ITTO930645A1 - Sistema di controllo dell'iniezione in impianti di iniezione ad alta pressione per motori a combustione interna - Google Patents

Description

D E S C R I Z I O N E

La presente invenzione riguarda un sistema di controllo dell'iniezione in impianti di iniezione ad alta pressione per motori a combustione interna.

E' noto un sistema di iniezione ad alta pressione comprendente, a grandi linee, un serbatoio per il combustibile ed un circuito di alimentazione di iniettori ad alta pressione comprendente a sua volta un pompa per l'alimentazione di combustibile ad alta pressione ad un collettore di accumulo a sua volta alimentante una pluralit? di iniettori. La pompa ? dotata di una elettrovalvola regolatrice di pressione, in modo da fornire il combustibile ad una pressione prefissabile.

E' noto inoltre che per ottenere un comportamento ottimale di un autoveicolo in termini di potenza, consumo, fumosit?, emissioni e guidabilit? ? necessario controllare il funzionamento del motore scegliendo opportuni valori della quantit? di combustibile iniettata ad ogni iniezione, con fasatura e pressione adatti. In particolare, la pressione di iniezione influenza una serie di parametri di iniezione, quali la quantit? di combustibile iniettata a parit? di durata di iniezione; la leqge di iniezione del combustibile (volume nell'unit? di tempo); la polverizzazione del combustibile; la penetrazione del getto; la durata effettiva di iniezione e la durata del comando elettrico. Tali parametri hanno una notevole influenza sul comportamento del motore, soprattutto per quanto riguarda la potenza erogata, le emissioni allo scarico, la rumorosit? e la guidabilit?.

Scopo della presente invenzione consiste nel realizzare un sistema di controllo dell'iniezione in grado di regolare la quantit? iniettata, l'anticipo iniezione (fasatura) e la pressione di iniezione, in modo elettronico e con ottima risoluzione e flessibilit?, in funzione dello stato del motore (risultante dal valore delle grandezze velocit?, temperatura, pressione e portata) e della richiesta di potenza (come riconosciuta dalla posizione del pedale acceleratore).

Secondo la presente invenzione viene realizzato un sistema di controllo dell'iniezione in impianti di iniezione ad alta pressione per un motore a combustione interna comprendente una pluralit? di iniettori atti ad iniettare combustibile ad alta pressione in base a grandezze di controllo dell'iniezione, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi generatori di regolazione atti a generare valori di regolazione delle grandezze di iniezione in base a parametri motoristici e mezzi di comando atti a controllare le grandezze di iniezione in base a detti valori di regolazione.

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

- la figura 1 mostra uno schema generale dell'impianto idraulico di un sistema di iniezione cui ? applicato il sistema di regolazione secondo il trovato;

- la figura 2 mostra un dettaglio del regolatore di pressione previsto nell'impianto di figura 1; e

- le figure 3-6 mostrano schemi a blocchi relativi al controllo delle grandezze controllate secondo la presente invenzione .

Con riferimento alla figura 1, verr? ora descritto a grandi linee un impianto di iniezione ad alta pressione per motori a combustione interna. L'impianto,'indicato con 1, comprende un serbatoio 2 a pressione atmosferica collegato, attraverso una linea di mandata 5, ad una pompa 6 a pistoni radiali. Alla pompa 6 ? associata una elettrovalvola regolatrice di pressione (o regolatore di pressione) 7 collegata ad una linea di scarico 8 con il serbatoio 2.

La pompa 6 alimenta il combustibile ad alta pressione ad un collettore di accumulo 10, attraverso una linea 11. Il collettore di accumulo 10, avente lo scopo di distribuire il combustibile agli iniettori e smorzare le oscillazioni di pressione dovute alle pompate e alle aperture degli iniettori, ? costituito da un corpo di acciaio a forma di parallelepipedo nel quale ? stata ricavata una cavit? cilindrica estendentesi per tutta la lunghezza del collettore stesso e collegata alla linea 11 attraverso un foro centrale 12- Il collettore 10 presenta inoltre quattro fori 13 distribuiti lungo l'intero collettore e collegati a quattro condotti di alimentazione 14 ad alta pressione (fino a 1500 bar) per quattro iniettori 15 di un motore 16. Ogni iniettore 15 ? inoltre collegato ad un condotto di ricircolo 17 per il combustibile utilizzato per il funzionamento della valvola pilota, che viene scaricato nel serbatoio 2.

Ad una estremit? del collettore di accumulo 10 ? infine previsto un sensore di pressione 18, di tipo noto.

Convenientemente, il regolatore di pressione 7 ? realizzato come mostrato in figura 2, e comprende un corpo 20 definente una sede conica 21 per un otturatore sferico 22. Su quest'ultimo, attraverso un puntale 23, agisce la forza combinata di una molla 24 e di un solenoide 25 che coopera con un nucleo 26 solidale ad un'asta 27 a sua volta solidale al puntale 23. Variando la corrente alimentata al solenoide 25 ? possibile modulare la forza esercitata sull'otturatore sferico 22 in direzione di chiusura e quindi la pressione sull'uscita della pompa 6.

La modulazione di pressione viene ottenuta alimentando il solenoide 25 con una corrente di cui viene modulato il duty-cycle ad una frequenza fissa di oscillazione (tecnica PWM-Pulse Width Modulation) e utilizzando un anello di regolazione chiuso che tiene conto della pressione effettiva, misurata attraverso il sensore di pressione 18, secondo lo schema di figura 3, descritto in seguito.

Verr? ora descritto il sistema di controllo secondo l'invenzione. Tale sistema di controllo si basa sulla constatazione che ogni istante di funzionamento del motore ? caratterizzato da una velocit? di rotazione e da un carico (coppia) sviluppato; il carico ? a sua volta legato alla quantit? di combustibile iniettata ad ogni iniezione; controllando questa quantit? ? quindi possibile modulare la potenza sviluppata dal motore.

Il legame esistente tra carico e quantit? iniettata in ogni punto di funzionamento del motore pu? essere ricavato tramite prove condotte su motore al banco, misurando contemporaneamente il carico e il consumo di combustibile. Le pr?ve su motore al banco consentono anche di stabilire le regolazioni ottimali di pressione, anticipo e durata dell'iniezione, ottenendo -quindi mappe di regolazione in funzione del carico e della velocit? di rotazione ovvero della quantit? di combustibile e della velocit? di rotazione.

Secondo l'invenzione, quindi, tali mappe vengono utilizzate per controllare il funzionamento del motore; infatti, riconosciuta la richiesta di potenza del guidatore e quindi determinata la quantit? di combustibile necessa ria per ottemperare a tale richiesta, il sistema di con trollo stabilisce, per mezzo delle mappe, le regolazion da attuare per il corretto funzionamento del motore.

La quantit? Q di combustibile da iniettare viene quin di calcolata nel modo illustrato in figura 3. In detta glio, nella fase di avviamento viene utilizzata una mappa 40 avente come ingressi la velocit? di rotazione del moto re N e la temperatura del motore (per esempio la temperatura del liquido refrigerante) o dell'olio nel caso di motori raffreddati ad aria. L'uscita QO non risulta quindi limitata da alcun fattore ed ? indipendente dalla posizione del pedale dell'acceleratore.

A regime, inizialmente viene calcolata una quantit? QCARB tramite una mappa 42, chiamata mappa del regolatore (dato che la sua funzione ? analoga a quella svolta dal regolatore nelle normali pompe meccaniche), i cui ingressi sono la velocit? di rotazione (o regime) del motore N e una grandezza Va correlata univocamente alla posizione del pedale dell'acceleratore. Se ? attivato il controllo del minimo in anello chiuso e se la velocit? di rotazione ? inferiore ad un valore di soglia, viene calcolata in parallelo una quantit? di combustibile QCMIN che ? necessaria al sostentamento del motore quando la richiesta di potenza ? nulla e il motore ? a bassi regimi. Tale quantit? viene calcolata per mezzo di un algoritmo di controllo in anello chiuso di tipo proporzionale-integrale che si basa sull'errore tra un regime di minimo obiettivo e la velocit? di rotazione N; in funzione dell'errore viene calcolata la quantit? di combustibile QCMIN necessaria a ripristinare il regime obiettivo. Tale algoritmo di controllo ? rappresentato in figura dal blocco 43 di controllo minimo. In seguito, il valore QCARB viene confrontato in 44 con QCMIN in modo da ottenere un valore Q1 corrispondente al massimo fra i due.

Per il controllo della fumosit? allo scarico durante le accelerate, necessario sui motori diesel turbosovralimentati a causa del ritardo di adeguamento della pressione di sovralimentazione dovuto all'elevata inerzia del gruppo turbosovralimentatore, ? prevista una limitazione della quantit? di combustibile. Tale limitazione viene calcolata mediante una mappa 45 di limitazione fumosit?, avente come ingressi la portata di aria aspirata ad ogni ciclo QA, misurata tramite un misuratore posto all'aspirazione, e del regime di rotazione N del motore. L'uscita QCMAX della mappa 45 viene confrontata in 46 con Q1 in modo da ottenere un valore Q2 corrispondente al minimo fra i due.

La quantit? di combustibile viene infine limitata tramite una mappa monodimensionale 47 (mappa limitazione potenza) , avente in ingresso il regime N e memorizzante le quantit? di carburante massime accettate in potenza (pedale di accelerazione premuto a fondo). Tale mappa fornisce in uscita QCPOW che viene confrontata in 48 con Q2 in modo da scegliere il valore minimo fra i due, che rappresenta la quantit? Q3 di combustibile da iniettare a regime. La quantit? Q3 viene utilizzata durante il funzionamento a regime, come schematizzato in figura 3 dal commutatore 41, che rappresenta idealmente la selezione del valore QO o Q3 a seconda della condizione di funzionamento (avviamento o regime) . Ovviamente la rappresentazione mostrata ? solo una rappresentazione di principio illustrativa delle due differenti elaborazioni eseguite nelle due situazioni avviamento/regime, e il calcolo di QO e Q3 non viene mai effettuato contemporaneamente e il commutatore 41 ? solo rappresentativo dell'abilitazione del tipo di elaborazione di volta in volta utilizzato.

Il calcolo della quantit? Q di combustibile viene utilizzato, come si ? detto, per le regolazioni del motore comprendenti la regolazione della pressione, dell'anticipo e della durata iniezione, che verranno ora descritte con riferimento alle figure 4, 5 e 6, rispettivamente.

Come mostrato in figura 4, il sistema di regolazione della pressione di iniezione, indicato nel suo complesso con 30, ? del tipo ad anello chiuso e comprende una coppia di mappe 31, 32 per il calcolo della pressione di riferimento , correlata al punto di lavoro del motore. In dettaglio, la mappa 31 consente il calcolo della pressione di riferimento a regime PR1 in base al numero di giri N del motore e alla quantit? Q di combustibile da iniettare (corrispondente al valore di regime Q3 calcolato nei modo descritto in figura 3); la mappa 32 consente il calcolo della pressione di riferimento PR2 all'avviamento, in funzione della temperatura del motore T e del numero di giri N, al fine di tenere conto delle esigenze del motore alle diverse temperature di avviamento.

Le uscite delle mappe 31, 32 sono collegate selettivamente, attraverso un interruttore ideale 33, con l'ingresso non invertente di un comparatore d'errore 34 il cui ingresso invertente ? collegato con l'uscita di un filtro 35 a sua volta ricevente in ingresso un segnale correlato alla pressione effettiva misurata dal sensore 18 montato sul collettore 10.

L'uscita del comparatore 34, sulla quale ? presente il segnale di errore E, ? collegata all'ingresso di un elemento di regolazione 36 e ad una memoria 37, la cui uscita ? pure collegata all'elemento di regolazione 36. L'elemento di regolazione 36 provvede, in base all'errore fra pressione di riferimento e pressione effettiva e in base ad un algoritmo di controllo del tipo proporzionale-integrale, a comandare il duty-cycle della corrente di alimentazione del solenoide 25 (figura 2). In pratica, l'uscita dell'elemento di regolazione 36 ? collegata con la memoria 36 e inoltre comanda un attuatore 38 che alimenta il solenoide 25.

Convenientemente, la lettura dell'uscita del sensore 18 viene effettuata ogni 5 ms; il segnale di pressione letto viene filtrato tramite il filtro 35 e confrontato con il valore di pressione di riferimento letto dalla mappa 32 o dalla mappa 31, a seconda che il motore sia in fase di avviamento o a regime, rispettivamente. L'errore E tra il valore effettivo e quello di riferimento viene fornito al regolatore 36 e alla memoria 37, che lo memorizza, per l'uso nei cicli successivi. Il regolatore 36 provvede quindi a calcolare il duty-cycle in base ad un algoritmo di tipo proporzionale-integrale.

In dettaglio, l'elemento di regolazione determina il nuovo valore del duty-cycle in percentuale (che pu? variare fra l'I e il 99%) che a sua volta influenza la forza generata dal solenoide 25 sullotturatore sferico 22; in particolare il segno e l'entit? dell'errore E determinano l'entit? della variazione del duty-cycle che d? luogo alla variazione di pressione necessaria per raggiungere il valore di pressione richiesto (impostato tramite le mappe). Infatti, aumentando il duty-cycle della corrente alimentata al solenoide 25, si incrementa la forza che agisce sull'otturatore 22, provocando un aumento della pressione all'interno del circuito idraulico (condotti 11, 14, collettore 10); analogamente la riduzione del duty-cycle provoca una riduzione della pressione.

L'anticipo viene determinato nel modo qui sotto descritto con riferimento alla figura 5. In particolare, in fase di avviamento, l'anticipo viene determinato in base ad un mappa 50 (mappa anticipo all'avviamento) avente come ingressi il numero di giri del motore N e la temperatura del motore T. In uscita si ottiene un valore ANTO.

A regime, l'anticip? viene calcolato tramite due mappe: una mappa di base 51 e una mappa di correzione 52. La mappa di base 51, avente come ingressi la quantit? di carburante da iniettare Q (corrispondente al valore di regime Q3 calcolato nel modo descritto in figura 3) e la velocit? di rotazione N, riporta il valore di anticipo di base, generalmente utilizzato per il funzionamento a caldo del motore; la mappa di correzione 52, avente come ingressi la velocit? di rotazione N e la temperatura del motore T, permette di determinare una correzione di anticipo in funzione delle grandezze di ingresso, necessaria durante il funzionamento a basse temperature.

Le uscite ANT1 e ANT2 delle mappe 51 e 52 vengono sommate nel blocco sommatore 53, fornendo un valore ANT3 che viene utilizzato durante il funzionamento a regime, come schematizzato in figura 5 dal commutatore 54, che rappresenta idealmente la selezione del valore ANTO o ANT3 a seconda della condizione di funzionamento (avviamento o regime) .

La durata dell'iniezione ET viene determinata nel modo qui sotto descritto con riferimento alla figura 6. In dettaglio, durante l'avviamento, la durata viene determinata in funzione della quantit? di carburante da iniettare Q (corrispondente la valore QO di figura 3) e della pressione P (uscita del filtro 35 di figura 4) misurata poco prima dell'iniezione, tramite una mappa 60 (mappa ET avviamento) che fornisce in uscita un valore ETO. Se il valore ETO ?.pari a zero, non avviene iniezione; se ? maggiore di un valore massimo ammissibile (ad es. 3000 ??) la durata viene limitata al valore massimo prefissato (in modo non rappresentato in figura 6).

A regime, la durata dell'iniezione viene determinata a partire dalla quantit? di carburante da iniettare- Q(corrispondente al valore Q3 di figura 3) e dalla pressione P misurata poco prima dell'iniezione, tramite una mappa 61 che fornisce in uscita ET1. Anche qui, se ET1 ? pari a zero, non avviene l'iniezione (condizione di cut-off); inoltre la massima durata ? limitata ad un valore massimo ammissibile (ad es. 1500 /is), in modo non illustrato.

Anche qui, i valori ETO e ET1 vengono calcolati selettivamente, a seconda che ci si trovi in avviamento o a regime, come simboleggiato in figura dal commutatore 62.

Grazie al sistema di controllo descritto, ? perci? possibile adattare le variabili controllate dell'iniezione al punto di lavoro del motore, in modo da garantire valori ottimali dei vari parametri dell'iniezione, quali polverizzazione ottenibile, penetrazione e legge di introduzione del getto, in ogni condizione.

Il sistema descritto opera inoltre in modo affidabile, e pu? essere implementato senza richiedere modifiche importanti all'impianto di iniezione, utilizzando procedure software facilmente implementabili.

In particolare per quanto riguarda la pressione di iniezione, che ? di importanza fondamentale per il controllo delle altre grandezze, viene eseguito un controllo in anello chiuso che garantisce sempre ed affidabilmente l'ottenimento dei valori ottimali.

Risulta infine chiaro che al sistema qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall'ambito protettivo della presente invenzione. Ad esempio, tutte le regolazioni descritte possono essere affinate, in modo da tenere conto di particolari condizioni di funzionamento del motore, senza modificare il concetto generale dell'invenzione.

Claims (14)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema (30) di controllo dell'iniezione in impianti di iniezione ad alta pressione (1) per un motore a combustione interna (16) comprendente una pluralit? di iniettori (15) atti ad iniettare combustibile ad alta pressione (P) in base a grandezze di controllo dell'iniezione (Q, P, ANT, ET), caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi generatori di regolazione (31, 32, 40-48, 50-53, 60, 61) atti a generare valori di regolazione delle grandezze di iniezione (Q, P, ANT, ET) in base a parametri motoristici (N, Ve, T, QA) e mezzi di comando (34-38) atti a controllare le grandezze di iniezione in base a detti valori di regolazione.
2. 2. Sistema secondo la rivendicazione 1, comprendente una elettrovalvola (7) di regolazione della pressione associata ad una pompa ad alta pressione (6) di alimentazione di detti iniettori (15), caratterizzato dal fatto che detti mezzi di comando comprendono mezzi di controllo (36-38) atti a variare il duty-cycle della corrente di alimentazione di detta elettrovalvola.
3. 3. Sistema secondo la rivendicazione l o 2, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi di rilevamento pressione (18), atti a rilevare un valore di pressione effettiva di iniezione e mezzi di rilevamento errore (34), atti a generare un segnale di errore correlato alla differenza fra un valore di pressione di riferimento e detto valore di pressione effettiva di iniezione, detto segnale di errore essendo alimentato a detti mezzi di comando (36-38) per l'ottenimento di una pressione di insezione di valore pari a detto valore di pressione di riferimento.
4. 4. Sistema secondo la rivendicazione 5, in cui detto impianto comprende un collettore di accumulo (10) interposto fra detta pompa (6) e detti iniettori (15), caratterizzato dal fatto che detti mezzi di rilevamento pressione comprendono un sensore di pressione (18) montato su detto collettore di accumulo (10).
5. 5. Sistema la rivendicazione 3 o 4, caratterizzato dal fatto di comprendere primi e secondi mezzi di memoria (31, 32) aventi rispettivi ingressi riceventi segnali relativi a parametri motoristici, mezzi di commutazione (33) aventi un'uscita collegata a detti mezzi di controllo (36-38) ed atti a collegare selettivamente detti primi e detti secondi mezzi di memoria con detti mezzi di controllo, a seconda di una condizione di funzionamento di detto motore.
6. 6. Sistema secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detti primi e secondi mezzi di memoria (31, 32) sono relativi ad una condizione di funzionamento a regime e, rispettivamente, ad una condizione di avviamento motore, detti parametri motoristici comprendendo numero di giri motore e quantit? di combustibile iniettata per detti primi mezzi di memoria e numero di giri e temperatura motore per detti secondi mezzi di memoria.
7. 7. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 3 a 6, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di rilevamento errore comprendono un comparatore (34) collegato con un primo ingresso all'uscita di detti mezzi di rilevamento pressione (18) e con un secondo ingresso a detti mezzi generatori (31, 32) e dal fatto che detti mezzi di controllo comprendono un regolatore (36) di tipo proporzionale-integrale.
8. 8. Sistema secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto di comprendere terzi mezzi di memoria (37) aventi ingressi collegati con detti mezzi di rilevamento errore (34) e detto regolatore (36) e un'uscita collegata con detto regolatore, detti terzi mezzi di memoria essendo atti a memorizzare segnali di errore precedenti.
9. 9. Sistema secondo la rivendicazione 7 o 8, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi di filtro (35) interposti fra detti mezzi di rilevamento pressione (18) e detto comparatore (34).
10. 10. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-9, caratterizzato dal fatto che detti mezzi generatori di regolazione comprendono mezzi generatori di avviamento (40) atti a generare un primo valore di quantit? di combustibile da iniettare in funzione di regime del motore e temperatura motore; mezzi generatori a regolatore (42) atti a generare un secondo valore di guantit? di combustibile da iniettare in funzione di regime motore e richiesta di potenza del motore; mezzi di controllo in anello chiuso (43) di una quantit? minima in funzione di regime del motore e temperatura motore; mezzi generatori limitatori fumosit? (45) atti a generare un valore di limitazione fumosit? in accelerazione in funzione di portata di aria aspirata e regime del motore; mezzi generatori di potenza (47) atti a generare un valore di limitazione di potenza in funzione del regime del motore; primi mezzi di selezione (44) , atti a selezionare il massimo fra detto secondo valore e detta quantit? minima; secondi mezzi di selezione (46) atti a selezionare il minimo fra l'uscita di detti primi mezzi di selezione e detto valore di limitazione fumosit? in accelerazione; e terzi mezzi di selezione (48) atti a selezionare il minimo fra l'uscita di detti secondi mezzi di selezione e detto valore di limitazione di potenza.
11. 11. Sistema secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che detti mezzi generatori di regolazione comprendono mezzi generatori di anticipo di avviamento (50) atti a generare un primo valore di anticipo in funzione di temperatura e regime del motore; mezzi generatori di anticipo di base (51) atti a generare un secondo valore di anticipo in funzione di quantit? di combustibile iniettata e regime del motore; mezzi generatori di correzione (52) , atti a generare un valore di correzione in funzione di temperatura motore e regime del motore; e mezzi correttori (53), atti a sommare detto secondo valore di anticipo e detto valore di correzione.
12. 12. Sistema secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che detti mezzi generatori comprendono mezzi generatori di durata iniezione di avviamento (60) atti a generare un primo valore di durata in funzione di quantit? di combustibile iniettato e pressione iniezione; e mezzi generatori di durata iniezione di regime (61) atti a generare un secondo valore di durata in funzione di quantit? di combustibile iniettata e pressione iniezione.
13. 13. Sistema secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi generatori comprendono mappe memorizzate.
14. 14. Sistema di controllo dell'iniezione in impianti di iniezione ad alta pressione per motori a combustione interna, come descritto con riferimento ai disegni allegati.