ITTO960514A1 - Metodo e dispositivo di controllo della pressione di iniezione durante un transitorio di funzionamento di un motore diesel - Google Patents

Metodo e dispositivo di controllo della pressione di iniezione durante un transitorio di funzionamento di un motore diesel Download PDF

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Alessandro Carlo
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Description

D E S C R I Z I O N E
del brevetto per invenzione industriale
La presente invenzione è relativa ad un metodo e ad un dispositivo di controllo della pressione di iniezione durante un transitorio di funzionamento di un motore diesel sovralimentato.
Come è noto, durante i transitori di funzionamento di un motore diesel, causati ad esempio da una rapida accelerazione, viene generato un repentino aumento della pressione di iniezione del combustibile per limitare la fumosità allo scarico. Tale repentino aumento della pressione di iniezione produce, tuttavia, un elevato rumore di combustione del motore, il quale risulta fastidioso ed inaccettabile. Per ridurre tale incremento di rumorosità, sono stati proposti dispositivi di controllo della pressione di iniezione che forniscono in uscita un valore ottimale della pressione di iniezione per tutti i regimi di funzionamento del motore, compresi i transitori.
Nella domanda di brevetto WO-95/23921 depositata in data 28.2.95 è ad esempio descritto un dispositivo di controllo che rallenta la crescita della pressione di iniezione imponendo ad essa un gradiente massimo di crescita, il quale è variabile in funzione del regime di funzionamento del motore e della quantità di carburante alimentato al motore. In tale dispositivo di controllo la calibrazione del gradiente massimo di crescita della pressione di iniezione risulta particolarmente difficile e non consente di ottimizzare singolarmente ciascuna accelerata, per cui risulta necessario effettuare pesanti compromessi tra le necessità delle varie condizioni .
Inoltre, nella calibrazione del gradiente massimo di crescita non sono prese in considerazione grandezze che influiscono sehsibilmente sul rumore di combustione e sulla fumosità allo scarico del motore, come ad esempio 1 livelli di carico del motore presenti prima dell'accelerazione e la marcia innestata quando inizia l'accelerazione .
Pertanto, il dispositivo di controllo descritto presenta l'inconveniente di generare un profilo di crescita della pressione di iniezione in transitorio che non è ottimale, in quanto anche se da un lato consente di ridurre il rumore di combustione del motore, dall'altro peggiora la fumosità allo scarico del motore stesso.
Per ridurre il rumore di combustione del motore è inoltre stata proposta una strategia di iniezione che prevede di effettuare, ad ogni ciclo motore, una doppia iniezione composta da una iniezione pilota di breve durata seguita da una iniezione principale di durata maggiore; secondo tale strategia, l'iniezione pilota utilizza una quantità limitata di combustibile per innescare una precombustione che fa aumentare la temperatura e la pressione all'interno della camera di combustione dei cilindri, in modo da migliorare l'efficienza della combustione innescata dall'iniezione principale e di ridurne l'effetto esplosivo. L'utilizzo di una iniezione pilota, anche se riduce complessivamente il rumore di combustione, non produce tuttavia gli effetti desiderati sul contributo al rumore di combustione causato da un repentino aumento della pressione di iniezione in seguito ad esempio ad una rapida accelerata.
Scopo della presente invenzione è quello di realizzare un metodo ed un dispositivo di controllo della pressione di iniezione che consentano di ottenere in modo semplice ed economico un miglior compromesso tra rumorosità di combustione e fumosità allo scarico del motore.
Secondo la presente invenzione viene realizzato un metodo di controllo della pressione di iniezione durante un transitorio di funzionamento di un motore diesel sovralimentato, comprendente le fasi di:
- generare, in ciascun ciclo motore, un valore di pressione di iniezione di riferimento in funzione di almeno un primo parametro operativo di detto motore, detto valore di pressione di iniezione di riferimento definendo un valore ottimale per la pressione di iniezione del motore in regime di funzionamento stazionario ;
- generare, in ciascun ciclo motore, un valore di pressione di iniezione incrementale in funzione di almeno un secondo parametro operativo di detto motore, detto valore di pressione di iniezione incrementale definendo la variazione massima ammissibile della pressione di iniezione durante detto transitorio di funzionamento del motore tra un ciclo motore ed il successivo ;
generare un valore di pressione di iniezione desiderata in ciascun ciclo motore in funzione di detto valore di pressione di iniezione di riferimento e di detto valore di pressione di iniezione incrementale, tale per cui la variazione della pressione di iniezione di detto motore durante detto transitorio di funzionamento non superi detto valore massimo ammissibile;
caratterizzato dal fatto che detto secondo parametro operativo è la pressione di sovralimentazione di detto motore.
Secondo la presente invenzione viene inoltre realizzato un dispositivo di controllo della pressione di iniezione durante un transitorio di funzionamento di un motore diesel sovralimentato, comprendente:
- primi mezzi di elaborazione riceventi in ingresso almeno un primo parametro operativo di detto motore e generanti in uscita, in ciascun ciclo motore, un valore di pressione di iniezione di riferimento definente un valore ottimale per la pressione di iniezione del motore in regime di funzionamento stazionario;
secondi mezzi di elaborazione riceventi in ingresso almeno un secondo parametro operativo di detto motore e generanti in uscita, in ciascun ciclo motore, un valore di pressione di iniezione incrementale definente la variazione massima ammissibile della pressione di iniezione durante detto transitorio di funzionamento di detto motore tra un ciclo motore ed il successivo;
- terzi mezzi di elaborazione riceventi in ingresso detto valore di pressione di iniezione di riferimento e detto valore di pressione di iniezione incrementale e generanti in uscita, in ciascun ciclo motore, un valore di pressione di iniezione desiderata in funzione di detto valore di pressione di iniezione di riferimento e di detto valore di pressione di iniezione incrementale, tale per cui la variazione della pressione di iniezione di detto motore durante detto transitorio di funzionamento non superi detto valore massimo ammissibile;
caratterizzato dal fatto che detto secondo parametro operativo è la pressione di sovralimentazione 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 :
la figura 1 è uno schema a blocchi di una centralina elettronica comprendente un dispositivo di controllo secondo la presente invenzione; e
le figure 2-5 sono andamenti temporali di grandezze controllate dal dispositivo di controllo di fig. 1.
In figura 1 è indicata con 1, nel suo complesso, una centralina elettronica per il comando dell'iniezione, del tipo ad accumulatore comune ("common rail"} , in un motore 2 Diesel ad iniezione diretta sovralimentato .
La centralina elettronica 1, della quale sono mostrate solo le parti essenziali per la comprensione della presente invenzione, comprende un'unità di calcolo parametri 3 ricevente in ingresso segnali misurati sul motore 2 e generante in uscita parametri operativi del motore 2 stesso necessari per il controllo dell'iniezione; un dispositivo di controllo 4 ricevente in ingresso tali parametri operativi e generante in uscita un parametro di controllo iniezione; ed un'unità di regolazione 5 della pressione di iniezione, di tipo noto e (quindi non descritta in dettaglio, ricevente in ingresso tale parametro di controllo iniezione.
In particolare, l'unità di calcolo parametri 3 riceve in ingresso un segnale Si correlato alla velocità del motore 2 e un segnale S2 correlato alla pressione di sovralimentazione Ps del motore 2 stesso, e genera in uscita parametri operativi del motore 2, quali il numero di giri N, la quantità Q di combustibile iniettato e la pressione di sovralimentazione Ps quantizzata e digitalizzata .
Il dispositivo di controllo 4 riceve in ingresso i parametri N, Q e Ps e genera in uscita un valore di pressione di iniezione desiderata P0 per ogni ciclo motore, alimentato all'unità di regolazione 5 che controlla la pressione di iniezione in base a tale valore .
Il dispositivo di controllo 4 comprende una prima ed una seconda unità di elaborazione 6, 7, riceventi in ingresso i parametri N, Q e Ps e generanti in uscita rispettivi valori intermedi, ed una terza unità di elaborazione 8 ricevente in ingresso tali valori intermedi e generante in uscita il valore P0.
In particolare, la prima unità di elaborazione 6 riceve in ingresso i parametri N e Q e genera in uscita, per ogni ciclo motore, un valore di pressione di iniezione di riferimento PMAP alimentato alla terza unità di elaborazione 8 e definente un valore ottimale per la pressione di iniezione dèi motore in regime di funzionamento stazionario definito dai parametri N e Q. La prima unità di elaborazione 6 può ad esempio comprendere una mappa in cui sono memorizzati i valori di PMAP in funzione del valore dei parametri N e Q.
La seconda unità di elaborazione 7 riceve in ingresso i parametri N e Ps, e genera in uscita, per ogni ciclo motore, un valore di pressione di iniezione incrementale DPMAX alimentato alla terza unità di elaborazione 8 e definente la variazione massima ammissibile della pressione di iniezione durante il transitorio di funzionamento del motore 2 tra un ciclo motore ed il successivo. La seconda unità di elaborazione 7 può ad esempio comprendere una mappa in cui sono memorizzati i valori di DPMAX in funzione del valore dei parametri N e Ps.
La terza unità di elaborazione 8 riceve in ingresso il valore di pressione di iniezione di''riferimento PMAP ed il valore di pressione di iniezione incrementale DPMAX e genera in uscita, in ciascun ciclo motore, il valore di pressione di iniezione desiderata P0 in funzione di PMAP e DPMAX in modo che la variazione della pressione di iniezione del motore durante il transitorio di funzionamento non superi, tra un ciclo motore ed il successivo, il valore massimo ammissibile.
Più in dettaglio, la terza unità di elaborazione 8 comprende un circuito sommatore 9 ricevente in ingresso, ad ogni ciclo motore (indicato con la lettera i), il valore di pressione di iniezione incrementale DPMAX ed il valore di pressione di iniezione desiderata Po,i-i calcolato nel ciclo motore precedente i-1, come meglio spiegato in seguito, e generante in uscita un valore di pressione di iniezione corretta Pc pari alla somma di Po,i-1 <e >DPMAX- Tale valore di pressione di iniezione corretta Pc definisce il valore corretto della pressione di iniezione che consente di soddisfare nel ciclo motore i-esimo il requisito imposto sulla massima variazione ammissibile della pressione di iniezione.
La terza unità di elaborazione 8 comprende inoltre un circuito discriminatore 10 ricevente in ingresso il valore di pressione di iniezione di riferimento PMAP ed il valore di pressione di iniezione corretta Pc, e generante in uscita (nodo 11) il valore 'di pressione di iniezione desiderata P0 pari al minore tra P^ e Pc.
La terza unità di elaborazione 8 comprende infine un circuito di memorizzazione 12 presentante un ingresso collegato al nodo 11 ed avente lo scopo di memorizzare il valore di pressione di iniezione desiderata P0 calcolato nel ciclo motore i-esimo da fornire, nel ciclo motore successivo, al circuito sommatore 9.
Il valore di pressione di iniezione di riferimento PMAP ed il valore di pressione di iniezione desiderata P0 possono inoltre essere alimentati ad altre parti della centralina elettronica 1 che utilizzano la pressione di iniezione per le loro funzioni; ad esempio, essi possono essere alimentati ad una unità di calcolo dell’angolo di anticipo iniezione non illustrata in fig. 1 e descritta in dettaglio nella citata domanda di brevetto WO-95/23921.
Il funzionamento del dispositivo di controllo 4 è evidente da quanto sopra descritto.
In particolare, si sottolinea il fatto che, se non fosse presente il circuito discriminatore 10, durante un transitorio di funzionamento del motore, ad esempio causato da una rapida accelerazione, si avrebbe un repentino aumento dei parametri N e Q, ed il valore di pressione di iniezione di riferimento PMAP generato dalla prima unità di elaborazione 6 aumenterebbe bruscamente. Tale valore di pressione di iniezione di riferimento PMAP, alimentato direttamente all'unità di regolazione 5 della pressione di iniezione, produrrebbe un rapido aumento della pressione di iniezione stessa e quindi una forte rumorosità di combustione del motore 2.
Secondo la presente invenzione, invece, all'unità di regolazione 5 viene alimentato un valore di pressione di iniezione desiderata P0 che, durante il transitorio di funzionamento del motore, è inferiore al valore di pressione di iniezione di riferimento PMAP.
Da quanto descritto risulta quindi evidente come il valore di pressione di iniezione desiderata P0 presenti durante il transitorio di funzionamento del motore un profilo di crescita nel tempo inferiore a quello del valore di pressione di iniezione di riferimento PMAP, in quanto la crescita del valore di pressione di iniezione desiderata P0 avviene con un incremento di una quantità pari al valore di pressione di iniezione incrementale DPMAX per ogni ciclo motore.
Quando infine il valore di pressione di iniezione corretta Pc raggiunge il valore di pressione di iniezione di riferimento PMAP, il transitorio di funzionamento del motore è terminato e all'unità di regolazione 5 della pressione di iniezione viene nuovamente alimentato il valore di- pressione di iniezione di riferimento PMAP, che appunto definisce il valore ottimale della pressione di iniezione del motore 2 in regime stazionario.
La generazione del valore di pressione di iniezione incrementale DPMAX in funzione del numero di giri N del motore 2 e della pressione di sovralimentazione Ps del motore 2 stesso, consente di ridurne notevolmente la fumosità allo scarico rispetto alla soluzione nota citata, in cui tale valore di pressione di iniezione incrementale DPMAX è calcolato in funzione del parametro N e del parametro Q. Infatti, il valore della pressione di sovralimentazione durante i transitori di funzionamento del motore 2 è inferiore al valore che si ha in regime di funzionamento stazionario a causa del ritardo di adeguamento del turbocompressore alle nuove condizioni di funzionamento, e prove di laboratorio hanno dimostrato che l'utilizzo di un parametro correlato al valore della pressione di sovralimentazione nel calcolo di DPMAX consente una calibrazione semplice ed univoca del gradiente massimo di crescita della pressione di iniezione per qualsiasi condizione di accelerazione. Utilizzando questo tipo di parametro, inoltre, nella calibrazione del gradiente massimo di crescita si riescono a tener conto anche di quelle grandezze che influiscono sensibilmente sul rumore di combustione e fumosità del motore 2, come ad esempio i livelli di carico del motore 2 presenti prima dell'accelerazione e la marcia innestata quando inizia l'accelerazione. Pertanto, con il dispositivo di controllo 4 secondo la presente invenzione si riesce ad ottenere un profilo di crescita della pressione di iniezione in transitorio migliore, che consente di raggiungere un buon compromesso tra rumore di combustione e fumosità del motore 2 in ogni condizione di accelerazione rispetto al rumore ed alla fumosità che si ottengono con il dispositivo di controllo noto.
Questo miglioramento è chiaramente visibile nelle figure 2-5, nelle quali le curve disegnate con linea puntinata, con linea tratteggiata e con linea continua rappresentano l'andamento nel tempo di una grandezza ottenuta rispettivamente senza l'utilizzo di alcun dispositivo di controllo, con l'utilizzo del dispositivo di controllo noto e con l'utilizzo del presente dispositivo di controllo 4. Inoltre, nelle figure 2-5, l'inizio del transitorio di funzionamento è indicato con una freccia.
In particolare, la figura 2 mostra gli andamenti nel tempo del valore di pressione di iniezione incrementale DPMAX. In tale figura è possibile notare come in seguito ad un transitorio di funzionamento del motore 2, con il presente dispositivo di controllo 4 (curva A) vi sia un incremento più rapido del valore di pressione di iniezione incrementale DPMAX rispetto a quello ottenuto (curva B) con il dispositivo di controllo noto; tale diverso comportamento consente di ottenere, come illustrato in figura 3, un profilo di crescita della pressione di iniezione migliore rispetto a quello ottenibile con il dispositivo di controllo noto .
In particolare, la figura 3 è relativa all'andamento nel tempo della pressione di iniezione del motore 2. In tale figura è chiaramente visibile come, in seguito ad un transitorio di funzionamento del motore 2, con il dispositivo secondo la presente invenzione la pressione di iniezione (curva C) aumenta con una pendenza maggiore della pendenza ottenuta con il dispositivo di controllo noto (curva D) e che comunque tale pendenza risulta inferiore a quella ottenuta senza alcun dispositivo di controllo (curva E). In pratica, con il dispositivo di controllo 4 sì ottiene una crescita della pressione di iniezione più rapida rispetto a quella ottenibile con il dispositivo noto e più graduale di quella ottenibile senza alcun dispositivo di controllo.
Il miglioramento del profilo di crescita della pressione di iniezione si riflette notevolmente sulla fumosità allo scarico del motore 2 senza determinare peggioramenti della rumorosità di combustione del motore 2, come illustrato nelle figure 4 e 5, nelle quali sono riportati gli andamenti nel tempo della fumosità allo scarico Fs e, rispettivamente, del rumore di combustione Rc del motore 2.
In particolare, dalla figura 4 è chiaramente visibile come, in seguito ad un transitorio di funzionamento del motore 2, le fumosità ottenute con l'utilizzo del dispositivo noto (curva G) e del dispositivo di controllo 4 (curva H) presentino un tratto iniziale sostanzialmente identico ed un tratto terminale in cui il dispositivo di controllo 4 permette di avere una notevole riduzione di fumosità allo scarico rispetto a quella ottenuta con il dispositivo di controllo noto, anche se peggiore del caso in cui non venga utilizzato alcun dispositivo di controllo (curva F) .
Inoltre, tale miglioramento della fumosità allo scarico è ottenuto senza peggiorare la rumorosità di combustione del motore 2. Infatti, come è chiaramente visibile in fig. 5, in seguito ad un transitorio di funzionamento, il rumore di combustione aumenta notevolmente in assenza di alcun -dispositivo di controllo (curva L), mentre aumenta notevolmente meno in presenza sia del dispositivo di controllo noto (curva M) sia del dispositivo di controllo 4 (curva N).
In pratica, utilizzando la pressione di sovralimentazione per il calcolo del gradiente massimo di crescita (DPMAX) della pressione di iniezione, si ottiene una notevole riduzione della fumosità allo scarico del motore 2, almeno nella parte finale del transitorio, senza peggiorare la rumorosità di combustione del motore 2 stesso.
Risulta infine chiaro che al metodo ed al dispositivo di controllo 4 qui descritti ed illustrati possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall'ambito protettivo della presente invenzione .

Claims (1)

  1. R IV E N D I CA Z IO N I 1 . Metodo di controllo della pressione di iniezione durante un transitorio di funzionamento di un motore (2) diesel sovralimentato, comprendente le fasi di: - generare, in ciascun ciclo motore, un valore di pressione di iniezione di riferimento (PMAP) in funzione di almeno un primo parametro operativo (N, Q) di detto motore (2), detto valore di pressione di iniezione di riferimento (PMAP) definendo un valore ottimale per la pressione di iniezione del motore (2) in regime di funzionamento stazionario; - generare, in ciascun ciclo motore, un valore di pressione di iniezione incrementale (DPMAX) in funzione di almeno un secondo parametro operativo (N, Ps) di detto motore (2), detto valore di pressione di iniezione incrementale (DPMAX) definendo la variazione massima ammissibile della pressione di iniezione durante detto transitorio di funzionamento del motore (2) tra un ciclo motore ed il successivo; - generare un valore di pressione di iniezione desiderata (P0) in ciascun ciclo motore in funzione di detto valore di pressione di iniezione di riferimento (PMAP) e di detto valore di pressione di iniezione incrementale (DPMAX), tale per cui la variazione della pressione di iniezione di detto motore (2) durante detto transitorio di funzionamento non superi detto valore massimo ammissibile; caratterizzato dal fatto che detto secondo parametro operativo è la pressione di sovralimentazione (Ps) di detto motore (2). -2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto valore di pressione di iniezione incrementale (DPMAX) è generato anche in funzione del numero di giri (N) di detto motore (2). 3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detta fase di generare un valore di pressione di iniezione desiderata (P0) per ciascun ciclo motore comprende le fasi di: - generare un valore di pressione di iniezione corretta (Pc) sommando detto valore di pressione di iniezione incrementale (DPMAX) ed un valore di pressione di iniezione operativa (Ρ0,±-ι); - generare detto valore di pressione di iniezione desiderata (P0) pari al minore tra detto valore di pressione di iniezione corretta (Pc) e detto valore di pressione di iniezione di riferimento (PMAP); memorizzare detto valore di pressione di iniezione desiderata (P0) in ciascun ciclo motore; detto valore di pressione di iniezione operativa (Ρο,ι-ι) essendo pari, in ciascun ciclo motore, al valore di pressione di iniezione desiderata (P0) memorizzato in un ciclo motore precedente. 4. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto primo parametro operativo è il numero di giri (N) di detto motore (2). 5. Metodo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detto valore di pressione di iniezione di riferimento (PMAP) è generato anche in funzione della quantità (Q) di combustibile alimentata a detto motore (2). 6. Dispositivo di controllo (4) della pressione di iniezione durante un transitorio di funzionamento di un motore (2) diesel sovralimentato, comprendente: - primi mezzi di elaborazione (6) riceventi in ingresso almeno un primo parametro operativo (N, Q) di detto motore (2) e generanti in uscita, in ciascun ciclo motore, un valore di pressione di iniezione di riferimento (PMAP) definente un valore ottimale per la pressione di iniezione del motore (2) in regime di funzionamento stazionario; - secondi mezzi di elaborazione (7) riceventi in ingresso almeno un secondo parametro operativo (N, Ps) di detto motore (2) e generanti in uscita, in ciascun ciclo motore, un valore di pressione di iniezione incrementale (DPMAX) definente la variazione massima ammissibile della pressione di iniezione durante detto transitorio di funzionamento di detto motore tra un ciclo motore ed il successivo; terzi mezzi di elaborazione (8) riceventi in ingresso detto valore di pressione di iniezione di riferimento (PMAP) e detto valore di pressione di iniezione incrementale (DPMAX) e generanti in uscita, in ciascun ciclo motore, un valore di pressione di iniezione desiderata (P0) in funzione di detto valore di pressione di iniezione di riferimento (PMAP) e di detto valore di pressione di iniezione incrementale (DPMAX) tale per cui la variazione della pressione di iniezione di detto motore (2) durante detto transitorio di funzionamento non superi detto valore massimo ammissibile; caratterizzato dal fatto che detto secondo parametro operativo è la pressione di sovralimentazione (Ps) di detto motore (2). 7. Dispositivo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detti secondi mezzi di elaborazione (7) ricevono in ingresso anche il numero di giri (N) di detto motore (2). 8. Dispositivo secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detti terzi mezzi di elaborazione (8) comprendono: - mezzi sommatori (9) riceventi in ingresso detto valore di pressione di iniezione incrementale (DPMAX) ed un valore di pressione di iniezione operativa (P0,i-i) e generanti in uscita un valore di pressione di iniezione corretta (Pc) pari alla somma di detto valore di pressione di iniezione incrementale (DPMAX) e di detto valore di pressione di iniezione operativa (P0ri-i); - mezzi discriminatori (10) riceventi in ingresso detto valore di pressione di iniezione corretta (Pc) e detto valore di pressione di iniezione di riferimento (PMAP) e generanti in uscita detto valore di pressione di iniezione desiderata (P0) pari al minore tra detto valore di pressione di iniezione corretta (Pc) e detto valore di pressione di iniezione di riferimento (PMAP); e mezzi di memorizzazione (12) riceventi in ingresso detto valore di pressione di iniezione desiderata (P0) ; detto valore di pressione di iniezione operativa (P0ri-i) essendo pari, in ciascun ciclo motore, al valore di pressione di iniezione desiderata (P0) memorizzato in un ciclo motore precedente. 9. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 6 a 8, caratterizzato dal fatto che detto primo parametro operativo è il numero di giri (N) di detto motore (2). 10. Dispositivo secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detti primi mezzi di elaborazione ricevono in ingresso anche la quantità (Q) di combustibile alimentata a detto motore (2}. 11. Metodo e dispositivo di controllo della pressione di iniezione durante un transitorio di funzionamento di un motore diesel sovralimentato, sostanzialmente come descritto con -riferimento ai disegni allegati.
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