ITTO940606A1 - Metodo di autoinnesco della rigenerazione in un filtro particolato per un motore diesel con sistema d'iniezione a collettore comune. - Google Patents

Abstract

Il metodo di autoinnesco comprende, oltre alla fase di iniezione principale, una fase di post - iniezione ausiliaria di una certa quantità di combustibile direttamente nei cilindri nella fase di espansione, quando le temperature In camera di combustione sono ancora sufficienti per la sua combustione. In tal modo, vengono incrementate le temperature dei gas di scarico del motore, così da provocare l'innesco del particolato filtrato. inoltre, agendo opportunamente sulla quantità iniettata e sulla fase della post - iniezione, si possono generare prodotti di combustione incompleta tali da facilitare la combustione del particolato secco, abbassandone la temperatura di autoinnesco.Figura 2.

Description

D E S C R I Z I O N E

del brevetto per invenzione industriale

La presente invenzione riguarda un metodo di autoinnesco della rigenerazione in un filtro particolato per un motore Diesel con sistema di iniezione a collettore comune .

Come è noto, attualmente è sempre più sentita l'esigenza di controllare la composizione dei gas di scarico di motori a combustione interna, per ridurre i danni ambientali, e le normative di parecchi paesi stanno ponendo limiti sempre più stringenti al proposito.

In dettaglio, per quanto riguarda i motori diesel, i problemi principali sono dati dalla presenza, nei gas di scarico, di ossidi di azoto (ΝΟx) e di particolato, mentre non pongono particolari problemi i contenuti di ossidi di carbonio (CO) e idrocarburi (HC).

Per portare a valori minimi il contenuto di particolato nei gas scaricati nell'ambiente, alcuni sistemi prevedono, sulla linea di scarico, un filtro che trattiene le particelle non combuste costituenti il particolato. Ε' quindi necessario rimuovere periodicamente il particolato intrappolato, tramite combustione dello stesso ("rigenerazione" del filtro).

La combustione del particolato viene autoinnescata naturalmente a temperature elevate, dell'ordine di 500-550°C, che vengono raggiunte solo in casi particolari. Di conseguenza, alcuni filtri sono dotati di elementi riscaldatori che vengono attivati periodicamente per portare il filtro alla temperatura di autoinnesco della combustione del particolato intrappolato. In altri sistemi, invece, è previsto un catalizzatore che consente di ridurre la temperatura di innesco fino a circa 350°C. Tale soluzione opera correttamente in caso di funzionamento del motore a carichi medi. Tuttavia, in caso di funzionamento prolungato a carichi bassi (ad esempio nella guida in città) e/o in presenza di temperature esterne basse (in inverno), la temperatura dei gas di scarico è inferiore a quella di autoignizìone. In tali condizioni, può succedere che il particolato continui ad accumularsi nel filtro, provocando un aumento della contropressione, con progressivo deterioramento delle prestazioni e dei consumi di combustibile fino, al limite, allo stallo del motore.

Inoltre, in presenza di elevati accumuli di particolato, in particolari condizioni di guida, possono innescarsi fenomeni di rigenerazione "critica" che possono portare all'improvvisa e incontrollata combustione del particolato e conseguenti elevate temperature all'interno della matrice ceramica del filtro, provocando il danneggiamento del filtro stesso.

Scopo della presente invenzione consiste quindi nel realizzare un metodo in grado di autoinnescare la combustione del particolato intrappolato nel filtro anche nel caso in cui il carico del motore non garantisca che la temperatura dei gas di scarico sia pari o superiore a quella di autoinnesco necessaria nei sistemi attuali.

Secondo la presente invenzione viene realizzato un metodo di autoinnesco in un filtro particolato per un motore Diesel con sistema di iniezione a collettore comune, comprendente una fase di iniezione principale, caratterizzato dal fatto di comprendere una fase di postiniezione ausiliaria durante la fase di espansione del motore .

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 a blocchi di un impianto di iniezione di un motore Diesel, di tipo noto; e - la figura 2 presenta l'andamento, rispetto alle fasi motore, della pressione e dei comandi di iniezione, secondo l'invenzione.

Con riferimento alla figura 1, in essa è -mostrato schematicamente un impianto 1 di iniezione di un motore Diesel a collettore comune, del tipo cui si applica la presente invenzione. Tale impianto è stato rappresentato solo per le parti necessarie alla comprensione della presente invenzione, rappresentando con linea continua i condotti per il combustibile e con linea tratteggiata le linee elettriche portanti i segnali relativi alle grandezze misurate e i comandi.

In dettaglio, l'impianto 1 comprende:

- un serbatoio 2 di combustibile (gasolio);

- una pompa di alimentazione 3 ad alta pressione, col legata al serbatoio 2 attraverso un condotto a bassa pressione 4 ;

- un regolatore di pressione 6, disposto su un condotto ad alta pressione 7;

- un condotto di ritorno 8 del combustibile a bassa pressione, collegato fra il regolatore di pressione 6 e il serbatoio 2;

- un collettore comune o "rail” 9 per il combustibile ad alta pressione, collegato al condotto 7 e dotato di uno o più elementi di raccordo con gli iniettori;

- una pluralità di iniettori 10, uno per ogni cilindro 11 del motore 12, collegati al collettore 9;

una unità di controllo e comando di potenza 16 (centralina di comando) che, in base ai segnali provenienti dai vari sensori, a mappe memorizzate e alla strategia di controllo implementata, governa i vari organi dell'impianto;

- un condotto di scarico 17 dei prodotti di combustione, collegato al collettore di scarico (non mostrato) del motore 12;

- un filtro particolato 18, disposto sul condotto di scarico 17;

- un collettore di aspirazione 19;

- un sensore di pressione 20 disposto sul collettore 9; - Un sensore ciclo 21 disposto sull'albero a camme (non mostrato) del motore 12;

- un sensore del numero di giri e fase 22 del motore, disposto sull'albero di uscita 23 del motore; e

- un sensore di pressione 24 disposto sul condotto di scarico 17, a monte del filtro particolato 18.

Inoltre, linee elettriche collegano il regolatore di pressione 6, gli iniettori 10, il sensore di pressione 20, il sensore ciclo 21 e il sensore di giri e fase 22 con la centralina 16, per lo scambio di comandi e dati.

Secondo l'invenzione, nell'impianto di iniezione 1 mostrato, oltre alla fase di iniezione principale, comandata dalla centralina 16 in modo usuale, viene eseguita una post-iniezione allo scopo di incrementare le temperature di scarico del motore e/o generare prodotti di combustione incompleta (HC) che riducono la temperatura di ignizione del particolato accumulato nel filtro, facilitandone la rigenerazione a basse temperature e bassi carichi del motore.

La fasatura di tale iniezione ausiliaria successiva è schematizzata in fig. 2, nella quale sono rappresentati su un primo grafico l'andamento della pressione nelle diverse fasi per un cilindro, e su un secondo grafico la collocazione delle fasi di iniezione principale (indicata con 30) e di post-iniezione (indicata con 31) in tre differenti casi. In figura 2, con PMS è indicato l'istante corrispondente al punto morto superiore, con PMI l'istante corrispondente al punto morto inferiore, con ASP la fase di aspirazione, con COMP la fase di compressione, con ESP la fase di espansione e con SC la fase di scarico.

Per quanto riguarda la pressione di iniezione, con la curva a tratto e punto è mostrato l'andamento nel caso di un basso carico di funzionamento, con la curva tratteggiata l'andamento per un carico di funzionamento medio e con la curva a tratto continuo l'andamento per un carico di funzionamento medio-alto. Analogamente, è mostrata la fasatura dell'iniezione principale e della post-iniezione nei tre casi, utilizzando lo stesso modo grafico, con linea a tratto e punto (basso carico), linea tratteggiata (medio carico) e linea continua (elevato carico) . Inoltre, le fasi di iniezione principale e postiniezione sono state indicate con delle frecce verso destra e verso sinistra, a significare che la collocazione e la durata di tali fasi può variare, in anticipazione e ritardo, nonché in allungamento o abbreviazione, rispetto a quanto illustrato, per tener conto delle condizioni operative del motore, in modo da garantire la temperatura di autoinnesco del filtro alle condizioni volute per l'ottimizzazione dei consumi del motore.

Secondo l'invenzione, la fase di post-iniezione comprende l'iniezione di una certa quantità di miscela combustibile-aria direttamente nei cilindri nella fase di espansione ESP, quando le temperature in camera di combustione sono ancora sufficienti per la sua combustione. A tale scopo, in base ai valori di intasamento del filtro (rilevabile sulla base della contropressione del filtro, al carico e al numero di giri) e utilizzando prefissati algoritmi, la centralina 16 stabilisce quando operare la post-iniezione ed eventualmente ne determina fase e quantità in base al carico e al numero di giri del motore 12.

In particolare, l'angolo di inizio è tanto minore guanto minore è il carico (come si rileva in particolare dalla curva a) di fig. 2, relativa al carico più basso) e la quantità di combustibile da iniettare è tanto maggiore quanto minore è il carico. In generale la post-iniezione può addirittura essere eseguita subito di seguito all'iniezione principale, come unica iniezione di durata pari alla somma delle due durate, e la quantità iniettata nella post-iniezione è variabile da qualche percento rispetto all'iniezione principale (nel caso di carichi medi) fino a raggiungere circa il 40-50% rispetto ai valori massimi dell'iniezione principale, relativi al numero di giri considerato.

Secondo una forma di attuazione della presente invenzione, la post-iniezione non viene eseguita su tutti i cilindri in ogni ciclo, ma viene alternata sui diversi cilindri nei cicli successivi, in modo da equilibrare il carico termico dei diversi cilindri, garantendo così anche la possibilità di post-iniettare quantità globali più piccole di quanto il sistema è in grado di gestire nel caso di uguali condizioni su tutti i cilindri.

Inoltre, in base alle condizioni di funzionamento del motore 12, la post-iniezione può essere eseguita un prefissato numero di cicli consecutivi o non consecutivi.

Naturalmente, sia l'alternanza dei cilindri sia la sequenza dì attivazione della post-iniezione in cicli successivi, cosi come il numero di cicli in cui viene comandata la post-iniezione (durata complessiva) sono memorizzati in un elemento di memoria compreso o associato alla centralina 16, in funzione delle condizioni motoristiche.

Le strategìe per l'effettuazione di tale postiniezione sono molteplici. In particolare, secondo una prima soluzione, il carico di funzionamento del motore (come già detto, generalmente già disponibile da altre elaborazioni) viene monitorato con continuità e viene determinato il tempo in cui tale carico è inferiore ad un valore limite prefissato. Se il motore funziona a carico parziale per un tempo maggiore di un limite prefissato, la centralina attiva la fase di post-iniezione, per innescare la rigenerazione, dato che è molto probabile che il filtro sia intasato. In tal caso, si può eliminare il sensore di pressione a monte del filtro.

Secondo un'altra soluzione, la fase di post-iniezione viene comandata periodicamente, indipendentemente dal carico del motore. Tale soluzione si basa sulla constatazione che, in generale, in caso di bassi regimi, il filtro risulta intasato dopo un certo tempo prefissato di funzionamento, per cui l'innesco automatico della rigenerazione ad intervalli fissi garantisce che il filtro lavori in condizioni accettabili. Tale soluzione è più adatta a modi di funzionamento noti e costanti.

Secondo una terza soluzione, viene misurato indirettamente l'intasamento del filtro, monitorando la pressione esistente a monte del filtro stesso tramite il sensore 24, dato che esiste una correlazione fra tale pressione e il particolato accumulato. In tal caso, la centralina 16 è in grado di calcolare l'intasamento, in base ad un algoritmo noto avente come variabili anche il numero di giri e il carico motore. Tale intasamento è generalmente espresso come percentuale, e quando viene raggiunto una percentuale prefissata, la centralina 16 comanda l'esecuzione della post-iniezione.

Secondo una quarta soluzione, viene eseguita una strategia mista, monitorando l'intasamento secondo quanto descritto per la terza soluzione. Non appena viene raggiunta una soglia prefissata (ad esempio pari all'80%) la centralina si pone in attesa del momento più opportuno per l'esecuzione della post-iniezione, per esempio attendendo che il motore si porti ad un carico inferiore ad un valore prefissato. Non appena la centralina verifica l'esistenza di tale basso carico, viene comandata la postiniezione. Naturalmente, anche con questa strategia mista, la centralina continua a verificare che l'intasamento non superi il valore massimo ammissibile; se ciò si verifica, la centralina comanda la post-iniezione, indipendentemente dal carico di funzionamento esistente, per evitare danni al filtro. In tal modo viene ridotto al massimo il consumo di combustibile.

Si noti che l'esecuzione di tale fase di postiniezione è consentita senza difficoltà con l'impianto di iniezione descritto di tipo elettronico e a collettore comune, dato che l'iniezione viene comandata elettronicamente dai segnali di comando generati dalla centralina 16 verso gli iniettori 10 e la sua fasatura rispetto alle fasi motore non è ristretta da caratteristiche intrinseche del sistema, ma è invece completamente flessibile.

I vantaggi ottenibili con l'invenzione sono i seguenti. In primo luogo, il presente metodo consente di rigenerare il filtro particolato anche in condizioni motoristiche che, di per sé, non garantirebbero l'innesco della rigenerazione. Inoltre, esso non comporta elevati consumi, nonostante quanto potrebbe apparire a prima vista. Infatti, la post-iniezione viene eseguita in caso di filtro intasato (come rilevato o in base al tempo di funzionamento del motore a bassi regimi o in base alla misura della pressione a monte del filtro particolato), cioè quando esiste già una condizione di maggior consumo dovuto alla condizione del filtro. Dato che la postiniezione produce la rigenerazione del filtro, e quindi ripristina condizioni migliori di funzionamento, il maggior consumo legato alla post-iniezione viene abbondantemente compensato dalla riduzione di consumo legata alle migliori condizioni del filtro.

Inoltre, il metodo secondo l'invenzione non richiede dispositivi appositi o modifiche apposite nel motore o nel sistema di iniezione, ma solo la gestione software dei comandi agli iniettori. Il presente metodo è quindi facilmente ed economicamente implementabile sulle attuali centraline dei sistemi di iniezione elettronica a collettore comune.

Risulta infine chiaro che al metodo qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall'ambito protettivo della presente invenzione. In particolare, come sottolineato, la fase di post-iniezione può essere anticipata o ritardata rispetto a quanto illustrato, per garantire le condizioni operative ottimali.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo di iniezione per un motore diesel con sistema di iniezione a collettore comune, comprendente una fase di iniezione principale, caratterizzato dal fatto di comprendere una fase di post-iniezione ausiliaria durante la fase di espansione del motore. .
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta fase di post-iniezione comprende l'iniezione di una quantità di combustibile nei cilindri del motore.
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2 , caratterizzato dal fatto di comandare detta fase di postiniezione alternativamente e in cicli successivi sui cilindri di detto motore.
4. 4. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto di comprendere la fase di comandare detta fase di post-iniezione secondo una sequenza di cicli memorizzata.
5. 5. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di monitorare condizioni motoristiche di detto motore, ed attivare detta fase di post-iniezione al rilevamento della persistenza di prefissati eventi per un tempo maggiore di un valore predeterminato .
6. 6. Metodo secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che dette condizioni motoristiche comprendono numero di giri e regime di funzionamento del motore, e detti eventi comprendono il rilevamento dell'abbassamento del numero di giri e del regime di funzionamento al di sotto di rispettive soglie.
7. 7. Metodo secondo la rivendicazione 5 o 6, caratterizzato dal fatto che dette condizioni motoristiche comprendono il grado di intasamento di detto filtro particolato, calcolato in base alla pressione esistente a monte di detto filtro particolato, al numero di giri e al carico motore, e dal fatto che detti eventi comprendono il rilevamento del superamento di una rispettiva soglia da parte di detto grado di intasamento.
8. 8. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, caratterizzato dal fatto di attivare detta fase di post-iniezione ad intervalli di tempo di funzionamento prefissati.
9. 9. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta fase di post-iniezione comprende l'iniezione di una quantità di combustibile funzione del carico e del numero di giri del motore .
10. 10. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta fase di post-iniezione viene fasata con un ritardo, rispetto a detta fase di iniezione principale, che è funzione del carico e del numero di giri del motore.
11. 11. Metodo di autoinnesco in un filtro particolato per un motore Diesel con sistema di iniezione a collettore comune, come descritto con riferimento ai disegni allegati .