manifold
2) collettore di scarico 2) exhaust manifold
3) valvola a farfalla 3) throttle valve
4) turbina 4) turbine
5) compressore 5) compressor
6) valvola regolatrice, con: 6) regulating valve, with:
6a) valvola a fungo 6a) poppet valve
6b) sede di valvola 6b) valve seat
6c) molla di pressione 6c) pressure spring
6d) scatola di centralina elettronica 6d) electronic control unit box
6e) condotto d'ingresso gas di scarico 6e) exhaust gas inlet duct
6f) condotto di uscita gas di scarico 6f) exhaust gas outlet duct
7) scambiatore di calore, con: 7) heat exchanger, with:
7a) entrata di liquido di raffreddamento 7a) entry of coolant
8) deviatore, con: 8) diverter, with:
8a) deflettore 8a) deflector
8b) condotto di mandata 8b) delivery duct
8c) condotto di mandata 8c) delivery duct
9) dispositivo intercooler 9) intercooler device
10) tubo Venturi 10) Venturi tube
11) radiatore del motore 11) engine radiator
12) pompa di circolazione 12) circulation pump
13) valvola di regolazione 13) regulating valve
14) pompa elettrica ausiliaria 14) auxiliary electric pump
p2) misuratore di pressione p2) pressure gauge
t2) misuratore di temperatura t2) temperature meter
p3) misuratore di pressione p3) pressure gauge
t3) misuratore di temperatura t3) temperature meter
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