ITTO950962A1 - Metodo di rilevamento di detonazione per motori a combustione interna. - Google Patents
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Abstract
Il metodo comprende le fasi di generare un segnale elettrico proporzionale all'intensità delle vibrazioni esistenti sul basamento di un motore (10); filtrare a banda larga (11) il segnale elettrico; raddrizzare (12) il segnale filtrato; integrare (13) il segnale raddrizzato; calcolare il logaritmo (14) del risultato dell'integrazione; calcolare un valore medio (15) e un valore di deviazione standard (16) in funzione del logaritmo calcolato; eseguire una differenza (17) tra il valore di deviazione standard calcolato ed un valore di soglia; e determinare un coefficiente di detonazione (18) in base alla differenza calcolata, al numero di giri al minuto ed al carico del motore.Figura 3.
Description
D E S C R I Z I O N E
del brevetto per invenzione industriale
La presente invenzione riguarda un metodo di rilevamento di detonazione per motori a combustione interna.
Come è noto, in determinate condizioni di funzionamento dei motori a combustione interna, si verifica il fenomeno della detonazione, ovvero di combustione non controllata della miscela. La detonazione, di forte intensità e presente in molti cicli motore, è indesiderata in quanto produce una diminuzione del rendimento del motore ed il suo surriscaldamento pericoloso, nonché una vita limitata ed il rischio di rotture improvvise di talune parti del motore stesso.
Di conseguenza, sono allo studio e sono stati proposti alcuni sistemi per il rilevamento delle condizioni di detonazione o della detonazione stessa, in modo da consentire l'intervento sui parametri della combustione per ridurre la probabilità e l'incidenza della detonazione.
Tali sistemi si basano principalmente sull·'osservazione diretta o indiretta del diagramma del ciclo di pressione nel cilindro in funzione della posizione del pistone all "interno del cilindro stesso.) Questo diagramma ha una forma a campana, con il picco posizionato in prossimità del punto morto superiore; quando la combustione è normale il picco presenta la classica forma arrotondata, mentre quando si verifica una detonazione il picco presenta numerose frastagliature (figg. la e lb).
L'analisi di queste frastagliature permette di ricavare informazioni utili per il rilevamento del fenomeno della detonazione.
Sono noti metodi che utilizzano , sensori posizionati all'interno della camera di combustione per rilevare in modo diretto i valori dell'ampiezza delle suddette frastagliature. Questa disposizione dei sensori permette di ottenere valori molto precisi e affidabili, tuttavia richiede tecnologie sofisticate e quindi risulta costosa e applicabile unicamente in laboratorio e su prototipi.
Altri metodi, invece, utilizzano sensori posizionati sul basamento del motore per il rilevamento delle vibrazioni presenti sul basamento stesso. Questo tipo di disposizione dei sensori è realizzabile tecnologicamente in maniera più semplice e a costi ridotti; tuttavia presenta lo svantaggio che i valori rilevati sono più disturbati di quelli ottenuti attraverso un rilevamento diretto, in quanto le vibrazioni misurate sul basamento sono la somma di effetti dovuti ad altri fenomeni, oltre a quelli causati dalle variazioni di pressione all'interno del cilindro filtrate dal basamento.
Nel brevetto GB-A-2 265 006 a nome Nippondenso Co Ltd, è ad esempio presentato un sistema di controllo di detonazione che sfrutta sensori di detonazione posizionati sul basamento. Tale sistema rileva la presenza della detonazione comparando l'intensità del segnale fornito dal sensore con una soglia di decisione e controlla parametri operativi del motore, quali, ad esempio, l'anticipo di iniezione, per eliminare la detonazione. In particolare, il sistema effettua una conversione logaritmica dell'intensità del segnale fornito dal sensore, ne ricava la distribuzione, calcola un valore corrispondente alla deviazione standard di tale distribuzione e compara tale valore con una soglia, calcolata in base al precedente valore calcolato e ad un valore medio della suddetta distribuzione .
La determinazione della distribuzione è ottenuta elaborando valori numerici che rappresentano le ampiezze di componenti spettrali ottenute filtrando a banda stretta il segnale d'uscita dei sensori; infatti tale segnale è composto di numerose armoniche ed il filtraggio a banda stretta è utilizzato per estrarre unicamente l'armonica avente il maggior contenuto energetico.
In tale brevetto, inoltre, il calcolo del valore medio e della deviazione standard avviene prendendo in considerazione un solo ciclo motore per volta e adattando la soglia di detonazione ad ogni ciclo.
Per la gestione del funzionamento del motore, tuttavia, considerare una sola frequenza dello spettro e un solo ciclo motore alla volta risulta, in alcuni casi, limitativo.
Infatti, considerare una frequenza singola può dare origine al rischio di trascurare frequenze diverse da quella considerata ed eccitate comunque dalla detonazione, mentre adottare una gestione che si limiti unicamente ad eliminare localmente le detonazioni, ciclo per ciclo, può non essere la soluzione ottimale, in quanto per il rendimento e la funzionalità del motore risulta in alcuni casi più conveniente tollerare la presenza di un certo numero di detonazioni ogni determinato numero di cicli del motore e/o in solo alcuni cilindri. Infatti la detonazione in traccia, consentendo un alto rendimento del motore, è una condizione di utilizzo del motore favorevole e dunque da perseguire.
Infine l'adattamento della soglia di decisione richiede numerose elaborazioni numeriche, le quali vanno a complicare ulteriormente 1'implementazione del metodo .
Scopo della presente invenzione è quello di realizzare un metodo di rilevamento della detonazione per motori a combustione interna esente dagli inconvenienti sopra descritti e in grado di gestire in modo ottimale il fenomeno della detonazione.
Secondo la presente invenzione viene realizzato un metodo di rilevamento della detonazione per motori a combustione interna, caratterizzato dal fatto di comprendere, in combinazione, le fasi di:
a) generare un primo segnale elettrico proporzionale all'intensità di una grandezza fisica correlata alla presenza di detonazione;
b) filtrare a larga banda detto primo segnale elettrico, generando un secondo segnale elettrico;
c) raddrizzare detto secondo segnale elettrico, generando un terzo segnale elettrico;
d) integrare detto terzo segnale elettrico, generando un primo valore numerico;
e) calcolare il logaritmo di detto primo valore numerico, generando un secondo valore numerico;
f) calcolare un valore medio (μ) in funzione di detto secondo valore numerico;
g) calcolare un valore di deviazione standard (σ) in funzione di detto secondo valore numerico e di detto valore medio;
h) eseguire una differenza tra detto valore di deviazione standard ed un valore predefinito assunto come valore di soglia, generando un terzo valore numerico ;
i) calcolare un valore di un coefficiente di detonazione in funzione di detto terzo valore numerico, di un numero di giri al minuto di detto motore e di un carico di detto motore.
Per una migliore comprensione della presente invenzione viene ora descritta una forma di realizzazione preferita, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
le figure la e lb riportano due diagrammi di cicli di pressione ottenuti in assenza e, rispettivamente, in presenza di detonazione;
- la figura 2 mostra uno schema semplificato di un impianto di combustione che utilizza il metodo di rilevamento oggetto dell'invenzione;
- la figura 3 presenta un diagramma di flusso del metodo di rilevamento oggetto dell'invenzione;
- la figura 4 riporta l'andamento della deviazione standard in funzione della larghezza di banda per cicli detonanti e non detonanti;
- le figure 5, 6, 7 riportano gli andamenti di alcune grandezze utilizzate nel metodo di rilevamento.
In figura 2 è indicato con 1 un gruppo formato da un motore 2 e un dispositivo di rilevamento di detonazione 3 implementante il metodo oggetto dell'invenzione.
In particolare, il motore 2 comprende un basamento 4 e cilindri 5 alloggiati all'interno del basamento 4, mentre il dispositivo di rilevamento di detonazione 3 comprende un sensore accelerometrico 6 fissato sul basamento 4 e una centralina di elaborazione 7 cooperante con il sensore accelerometrico 6 attraverso una linea 8. Il sensore accelerometrico 6 è di tipo noto e disponibile in commercio e quindi non descritto ulteriormente .
Nello schema di fig. 2 il sensore accelerometrico 6 disposto sul basamento 4 rileva ed acquisisce le vibrazioni presenti sul basamento 4 stesso, generando un segnale elettrico proporzionale a tali vibrazioni. Tale-"segnale è inviato alla centralina di elaborazione 7 attraverso la linea 8 e la centralina di elaborazione 7 esegue le operazioni qui sotto descritte con riferimento al diagramma di flusso di fig. 3.
Dopo aver rilevato le vibrazioni presenti sul basamento (blocco 10), il segnale è filtrato a larga banda (blocco 11) e successivamente raddrizzato (blocco 12). Il segnale raddrizzato viene integrato in una apposita finestra temporale nella fase di combustione del cilindro considerato (blocco 13) e viene quindi calcolato il logaritmo del risultato dell'integrazione (blocco 14).
Viene poi calcolato un valore medio μ (blocco 15) in funzione del valore ottenuto dal calcolo del logaritmo e quindi calcolato un valore di deviazione standard a (blocco 16) in funzione del valore medio μ calcolato e del valore ottenuto dal calcolo del logaritmo.
Viene infine calcolata una differenza Δσ (blocco 17) tra la deviazione standard a precedentemente calcolata ed un valore di soglia predefinito σ0 funzione dei giri e del carico del motore. Il valore della differenza è infine utilizzato per determinare un indice di detonazione Kj (blocco 18) , funzione anch'esso del numero di giri e del carico del motore.
— Queste operazioni vengono ripetute ad ogni combustione, in modo da monitorare continuamente il fenomeno della detonazione.
Il blocco 11 filtra il segnale generato dal sensore accelerometrico 6 utilizzando una larghezza di banda il cui valore viene determinato analizzando le curve di fig. 4, in cui sono riportati gli andamenti della deviazione standard per cicli detonanti e per cicli non detonanti in funzione della larghezza di banda. Entrambe le curve presentano un andamento inversamente proporzionale alla radice quadrata dell'ampiezza della banda ed il rapporto tra le deviazioni standard relative ai due casi cresce al crescere della larghezza di banda. Preferibilmente, quindi, in base ai risultati sperimentali, viene scelta una banda compresa, ad esempio, tra 5 e 25 kHz.
Il blocco 15 di calcolo del valore medio esegue questa operazione utilizzando la seguente formula:
in cui i rappresenta il numero di volte in cui le operazioni illustrate nel diagramma di flusso di fig. 3 sono state ripetute, x. è il valore del logaritmo calcolato alla ripetizione i-esima, e μΜ sono i valori medi calcolati alle ripetizioni i e i-1 e λ1 è un parametro predefinito. Analizzando la precedente formula si può notare come nella prima ripetizione il valore medio calcolato coincide con il valore calcolato del logaritmo, mentre dalla seconda ripetizione in poi il valore medio viene aggiornato in base sia al valore xi del logaritmo calcolato alla ripetizione i-esima sia al valore medio calcolato nella ripetizione i-1, ciascuno pesati secondo il parametro λ1 .
In figura 5 è riportato un esempio dell'andamento dei valori ottenuti in seguito al calcolo del logaritmo del risultato dell'integrazione del segnale filtrato e raddrizzato (quadratini) e l'andamento temporale del valore medio calcolato (linea marcata) .
Il blocco 16 di calcolo del valore della deviazione standard esegue questa operazione utilizzando la seguente formula:
in cui i rappresenta il numero di volte in cui le operazioni illustrate in fig. 3 sono state ripetute, xf è il valore calcolato del logaritmo, μ· è il valore medio calcolato alla ripetizione i, σ., σΜ e σ1 sono i valori di deviazione standard calcolati rispettivamente alla ripetizione i, i-l e 1 e X2 è un parametro predefinito. Analizzando la precedente formula si può notare come nella prima ripetizione il valore di deviazione standard è nullo in quanto il valore medio coincide con il valore calcolato del logaritmo, mentre dalla seconda ripetizione in poi il valore di deviazione standard viene aggiornato in base al valore xi del logaritmo calcolato alla ripetizione i-esima, al valore medio calcolato nella ripetizione i ed al valore di deviazione standard calcolato alla ripetizione i-l, ciascuno pesati secondo il parametro X2.
In figura 6 è riportato un esempio di andamento dei valori della deviazione standard calcolati con la precedente formula.
In fig. 7 invece sono mostrati gli andamenti della deviazione standard in assenza ed in presenza di detonazione, ottenuti in prove di laboratorio effettuate a carico massimo. In particolare, le due linee tratteggiate rappresentano l'intervallo di variazione della deviazione standard in assenza di detonazione, mentre i valori esterni a tale intervallo sono associati alla presenza di detonazioni. L'ampiezza del suddetto intervallo rimane costante con il crescere del numero di giri del motore, tuttavia il valore della deviazione standard in assenza di detonazione aumenta leggermente con il crescere del numero di giri del motore. Il fatto che il valore della variazione standard vari di poco all'aumentare del numero di giri e il fatto che l'intervallo sopra considerato rimanga costante potrebbe permettere di definire un unico valore della deviazione standard σ0 da assumere come soglia per la determinazione dell'indice di detonazione sull'intero campo di variazione del numero di giri.
Infine, a titolo indicativo, l'indice di detonazione K, calcolato dal blocco 18 può essere definito:
dove il termine RPM rappresenta il numero di giri al minuto del motore, Δσ è la differenza calcolata dal blocco 17 e C è un'opportuna costante (ad esempio 1000). In questa formula il coefficiente dì detonazione K, non dipende dal carico del motore.
I vantaggi del metodo oggetto dell'invenzione sono i seguenti. Innanzitutto esso opera prendendo in considerazione un segnale filtrato a larga banda, in modo da utilizzare il maggior numero di informazioni possibile sulla deviazione standard delle variazioni cicliche, anche se ciò ovviamente comporta il rilevamento degli effetti di altri fenomeni non legati alla detonazione.
La determinazione del coefficiente di detonazione, inoltre, viene effettuata utilizzando una deviazione standard ottenuta pesando contributi di detonazioni presenti in molti cicli motore. Ciò permette di poter avere un quadro migliore possibile del fenomeno della detonazione e di saper individuare la presenza di detonazioni lievi per permettere un controllo della detonazione in traccia.
Infine esso modellizza il fenomeno della detonazione attraverso un unico parametro (deviazione standard) e permette di definire una soglia valida in tutte le situazioni di funzionamento e tipologia del motore. Questo consente di semplificare le elaborazioni necessarie ad una buona gestione del funzionamento del motore e quindi permette di ridurre i requisiti in termini di componenti richiesti.
Risulta infine chiaro che al metodo qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione.
Claims (9)
- R I V E N D I C A Z I O N I 1. Metodo di rilevamento di detonazione per motori a combustione interna, caratterizzato dal fatto di comprendere, in combinazione, le fasi di: a) generare un primo segnale elettrico proporzionale all'intensità di una grandezza fisica correlata alla presenza di detonazione; b) filtrare a larga banda detto primo segnale elettrico, generando un secondo segnale elettrico; c) raddrizzare detto secondo segnale elettrico, generando un terzo segnale elettrico; d) integrare detto terzo segnale elettrico, generando un primo valore numerico; e) calcolare il logaritmo di detto primo valore numerico, generando un secondo valore numerico; f) calcolare un valore medio (μ) in funzione di detto secondo valore numerico; g) calcolare un valore di deviazione standard (σ) in funzione di detto secondo valore numerico e di detto valore medio; h) eseguire una differenza tra detto valore di deviazione standard ed un valore predefinito assunto come valore di soglia, generando un terzo valore numerico; i) calcolare un valore di un coefficiente di detonazione in funzione di detto terzo valore numerico, di un numero di giri al minuto di detto motore e di un carico di detto motore.
- 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di ripetere dette fasi da a) a i) , generando una pluralità (i) di detti valori medi, di dette deviazioni standard e di detti coefficienti di detonazione .
- 3. Metodo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detta fase f) viene eseguita utilizzando la formula:
- 4. Metodo secondo la rivendicazione 2 o 3, caratterizzato dal fatto che detta fase g) viene eseguita utilizzando la formula:
- 5. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta fase i) viene eseguita utilizzando la formula:
- 6. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta fase b) comprende la fase di filtrare detto primo segnale elettrico tra 5 e 25 kHz.
- 7. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto valore di soglia utilizzato nella fase h) è prefissato e costante al variare di detto numero di giri di detto motore.
- 8. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta fase d) è effettuata in una prefissata finestra temporale durante la fase di combustione.
- 9. Metodo di rilevamento di detonazione per motori a combustione interna, come descritto con riferimento ai disegni allegati.
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