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IT201800004431A1 - Dispositivo e metodo di controllo di un motore a combustione interna ad accensione comandata - Google Patents

Dispositivo e metodo di controllo di un motore a combustione interna ad accensione comandata Download PDF

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IT201800004431A1 IT102018000004431A IT201800004431A IT201800004431A1 IT 201800004431 A1 IT201800004431 A1 IT 201800004431A1 IT 102018000004431 A IT102018000004431 A IT 102018000004431A IT 201800004431 A IT201800004431 A IT 201800004431A IT 201800004431 A1 IT201800004431 A1 IT 201800004431A1
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Description

DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
“DISPOSITIVO E METODO DI CONTROLLO DI UN MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA AD ACCENSIONE COMANDATA”
Campo di applicazione dell’invenzione
La presente invenzione si riferisce al campo dei dispositivi e metodi di controllo di motori a combustione interna.
Stato della tecnica
I sistemi di controllo motore si sono sviluppati secondo l ́architettura denominata "Torque based" (in italiano, architettura in controllo di coppia).
Questo implica che:
- il motore è considerato un attuatore di coppia;
- il controllo elettronico (di seguito “controllo”) del motore riceve richieste di coppia dal veicolo, tra cui il guidatore, servomeccanismi, cambio, freni, etc...
- anche richieste di giri motore vengono tradotte internamente al controllo in coppia equivalente per poter raggiungere il regime di giri richiesto.
Il controllo del motore effettua un arbitraggio fra le varie richieste ricevute secondo alcuni criteri predeterminati e conseguentemente regola l’alimentazione del motore. Ad esempio secondo una scala di priorità oppure in base al valore di coppia o coppia equivalente richiesta. Nei motori ad accensione comandata il controllo regola la posizione farfalla sul collettore di aspirazione e di conseguenza la massa di combustibile da iniettare nel/nei cilindri secondo il rapporto stechiometrico.
Nei motori ad accensione per compressione il controllo regola l ́iniezione della massa di combustibile da iniettare nel/nei cilindri.
Il guidatore NON comanda direttamente l ́erogazione della coppia, ma fa una richiesta di erogazione di coppia al controllo e questo causa l’erogazione di coppia da parte del motore in base alle condizioni operative dello stesso e alle richieste di tutti gli altri dispositivi veicolari. Per un motore a combustione interna ad accensione comandata fale la seguente relazione:
Coppia = K*Massa_aria (1) dove K è un parametro che tiene conto di alcune costanti fisiche, tra cui le proprietà del combustibile, e tiene conto delle caratteristiche geometriche del motore a combustione interna, tra cui il rapporto di compressione, il numero di cilindri, il numero di tempi. ;Inoltre K tiene conto del rendimento volumetrico del motore che è funzione del punto di lavoro (quindi velocità di rotazione del motore e Coppia erogata). ;Pertanto per raggiungere una predeterminata coppia obiettivo “Coppia_Obj” è necessaria una massa di aria obiettivo “Massa_aria_Obj” secondo la stessa relazione (1): ;Coppia_Obj = K*Massa_aria_Obj (2) Per ottenere la Massa_aria_Obj, si deve regolare il flusso dell ́aria aspirata nel motore. Tale flusso viene tipicamente regolato attraverso l ́apertura di una valvola a farfalla elettrica, impostando un angolo obiettivo di apertura come funzione della massa di aria obiettivo Massa_aria_Obj, che a sua volta è funzione di detta coppia obiettivo Coppia_Obj.
In seguito a tale apertura, nella camera di combustione dei cilindri verrà intrappolata la Massa_aria_Obj.
La Coppia_Obj si realizza mediante la combustione del combustibile con tale Massa_aria_Obj.
Per garantire la stechiometria della combustione e dunque ottimizzare la combustione medesima e rispettare le normative sulle emissioni inquinanti, l ́iniezione della massa di combustibile va calcolata in base alla massa di aria effettiva aspirata dal motore, la Massa_aria_stim.
Per questo è necessario una misura della massa di aria precisa e affidabile.
Generalmente per questo scopo si usa un algoritmo denominato “speed-density” che calcola la massa di aria che entra nel motore a combustione interna dalla pressione e temperatura dell ́aria aspirata e dal rendimento volumetrico del motore a combustione interna corrispondente alla velocità di rotazione del motore a combustione interna stesso, nell’ipotesi che l’aria in ingresso al motore si comporti come un gas perfetto.
Tale algoritmo può essere esemplificato mediante la seguente relazione:
Massa_aria_stim = f(Press_aria_Mis, Temp_aria_Mis,
(3) Speed_Mis)
Dove Massa_aria_stim è la massa di aria stimata che entra nel motore a combustione interna, Press_aria_Mis e Temp_aria_Mis sono rispettivamente la pressione e la temperatura dell’aria misurata al collettore di aspirazione e Speed_Mis è la velocità di rotazione misurata dello stesso motore a combustione interna.
Lo schema di controllo di figura 1 dell’arte nota si basa sulla suddetta relazione (3).
Il segnale di massa aria stimata Massa_aria_stim è poi adoperato come segnale di riferimento per controllare l’angolo di apertura della valvola a farfalla, e di conseguenza l’iniezione di combustibile nei cilindri.
Preferibilmente, l’angolo di apertura della valvola a farfalla è controllato in retroazione sulla base di un errore tra detto un angolo obiettivo ed un angolo misurato di apertura della stessa valvola mediante un relativo sensore di angolo.
In condizioni transitorie la risposta del sensore di pressione dell ́aria è lenta, pertanto il calcolo della massa di aria che effettivamente sta entrando del motore restituisce valori alterati e non veritieri.
Ciò comporta un errore nel dosaggio del combustibile, con un comportamento non ottimale del motore a combustione interna durante i transitori.
Se non specificatamente escluso nella descrizione di dettaglio che segue, quanto descritto nel presente capitolo è da considerarsi come parte integrante della descrizione di dettaglio.
Sommario dell’invenzione
Scopo della presente invenzione è quello di migliorare il controllo del motore in transitorio.
Nell’ambito della stima della massa di aria misurata mediante l’algoritmo dello speed density, che è funzione della pressione dell’aria al collettore di aspirazione, l’idea di base della presente invenzione è quella di adoperare come segnale della pressione dell’aria al collettore di aspirazione la somma di:
- Un segnale di pressione effettivamente misurato al collettore di aspirazione e preventivamente filtrato passa basso,
- Un segnale di pressione stimato al collettore di aspirazione e preventivamente filtrato passa alto.
La stima di detto segnale di pressione è realizzata mediante un modello, che preferibilmente utilizza lo stesso algoritmo dello speed density, combinandolo con il segnale della Coppia obiettivo da erogare dal motore a combustione interna.
Dal momento che il presente metodo è eseguito in continuo le suddette pressioni misurata e stimata sono rappresentate da rispettivi segnali elettrici o numerici.
Il filtraggio passa alto e passa basso sono realizzati preferibilmente con una medesima frequenza di taglio, cosicché il controllo del motore appare continuo con un ottimale comportamento del motore a combustione interna. Infatti, il segnale della stima della pressione risulta perfettamente raccordato con il segnale misurato della pressione.
La presente invenzione, pertanto, riguarda un metodo di controllo di un motore a combustione interna ad accensione comandata, secondo quanto descritto sopra.
La presente invenzione riguarda anche una unità di elaborazione programmata per eseguire il suddetto metodo.
Inoltre, la presente invenzione riguarda un motore a combustione interna ad accensione comandata dotato della suddetta unità di elaborazione che ne controlla il funzionamento.
Inoltre, la presente invenzione riguarda un veicolo o una installazione fissa comprendente il suddetto motore a combustione interna.
Le rivendicazioni descrivono varianti preferite dell’invenzione, formando parte integrante della presente descrizione.
Breve descrizione delle figure
Ulteriori scopi e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione particolareggiata che segue di un esempio di realizzazione della stessa (e di sue varianti) e dai disegni annessi dati a puro titolo esplicativo e non limitativo, in cui:
nella figura 1 è mostrato uno schema di controllo secondo l’arte nota basato sull’algoritmo dello speed density;
nella figura 2 è mostrato il suddetto schema di controllo modificato secondo la presente invenzione;
nella figura 3 è mostrato in dettaglio una parte dello schema di controllo di figura 2;
nella figura 4 è mostrato un motore a combustione interna dotato di una unità di elaborazione programmata per eseguire lo schema di controllo della figura 2.
Gli stessi numeri e le stesse lettere di riferimento nelle figure identificano gli stessi elementi o componenti.
Nell’ambito della presente descrizione il termine “secondo” componente non implica la presenza di un “primo” componente. Tali termini sono infatti adoperati soltanto per chiarezza e non vanno intesi in modo limitativo.
Gli elementi e le caratteristiche illustrate nelle diverse forme di realizzazione preferite, inclusi i disegni, possono essere combinati tra loro senza peraltro uscire dall’ambito di protezione della presente domanda come descritta di seguito. Descrizione di dettaglio di esempi di realizzazione
Con riferimento alla figura 4, un motore a combustione interna ad accensione comandata E è dotato di iniettori J per iniettare combustibile in almeno un relativo cilindro 1 – 4, di un collettore di aspirazione IN sul quale è alloggiata una valvola a farfalla V, un sensore di temperatura T ed un sensore di pressione P.
L’ordine con cui sono disposti valvola a farfalla V, sensore di temperatura T, sensore di pressione P mostrati in figura 3 non è limitativo ed è dato a titolo di esempio.
Il motore è controllato da una unità di elaborazione ECU che comprende una memoria statica per memorizzare stabilmente istruzioni da eseguire.
L’unità di elaborazione ECU è collegata operativamente con detti sensori di temperatura e pressione per attuare un controllo continuo del motore a combustione interna, in particolare per controllare l’apertura della valvola a farfalla V e l’iniezione di combustibile mediante gli iniettori J.
Inoltre, un sensore di velocità del motore SP è disposto per misurare detta velocità ed è operativamente collegato con detta unità di elaborazione.
Generalmente si adopera una ruota fonica con 60 – 2 denti, ma altri sensori possono essere adoperati.
Secondo la presente invenzione, dalle precedenti relazioni (1) e (2) discende che
Pressione_aria_Obj = f(Massa_aria_Obj, Temp_aria_Mis,
(4) Speed_Mis)
Dove la Massa_aria_Obj è evidentemente funzione della coppia obiettivo Coppia_Obj, pertanto la relazione (4) rappresenta una equazione in un’unica incognita che è la Pressione_aria_Obj e può essere riscritta come segue:
Pressione_aria_Obj = f(Coppia_Obj, Temp_aria_Mis, Speed_Mis) (5) Il simbolo “f” come noto, indica una funzione matematica nota al tecnico del ramo abituato a trattare modelli di motori a combustione interna.
Tale segnale di pressione aria obiettivo Pressione_aria_Obj è calcolato secondo la relazione (4) o (5) mediante il blocco (5) di figura 3 che mostra in dettaglio il macro blocco CALC di figura 2.
Tale segnale di pressione aria obiettivo risulta essere inattendibile in regime stazionario.
Al contrario, il segnale di pressione misurato Press_aria_Mis, è inattendibile in transitorio, pertanto, tali segnali sono filtrati rispettivamente passa alto FPA e passa basso FPB e sommati generando un “segnale combinato” di pressione, che nelle figura 2 e 3 è indicato come Press_aria_comb.
La frequenza di taglio è preferibilmente la medesima per entrambi i filtraggi passa basso e passa alto.
Si ottiene pertanto un ottimale raccordo tra il segnale di pressione misurato e quello di pressione obiettivo, cioè calcolato con la relazione (4).
In una unità di elaborazione ECU che lavora a tempo discreto, si può implementare un FPB un filtraggio passa basso ad una predeterminata frequenza di taglio ed ottenere detto segnale di pressione combinato come:
Press_aria_comb = Pressione_aria_Obj – FPB(Pressione_aria_Obj)
FPB(Pressione_aria_Mis).
In altre parole viene sottratto a tutto il contenuto spettrale del segnale di pressione obiettivo, cioè calcolato secondo la relazione (4), il contenuto di bassa frequenza consentito dal filtro passa basso.
Preferibilmente, la frequenza di taglio è pari a 1/TT, dove TT è il tempo di ritardo del sensore di pressione. Tale ritardo dipende dalle caratteristiche costruttive del sensore.
Il segnale di massa aria stimata Massa_aria_comb è poi adoperato come segnale di riferimento per controllare l’iniezione di combustibile nei cilindri.
La presente invenzione può essere vantaggiosamente realizzata tramite un programma per computer che comprende mezzi di codifica per la realizzazione di uno o più passi del metodo, quando questo programma è eseguito su di un computer. Pertanto si intende che l’ambito di protezione si estende a detto programma per computer ed inoltre a mezzi leggibili da computer che comprendono un messaggio registrato, detti mezzi leggibili da computer comprendendo mezzi di codifica di programma per la realizzazione di uno o più passi del metodo, quando detto programma è eseguito su di un computer.
Sono possibili varianti realizzative all'esempio non limitativo descritto, senza per altro uscire dall’ambito di protezione della presente invenzione, comprendendo tutte le realizzazioni equivalenti per un tecnico del ramo, al contenuto delle rivendicazioni.
Dalla descrizione sopra riportata il tecnico del ramo è in grado di realizzare l’oggetto dell’invenzione senza introdurre ulteriori dettagli costruttivi.

Claims (12)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo di controllo di un motore a combustione interna (E) ad accensione comandata basato su un calcolo di una massa stimata (Massa_aria_stim) di aria in ingresso al motore a combustione interna, in cui detta massa stimata di aria è funzione di: - una temperatura aria misurata (Temp_aria_mis) di detta aria, - una velocità di rotazione misurata (Speed_Mis) di detto motore a combustione interna, - una pressione utile di detta aria, il metodo comprendendo un passo di stimare detta pressione utile (Press_aria_comb) di detta aria come somma di: - Una pressione misurata (Press_aria_Mis) di detta aria, preventivamente filtrata passa basso - Una pressione stimata (Pressione_aria_Obj) di detta aria preventivamente filtrata passa alto e calcolata come funzione di una coppia obiettivo (Coppia_Obj) richiesta al motore a combustione interna, detta temperatura aria misurata (Temp_aria_Mis), detta velocità di rotazione misurata (Speed_Mis).
  2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detto filtraggio passa basso e detto filtraggio passa alto presentano una medesima frequenza di taglio.
  3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 2, in cui detta frequenza di taglio è calcolata come il reciproco di un tempo di ritardo di un sensore di pressione (P) impiegato per misurare detta pressione misurata (Press_aria_Mis) di detta aria.
  4. 4. Metodo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti comprendente un passo di iniettare un combustibile in detto motore a combustione interna come funzione di detta massa di aria stimata (Massa_aria_stim).
  5. 5. Metodo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui un angolo obiettivo di apertura di una valvola a farfalla (V) di detto motore a combustione interna è calcolato come funzione di detta coppia obiettivo (Coppia_Obj) richiesta al motore a combustione interna.
  6. 6. Metodo secondo la rivendicazione 5, in cui detta funzione che esprime detto angolo obiettivo di apertura di detta valvola è funzione di una massa aria obiettivo (Massa_aria_Obj) a sua volta funzione di detta coppia obiettivo (Coppia_Obj).
  7. 7. Metodo secondo la rivendicazione 6, in cui detto angolo obiettivo di apertura è controllato in retroazione sulla base di un errore tra detto angolo obiettivo ed un angolo misurato di apertura di detta valvola a farfalla mediante un relativo sensore di angolo.
  8. 8. Metodo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui detta massa stimata (Massa_aria_stim) di aria in ingresso al motore a combustione interna è calcolata come funzione di: - detta temperatura misurata (Temp_aria_mis) di detta aria, - detta velocità di rotazione misurata (Speed_Mis) di detto motore a combustione interna, - detta pressione utile di detta aria, mediante un algoritmo di speed-density in sé noto.
  9. 9. Dispositivo di controllo (ECU) di un motore a combustione interna (E) ad accensione comandata, il motore a combustione interna (E) comprendendo - un collettore di aspirazione (IN) per condurre aria in ingresso al motore a combustione interna, sul collettore di aspirazione essendo alloggiati una valvola a farfalla (V), un sensore di pressione (P) ed un sensore di temperatura (T) atti a misurare rispettivamente una pressione misurata (Press_aria_Mis) ed una temperatura misurata (Temp_aria_mis) di detta aria, - un albero motore a cui è associato un sensore di velocità (SP) per misurare una velocità di rotazione misurata (Speed_Mis) di detto motore a combustione interna, Il dispositivo di controllo (ECU) comprendendo una unità di elaborazione collegata operativamente con detta valvola a farfalla (V), detto sensore di pressione (P), detto sensore di temperatura (T) e detto sensore di velocità (SP) e configurata per calcolare una massa stimata (Massa_aria_stim) di detta aria in ingresso al motore a combustione interna mediante un algoritmo di speed density, basato su: - una temperatura aria misurata (Temp_aria_mis) di detta aria, - una velocità di rotazione misurata (Speed_Mis) di detto motore a combustione interna, - una pressione utile di detta aria, in cui detta unità di elaborazione è ulteriormente configurata per stimare una pressione utile (Press_aria_comb) di detta aria come somma di: - Un primo segnale (Press_aria_Mis), generato da detto sensore di pressione (P), preventivamente filtrato passa basso - Un secondo segnale (Pressione_aria_Obj) di pressione stimata di detta aria, preventivamente filtrata passa alto, generato come funzione di: un terzo segnale (Coppia_Obj) di coppia obiettivo richiesta al motore a combustione interna, un quarto segnale (Temp_aria_Mis) di temperatura aria misurata, un quinto segnale (Speed_Mis) di velocità di rotazione misurata di detto motore a combustione interna.
  10. 10. Dispositivo secondo la rivendicazione 9, in cui detta unità di elaborazione è configurata per eseguire tutti i passi di una qualunque delle rivendicazioni da 2 a 8.
  11. 11. Motore a combustione interna ad accensione comandata, comprendente - un collettore di aspirazione (IN) per condurre aria in ingresso al motore a combustione interna, sul collettore di aspirazione essendo alloggiati una valvola a farfalla (V), un sensore di pressione (P) ed un sensore di temperatura (T) atti a misurare rispettivamente una pressione misurata (Press_aria_Mis) ed una temperatura misurata (Temp_aria_mis) di detta aria, - un albero motore a cui è associato un sensore di velocità (SP) per misurare una velocità di rotazione misurata (Speed_Mis) di detto motore a combustione interna, - un dispositivo di controllo (ECU) secondo quanto descritto nella rivendicazione 9 o 10.
  12. 12. Veicolo o installazione fissa comprendente il motore a combustione interna ad accensione comandata secondo la rivendicazione 11.
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