ITTO930296A1

ITTO930296A1 - SYSTEM FOR COMBUSTION OPTIMIZATION IN INTERNAL COMBUSTION ENGINES

Info

Publication number: ITTO930296A1
Application number: IT000296A
Authority: IT
Inventors: Andrea Titolo
Original assignee: Fiat Auto Spa
Priority date: 1993-04-29
Filing date: 1993-04-29
Publication date: 1994-10-29
Also published as: IT1261559B; ITTO930296A0

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Sistema per l'ottimizzazione della combustione in motori a combustione interna" DESCRIPTION of the industrial invention entitled: "System for the optimization of combustion in internal combustion engines"

DESCRIZIONE DESCRIPTION

La presente invenzione fa riferimento in generale ai sistemi per l'ottimizzazione della combustione nei motori a combustione interna, e pi? specificamente si riferisce ai sistemi per la regolazione della temperatura dell'aria nei motori Diesel . The present invention refers in general to systems for the optimization of combustion in internal combustion engines, and more? specifically it refers to systems for regulating the air temperature in Diesel engines.

Nei motori Diesel l'andamento caratteristico della combustione della nafta, o del gasolio, iniettato all'interno dei cilindri non ? ottimale e d? luogo ad inconvenienti tecnici quali il caratteristico "battito" dei motori Diesel ed un'elevata sollecitazione degli organi meccanici. Il fenomeno di combustione verr? ora descritto, facendo riferimento alle figure 1 e 2, per una migliore comprensione . In Diesel engines, the characteristic trend of the combustion of the naphtha, or of the diesel fuel, injected inside the cylinders is not? optimal and d? resulting in technical problems such as the characteristic "knock" of Diesel engines and high stress on the mechanical parts. The phenomenon of combustion will come? now described, referring to Figures 1 and 2, for a better understanding.

In figura 1 ? rappresentato in un grafico cartesiano il "ritardo" di combustione per alcuni tipi di combustibili. Sulle ascisse sono rappresentate le temperature TEMP in gradi centigradi/ mentre sulle ordinate sono rappresentati i tempi t in millisecondi. Le curve 1, 2 e 3 si riferiscono rispettivamente a Cetano, Nafta NC 35 e ?-nietilnaftalene . In figure 1? represented in a Cartesian graph the "delay" of combustion for some types of fuels. The TEMP temperatures are represented on the abscissas in degrees centigrade / while on the ordinates the times t in milliseconds are represented. Curves 1, 2 and 3 refer respectively to Cetane, Nafta NC 35 and? -Niethylnaphthalene.

Per tutti e tre i tipi di combustibili il ritardo di combustione naturalmente diminuisce al crescere della temperatura. Come risulta dal grafico tale ritardo diventa praticamente nullo per temperature elevate, che vanno dai 500?C fino ad oltre 600?C a seconda del tipo di combustibile. For all three types of fuel, the combustion retardation naturally decreases with increasing temperature. As can be seen from the graph, this delay becomes practically nil for high temperatures, ranging from 500? C up to over 600? C depending on the type of fuel.

Tra l'iniezione di una particella di combustibile, ad esempio gasolio, e la sua completa combustione passa quindi un certo tempo che pu? essere distinto in due periodi. Nel primo periodo la goccia riceve dall'aria nella quale ? stata iniettata il calore necessario per portarsi alla temperatura di accensione, probabilmente vaporizzandosi. Nel secondo periodo brucia con una rapidit? propria della reazione di combustione in quelle determinate condizioni. Between the injection of a fuel particle, for example diesel oil, and its complete combustion, therefore, a certain time passes that can? be divided into two periods. In the first period the drop receives from the air in which? the heat necessary to reach the ignition temperature was injected, probably by vaporising. In the second period it burns with a rapidity? characteristic of the combustion reaction in those determined conditions.

I periodi di riscaldamento e di combustione delle gocce iniettate successivamente alle prime risulteranno in parte sovrapposti a quelle delle prime, e sfasati nel tempo, a causa del ritardo con cui le gocce vengono introdotte nel cilindro, e ridotti nella durata, perch? tanto la trasmissione di calore quanto la combustione sono accelerate dall'innalzamento di temperatura dovuto alla combustione delle gocce precedenti. The periods of heating and combustion of the drops injected after the first ones will be partially overlapped with those of the first ones, and out of phase in time, due to the delay with which the drops are introduced into the cylinder, and reduced in duration. Why? both the transmission of heat and the combustion are accelerated by the temperature rise due to the combustion of the previous drops.

Nel diagramma di figura 2, avente per ordinate le pressioni P e per ascisse i tempi t, o gli angoli di manovella, la linea reale di combustione, quale pu? essere rilevata tramite un sensore, si presenta come una curva individuata dai punti A, B, C, D, E. Per l'analisi dell?andamento della combustione verranno considerati, insieme con quello della pressione, i diagrammi, rappresentati anch'essi in figura 2, le cui ordinate (rivolte verso il basso) sono rispettivamente la quantit? di gasolio iniettata Gl, la quantit? accesa ma ancora in via di combustione GA e la quantit? gi? combusta GC. -Si possono allora distinguere nella durata complessiva del periodo di iniezione-combustione quattro intervalli caratteristici AB, BC, CD, DE. In the diagram of Figure 2, having the pressures P as ordinates and the times t as the abscissas, or the crank angles, the real combustion line, which can? be detected by a sensor, it appears as a curve identified by points A, B, C, D, E. For the analysis of the combustion trend, together with the pressure one, the diagrams will be considered, also represented in figure 2, whose ordinates (facing downwards) are respectively the quantity? of diesel injected Gl, the quantity? lit but still in the process of combustion GA and the quantity? already? combust GC. - Four characteristic intervals AB, BC, CD, DE can then be distinguished in the overall duration of the injection-combustion period.

Nel primo intervallo AB, non ? ancora avvenuta alcuna accensione; il gasolio per? ha continuato ad essere iniettato e si ? quindi accumulato, sotto forma di goccioline e di vapori nella testa del motore ("ritardo"}. In the first AB interval, don't you? no ignition has yet occurred; the diesel for? continued to be injected and yes? then accumulated, in the form of droplets and vapors in the engine head ("delay"}.

Nel secondo intervallo BC, la combustione si propaga a tutti questi accumuli, che cos? bruciano rapidamente, con forte aumento di pressione. In the second BC interval, the combustion spreads to all these accumulations, what is it? they burn quickly, with a sharp increase in pressure.

Nel terzo intervallo, CD, la combustione procede con velocit? anche maggiori che nell'intervallo DC, ma ? limitata al combustibile che viene via via iniettato, sicch? la quantit? di calore introdotta nel ciclo pu? essere moderata graduando l'iniezione . In the third interval, CD, the combustion proceeds with speed? even greater than in the DC range, but? limited to the fuel that is gradually injected, so? the quantity? of heat introduced in the cycle pu? be moderate by graduating the injection.

Il punto C non ? individuabile esattamente, perch? durante la combustione del gasolio accumulato lungo il periodo di ritardo dell?accensione AB, nuove gocce continuano ad entrare nel cilindro. Nel diagramma di figura 2, C ? stato segnato dove le ordinate intercette fra la curva di combustione e quella di accensione accennano a diventare costanti. Point C not? identifiable exactly, why? during the combustion of the diesel fuel accumulated during the AB ignition delay period, new drops continue to enter the cylinder. In the diagram of Figure 2, C? been marked where the orderly intercepts between the combustion curve and the ignition curve show signs of becoming constant.

Nel quarto intervallo, DE, l'iniezione ? terminata, ma la combustione si propaga ancora, spegnendosi gradatamente ("post-combustione"). In the fourth interval, DE, the injection? finished, but the combustion still spreads, gradually extinguishing ("post-combustion").

Il ritardo della fase AB pu? essere neutralizzato con un analogo anticipo nell'iniezione di combustibile, ma assume una grande importanza, in quanto ? la causa della fase BC. Tale fase ? nociva alla conservazione del motore perch? l'elevatezza della pressione e soprattutto la rapidit? con cui si passa dalla fase AB alla fase BC, con corrispondente variazione della pressione, danno luogo ad urti ("battimenti"), che sollecitano gli organi del motore tanto pi? violentemente quanto maggiore ? l'aumento, pressoch? istantaneo, di pressione avvenuto . The delay of phase AB can? be neutralized with a similar advance in the fuel injection, but assumes great importance, as? the cause of the BC phase. This stage? harmful to the conservation of the engine why? the high pressure and above all the rapidity? with which you pass from phase AB to phase BC, with a corresponding variation of the pressure, give rise to impacts ("beats"), which stress the parts of the engine all the more? violently how much greater? the increase, almost? instantaneous, pressure occurred.

Lo scopo della presente invenzione ? quello di realizzare un sistema che permetta di risolvere in modo soddisfacente gli inconvenienti sopra indicati . The purpose of the present invention? that of realizing a system which allows the above mentioned drawbacks to be resolved satisfactorily.

Secondo la presente invenzione, tale scopo viene raggiunto grazie ad un sistema avente le caratteristiche indicate nelle rivendicazioni che seguono la presente descrizione. According to the present invention, this object is achieved thanks to a system having the characteristics indicated in the claims which follow the present description.

Ulteriori vantaggi e caratteristiche della presente- invenzione risulteranno evidenti dalla seguente dettagliata descrizione, effettuata con l'ausilio degli annessi disegni forniti a titolo di esempio non limitativo, in cui: Further advantages and characteristics of the present invention will become evident from the following detailed description, carried out with the aid of the attached drawings provided by way of non-limiting example, in which:

le figure 1 e 2 sono due diagrammi rappresentanti caratteristiche della combustione nei motori Diesel e sono gi? state illustrate con riferimento alla tecnica nota, Figures 1 and 2 are two diagrams representing characteristics of combustion in Diesel engines and are already? have been illustrated with reference to the prior art,

la figura 3 ? una rappresentazione schematica a blocchi di un sistema secondo la presente invenzione . figure 3? a schematic block representation of a system according to the present invention.

Tra le cause note del ritardo all'origine degli inconvenienti descritti in precedenza possono essere citate le seguenti: Among the known causes of the delay at the origin of the problems described above, the following can be mentioned:

turbolenza e temperatura dell'aria turbulence and air temperature

finezza di polverizzazione fineness of pulverization

natura del combustibile nature of the fuel

pressione dell'aria aspirata. intake air pressure.

L'agitazione dell'aria favorisce la trasmissione del calore: altrettanto si pu? dire per la temperatura. Nella figura 1 si osserva che il ritardo tende a zero quando la temperatura dell'aria ? di circa 600?C. The agitation of the air favors the transmission of heat: the same can be done? say for the temperature. In figure 1 it is observed that the delay tends to zero when the air temperature? of about 600? C.

Verr? ora descritto, con riferimento alla figura 3, un motore dotato di un sistema secondo la presente, invenzione in grado di ottimizzare l'andamento della combustione mediante un innalzamento ed un controllo della temperatura dell'aria aspirata nei cilindri. Will come now described, with reference to Figure 3, an engine equipped with a system according to the present invention capable of optimizing the combustion trend by raising and controlling the temperature of the air drawn into the cylinders.

Con F ? indicato un filtro attraverso il quale viene aspirata, dall'ambiente esterno, l'aria destinata al funzionamento di un motore M. Il motore M ? un motore diesel sovralimentato, ci? vuol dire che sul condotto nel quale passa l'aria aspirata attraverso il filtro F ? provvisto un compressore, o soffiante, S mosso da una turbina T. La turbina T ? azionata dai gas di scarico uscenti dal motore M. With F? indicated a filter through which the air intended for the operation of an M engine is sucked in from the external environment. The M? a supercharged diesel engine, there? does this mean that the duct through which the air sucked through the filter F passes? provided a compressor, or blower, S moved by a turbine T. The turbine T? driven by the exhaust gases coming out of the M engine.

L'aria uscente dal compressore S viene quindi inviata ad una valvola VI in corrispondenza della quale il condotto dell'aria si dirama in due circuiti Al e A2 distinti. La valvola VI, azionata elettricamente, controlla attraverso quale dei due circuiti Al, A2 passa l'aria uscente dal compressore S. The air leaving the compressor S is then sent to a valve VI in correspondence with which the air duct branches into two distinct circuits A1 and A2. The electrically operated valve VI controls which of the two circuits A1, A2 passes the air coming out of the compressor S.

La valvola VI pu? essere ad esempio una farfalla motorizzata controllata elettronicamente. La valvola VI, inoltre, secondo una forma di attuazione al momento preferita, ? in grado di variare, in modo sostanzialmente continuo, le percentuali (complementari) di aria che passano nel primo Al e nel secondo circuito A2. The VI valve can? be for example an electronically controlled motorized throttle. The valve VI, moreover, according to a currently preferred embodiment,? capable of varying, in a substantially continuous manner, the (complementary) percentages of air that pass into the first A1 and into the second circuit A2.

Nel primo circuito Al l'aria passa, attraverso un intercooler IC, ad esempio di tipo convenzionale comprendente uno scambiatore aria-aria, nel quale subisce un raffreddamento. In the first circuit A1, the air passes through an intercooler IC, for example of a conventional type comprising an air-air exchanger, in which it undergoes cooling.

Nel secondo circuito A2 l'aria passa attraverso un inter-heater IH nel quale subisce un riscaldamento. Il riscaldamento dell'aria nell'inter-heater IH pu? avvenire in vari modi, ad esempio mediante uno scambiatore di calore (non illustrato) nel quale i gas di scarico del motore M cedono calore all'aria uscente dal compressore S. In the second circuit A2 the air passes through an inter-heater IH in which it is heated. The air heating in the inter-heater IH can? take place in various ways, for example by means of a heat exchanger (not shown) in which the exhaust gases of the engine M transfer heat to the air exiting the compressor S.

Eventualmente il riscaldamento, nell'interheater IH, pu? avvenire anche tramite una resistenza elettrica (non illustrata), ad esempio nella fase iniziale di funzionamento del motore M durante la quale i gas di scarico non hanno una temperatura sufficiente a permettere il riscaldamento dell?aria che passa nell ' inter-heater IH. Eventually the heating, in the IH interheater, can? also take place through an electrical resistance (not shown), for example in the initial phase of operation of the engine M during which the exhaust gases do not have a sufficient temperature to allow the heating of the air passing through the inter-heater IH.

A valle dell'intercooler IC e dell'inter-heater IH i due circuiti Al, A2 per l'aria si riuniscono nuovamente in uno solo. In corrispondenza del raccordo tra i due circuiti Al, A2 pu? essere eventualmente prevista una seconda valvola V2, ad esempio una valvola azionata elettricamente, analoga alla valvola VI gi? descritta. Downstream of the intercooler IC and the inter-heater IH, the two circuits A1, A2 for the air come together again into one. At the junction between the two circuits A1, A2 pu? possibly a second valve V2, for example an electrically operated valve, similar to valve VI gi? described.

L'aria proveniente dai suddetti due circuiti Al, A2 viene immessa nei condotti di aspirazione CA attraverso i quali entra nei cilindri del motore M. The air coming from the aforementioned two circuits A1, A2 is introduced into the intake ducts CA through which it enters the cylinders of the engine M.

Dopo la combustione i gas combusti fuoriescono dai condotti di scarico CS, passano attraverso la turbina T azionando il compressore S, e fuoriescono quindi dallo scarico X. After combustion, the flue gases escape from the exhaust pipes CS, pass through the turbine T, activating the compressor S, and then escape from the exhaust X.

L'impiego combinato dell?intercooler IC, del-1'inter-heater IH e delle valvole a controllo elettronico VI e V2 permette di effettuare una completa regolazione della temperatura dell'aria che viene aspirata nei cilindri del motore M. The combined use of the intercooler IC, the inter-heater IH and the electronically controlled valves VI and V2 allows for a complete regulation of the temperature of the air that is drawn into the cylinders of the M engine.

A tale scopo il sistema comprende una centralina di controllo U preposta al controllo delle valvole VI, V2. La centralina U ha il compito di regolare la temperatura dell'aria ad un valore ottimale predeterminato. For this purpose, the system comprises a control unit U responsible for controlling the valves VI, V2. The control unit U has the task of regulating the air temperature to an optimal predetermined value.

Il valore ottimale ? scelto in modo da eliminare sostanzialmente il suddetto ritardo di accensione del combustibile per rendere la combustione pi? graduale. Tipicamente l'aria immessa nei cilindri ? ad una temperatura superiore rispetto ai motori convenzionali e raggiunge, all'interno del cilindro, temperature ad esempio dell'ordine di 600?C . The optimal value? chosen in such a way as to substantially eliminate the aforementioned ignition delay of the fuel to make the combustion more? gradual. Typically the air fed into the cylinders? at a higher temperature than conventional engines and reaches, inside the cylinder, temperatures of the order of 600 ° C for example.

Tale obiettivo viene raggiunto aumentando la percentuale di aria che passa nell'inter-heater IH e diminuendo la percentuale di aria che passa nel-1'intercooler IC nel caso la temperatura dell'aria sia inferiore al valore ottimale desiderato e compiendo le operazioni inverse nel caso la temperatura dell'aria sia superiore al valore ottimale. This objective is achieved by increasing the percentage of air that passes into the inter-heater IH and decreasing the percentage of air that passes into the intercooler IC if the air temperature is lower than the desired optimal value and by carrying out the reverse operations in the if the air temperature is higher than the optimal value.

Questo valore ottimale pu? essere fisso od eventualmente variabile in funzione ad esempio di parametri quali l'umidit? dell'aria o la pressione media effettiva (p.m.e.) richiesta al motore M. This optimal value can? be fixed or possibly variable according to, for example, parameters such as humidity? air pressure or the average effective pressure (p.m.e.) required from the motor M.

Per poter effettuare la regolazione sopra descritta naturalmente ? necessario che il sistema sia provvisto di un sensore di temperatura RI posto in corrispondenza dei condotti di aspirazione CA che portano al motore M. Per un migliore controllo della temperatura dell'aria potr? essere eventualmente previsto un secondo sensore di temperatura R2 , situato ad esempio in prossimit? del filtro dell'aria F, per rilevare la temperatura dell'aria aspirata dall'ambiente esterno. In una forma di attuazione alternativa, al momento preferenziale, ? previsto anche un sensore (non illustrato) per rilevare l?umidit? dell'aria aspirata dall'ambiente esterno .. To be able to make the adjustment described above of course? it is necessary that the system is equipped with a temperature sensor RI placed in correspondence with the AC intake ducts leading to the M engine. be possibly provided for a second temperature sensor R2, located for example in the vicinity? of the air filter F, to detect the temperature of the air drawn in from the outside environment. In an alternative embodiment, at the preferential moment,? also provided a sensor (not shown) to detect the humidity? of the air sucked in from the external environment ..

Inoltre, la centralina di controllo U pu? essere integrata con la centralina elettronica per il controllo del motore M e/o con il sistema elettronico di bordo di un veicolo su cui il motore M sia eventualmente installato. In tal modo si riducono i costi e la centralina di controllo U pu? avere accesso ad ulteriori informazioni rese disponibili da sensori installati sul motore M e/o sul veicolo. In addition, the control unit U can? be integrated with the electronic control unit for engine control M and / or with the on-board electronic system of a vehicle on which the engine M is possibly installed. In this way costs are reduced and the control unit U pu? have access to further information made available by sensors installed on the M engine and / or on the vehicle.

E? anche possibile l'applicazione del sistema secondo la presente invenzione al controllo della temperatura dell'aria in motori diversi dai motori Diesel . AND? It is also possible to apply the system according to the present invention to the control of the air temperature in engines other than Diesel engines.

Ci? ? utile per ottimizzare il controllo della temperatura dell'aria in differenti tipi di motori a combustione interna o, ad esempio, per motori destinati all?impiego in condizioni di temperatura ambientale particolarmente variabili, cio? in condizioni in cui si rende necessario un condizionamento dell'aria immessa nei cilindri. There? ? useful for optimizing air temperature control in different types of internal combustion engines or, for example, for engines intended for use in particularly variable ambient temperature conditions, that is? in conditions in which it is necessary to condition the air introduced into the cylinders.

Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, i particolari di realizzazione e le forme di attuazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto ed illustrato, senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione. Naturally, the principle of the invention remaining the same, the details of construction and the embodiments may be widely varied with respect to what has been described and illustrated, without thereby departing from the scope of the present invention.

Claims

CLAIMS 1. System for controlling the temperature of the air introduced into an internal combustion engine (M) characterized in that it includes: heating means (1H) designed to raise the temperature of a gas flowing through them, valve means (V1) capable of making a first part of the air introduced into said motor (M) pass through said heating means (1H).

2. System according to claim 1, characterized in that said valve means (VI) are capable of modifying the ratio between said first part and a remaining second part of air introduced into said motor (M), and by the fact that it comprises: detector means (R1) adapted to emit a signal indicative of the temperature of the air introduced into said engine (M), processing means (U), operatively connected to said valve means (VI) and to said detector means (RI), configured to control said valve means (VI) in order to regulate the temperature of the air introduced into said motor (M) at a predetermined value.

3. System according to claim 2, characterized in that it comprises cooling means (IC), adapted to reduce the temperature of a gas flowing through them / and that said valve means (VI) are capable of passing said second part of the air introduced into said motor (M) through said cooling means (IC).

4. System according to claim 3, characterized in that said valve means (VI) are adapted to modify the ratio between said first and second part of air entering said heating means (IH) and said cooling means (IC) and by the fact that it comprises further valve means (V2) adapted to modify the ratio between said first and second part of air leaving said heating (IH) and cooling (IC) means.

5. System according to any one of claims 2 to 4, characterized in that said processing means (U) are configured to modify said predetermined value as a function of at least one physical quantity inherent in the operation of said motor (M).

6. System according to claim 5, characterized in that it dictates at least one physical quantity? choice from the group consisting of: humidity air, - air temperature in the external environment, actual average pressure required from the engine, number of engine revolutions.

7. System according to any one of the preceding claims, characterized in that said valve means (VI) and said further valve means (V2) are electronically controlled motorized butterflies.

8. System according to claim 7, characterized in that said cooling means (IC) comprise a radiator of the type called intercooler.

9. System according to claim 8, characterized in that said heating means (1H) comprise a heat exchanger using the exhaust gases of said engine (M).

10. System according to claim 8 or claim 9, characterized in that said heating means (1H) comprise electric heating means.

11. System according to claim 10, characterized in that said electrical heating means are controlled by said processing means (U).

12. System according to claim 11, characterized in that it comprises detector means, suitable for providing a signal indicative of humidity. of the air, operatively connected with said processing means (U).

13. System according to claim 12, characterized in that it comprises further detecting means (R2), suitable for providing a signal indicative of the temperature of the air in the external environment, operatively connected with said processing means (U).

Internal combustion engine (M), characterized in that it comprises a system for regulating the air introduced into the engine (M) according to any one of claims 1 to 13.

15. Engine (M) according to claim 14, characterized in that said processing means (U) are integrated in a control unit of the engine (M) itself. All substantially as described and illustrated and for the specified purposes.