Sistemi di Controllo Veicolo Sistemi di Gestione del Motore

Sistemi di Controllo del Motore

Sistemi di Controllo Veicolo Sistemi di Gestione del Motore

Rapporto aria-combustibile (lambda)

La miscelazione del combustibile con l’aria viene fatta al di fuori del cilindro nella giusta proporzione pronta per essere accesa per mezzo della scintilla. Indichiamo con math= 0Vd la quantità di aria che occupa il volume Vd alla pressione normale p0=1,013 bar e densità 0=1.29 kg/m3. Indichiamo inoltre con

a il rapporto tra la quantità reale di aria e quella teorica:

thmamaa =λ

Analogamente per il carburante possiamo definire:

thmfmff =λ

faλλ

λ =

Definiamo quindi il rapporto “lambda” tra aria e combustibile come:

Sistemi di Controllo Veicolo Sistemi di Gestione del Motore

Emissioni

Il processo di accensione del carburante dipende principalmente dalla pressione, dalla temperatura e dal rapporto di miscela . Tra queste cause il rapporto è quello che maggiormente influenza l’emissione di sostanze inquinanti come l’ossido di carbonio (CO), gli idrocarburi (HC) e gli ossidi d’azoto (NOx).

In particolare, per determinare quale

sia l’ effettivo rapporto (per >1)

si può rilevare la concentrazione

dell’ossigeno (O2) dei gas di scarico

usando un “sensore lambda”.

Sistemi di Controllo Veicolo Sistemi di Gestione del Motore

Compensazione dell’umidità (Wall Wetting) (1)

Sulle pareti del condotto di aspirazione si può formare dell’umidità dovuta a depositi di carburante. Questo fenomeno (chiamato Wall Wetting) influisce sul rapporto . La variazione della massa di carburante mW depositata sulle paretidel condotto di aspirazione dipende dalla quantità di carburante mD che si deposita e dalla quantità mE che evapora. Tale variazione è data da:

EDW mmdtdm �� −=

Il carburante iniettato nel condotto di aspirazione mf,in si divide nella quantitàche transita verso il cilindro mf,dir e in quella che si deposita mD.

dove c è detto “tasso di deposito”.

infinfdirfDinf mcmcmmm ,,,, )1( ����� ⋅−+⋅=+=

Si suppone che il flusso di carburante che evapora sia proporzionale alla massa di carburante mW :

1E Wm m

T=�

Sistemi di Controllo Veicolo Sistemi di Gestione del Motore

Compensazione dell’umidità (Wall Wetting) (2)

Attraverso alcuni semplici passaggi e applicando la trasformata di Laplace si ottiene la funzione di trasferimento che lega il flusso di carburante entrante nel collettore a quello iniettato nel cilindro:

,

,

1 (1 ) (1 )1 1

f out

f in

M c Ts ccM Ts Ts

+ −= = − +

+ +

��

La risposta al gradino di questa funzione consiste in una parte proporzionale (1-c) e in una dinamica del primo ordine con guadagno c e costante di tempo T. Per compensare il fenomeno del Wall Wetting è dunque sufficiente “invertire”tale funzione di trasferimento ed utilizzarla per “pre-elaborare” la massa di carburante richiesta nel cilindro (rete anticipatrice):

I parametri c e T dipendono dal punto di lavoro. Vengono determinati sperimentalmente facendoli variare finché la deviazione di non è minima.

TscTs

)1(11−++

Sistemi di Controllo Veicolo Sistemi di Controllo del Motore

Controllo lambda (1)

Il livello delle emissioni dipende molto da quanto accuratamente il rapporto viene mantenuto prossimo ad 1. Quando =1 le emissioni di HC, CO e NOxsono relativamente basse. Il sistema ha una elevata sensibilità: anche una piccola differenza =0,1% dal valore unitario porta a raddoppiare le emissioni. Si inserisce allora un controllo a circuito chiuso (controllo lambda) per garantire uno spostamento inferiore allo 0,1%. Sulle variazioni di velocità, per piccoli periodi di transizione, sono concessi spostamenti anche del 2-3%

Nel catalizzazione avvengono importanti reazioni chimiche che abbassano la concentrazione degli agenti inquinanti: l’ossido di carbonio (CO) e gli idrocarburi (HC) vengono “ossidati”; gli ossidi d’azoto (NOx) vengono “ridotti”. Il catalizzatore lavora correttamente se la sua temperatura supera i 300o C.

Sistemi di Controllo Veicolo Sistemi di Controllo del Motore

Controllo lambda (2)

Il sensore lambda rileva la concentrazione di ossigeno (O2) presente nei gas di scarico.

Un tipico sensore è il Sensore al Diossido di Zirconio. Sfrutta una relazione tra la pressione dell’ossigeno e la tensione elettrolitica tra gli elettrodi. L’elettrodo esterno è coperto di platino e i gas di scarico vi fluiscono attorno. L’elettrodo interno è a contatto con l’aria ambiente. A causa della diversa pressione sugli elettrodi si genera una differenza di potenziale U .

scarico

ambientesensore Op

OpkTU

)()(

ln2

2=λ

Sistemi di Controllo Veicolo Sistemi di Controllo del Motore

Controllo lambda (3)

La curva a gradino che si ottiene fornisce una relazione tra il coefficiente λe la tensione della sonda che viene rilevatadalla centralina elettronica.Tipici valori della sonda al Diossido di Zirconio sono:

Uλ(grassa)= 800 - 1000 mVUλ(magra)= 50 - 200 mV

Centralinaelettronica

Sonda

Il tempo di risposta della sonda varia dai 15 al 30 ms.

Sistemi di Controllo Veicolo Sistemi di Controllo del Motore

Controllo lambda (4)

La curva caratteristica della sonda lambda che lega la tensione di uscita U al rapporto è non lineare e varia nel tempo. E’ necessario quindi selezionare la sola parte centrale (più stabile) utilizzando il fattore di sensibilità KL.

Il circuito di controllo ad anello chiuso comprende un elemento non lineare N( g) introdotto dalla sonda, un regolatore PI e un ritardo Td,e che rappresenta il tempo tra l’inizio della combustione e la rilevazione della sonda.

La funzione di trasferimento ad anello aperto è:

sT

Cig

edeKsT

NsG ,11)()( −⋅∆= λ

dove il fattore KC-1 rappresenta il guadagno statico tra la variabile di

controllo ed il rapporto .

Caratteristica invertitae saturata

Sistemi di Controllo Veicolo Sistemi di Controllo del Motore

Controllo lambda (5)

Il limite di stabilità del sistema ad anello chiuso si ha per G(j )=-1. Il criterio di stabilità dell’anello di controllo è dato da |Re{G(j g)}|<1.

edC

gi TK

NT ,12)( ⋅⋅∆>

πλ

L’anello di controllo reagisce in modo relativamente lento alle transizioni tra i punti di lavoro. Se queste transizioni sono lunghe il catalizzatore non riesce a ridurre le emissioni nocive ed infatti per repentini cambiamenti di velocità, si riscontrano picchi di inquinanti.

Il parametro Ti va perciò dimensionato in modo tale che:

Sistemi di Controllo Veicolo Sistemi di Controllo del Motore

Controllo lambda (6)

Per ovviare alla lentezza del controllo lambda nelle fasi transitoriesi usano tecniche in feed-forward..

•Adeguamento in feed-forward per mezzo di una mappa di controllo. Il ciclo di controllo lambda compensa gli errori del rapporto di miscela con un fattore di correzione moltiplicativoF che viene registrato in una mappa di controllo per tutti i punti di lavoro del motore. Invece di eseguire il ciclo si può utilizzare direttamente il valore di F contenuto nella mappa senza ritardi.

•Problema: alcuni punti di lavoro sono definiti in modo approssimato a causa di conducenti con diverse abitudini di guida. Necessità di modelli più generali.

Contollo “lambda” in due condizioni operative diverse (si noti la presenza del ciclo limite):

Nei transitori si ha un significativo aumento delle emissioni inquinanti.

Sistemi di Controllo Veicolo Sistemi di Controllo del Motore

Controllo lambda (6)

Compensazione globalmente valida. Gli errori sono di tipo additivo (significativi per bassi regimi, trascurabili per medio-alti regimi) e di tipo moltiplicativo (ugualmente sentiti in tutti i punti di lavoro). Questo modello semplificato è comprovato dall’esperienza pratica. Gli errori additivi e moltiplicativi si possono compensare individuando la variazione di flusso d’aria corretta (bassi regimi) e un fattore di correzione FHi (medio-alti regimi) che verranno memorizzati in una memoria permanente ed utilizzati per mantenere la caratteristica lambda costante.

Vengono inoltre utilizzate tecniche di adattamento “in linea ” dei parametri del controllore. Esempio:

Sistemi di Controllo Veicolo Sistemi di Controllo del Motore

Controllo del Battito in Testa (1)

Durante il ciclo di combustione può succedere che una porzione di miscela siautoinfiammi prima di essere raggiunta dal fronte di fiamma proveniente dallascintilla. Questo può essere causato da temperature troppo alte, da crescite di pressione ed anche da una cattiva qualità del carburante. Esso genera quasi sempre un rumore metallico (battito) caratteristico accompagnato da una forte ruvidità di funzionamento del motore e da una perdita di potenza.

L’autoaccensione accade solitamente in punti, all’interno della camera di combustione, distanti dalla candela. Allora si generano due fronti di fiamma con direzioni opposte.

Sistemi di Controllo Veicolo Sistemi di Controllo del Motore

Controllo del Battito in Testa (2)

Quando i due fronti entrano in collisione provocano dei picchi di pressione che dipendono dalla geometria della camera di combustione e che generano il battito. Questi alti gradienti di pressione possono causare gravi danni al motore ed in alcuni casi possono anche distruggerlo in una frazione di minuto.

Pistone danneggiato

Tecniche per ridurre questo pericolo sono:

• Studiare una geometria appropriata della camera di combustione in modo da evitare che si formino zone a temperatura più elevata.• Porre la candela in una zona centrale per minimizzare la distanza percorsa dalla fiamma.• Aumentare le turbolenze per accelerare la propagazione della fiamma.

Sistemi di Controllo Veicolo Sistemi di Controllo del Motore

Controllo del Battito in Testa (3)

Il fenomeno va rilevato e corretto prima che si torni a verificare. Utilizzo di sensori.

• Sensore della pressione di combustione.Vantaggi: rilevamento di tutte le oscillazioni. Svantaggi: alti costi e difficoltà di alloggiare un sensore nella camera di combustione.

• Sensore delle vibrazioni meccaniche.Vantaggi: bassi costi e montaggio esterno. Svantaggi: disturbato dalla chiusura delle valvole e dal movimento dei pistoni.

• Misura della corrente ionica. Sfrutta il legame tra la densità degli ioni H3O+ ed il campo elettrico generato dalla candela che funge così da sensore. Vantaggi: effettua una misura all’interno del cilindro e senza disturbi meccanici.Svantaggi: dipende dalla posizione della candela e la sua misura è attendibile solo per una piccola porzione (situata attorno alla candela) della camera di combustione.

• Intensità della luce del processo di combustione. Rilevare il colore della fiamma con una fibra ottica posta sull’elettrodo centrale della candela. Vantaggi: effettua una misura all’interno del cilindro e senza disturbi meccanici. Svantaggi: la fibra ottica può coprirsi di fuliggine della combustione e rilevare molto male il colore.

Sistemi di Controllo Veicolo Sistemi di Controllo del Motore

Controllo del Battito in Testa (4)

Pochi battiti ad alta energia possono provocare seri danni, al termine di ogni battito deve esserci subito una azione di controllo.

Una tipica azione è quella di ritardare l’angolo di accensione in modo da arretrare il processo di conversione dell’energia riducendo così i picchi di pressione e temperatura. Nel caso di regime stazionario, l’angolo di accensione per il controllo del battito viene calcolato in base alla seguente equazione discreta:

)()1()( nEnn ykkk ∆⋅−∆+−= βααα

• k è l’avanzamento permanente dell’angolo di accensione. • · Ey(n) è il ritardo dell’angolo di accensione al battito.

Sistemi di Controllo Veicolo Sistemi di Controllo del Motore

Controllo del Battito in Testa (5)

Nel caso di regime transitorio occorre incrementare la frequenza dei controlli. Il tempo di risposta del controllo del battito può essere ridotto mettendo in feed-forward l’angolo di controllo l(n) memorizzato in una mappa contenente gli angoli di accensione adeguati dinamicamente.

e è l’effettivo angolo di accensionei è l’angolo di accensione a circuito apertok è l’angolo di accensione del controllo del battitol è l’angolo di accensione contenuto nella mappa che si adegua dinamicamente

)()()()( nnnn lkie αααα ++=