ITTO970652A1 - Dispositivo elettronico di controllo del rapporto aria/benzina della miscela alimentata ad un motore endotermico. - Google Patents
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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 a un dispositivo elettronico di controllo del rapporto aria/benzina della miscela alimentata ad un motore endotermico.
Sono noti dispositivi elettronici di controllo del rapporto aria/benzina in anello chiuso in cui un sensore di ossigeno di tipo ON/OFF, convenientemente realizzato da una sonda lambda, disposto nel collettore di scarico di un motore endotermico {in particolare un 'motore a benzina) genera un segnale di reazione bistabile il cui stato dipende dalla relazione esistente tra il rapporto Aria/benzina della miscela alimentata al motore ed il rapporto aria/benzina stechiometrico.
in particolare, le sonde lambda di tipo noto sono atte a generare una prima tensione di uscita, ad esempio compresa tra 450 e 900 mVolt, quando la miscela alimenta al motore presenta più benzina di quanto richiesto dal rapporto stechiometrico (stato ricco) ed una seconda tensione di uscita, ad esempio compresa tra 100 e 450 mVolt, quando la miscela alimentata al motore presenta meno benzina di quanto richiesto dal rapporto stechiometrico (stato magro). I dispositivi di controllo di tipo noto sono atti ad alimentare il segnale di reazione ad un circuito di elaborazione, in particolare un circuito proporzionale integrale P.I., il quale genera in uscita un parametro di correzione K02 che viene utilizzato per modificare, in anello chiuso, il valore di un parametro calcolato in anello aperto e rappresentativo di una quantità di benzina da iniettare. I dispositivi di controllo del rapporto noti realizzano, grazie alla controreazione del segnale generato dalla sonda lambda, l'oscillazione del rapporto aria benzina effettivamente alimentato al motore attorno al valore stechiometrico; tale oscillazione avviene entro un intervallo prefissato delimitato da limiti superiori ed inferiori e permette il corretto funzionamento del convertitore catalitico disposto lungo il condotto di scarico a monte della sonda lambda.
Sono inoltre note sensori lineari di ossigeno, ad esempio le cosiddette sonde UEGO (Universal Gas Exhaust, Oxygen sensori, atti a generare in uscita un segnale proporzionale alla concentrazione di ossigeno presente nei gas di scarico.
Scopo della presente invenzione è quello di realizzare un dispositivo elettronico di controllo del rapporto in anello chiuso il quale utilizzi, per la generazione di un segnale di reazione, il segnale prodotto da una sonda lineare di ossigeno e contemporaneamente possa operare con un convertitore catalitico normalmente utilizzato in combinazione con dispositivi elettronici di controllo del rapporto aria/benzina utilizzanti sonde di ossigeno di tipo ON/OFF.
Secondo la presente invenzione viene realizzato un dispositivo elettronico di controllo del rapporto aria/benzina della miscela alimentata ad un motore endotermico del tipo descritto nella rivendicazione 1.
La presente invenzione è, inoltre, relativa ad un metodo di controllo del rapporto aria/benzina della miscela alimentata ad un motore endotermico del tipo descritto nella rivendicazione 7.
L'invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:
la figura 1 illustra in modo schematico un dispositivo elettronico di controllo del rapporto aria/benzina della miscela alimentata ad un motore endotermico realizzato secondo i dettami della presente invenzione;
la figura 2 illustra un diagramma cartesiano di una caratteristica di un elemento costituente il dispositivo di figura 1; e
- la figura 3 rappresenta l'andamento nel tempo di una grandézza controllata dal dispositivo di figura 1.
Nella figura 1 è indicato con 1, nel suo insieme, un dispositivo elettronico di controllo del rapporto aria/benzina della miscela alimentata ad un motore endotermico 2, in particolare un motore a benzina (rappresentato schematicamente).
Il; motore 2 presenta un collettore di scarico 4 comunicante con un condotto 5 per lo scarico dei gas esausti lungo il quale sono disposti un precatalizzatore 7 ed un convertitore catalitico 8. Il motore endotermico 2 è provvisto di un impianto di iniezione carburante 10 (di tipo noto e rappresentato schematicamente) e di un impianto di accensione 11 (di tipo noto e rappresentato schematicamente) controllati da una centralina elettronica 15 ài controllo motore (rappresentata schematicamente) ricevente in ingresso segnali di informazione P misurati nel motore (ad esempio^ numero giri, pressione nel collettore di aspirazione 17 del motore e/o portata aria, temperatura liquido' di raffreddamento del motore, posizione valvola a farfalla, ecc...) unitamente a segnali di informazione esterni al motore (ad esempio posizione pedale acceleratore, segnali di informazioni provenienti dal gruppo cambio del veicolo, ecc...).
Secondo . la presente invenzione la centralina elettronica 15 coopera, tra l'altro, con un sensore lineare di ossigeno 20 disposto sul condotto di scarico 5 tra il collettore di scarico 4 ed il precatalizzatore 7 a monte del convertitore catalitico 8. Il sensore lineare di ossigeno 20, convenientemente realizzato da una sonda UEGO, è atto a generare in uscita un segnale (tensione Vu o corrente Iu) proporzionale alla concentrazione di ossigeno nei gas di scarico; il segnale (Vu o Iu) viene alimentato ad un circuito di conversione 22 nel quale tale segnale viene trasformato in un valore del rapporto Aria/Benzina della miscela alimentata al motore 2 mediante una caratteristica C (figura 2). Il valore del rapporto aria/benzina A/F viene' inoltre diviso per il valore del rapporto Aria/benzina stechiometrico (14,57) in modo tale che il circuito, di conversione 22 genera in uscita un parametro λιη (rappresentativo del rapporto misurato) definito come:
dove (A/F)mis rappresenta il valore del rapporto aria benzina misurato dal sensore 20 e ricavato attraverso la caratteristica C e (A/F)stech rappresenta il valore del rapporto aria/bènzina stechiometrico pari a 14,57. In particolare, se il valore del parametro λm supera l'unità (λm > 1) il rapporto aria/benzina è superiore al rapporto stechiometrico, cioè è presente una quantità insufficiente di benzina (stato magro) mentre se il valore del parametro λm è inferiore all'unità (λm < 1) il rapporto aria/benzina è inferiore al rapporto stechiometrico, cioè è presente una quantità eccessiva di benzina (stato ricco).
Il circuito dl· conversione 22 comunica in uscita con l'ingresso di un convertitore analogico/digitale 24 comunicante in uscita con un ingresso sottrattore 26a di un nodo 26 al quale viene fornito il valore digitalizzato del parametro λιη misurato. Il nodo 26 presenta inoltre un ingresso sommatore 26b al quale viene alimentato il valore (digitalizzato) di un parametro obiettivo λο (rappresentativo di un rapporto aria/benzina obiettivo che si desidera raggiungere) definito come:
dove (A/F)obiett rappresenta un valore obiettivo del rapporto aria benzina che si desidera raggiungere e (A/F)stech rappresenta il valore del rapporto aria/benzina stechiometrico pari a 14,57. Il paramento λο è generato in uscita da un circuito di calcolo 27, convenientemente realizzato da una tabella elettronica, il quale seleziona un valore memorizzato del parametro λο in base ad una pluralità di parametri di ingresso misurati nel motore 2, ad esempio velocità di rotazione (rpm) del motore, valore del carico (load) applicato al motore, ecc.. Il nodo sommatore 26 genera pertanto in uscita un errore ε dato dalla differenza Δλ tra il valore misurato λm del rapporto aria/benzina normalizzato ed il·valore desiderato λο del rapporto aria/benzina normalizzato, cioè Δλ = { λο -λm ).
L'uscita 26u del nodo 26 comunica direttamente con un primo ingresso 28a di un dispositivo selettore 28 presentante un secondo ingresso 28b ed una uscita comune 28u comunicante con l'ingresso di un circuito di elaborazione 36, in particolare un circuito proporzionale integrale P.I. presentante un'uscita 36u sulla quale è presente, in uso, un parametro di correzione K02.
I primi ed i secondi ingressi 28a, 28b sono atti a comunicare alternativamente con l'uscita 28u in base al valore di un segnale di controllo SEL alimentato al dispositivo selettore 28 da un dispositivo di controllo 30. In particolare, il dispositivo di controllo 30 riceve in ingresso i valori dei parametri λο e k ed è atto a generare un. comando SEL per realizzare il collegamento tra l'ingresso 28b e l'uscita 28u quando sono soddisfatte entrambe le seguenti diseguaglianze:
dove S1, S2, S3 e S4 sono valori di soglia precedentemente impostati e memorizzati nel dispositivo 30. Il dispositivo di controllo 30 è altresì atto a generare un comando SEL per realizzare il collegamento tra l'ingresso 28a e l'uscita 28u quando almeno una delle diseguaglianze sopra dette non è soddisfatta.
L'uscita. 26u del nodo 26 comunica con l'ingresso di un circuito saturatore 32 presentante una uscita 32u comunicante con l'ingresso 28b del dispositivo selettore 28.·
II circuito saturatore 32 è atto a fornire, per valori positivi di segnale di ingresso, un valore di saturazione positivo costante PI e per valori negativi di segnale di ingresso, un valore di saturazione negativo costante -PI. I valori di saturazione PI e -PI generati dal circuito 32, inoltre, modellizzano il segnale di uscita di tipo bistabile generato da un sensore di ossigeno (sonda lambda) di tipo ON/OFF che come è noto genera in uscita un primo valore di tensione quando il rapporto Aria/benzina supera il valore stechiometrico ed un secondo valore di tensione quando il rapporto Aria/benzina è inferiore al valore stechiometrico .
Là- centralina elettronica 15 comprende inoltre un circuito di calcolo 40 (convenientemente realizzato da una tabella elettronica) il quale riceve in ingresso almeno parte dei segnali di informazione P e genera in uscita, in risposta agli ingressi ed in modo del tutto noto, un valore teorico Qbt della quantità di benzina che l'impianto di iniezione 10 dovrebbe iniettare al fine di ottenere un funzionamento ottimale e del motore .2. Il valore teorico Qbt della quantità di benzina da iniettare viene alimentato ad un circuito di correzione 42 il quale è atto a modificare tale valore teorico calcolato in anello chiuso ed base a segnali di informazione misurati principalmente nel motore 2; la correzione operata sul valore teorico Qbt può essere effettuata (in modo noto) in base ad una pluralità di parametri che tengono conto, ad esempio, del segnale di reazione prodotto dalla sonda UEGO 20, della variazione dinamica dello stato di carburante depositato sulle pareti del collettore (effetto film fluido), della tensione della batteria (non rappresentata) del veicolo, ecc. Nella descrizione che segue si farà riferimento, per semplicità, ad una correzione operata solamente in funzione del segnale di retroazione della sonda UEGO 20 restando comunque chiaro che la correzione operata dal circuito 42 è normalmente molto più complessa. Secondo l'esempio di realizzazione rappresentato il parametro di correzione K02 presente alla uscita 36u del circuito 36 viene alimentato al circuito di correzione 42 dove tale parametro viene utilizzato per il calcolo di un valore corretto Qbeff della quantità di benzina da iniettare moltiplicando il valore teorico Qbt per il parametro di correzione K02, cioè:
Il valore corretto Qbeff viene inoltre alimentato all'impianto di iniezione 10 per alimentare fisicamente al motore 2 la quantità di benzina Qbeff.
In uso, il valore teorico Qbt calcolato dal circuito 40 viene alimentato al circuito 42 che opera la correzione del valore Qbt in modo noto ed in base al parametro di correzione K02 generando il valore corretto Qbeff alimentato all'impianto di accensione 11.
Secondo la presente invenzione il calcolo del parametro di correzione K02 è effettuato secondo due strategie, dette rispettivamente strategia oscillante e strategia ad errore nullo, alternativamente implementate. La strategia oscillante è implementata quando sono soddisfatte le diseguaglianze:
cioè quando il paramento obiettivo richiesto λο è compreso in un intervallo delimitato da due valori limite (S1 , S2) e l'errore Δλ è compreso in un intervallo delimitato da due valori limite (S3 , S4) . In altre parole, la strategia oscillante è implementata quando il parametro obiettivo λο è sostanzialmente stechiometrico e l'errore Δλ non è troppo grande (cioè il parametro misurato λπι non si discosta in modo sostanziale dal parametro obiettivo richiesto λο). Secondo tale strategia l'errore Δλ viene alimentato aicircuito 32 che modellizza il segnale di uscita bistabile di una sonda lambda, cioè al parametro λm direttamente proporzionale al rapporto aria/benzina misurato nel condotto 5 viene sostituito un valore bistabile fittizio (PI,-PI) simulando di fatto il funzionamento di una sonda lambda normalmente utilizzata in combinazione al convertitore catalitico 8. Infatti quando l'errore Δλ è maggiore di zero viene generato il valore di saturazione positivo PI e quando l'errore Δλ è minore di zero viene generato il valore di saturazione negativo -PI.
Il segnale presente all'uscita 32u del circuito 32, equiparabile come detto precedentemente al segnale bistabile generato da una sonda lambda di tipo ON/OFF, viene alimentato al circuito 36 attraverso il dispositivo selettore 28 ed è quindi moltiplicato per un termine proporzionale Kp ed integrato secondo una costante di integrazione Ki generando (in modo sostanzialmente noto e pertanto non descritto in dettaglio) all'uscita del circuito 36 il parametro di correzione K02 utilizzato in modo noto per la correzione del valore teorico Qb di quantità di benzina. La strategia di controllo oscillante sopra descritta forza delle oscillazioni del rapporto aria/benzina come misurato allo scarico (figura 3) aventi frequenza ed ampiezza tali da massimizzare l'efficienza del catalizzatore 8.
La strategia ad errore nullo è implementata quando non sono soddisfatte le diseguaglianze:
cioè quando i paramento obiettivo richiesto λο non è stechiometrico e/o l'errore Δλ fuoriesce dall'intervallo delimitato dai valori limite {S3 , S4) . In particolare, la strategia ad errore nullo è implementata quando l'errore Δλ è troppo grande (cioè il parametro misurato λm. si discosta in modo sostanziale dal parametro obiettivo λο). Secondo tale strategia l'errore Δλ viene alimentato direttamente al circuito 36 attraverso il dispositivo selettore 28 (senza l'interposizione del circuito 32) e viene moltiplicato, per un termine proporzionale Kp ed integrato secondo una costante di integrazione Ki generando all'uscita del circuito il parametro di correzione K02 che cresce rapidamente con il crescere dell'errore Δλ. Il parametro ·di correzione K02 generato dal circuito 36 viene utilizzato per la correzione del valore teorico Qb di quantità di benzina. L'azione di controllo della strategia ad errore nullo tende ad annullare l'errore istantaneo tra il parametro obiettivo λο ed il parametro λπιmisurato; tale controllo realizza un avvicinamento senza oscillazioni del rapporto aria/benzina misurato allo scarico verso il rapporto aria/benzina obiettivo.
Le, transizioni di una modalità di controllo all'altra sono gestite allo scopo di garantire un adeguamento del rapporto obiettivo richiesto che non produca variazioni apprezzabili di coppia.
Risulta infine chiaro che modifiche e varianti possono essere apportate al dispositivo descritto senza peraltro uscire dall'ambito protettivo della presente invenzione .
Il dispositivo 1, ad esempio, potrebbe inoltre comprendere un sensore ausiliario di ossigeno 50 (sonda lambda) disposto sul condotto di scarico 5 a valle del convertitore catalitico 8 ed atto a generare un segnale bistabile VI che dopo essere stato elaborato da un circuito 52 di conversione e filtraggio (di tipo noto) viene digitalizzato da un circuito convertitore Analogico/digitale 54 ed alimentato ad un circuito di elaborazione 56. Il circuito di elaborazione 56 può essere convenientemente realizzato da un circuito proporzionale, integrale P.I. atto a generare in uscita un segnale di correzione alimentato ad un ulteriore ingresso sommatore del nodo 26. La sonda lambda 50 realizza un ulteriore anello di controllo, esterno all'anello di controllo comprendente il sensore lineare 20, che permette di migliorare il controllo totale del rapporto recuperando eventuali derive introdotte dal controllo comprendente il sensore lineare 20.
Il blocco 32, inoltre, potrebbe essere diviso in un primo ed un secondo blocco; il primo ed il secondo blocco ricevendo in ingresso, ciascuno, il segnale di errore proveniente dall'uscita 26u e generando in uscita primi e secondi segnali alimentati al circuito proporzionale integrale 36 che applica detto primo segnale il termine proporzionale Kp ed al secondo segnale la trasformazione integrale contraddistinta dal termine integrale Ki per generare in uscita il parametro di correzione K02. Il primo ed il secondo blocco realizzano funzioni di trasferimento tra di loro simili del tipo della funzione di trasferimento realizzata dal circuito saturatore 32.
Claims (1)
- R I V E N D I C A Z I O N I 1.- Dispositivo elettronico di controllo del rapporto aria/benzina della miscela alimentata ad un motore endotermico (2) caratterizzato dal fatto di comprendere : - mezzi sensori .lineari di ossigeno {20) disposti lungo un condotto di scarico gas (5) del detto motore (2) a monte di un convertitore catalitico (8) disposto lungo il condotto (5) stesso; - mezzi convertitori (22,24) riceventi il segnale generato dai detti mezzi sensori lineari di ossigeno (20) ed atti a generare in uscita un parametro misurato (λm) rappresentativo del rapporto aria/benzina della miscela alimentata al detto motore (2); - mezzi di impostazione (27) riceventi segnali di informazione misurati almeno parzialmente nel detto motore e generanti in uscita un parametro obiettivo (λο) rappresentativo di un rapporto aria/benzina desiderato; mezzi di confronto (26) riceventi detto parametro misurato (λm) e detto parametro obiettivo (λο) ed atti a generare in uscita un parametro di errore correlato alla differenza tra detto parametro misurato (λm) e detto parametro obiettivo (λο); - mezzi simulatori di sonda bistabile (32) atti a ricevere in ingresso detto parametro di errore ed atti a generare alternativamente in uscita, in base al detto ingresso, un segnale fittizio comprendente un valore di saturazione positivo {PI) ed un valore di saturazione negativo (—PI) che modellizzano l'uscita di tipo bistabile di un sensore di ossigeno di tipo ON/OFF; mezzi di elaborazione (36) comunicanti in ingresso con l'uscita dei detti mezzi simulatori di sonda bistabile (32) ed atti a calcolare, in base al detto segnale fittizio, un parametro di correzione (K02) atto ad essere applicato ad un valore teorico (Qb) di una quantità di benzina calcolata (40) per ottenere' una quantità di benzina corretta (Qbt) per un impianto di iniezione carburante (10) del detto motore (2). 2.- Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi selettori bistabili (28) atti ad alternativamente attivare, in base alla posizione assunta, una prima o una seconda modalità di funzionamento; secondo detta prima modalità di funzionamento detto parametro di errore essendo alimentato ai mezzi simulatori di sonda bistabile (32) comunicanti in uscita con detti mezzi di elaborazione (36) per realizzare un parametro di correzione atto a forzare delle oscillazioni del rapporto arià/benzina misurato allo scarico aventi frequenza ed ampiezza tali da massimizzare l'efficienza del detto catalizzatore (8); secondo detta seconda modalità di funzionamento detto parametro di errore essendo alimentato direttamente ai detti mezzi di elaborazione (36) per realizzare un parametro di correzione (K02) atto ad essere applicato ad un valore teorico (Qb) di una quantità di benzina calcolata (40) per ottenere una quantità di benzina corretta (Qbt) per detto impianto di iniezione (10) del detto motore (2). 3.- Dispositivo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti mezzi selettori (28) attivano detta prima modalità di funzionamento qualora siano soddisfatte entrambe le seguenti diseguaglianze:dove λο... e Xm rappresentano rispettivamente detto parametro obiettivo e detto paramento misurato e S1, S2, S3 e S4 sono valori di soglia; detti mezzi selettori (28)- attivando la detta seconda modalità di funzionamento qualora dette diseguaglianze non siano soddisfatte. 4.- Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi -di elaborazione (34) comprendono un circuito proporzionale integrale. 5.- Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi convertitori (22) realizzano una caratteristica (C) atta a trasformare il segnale (Vu) di uscita dei detti mezzi sensori lineari di ossigeno (20) in detto parametro misurato rappresentativo di un valore di rapporto Aria/Benzina normalizzato rispetto ad un valore stechiometrico del rapporto Aria/Benzina. 6.— Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi sensori ausiliari di ossigeno (50) disposti sul condotto di scarico (5) a valle del detto convertitore catalitico (8) ed atti a generare un segnale sostanzialmente bistabile (VI) alimentato a ulteriori mezzi di elaborazione (52, 54, 56) generanti in uscita un segnale di correzione alimentato ad un ulteriore ingresso di detti mezzi di confronto (26). 7.- Metodo di controllo del rapporto aria/benzina della miscela alimenta ad un motore endotermico (2) caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi di: rilevare mediante mezzi sensori lineari di ossigeno (20) disposti lungo un condotto di scarico gas (5) del detto motore (2) a monte di un convertitore catalitico (8) disposto lungo il condotto (5) stesso un segnale rappresentativo della composizione stechiometrica dei gas di scarico; - convertire (22, 24) detto segnale rappresentativo della composizione stechiometrica in un parametro misurato (λm) rappresentativo del rapporto aria/benzina della miscela alimentata al detto motore (2); calcolare un parametro obiettivo (λο) rappresentativo di un rapporto aria/benzina desiderato; - confrontare (26) detto parametro misurato (Arni) con detto parametro obiettivo (λο) calcolando un parametro di errore; - generare, in base al valore del detto parametro di errore, un segnale fittizio comprendente un valore di saturazione positivo (PI) ed un valore di saturazione negativo (-P1) che modellizzano l'uscita di tipo bistabile di un sensore di ossigeno di tipo ON/OFF; elaborare (36) detto segnale fittizio per calcolare un parametro di correzione (K02) atto ad essere applicato ad un valore teorico (Qb) di una quantità di benzina calcolata (40) per ottenere una quantità di benzina corretta (Qbt) per un impianto di iniezione carburante (10) del detto motore (2). 8.- Metodo secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto di comprèndere una fase di selezione di una prima e di una seconda modalità di funzionaménto alternative tra di loro; detta prima modalità di funzionamento comprendendo la detta fase di generare, in base al detto parametro di errore, detto segnale fittizio utilizzato per calcolare detto parametro di correzione atto a forzare delle oscillazioni del rapporto aria/benzina misurato allo scarico aventi frequenza ed ampiezza tali da massimizzare l'efficienza del detto catalizzatore (8); detta seconda modalità di funzionamento comprendendo la fase di calcolare direttamente in base al detto parametro di errore un parametro di correzione (K02) atto ad essere applicato ad un valore teorico (Qb) di una quantità di benzina calcolata (40) per ottenére una quantità di benzina corretta (Qbt) per un impianto di iniezione (10) del detto motore (2). 9.- Metodo secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che la selezione di detta prima ' modalità di funzionamento è operata qualora vengano soddisfatte le seguenti diseguaglianze:dove λο e λπι rappresentano rispettivamente detto parametro obiettivo e detto paramento misurato e S1, S2, S3 e S4 sono valori di soglia; detta seconda modalità di funzionamento essendo altrimenti implementata. 10.- Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 7 a 9, caratterizzato dal fatto di comprendere una fase ausiliaria di misura in cui viene monitorata la percentuale di ossigeno (50) dei gas fuoriuscenti dal convertitore catalitico (8) mediante una sonda lambda generando un segnale sostanzialmente bistabile (VI); detto metodo comprendendo inoltre la fase di elaborare (52, 54, 56) detto segnale sostanzialmente bistabile (VI) per generare un segnale di correzione ulteriore utilizzato in detta fase di confronto. 11.- Dispositivo elettronico di controllo del rapporto aria/benzina della miscela alimentata ad un motore endotermico (2) e metodo di controllo del rapporto aria/benzina della miscela alimentata ad.un motore endotermico, sostanzialmente come descritti ed illustrati con riferimento ai disegni allegati.
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