ITMI971777A1 - Dispositivo di comando per un motore endotermico a benzina ad iniezione diretta - Google Patents

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ITMI971777A1
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Hartmut Bauer
Nikolaus Benninger
Uwe Maienberg
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Bosch Gmbh Robert
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Description

TESTO DELLA DESCRIZIONE
Stato della tecnica
L'invenzione si riferisce ad un disposi
comando per un motore endotermico a benzina ad iniezione diretta.
Il documento DE 43 32 171 Al pubblica un "procedimento per il funzionamento di un motore endotermico a quattro tempi con accensione a scintilla ed iniezione diretta ed un dispositivo per l'esecuzione del procedimento". Secondo la fig. 2 di tale documento, l'intero ambito funzionale del motore endotermico viene diviso in diversi campi a seconda del numero di giri e del carico e, a seconda dell'attuale campo funzionale, il carburante viene iniettato o durante la fase d'aspirazione, o durante la fase di compressione. Nel caso dell'iniezione durante la fase di aspirazione, in base al tempo a disposizione fino all'accensione nonché in base alla vorticazione del carburante iniettato attraverso la corrente dell'aria d'aspirazione, ne risulta una distribuzione del carburante quasi del tutto omogenea (funzionamento omogeneo) , mentre nel caso dell'iniezione nella fase di compressione si forma una carica a strati (funzionamento stratificato). In questo dispositivo noto, un apparecchio di comando elettronico, partendo dalle singole caratteristiche d'esercizio e da prestabiliti criteri, provvede alla commutazione fra il funzionamento omogeneo e quello stratificato, determinando inoltre i valori di iniezione.
Il documento DE 42 39 711 Al si riferisce ad un "procedimento e dispositivo per il comando di un veicolo". Fra diversi sistemi parziali, di cui uno è un sistema del comando del motore, sono definite delle interfacce, attraverso le quali si possono scambiare delle informazioni sulla base di momenti (torcenti) per il comando del veicolo.
Nella domanda di brevetto tedesca non pubblicata anteriormente 1 96 18 385.5 del 08.05.1996 è noto un dispositivo di comando per influenzare l'alimentazione dell'aria ad un motore endotermico, in cui un valore nominale per il momento torcente o per la potenza del motore endotermico viene prestabilito almeno sulla base del desiderio del guidatore e trasformato mediante calcolo in un valore di regolazione nominale per un dispositivo di regolazione influenzante l'alimentazione dell'aria, laddove nel caso di una trasformazione mediante calcolo vengono presi in considerazione dei fattori di correzione per l'influenza di supplementari correnti del fluido di funzionamento, le quali non sono influenzabili dal dispositivo di regolazione e/o rappresentanti i rapporti di pressione e di corrente nel tratto d'aspirazione. Dal valore nominale del momento torcente ovvero dal valore nominale della potenza, considerando il numero di giri del motore, viene formato un valore nominale per il riempimento dei cilindri, dal quale viene dedotto un valore nominale della corrente per la massa d'aria che affluisce nei cilindri. Inoltre si prevede un regolatore della massa d'aria o di riempimento, il quale forma dalla corrente della massa d'aria nominale e dal valore di riempimento nominale, a seconda del corrispondente valore effettivo, un valore di correzione che viene alimentato al valore nominale e forma cosi la corrente della massa d'aria nominale all'entrata del tubo d'aspirazione. Questa corrente della massa d'aria nominale all'entrata del tubo d'aspirazione viene corretta con correnti supplementari della massa d'aria, come l'aria di perdita e/o la corrente della massa d'aria attraverso una valvola di aerazione del serbatoio per la formazione della corrente della massa d'aria nominale. Questa corrente della massa d'aria nominale in corrispondenza del dispositivo di regolazione viene trasformata mediante calcolo in una corrente del volume nominale con considerazione del rapporto di pressione prima e dopo la valvola di strozzamento, della pressione prima della valvola di strozzamento e/o della temperatura dell'aria prima della valvola di strozzamento. Dalla corrente del volume nominale viene infine dedotto, a seconda di una prestabilita linea caratteristica, un angolo nominale per il dispositivo di regolazione.
Nella domanda di brevetto tedesca non precedentemente pubblicata 196 12 150.7 del 27.03.1996 viene descritto un dispositivo di comando per un motore endotermico a benzina ad iniezione diretta con sensori per delle grandezze caratteristiche di funzionamento, con un'unità di elaborazione del segnale e con dispositivi di regolazione per almeno il carburante, la pressione del carburante, la massa d'aria e l'accensione, inoltre con la. possibilità di un funzionamento dell'iniezione del carburante con funzionamento a strati od omogeneo, a seconda dell'ambito di funzionamento del motore endotermico. A tale scopo, un momento nominale del motore viene trasformato in un valore per il flusso del carburante. Da esso viene determinato un valore per il flusso della massa d'aria. In modo dipendente dal flusso del carburante vengono impostati i valori temporali d'iniezione, a seconda del funzionamento stratificato od omogeneo, mentre viene regolata la posizione della valvola di strozzamento in modo dipendente dal flusso della massa d'aria. Durante la trasformazione del momento del motore nel valore di flusso della massa del carburante viene preso in considerazione almeno il numero dei giri nonché un segnale del grado di rendimento del motore endotermico dipendente dal funzionamento rispettivamente presente (funzionamento stratificato, funzionamento omogeneo). Il grado di rendimento viene ottenuto dai campi caratteristici momento/numero di giri in modo dipendente dal rispettivo tipo di funzionamento (stratificato/omogeneo).
I motori a benzina ad iniezione diretta sono innanzi tutto fondamentalmente motori poveri ed il vantaggio di utilizzo ottenibile risulta fra l'altro da un funzionamento quasi del tutto non strozzato ovvero dalla mancanza di perdite in corrispondenza della valvola di strozzamento. Per ottimizzare il consumo a parità di un controllo della combustione ovvero delle emissioni nonché per l'approntamento di una sufficiente potenza, si possono verificare tre stati funzionali :
1. Funzionamento estremamente povero con stratificazione del carico mediante una ritardata iniezione di carburante.
2. Funzionamento medio-povero con miscela ariacarburante omogenea.
3. Funzionamento stechiometrico con strozzatura. L'alternanza fra questi stati funzionali che dovrebbe verificarsi in modo possibilmente veloce per motivi d'emissione, è tuttavia problematica con riferimento alla relazione fra pedale dell'acceleratore e momento torcente, poiché nel punto di commutazione ne risulta una variazione indesiderata del momento del motore {dipendenza del momento dal rapporto ariacarburante).
L'invenzione si pone il compito di indicare degli adatti provvedimenti per il comando del procedimento di commutazione fra i tipi di funzionamento, attraverso i quali provvedimenti si possa disporre di una strategia di commutazione semplice ed eseguibile con elevato comfort e/o in modo ricco di varianti.
Tale fatto viene ottenuto mediante le caratteristiche della rivendicazione indipendente.
Vantaggi dell'invenzione
La soluzione secondo l'invenzione comanda la commutazione fra il funzionamento stratificato e quello omogeneo .
Particolarmente vantaggioso è il fatto che la commutazione avviene senza sostanziali salti di momento torcente. In questo modo viene migliorato in modo vantaggioso il comfort di guida.
Particolarmente vantaggioso è il fatto che la commutazione viene eseguita in sostanza mediante l'influenzamento del valore nominale per l'angolo della valvola di strozzamento, per cui una realizzazione della soluzione secondo l'invenzione può fare riferimento a strutture già presenti per la regolazione della valvola di strozzatura.
La temperatura dei gas di scarico durante il funzionamento a strati è più bassa rispetto al funzionamento omogeneo. In questo modo, a seconda delle condizioni, è possibile portarsi al disotto delle temperature d'esercizio di un catalizzatore a tre vie. La commutazione offre la possibilità di aumentare la temperatura dei gas di scarico in stati funzionali scelti. Mediante una variazione della commutazione è possibile portare nuovamente un catalizzatore a tre vie alla temperatura d'esercizio.
Una commutazione ottimale permette l'impiego di un catalizzatore NOX senza pregiudicare il comfort di guida. Per sgomberare il catalizzatore di raccolta tipo NOX è necessario un funzionamento omogeneo con lambda definito (preferibilmente lambda minore di 1).
Un ulteriore vantaggio di commutazione è costituito dal fatto che negli stati di carico adatti al funzionamento a strati è possibile effettuare la commutazione senza problemi in ogni momento per azionare l'aerazione del serbatoio da eseguire durante il funzionamento omogeneo.
Ulteriori caratteristiche sono esposte nella seguente descrizione di alcuni esempi esecutivi ovvero dalle rivendicazioni dipendenti.
Disegni
L'invenzione verrà a seguito descritta più dettagliatamente con riferimento alle forme esecutive illustrate nei disegni, nei quali :
- la fig. 1 illustra la disposizione sistematica di un sistema a barra comune per un motore a benzina ad iniezione diretta,
la fig. 2 illustra l'andamento del rapporto aria/carburante e la posizione della valvola di strozzamento in rapporto al valore nominale di momento per un esempio esecutivo preferito,
- la fig. 3 illustra un esempio preferito del procedimento fondamentale durante la commutazione fra il funzionamento a strati e quello omogeneo,
la fig. 4 illustra una realizzazione dell'influenzamento dell'angolo della valvola di strozzamento,
- la fig. 5 illustra degli andamenti temporali di segnali rilevanti durante l'applicazione della soluzione secondo l'invenzione.
Descrizione degli esempi esecutivi
La fig. 1 illustra la disposizione sistematica di una barra comune per un motore a benzina ad iniezione diretta. Le valvole d'iniezione sporgenti direttamente nel vano di combustione vengono comandate da un apparecchio elettronico di comando del motore tramite delle linee di pilotaggio. Il carburante viene alimentato alle valvole tramite corrispondenti condotti da un listello distributore, nel quale è presente una pressione regolabile variabile. Questa pressione viene rilevata da un sensore, alimentata all'apparecchio di comando elettronico e regolata attraverso una valvola di comando della pressione. La pressione nel listello viene generata da una pompa ad alta pressione. Il carburante viene alimentato da una pompa del carburante elettronica, comandabile dall'apparecchio di comando, al listello distributore. Non è illustrata una valvola di strozzamento elettricamente comandabile che viene azionata dall'apparecchio di comando e risulta disposta nel tubo d'aspirazione dell'aria del motore endotermico. L'apparecchio di comando regola i tempi d'iniezione, la regolazione della valvola di strozzamento, la pressione nel listello distributore e l'angolo d'accensione - come noto per sommi capi dallo stato della tecnica citato all'inizio - a seconda delle grandezze funzionali che vengono rilevate attraverso diversi sensori.
È importante che secondo la soluzione secondo l'invenzione i problemi citati all'inizio vengano risolti col fatto che, mediante l'impiego di una valvola di strozzamento elettromotrice e mediante il disaccoppiamento dato fra il pedale del gas e la valvola di strozzamento, risulti possibile compensare la variazione dei momenti (provocata da una variazione del rapporto aria-carburante) attraverso una corrispondente variazione del riempimento. Per motivi di semplicità, a seguito verrà osservato un cambio diretto dal funzionamento povero stratificato al funzionamento omogeneo stechiometrico (cfr. fig. 2).
La fig. 2 illustra la commutazione fra la stratificazione ed il funzionamento omogeneo. Nel contempo, fino ad un determinato valore di momento nominale, il motore viene azionato in sostanza non strozzato (la posizione della valvola di strozzamento si trova per esempio costantemente a 90°) a funzionamento estremamente povero con stratificazione di carica mediante iniezione ritardata di carburante.
Successivamente viene eseguita la commutazione al funzionamento stechiometrico con strozzamento ed una miscela aria-carburante in sostanza omogenea (oppure anche al funzionamento povero con miscela in sostanza omogenea).
Mentre, durante il funzionamento stratificato, il riempimento dei cilindri con l'aria non è importante per il momento torcente ed il rapporto aria-carburante che ne risulta deve essere mantenuto solo superiormente ad una prestabilita soglia, il funzionamento stechiometrico necessita di un dosaggio del carburante dipendente dalla massa d'aria aspirata. All'atto del passaggio, per evitare delle variazioni di momento, la valvola di strozzamento viene spostata improvvisamente su un valore che appronta, anche nel funzionamento stechiometrico, il momento prestabilito in genere dal guidatore, il quale momento è stato impostato durante il funzionamento di stratificazione. Mediante la compensazione della variazione del momento a causa della variazione repentina del lambda mediante la variazione del riempimento attraverso una valvola di strozzamento azionabile elettricamente, da un lato, viene evitato un campo di valore svantaggioso sul lato d'emissione per il rapporto lambda aria-carburante e, dall'altro lato, viene raggiunta una costante correlazione fra il pedale dell'acceleratore ed il momento torcente sull'intero ambito di momento nominale (ambito desiderato del guidatore).
La fig. 3 illustra uno schizzo funzionale quale rappresentazione strutturale per il comportamento richiesto nella fig. 2. Nell'esempio esecutivo preferito, i singoli blocchi rappresentano dei programmi di un microcomputer, durante l'esecuzione dei quali si ottiene la funzione descritta. Il valore nominale di momento mi_soll, dipendente almeno dal desiderio del guidatore ed alimentato come nello stato della tecnica precedentemente menzionato, viene alimentato sia ad un programma per la trasformazione matematica del momento nominale nel carburante, che ad un programma per la determinazione della commutazione fra la stratificazione ed il funzionamento omogeneo. La trasformazione matematica del momento in una massa di carburante avviene nel contempo previa considerazione del numero di giri e del corrispondente grado di efficacia (funzionamento stratificato/funzionamento omogeneo). La commutazione avviene in modo dipendente dal segnale binario supplementare b_sch_dk, il quale rappresenta il segnale di commutazione fra i modi di funzionamento. Esso viene influenzato in modo dipendente dal momento nominale (all'atto del superamento di un valore di soglia), da un campo caratteristico del carico-numero di giri e/o dalle funzioni come per esempio, l'aerazione del serbatoio, il riflusso dei gas di scarico, le esigenze del catalizzatore (catalizzatore povero, catalizzatore NOX, catalizzatore a 3 vie), ecc. . Per esempio, viene eseguita una commutazione sul funzionamento omogeneo, quando il momento nominale supera un prestabilito valore di soglia, cioè quando il guidatore desidera un'elevata erogazione del momento. Dalla massa di carburante ovvero dal momento nominale, nel programma "calcolo della ‘ massa dell'aria nominale per funzionamento omogeneo" viene rilevata una massa d'aria nominale mp_soll, prendendo in considerazione il valore nominale lam_soll per il rapporto aria-carburante. Il valore nominale lam_soll rappresenta un fattore, con il quale deve essere moltiplicato il valore della massa di carburante, per cui, mediante la regolazione dell'alimentazione dell'aria a parità di una data massa di carburante, si otterrebbe il rapporto nominale (nel funzionamento omogeneo). Naturalmente, vengono inoltre considerate delle costanti che descrivono il calcolo di una massa di carburante in una massa d'aria. Il valore della massa d'aria mp_soll viene alimentato ad un programma "calcolo del valore nominale dell'angolo della valvola di strozzamento", il quale è illustrato più dettagliatamente nella fig. 4 e, considerando il segnale di commutazione b_sch_dk, rileva un valore nominale wdk_soll per la posizione della valvola di strozzamento.· Questo valore nominale viene poi per esempio regolato nell'ambito di un circuito di regolazione della posizione.
La massa del carburante (massa relativa del carburante rk') rilevata dal momento nominale e dal numero di giri contiene preferibilmente già le differenze di grado d'efficienza stazionarie fra i due tipi funzionali, come illustrato nello stato della tecnica menzionato all'inizio, partendo da campi caratteristici momento/numero di giri. Questa massa di carburante viene corretta in un punto di correzione (per esempio punto di moltiplicazione) con un valore di correzione per il funzionamento omogeneo. Questo valore di correzione viene formato in modo dipendente dal segnale di commutazione b_sch-dk e dal tempo ovvero dal numero delle fasi di lavoro, a partire dall'istante di commutazione dal funzionamento stratificato, al funzionamento omogeneo. Il modulo parziale "correzione del carburante per funzionamento omogeneo" prende in considerazione i noti processi di riempimento e di svuotamento nel tubo d'aspirazione che si verificano durante le operazioni non stazionarie (quindi anche nel caso della commutazione qui descritta). Il segnale di commutazione b_sch_dk può essere sfruttato anche da altri moduli funzionali che presentano una dipendenza dal tipo dell'applicazione di miscela (per esempio, accensione, regolazione lambdica, aerazione del serbatoio, ecc.). Ciò è rappresentato per l'accensione dello stato della tecnica menzionato all'inizio. In quel caso, l'angolo d'accensione viene variato a seconda del tipo di funzionamento, laddove nel funzionamento omogeneo vengono impiegate le tradizionali strategie, mentre nel caso di una stratificazione si verifica un adattamento dell'angolo di accensione alla fine calcolata dell'iniezione.
Una rappresentazione strutturale per la funzione parziale "calcolo del valore nominale dell'angolo della valvola di strozzamento" è illustrata nella fig. A .
In modo dipendente dal segnale di commutazione binario b_sch_dk (vedi fig. 3), l'angolo della valvola di strozzamento viene commutato fra il valore per la stratificazione (per esempio, apertura completa di per esempio 90°) ed un valore wdk_hom dipendente dalla massa d'aria nel caso di un funzionamento omogeneo. Questo valore viene rilevato da un campo caratteristico in modo dipendente dalla massa d'aria nominale mp_soll (vedi fig. 3) e dal numero di giri. Gli errori in questo campo caratteristico vengono compensati dal segnale di regolazione di un regolatore della massa dell'aria. Il regolatore della massa dell'aria forma un segnale di correzione f_mp_soll per la massa dell'aria nominale in modo dipendente dalla differenza fra la massa dell'aria nominale e la massa dell'aria effettiva. Questo segnale di correzione viene poi commutato sul valore nominale mp__soll, preferibilmente per mezzo di moltiplicazione. Inoltre, come descritto allo stato della tecnica citato all'inizio, si possono prendere in considerazione ulteriori fattori come l'influenza di una funzione d'aerazione del serbatoio, l'aria di perdita, i rapporti della pressione e della temperatura nel tubo d'aspirazione, ecc.. Per scopi d'applicazione, si può commutare su un valore fisso wdk_app il valore nominale dell'angolo della valvola di strozzamento wdk_soll, il quale valore corrisponde nel funzionamento omogeneo al valore nominale wdk_hom, mentre nel caso di stratificazione preferibilmente ad un valore fisso di per esempio 90°, in cui il motore è quasi del tutto senza strozzamento. Ciò si verifica in modo dipendente da un segnale di commutazione b_wdk_app aumentabile per scopi d'applicazione.
La fig. 5 illustra i tipici andamenti del segnale nel tempo. A tale scopo, il motore viene innanzi tutto azionato con stratificazione. In un determinato istante viene effettuata la commutazione al funzionamento omogeneo (cfr. fig. 5a). L'angolo della valvola di strozzamento, il quale ammontava finora a 90°, viene ridotto improvvisamente (cfr. fig. 5b). La pressione del tubo d'aspirazione cala tuttavia più lentamente (cfr. fig. 5c). L'andamento del numero dei giri è sostanzialmente costante nell'ambito della commutazione, laddove, considerando la correzione del carburante durante il passaggio al funzionamento omogeneo, si possono ottenere dei notevoli miglioramenti (cfr. figg. 5d e 5e).
Nel presente esempio esecutivo viene descritta una commutazione dal funzionamento non strozzato ad un funzionamento con miscela stechiometrica. In altre realizzazioni viene commutato dal funzionamento a stratificazione ad un esercizio con funzionamento medio più povero a parità di una miscela in sostanza omogenea. A tale scopo viene impiegato lo stesso procedimento, laddove mediante la considerazione del valore nominale lam_soll per la formazione della massa dell'aria nominale, la valvola di strozzamento viene regolata automaticamente in modo tale, per cui si imposta il desiderato rapporto.
In un'ulteriore forma esecutiva, durante il funzionamento con stratificazione, non viene impostato l'angolo di 90° della valvola di strozzamento, ma degli altri valori eventualmente dipendenti dalle grandezze di funzionamento. Questi valori vengono in genere scelti in modo tale, per cui il motore viene azionato quasi senza strozzatura.
Il corrispondente comportamento risulta anche nel caso contrario, cioè durante la commutazione dal funzionamento omogeneo al funzionamento stratificato.
Oltre ad un valore del momento nominale, in un'altra forma esecutiva viene stabilito un valore nominale per la potenza del motore endotermico.

Claims (13)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di comando per un motore endotermico a benzina ad iniezione diretta con un'unità di comando elettronica che, in modo dipendente da almeno una grandezza funzionale, commuta fra un funzionamento dell'iniezione del carburante al funzionamento stratificato od a quello omogeneo, la quale unità influenza inoltre un elemento di regolazione per l'impostazione dell'alimentazione dell'aria al motore endotermico, laddove nel caso della commutazione fra questi tipi funzionali, l'elemento di regolazione viene spostato in modo definito, in particolare in modo improvviso, per cui il momento torcente del motore endotermico è sostanzialmente uguale prima e dopo la commutazione.
  2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l'elemento di regolazione è una valvola di strozzamento elettricamente azionabile.
  3. 3. Dispositivo secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che per la commutazione viene variato in modo definito il valore nominale per l'elemento di regolazione.
  4. 4. Dispositivo secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che durante la commutazione l'elemento di regolazione viene spostato da un valore durante il funzionamento con stratificazione ad un valore nominale dedotto dal desiderio del guidatore.
  5. 5. Dispositivo secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che almeno dal desiderio del guidatore viene formato un valore di momento nominale mi_soll.
  6. 6. Dispositivo secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che dal valore del momento nominale mi_soll viene formato un valore per la massa di carburante da iniettare e da questa massa di carburante, considerando il desiderato rapporto aria-carburante, viene formato un valore per la massa d'aria.
  7. 7. Dispositivo secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che dal valore del momento nominale mi_soll viene formato un valore per la massa di carburante da iniettare e dal valore nominale, considerando il numero di giri ed il desiderato rapporto aria-carburante, viene formato un valore per la massa d'aria.
  8. 8. Dispositivo secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che da un valore nominale per la massa dell'aria viene formato un valore nominale per l'angolo della valvola di strozzamento durante il funzionamento omogeneo.
  9. 9. Dispositivo secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che nel funzionamento stratificato il motore viene azionato quasi senza strozzamento.
  10. 10. Dispositivo secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che nel funzionamento stratificato la valvola di strozzamento presenta un angolo prestabilito, per esempio di 90°.
  11. 11. Dispositivo secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che la quantità di carburante da iniettare e/o l'angolo di accensione nel funzionamento omogeneo vengono corretti prendendo in considerazione le differenze del grado d'efficacia e/o del processo di svuotamento e di riempimento del tubo di aspirazione.
  12. 12. Dispositivo secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che la commutazione avviene in modo dipendente dal momento nominale.
  13. 13. Dispositivo secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che la compensazione del momento più elevato durante il processo di commutazione dal funzionamento stratificato al funzionamento omogeneo viene sfruttata per 1'aumento della temperatura dei gas di scarico (per esempio, riscaldamento di un catalizzatore a tre vie).
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