SUL CONTROLLO DI INIEZIONI MULTIPLE DEL COMBUSTIBILE IN UN MOTORE DIESEL AUTOMOBILISTICO

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1 SUL CONTROLLO DI INIEZIONI MULTIPLE DEL COMBUSTIBILE IN UN MOTORE DIESEL AUTOMOBILISTICO L. Della Fiore, G. Zamboni, M. Capobianco Internal Combustion Engines Group (ICEG) Dipartimento di Macchine, Sistemi Energetici e Trasporti (DIMSET) Università di Genova via Montallegro, Genova lorena.df@unige.it giorgio.zamboni@unige.it cpbn@unige.it SOMMARIO L Internal Combustion Engines Group (ICEG) operante presso il Dipartimento di Macchine, Sistemi Energetici e Trasporti (DIMSET) dell Università di Genova è attivo da diversi anni nel campo del controllo motore, avendo sviluppato numerose indagini sperimentali e teoriche su propulsori Diesel automobilistici, con particolare riferimento alla gestione dei sistemi di iniezione del combustibile, di ricircolo dei gas di scarico e di sovralimentazione ed alle reciproche interazioni. Il lavoro proposto riguarda l ultima attività sviluppata dall ICEG su un motore Diesel equipaggiato con sistema di iniezione common rail di prima generazione (opportunamente attrezzato per consentire sino a tre iniezioni per ciclo) prima di procedere all aggiornamento del banco con un propulsore dotato di sistema Multijet. Sul nuovo motore verranno avviate diverse indagini, tra le quali uno studio sulle strategie di controllo di iniezioni multiple: per questo motivo è stata effettuata una prima verifica dell influenza dell attuazione e della regolazione (con riferimento alla posizione angolare) di una iniezione after, associata alle tradizionali iniezioni pilota e principale, sui più significativi parametri operativi del motore e del gruppo di sovralimentazione, considerando una condizione operativa del motore a carico parziale, tipica dell utilizzazione urbana, per diversi livelli di EGR. Nell articolo, dopo una breve descrizione della procedura di controllo dell iniezione after e dell articolazione delle prove, vengono analizzati e discussi i principali risultati dell attività sperimentale, con particolare riguardo agli effetti del controllo dell iniezione sul consumo di combustibile e sulle emissioni inquinanti allo scarico. 1. INTRODUZIONE Il motore alternativo a combustione interna (MCI) è destinato a rimanere, almeno nel medio periodo, il sistema propulsivo di applicazione generalizzata nell ambito veicolistico. Nel contempo, l esigenza di contenere sia i consumi di combustibile che le emissioni inquinanti risulterà sempre più stringente sia per la crescente sensibilità verso le differenti forme di inquinamento (chimico, acustico e termico) sia per il costante aumento del costo dei combustibili utilizzati dai veicoli stradali (Scolari, 1997) (Capobianco, 1998c). In tale scenario, è evidente il ruolo chiave che potrà assumere l adozione di appropriate tecnologie e di sistemi avanzati di controllo in grado di ottimizzare il funzionamento del propulsore e di gestire le interazioni tra i componenti installati. Negli ultimi anni il MCI Diesel per applicazione automobilistica ha vissuto una fase di impetuoso sviluppo,

2 principalmente legata all evoluzione dei sistemi di iniezione del combustibile: a tale riguardo si ricordano l adozione generalizzata dell iniezione diretta in camera di combustione (DI) e la messa a punto di nuovi circuiti di iniezione che hanno consentito, anche grazie ad un utilizzazione massiccia del controllo elettronico, di realizzare pressioni e leggi di iniezione inattuabili sino ad alcuni anni fa (Stumpp et al., 1996). Tale evoluzione ha portato a sostanziali miglioramenti sia del consumo di combustibile (e quindi delle relative emissioni di CO 2 ), sia delle emissioni inquinanti allo scarico che tuttavia, soprattutto per alcune sostanze (NO X e particolato), rappresentano ad oggi la maggiore criticità per tale tipologia di propulsore. L incremento della potenza specifica dei MCI Diesel automobilistici è stato reso possibile anche grazie allo sviluppo di sistemi di sovralimentazione avanzati, spesso caratterizzati da innovativi dispositivi di controllo e regolazione (turbine a geometria variabile) (Flaxington et al., 1982) (O Connor et al., 1988). L integrazione di tali tecnologie, oltre a consentire una riduzione della cilindrata del propulsore a parità di potenza installata (downsizing), con ulteriori vantaggi in termini di rendimento del sistema, ha portato al miglioramento di altri aspetti funzionali (conformazione della caratteristica meccanica di coppia, risposta in transitorio) particolarmente rilevanti nell applicazione automobilistica (concetto di fun to drive ). Al contrario, il motore ad accensione comandata, che per primo ha beneficiato dell introduzione di sistemi elettronici di controllo dell iniezione e che mantiene ad oggi una supremazia in termini di contenimento delle emissioni inquinanti allo scarico, per recuperare competitività rispetto al propulsore a ciclo Diesel dovrà al più presto integrare soluzioni tecnologiche innovative che consentano di contenere i consumi di combustibile, soprattutto a carico ridotto (Richter et al., 2002) (Lake et al., 2004). E comunque evidente la tendenza ad una sempre maggiore complessità impiantistica del motore per applicazione automobilistica, con l inserimento di un numero crescente di componenti e dispositivi, tipicamente a controllo elettronico. Ciò comporta la necessità di definire strategie di regolazione ottimizzate che tengano conto dei diversi sottosistemi installati e delle relative caratteristiche funzionali e che consentano al motore di operare con obiettivi differenti nelle diverse condizioni operative. L Internal Combustion Engines Group (ICEG) operante presso il Dipartimento di Macchine, Sistemi Energetici e Trasporti (DIMSET) dell Università di Genova è da diversi anni impegnato in attività di ricerca nel campo del controllo motore. Con riferimento ai MCI Diesel per applicazione automobilistica, in passato sono state sviluppate numerose indagini sperimentali e teoriche relative alla gestione dei sistemi di iniezione del combustibile, di ricircolo dei gas di scarico e di sovralimentazione ed alle reciproche interazioni (Capobianco et al., 1996) (Capobianco et al., 1998a) (Capobianco et al., 1998b) (Borrione et al., 2001) (Capobianco, 2001) (Capobianco et al., 2003). In questo lavoro viene presentato un ulteriore sviluppo di tale filone di ricerca, con riferimento al controllo del sistema di iniezione del combustibile. In particolare si è condotta una prima analisi di tipo sperimentale sull effetto di iniezioni multiple e sul relativo controllo, operando in una prima fase su un motore Diesel equipaggiato con sistema di iniezione common rail di prima generazione (opportunamente attrezzato per consentire sino a tre iniezioni per ciclo). L indagine ha riguardato la valutazione dell influenza dell attuazione e della regolazione (con riferimento alla posizione angolare) di una iniezione after, associata alle tradizionali iniezioni pilota e principale, sui parametri operativi del motore e del gruppo di sovralimentazione più significativi, considerando una condizione operativa del motore a carico parziale, tipica dell utilizzazione urbana, per diversi livelli di EGR. In una successiva

3 fase, tali aspetti saranno oggetto di approfondimento operando su un propulsore dotato di sistema di iniezione Multijet, attualmente in fase di installazione al banco prova. Nella memoria vengono presentati e discussi i principali risultati dell attività sperimentale sviluppata, con particolare riguardo agli effetti del controllo dell iniezione sul consumo di combustibile e sulle emissioni inquinanti allo scarico. 2. APPARATO SPERIMENTALE E SISTEMA DI CONTROLLO Il propulsore oggetto dell attività sperimentale è un motore Diesel ad iniezione diretta per autotrazione, di cilindrata pari a circa 1.9 litri, equipaggiato con un sistema di iniezione del combustibile a controllo elettronico basato sulla tecnologia del common rail, un turbosovralimentatore a gas di scarico con valvola waste-gate sulla turbina, un intercooler ed un sistema per il ricircolo dei gas di scarico (EGR) non raffreddato. Il motore è installato su un banco prova stazionario (Capobianco et al., 1996) (Capobianco et al., 1998a), dotato di freno dinamometrico a correnti parassite. Le portate d aria e di combustibile sono rispettivamente valutate mediante il misuratore a filo caldo installato sul motore ed una bilancia gravimetrica, mentre la velocità di rotazione del propulsore e del gruppo di sovralimentazione sono misurate mediante pick-up induttivi. I livelli di pressione e temperatura in diverse sezioni del circuito di aspirazione e scarico del motore sono valutati attraverso trasduttori estensimetrici, termoresistenze e termocoppie. Il banco è dotato di un sistema completo per la caratterizzazione delle emissioni che consente la valutazione della concentrazione di anidride carbonica (CO 2 ), effettuata sia all aspirazione che allo scarico del motore, di monossido di carbonio (CO), di idrocarburi incombusti (HC), di ossigeno (O 2 ) e di ossidi di azoto (NO x ). La fumosità allo scarico del propulsore è misurata mediante un fumosimetro a campionamento variabile. Tutti i segnali rilevati dai misuratori installati sono gestiti attraverso un sistema automatico di acquisizione ed elaborazione dei dati controllato da un personal computer, utilizzando strumenti virtuali sviluppati in ambiente LabVIEW. Al fine di visualizzare e gestire i parametri di controllo del motore, il propulsore è equipaggiato con un unità elettronica di controllo (ECU) di tipo aperto: a tal fine la centralina (Bosch EDC-15C) è dotata di emulatore di flash EPROM (ETAS ETK 3.1) che permette, in tempo reale, la modifica dei parametri operativi da parte dell utente. Il modulo ETK è connesso tramite un interfaccia MAC2F ad un personal computer dedicato, sul quale è installato il software VS100, attraverso il quale vengono gestite tutte le calibrazioni necessarie al funzionamento del motore, rappresentate da variabili, curve e mappe. Nell ambito dell attività sperimentale condotta, si è fatto riferimento alle mappe che permettono di controllare le variabili operative dei sistemi di iniezione e di ricircolo dei gas di scarico, quali la pressione del combustibile nel rail, gli anticipi delle iniezioni pilota e main, il tempo di energizzazione della pilota, il ritardo dell iniezione after e la frazione di EGR. In linea di massima, il controllo dei parametri operativi del motore viene agevolmente ottenuto modificando direttamente i valori contenuti in mappe, curve o variabili. Più complesso è invece il controllo della quantità di fumi ricircolata: per tale operazione, infatti, si procede in primo luogo con la valutazione della massa di aria effettivamente aspirata per mezzo del misuratore di portata (debimetro); il valore ottenuto viene inviato alla ECU, che lo confronta con la quantità di riferimento prefissata. In base alla differenza calcolata, se necessario viene modificato il duty-cycle di pilotaggio di una valvola elettro-pneumatica che comanda, attraverso un segnale in depressione, l apertura della valvola EGR. La misura della effettiva frazione di gas di scarico ricircolati (f EGR, definita come rapporto tra la massa di gas ricircolata e la massa totale evolvente) viene effettuata sulla base del rapporto tra le

4 concentrazioni di anidride carbonica presenti all aspirazione ed allo scarico del motore. Tali valori possono essere visualizzati dall operatore in qualunque momento della prova, facendo uso di un apposito strumento virtuale sviluppato in LabVIEW, che gestisce i dati provenienti dagli analizzatori di CO 2. Qualora risultasse necessario, al fine di ottenere il valore di f EGR prefissato, viene modificato il set-point della quantità di aria aspirata fino al raggiungimento dell obiettivo previsto. 3. PROGRAMMA DI PROVA L applicazione dell elettronica ai sistemi di gestione dei propulsori per autotrazione, che ha avuto nel recente passato una crescente diffusione, ha portato, tra le diverse conseguenze, ad una notevole crescita delle variabili di controllo disponibili ed utilizzabili: dal punto di vista operativo tale situazione può essere gestita in maniera relativamente semplice attraverso l impiego di una unità di controllo del motore di tipo aperto, ma l attività sperimentale richiede anche l utilizzazione di tecniche statistiche nella fase preliminare di progettazione (Edwards et al., 2000) e nell ottimizzazione delle strategie. I precedenti studi sul controllo di MCI Diesel automobilistici sviluppati presso l ICEG (Capobianco et al., 1996) (Capobianco et al., 1998a) (Capobianco et al., 1998b) (Borrione et al., 2001) (Capobianco, 2001) sono stati inizialmente indirizzati all approfondimento delle problematiche relative alla gestione dei sistemi di sovralimentazione e di ricircolo dei gas di scarico. Successivamente le indagini sono state estese al sistema di iniezione del combustibile (Capobianco et al., 2003), allo scopo di valutare gli effetti del controllo integrato di tali sistemi su diversi obiettivi (prestazioni, consumo di combustibile, emissioni inquinanti allo scarico, condizioni al contorno per i sistemi di post-trattamento dei gas di scarico), analizzando le reciproche interazioni e definendo quindi opportune strategie ottimizzate di gestione. Prima di avviare una nuova fase dell attività di ricerca, che prevede tra l altro l installazione al banco di un motore equipaggiato con un sistema evoluto di iniezione del combustibile del tipo common rail Multijet e lo sviluppo di procedure di Design of Experiment e di ottimizzazione per la pianificazione e la gestione dell attività sperimentale, si è voluto effettuare una prima analisi dell influenza del controllo dell iniezione after sui principali parametri motoristici utilizzando il propulsore già disponibile al banco. Per superare la limitazione del sistema di iniezione di tipo common rail di prima generazione, il motore era stato dotato di una ECU a doppio banco, che prevede il raddoppio delle capacità preposte all azionamento degli elettroiniettori. Nella fase di preparazione dell attività sperimentale, è stato quindi necessario uno studio accurato di tutti i parametri coinvolti nella gestione e realizzazione dell iniezione after, poiché le calibrazioni presenti nella centralina non erano originariamente volte alla sua attuazione. Successivamente, al fine di verificare il funzionamento del sistema, si è provveduto alla visualizzazione su oscilloscopio della corrente di eccitazione degli iniettori: si è rilevato che la gestione dell iniezione after avveniva in modo corretto solo per due cilindri, i cui elettroniettori risultavano pilotati da banchi distinti, mentre è stato evidenziato che la configurazione non consente il controllo della terza iniezione in tutti e quattro i cilindri. Non è stato invece possibile gestire la quantità di combustibile iniettata durante l iniezione after oltre un certo limite, non essendo essa direttamente ricavata da una specifica mappa: si è quindi scelto di mantenere tale quantità al valore massimo consentito dal sistema, corrispondente ad un tempo di energizzazione di poco superiore ai 200 µs. Al fine di poter sviluppare un ampia indagine parametrica, si è selezionata una condizione operativa del propulsore che risultasse particolarmente significativa in relazione alla reale

5 utilizzazione su vettura. La condizione prescelta rientra nella zona di funzionamento del motore corrispondente all esecuzione del ciclo di omologazione europeo, con riferimento alla porzione relativa alla marcia urbana. In tab.1 sono riportati i valori dei parametri operativi del motore nelle condizioni di prova individuate, unitamente alle calibrazioni di base per le variabili di controllo di maggiore interesse. Il programma sperimentale ha interessato il controllo della posizione dell iniezione after, considerando cinque valori angolari (θ after = 50, 30, 20, 10, 5 dopo il PMS) per tre differenti livelli di EGR, pari rispettivamente a 0, 15 e 30%. Per ciascuna frazione di EGR, dopo aver effettuato le misure nella condizione con le sole iniezioni pilota e principale, si è poi analizzato l effetto dell attuazione dell iniezione after (sui due cilindri per i quali tale operazione è risultata praticabile), valutando l influenza della posizione angolare della terza iniezione su differenti parametri operativi del propulsore (consumo di combustibile, emissioni inquinanti, velocità di rotazione del turbogruppo di sovralimentazione, temperatura all ingresso alla turbina di sovralimentazione, ecc.). Nel seguito vengono illustrati e discussi i principali risultati dell attività sperimentale. Tab. 1 Condizione operativa sperimentale e valori della calibrazioni di base Velocità di rotazione del motore (n) 1500 giri/min Pressione media effettiva (pme) 3.0 bar Pressione del combustibile nel rail (p rail ) 480 bar Anticipo iniezione principale (θ main ) 3.2 prima del PMS Anticipo iniezione pilota (θ pilota ) 22.4 prima del PMS Tempo di energizzazione della pilota (ET pilota ) 167 µs Frazione di gas ricircolata (f EGR ) 19% 4. ANALISI DEI RISULTATI Come descritto nel precedente paragrafo, il motore su cui sono state effettuate le indagini era equipaggiato con un sistema di iniezione common rail di prima generazione, che non ha consentito, come previsto, l attuazione dell iniezione after su tutti i cilindri: per questo motivo si è scelto di rappresentare i risultati in forma adimensionale, rapportando i valori delle diverse grandezze rappresentate ad una condizione operativa di riferimento relativa al funzionamento del motore in assenza di EGR e senza la terza iniezione. In questo modo, i risultati consentono di evidenziare gli effetti del controllo dei sistemi di iniezione e di ricircolo dei gas di scarico sui diversi parametri operativi del motore da un punto di vista prevalentemente qualitativo; le considerazioni quantitative sono effettuate in termini di variazioni percentuali, rinviando per analisi più approfondite alla prossima disponibilità di un propulsore equipaggiato con un sistema di iniezione aggiornato. Entrando quindi nel dettaglio dei risultati, la figura 1 riporta gli andamenti degli indici relativi al consumo specifico di combustibile (m sc ), alla temperatura dei gas all ingresso della turbina (T 3 ) ed alla velocità di rotazione del turbogruppo (n TC ) in funzione della posizione angolare di inizio dell iniezione after nel caso senza EGR. Per quanto riguarda il consumo, è evidente che l attivazione dell iniezione after comporta variazioni entro il 2% sino ad una posizione di 30 dopo il PMS, con una riduzione per i due valori angolari più ridotti (5 e 10 ) ed una successiva penalizzazione, che diventa significativa per la distanza più elevata (50 ). Nel primo caso, la quantità iniettata nella after brucia probabilmente con continuità rispetto a quella della main, comportando livelli di temperatura e di pressione elevati (confermati anche

6 dall andamento delle emissioni di NO x, fig.3) per un intervallo angolare più lungo rispetto alla condizione di riferimento. Per posizioni angolari superiori a 10, la combustione della after avviene quando l effetto di riduzione della pressione e della temperatura dovuta all espansione prevale, comportando minor scambio di lavoro, fino a che, a 50 ed oltre, l iniezione after non ha più significato, ma bisogna considerare una post-iniezione, da effettuare con obiettivi legati al post-trattamento dei gas di scarico, fasata nel modo più opportuno rispetto all angolo di apertura delle valvole di scarico Indici dei parametri motoristici EGR = 0 Condizione di riferimento: no EGR, no after Consumo specifico di combustibile Velocità di rotazione TC Temperatura ingresso turbina Fasatura iniezione after [ dopo il PMS] Fig. 1 Effetto del controllo dell iniezione after su parametri operativi del motore (senza EGR) La temperatura T 3 conferma lo spostamento della combustione in fasi successive della corsa di espansione, con variazioni significative per after 20 dopo il PMS ed oltre; la conseguente penalizzazione nel consumo comporta però maggiori livelli di energia all ingresso della turbina e quindi velocità di rotazione del gruppo di sovralimentazione più elevate. L attivazione dell EGR non modifica il comportamento rispetto al caso precedente (fig.2, relativa ai risultati ottenuti con una frazione ricircolata pari al 30%): si ha quindi un consumo leggermente migliore in presenza di una after vicina alla principale (5 10 dopo il PMS) rispetto al caso senza after, per poi peggiorare quando la terza iniezione viene effettuata ad espansione più avanzata, dapprima leggermente (20 30 dopo il PMS) e poi in misura più evidente (50 ). Con riferimento al consumo di combustibile, sembra quindi che si sovrappongano gli effetti dovuti al ricircolo con quelli dovuti all attivazione dell iniezione after, che sono di entità paragonabile e vanno comunque valutati con una certa cautela, trattandosi di variazioni contenute e generalmente inferiori al 2%; il fatto che gli andamenti siano però analoghi nei due casi presentati (ed anche nella situazione con una frazione ricircolata pari al 15%) conforta in qualche modo le considerazioni presentate, le quali richiedono ulteriori validazioni ed approfondimenti. E infine da notare che il ricircolo dei gas di scarico in questo caso comporta una penalizzazione nel consumo, trovandosi la curva di m sc in fig.2 tutta al di sopra della corrispondente per EGR = 0.

7 1.2 Indici dei parametri motoristici EGR = 30% Condizione di riferimento: no EGR, no after Consumo specifico di combustibile Velocità di rotazione TC Temperatura ingresso turbina Valori degli indici per EGR = 30%, no after msc = 1.02 ntc = 0.68 T3 = Fasatura iniezione after [ dopo il PMS] Fig. 2 Effetto del controllo dell iniezione after su parametri operativi del motore (con EGR) Per la temperatura T 3 valgono considerazioni analoghe: in presenza dell iniezione after, la combustione viene prolungata nella fase di espansione, con valori di T 3 più elevati per i ritardi maggiori, ad eccezione del valore corrispondente a 50 dopo il PMS: in questo caso si può ipotizzare che, a causa della maggiore durata della combustione dovuta all EGR (Plee et al., 1981) (Zamboni, 2001) in corrispondenza di un ritardo così elevato i quantitativi iniettati non abbiano il tempo sufficiente per bruciare completamente. Sempre con riferimento ai livelli di temperatura, è evidente come i gas ricircolati, non raffreddati, comportino un notevole incremento delle temperature allo scarico (15% in più nella condizione senza after): anche in questo caso si sovrappongono gli effetti, con l EGR che ha un influenza decisamente più elevata rispetto alla terza iniezione. La velocità n TC è correlata a T 3 relativamente al controllo della after, come nel caso senza EGR, con un leggero incremento per i ritardi più elevati, probabilmente dovuti alla maggiore energia disponibile per la turbina. L effetto dell EGR è invece quello di ridurre fortemente la velocità di rotazione del turbogruppo, poiché la minore quantità di aria aspirata comporta una marcata variazione della condizione di funzionamento della turbosoffiante (Capobianco et al., 1998). L evoluzione dei sistemi di iniezione a controllo elettronico è legata essenzialmente al contenimento delle emissioni acustiche e chimiche: è quindi fondamentale analizzare gli effetti delle variazioni dei parametri di iniezione sui principali inquinanti. L andamento degli ossidi di azoto riportato in fig.3, relativa alle misure in assenza di ricircolo, evidenzia un sicuro incremento nel caso di iniezione after vicina alla principale, a conferma che il fluido evolvente rimane probabilmente a temperature e pressioni più elevate nel caso delle due iniezioni ravvicinate rispetto alla condizione di riferimento, come già ipotizzato analizzando il consumo di combustibile (fig.1). Ritardando la after, l emissione di NO x ritorna praticamente al livello di riferimento, nonostante le temperature siano mediamente più elevate (vedi T 3 ): è probabile che a livello locale un ritardo più elevato comporti l allontanamento dalle condizioni di massima temperatura e quindi di maggiore produzione di ossidi di azoto. Con

8 riferimento al consumo di combustibile ed all emissione di NO x, risultati analoghi sono presentati in (Imarisio e Rossi Sebastiano, 2000). 1.8 Indici delle emissioni allo scarico EGR = 0 Ossidi di azoto Idrocarburi incombusti Fumosità Condizione di riferimento: no EGR, no after Fasatura iniezione after [ dopo il PMS] Fig.3 Effetto del controllo dell iniezione after sulle emissioni inquinanti del motore (senza EGR) Proseguendo l analisi della fig.3, è evidente che l iniezione after comporta emissioni di idrocarburi incombusti decisamente più elevate per tutte le posizioni angolari realizzate, con un forte incremento in corrispondenza del ritardo più elevato. Considerando i principali meccanismi di formazione degli HC (zone periferiche del getto ad alto valore del rapporto aria-combustibile, incompleta combustione del nucleo centrale dello spray, combustibile che si deposita sulle pareti, ecc.) (Heywood, 1988) (Ferrari, 1992), probabilmente il risultato può essere giustificato considerando che la presenza di una terza iniezione aumenta la quantità di combustibile che potenzialmente genera HC: quando l after è posizionata 5 o 10 dopo il PMS, la maggiore durata della combustione non è sufficiente a coinvolgere le regioni più lontane dai nuclei di fiamma, cosa che invece avviene in parte ritardando l after (10 20 dopo il PMS), da cui la riduzione rispetto alle situazioni precedenti, non sufficiente però a ritornare al valore di riferimento. Per il ritardo più elevato (50 ) si ha probabilmente un effetto marcato di combustione incompleta per porzioni estese della carica. Una delle principali finalità dell iniezione after (Han et al., 1996) (Beatrice et al., 2001) (Bianchi et al., 2001) (Montgomery e Reitz, 2001) è la riduzione della fumosità, e quindi del particolato carbonioso, allo scarico del motore: tale beneficio è evidente in fig.3. In termini assoluti, partendo da un valore di 0.83 FSN per la condizione di riferimento, l attivazione della terza iniezione consente di passare a livelli compresi nell intervallo FSN a seconda della posizione angolare di inizio. Secondo quanto evidenziato in (Han et al., 1996) per diverse condizioni operative tutte senza EGR, suddividendo l iniezione principale in due impulsi si riducono sia la formazione che l ossidazione del soot rispetto alla situazione con un unico impulso, ma il primo effetto è maggiore e complessivamente comporta una fumosità più contenuta. La minore formazione di particolato carbonioso è legata ad una più limitata estensione delle zone caratterizzate da miscela ricca, evidenziata anche in (Bianchi et al.,

9 2001), e richiede una fasatura ottima tra le due iniezioni successive: se la distanza è infatti troppo breve, le zone ricche sono estese quasi come nel caso di singola iniezione, se la distanza è troppo elevata il secondo impulso non brucia istantaneamente senza generare soot. Nelle prove effettuate si è ottenuta una riduzione della fumosità per l intero campo di variazione della posizione dell after (fig.3): questo è probabilmente legato alle limitate quantità di combustibile associate alla terza iniezione, contrariamente a quanto realizzato in (Han et al., 1996) dove l iniezione after è di entità paragonabile alla principale in termini di massa iniettata, ed ad una maggiore efficacia del meccanismo di ossidazione, rilevata anche in (Bianchi et al., 2001). Indici delle emissioni allo scarico EGR = 30% Ossidi di azoto Idrocarburi incombusti Fumosità Valori degli indici per EGR = 30%, no after mnox = 0.34 mhc = 0.71 Fumosità = 2.71 Condizione di riferimento: no EGR, no after Fasatura iniezione after [ dopo il PMS] Fig.4 Effetto del controllo dell iniezione after sulle emissioni inquinanti del motore (con EGR) Considerando gli andamenti delle emissioni in presenza di EGR (fig.4, sempre relativa ai risultati ottenuti con f EGR = 30%), è evidente che l influenza della terza iniezione viene modificata: gli NO x restano infatti praticamente costanti sia rispetto al caso con EGR e due iniezioni, sia variando la posizione rispetto al PMS dell iniezione after; gli effetti del ricircolo sono quindi preponderanti, per lo meno con le modalità ed i quantitativi resi possibili dal sistema di alimentazione disponibile. Per quello che riguarda gli idrocarburi incombusti, si nota innanzitutto che il ricircolo comporta una riduzione della relativa emissione specifica rispetto al caso senza, probabilmente perché la reintroduzione nel cilindro di una parte dei gas combusti consente un ulteriore ossidazione di parte degli HC, visto il valore del rapporto aria-combustibile sufficientemente elevato (> 30); anche la maggiore durata della combustione in presenza di EGR (Plee et al., 1981) (Zamboni, 2001) può forse giustificare tale effetto. Anche in questo caso l attivazione dell after comporta un aumento degli HC, ma in presenza di EGR l incremento dell emissione dovuto alla terza iniezione è più ridotto per i piccoli ritardi (5 e 10 ) rispetto al caso senza ricircolo (fig.3), mentre è più marcato per i livelli intermedi sino a valori molto elevati per inizio after 50 dopo il PMS. Si può ipotizzare che l effetto dell after sia comunque analogo al caso senza EGR, attivando i meccanismi di formazione degli HC

10 legati alle zone povere di combustibile o corrispondenti a combustione incompleta quando il ritardo è elevato, ma il risultato finale in termini di quantità emesse risente del diverso andamento della combustione dovuto alla presenza di gas combusti, con variazione della legge di rilascio di calore e delle temperature (Montgomery e Reitz, 2001) (Zamboni, 2001). La fumosità evidenzia un andamento nettamente diverso dal caso senza EGR, poiché l attivazione del ricircolo comporta ovviamente livelli di fumosità molto più elevati e, contrariamente a quanto riportato in fig.3, l iniezione after comporta una sua riduzione solo per i valori estremi di ritardo (5 e, soprattutto, 50 ). Per approfondire questo aspetto, si è scelto di rappresentare i dati relativi alla fumosità secondo una diversa modalità, riportando anche i valori per il livello di frazione ricircolata pari al 15%: l indice di fumosità della fig.5 è ottenuto quindi considerando una condizione di riferimento per ciascuna curva, corrispondente alla strategia di iniezione tradizionale (pilota + principale) ed al livello di EGR prescelto (0, 15 e 30%, rispettivamente). E evidente in tutti i casi che la posizione dell iniezione after è fondamentale per garantire una riduzione della fumosità rispetto alla situazione iniziale: da un lato questo permette di limitare la formazione di particolato carbonioso, per i motivi già discussi analizzando la fig.3, dall altro viene influenzata l efficacia della fase di ossidazione, come evidenziato in (Beatrice et al., 2001) per condizioni operative paragonabili a quelle qui considerate. 1.3 Indice della fumosità Condizione di riferimento: no after Frazione di EGR [%] Fasatura iniezione after [ dopo il PMS] Fig.5 Effetto del controllo dell iniezione after e dell EGR sulla fumosità E inoltre evidente che all aumentare del ricircolo la finestra di valori angolari a cui corrisponde una minore fumosità si riduce: questo effetto potrebbe essere legato a valori della temperatura della fiamma inferiori per frazioni di EGR crescenti, come riportato in (Plee et al., 1981). Ulteriori approfondimenti sono invece necessari per giustificare l ultimo effetto evidenziato in figura 5, ovvero la riduzione della fumosità con EGR attiva per il ritardo più elevato di inizio dell after. Le figg.6 e 7, relative rispettivamente ai trade-off tra il consumo di combustibile e le emissioni di NO x e tra queste e la fumosità (espressi nuovamente considerando gli indici

11 adimensionali ottenuti fissando la condizione senza EGR e senza iniezione after come riferimento) permettono di sintetizzare i risultati sperimentali e di evidenziare come il controllo della posizione angolare di attivazione della terza iniezione e della frazione di EGR influenzi questi parametri e richieda una adeguata ottimizzazione finalizzata al miglioramento dei tre indici rispetto alla condizione di riferimento. 1.1 Indice delle emissioni spec. di NOx EGR Condizione di riferimento: no EGR, no after No after After 5 dopo il PMS After 20 dopo il PMS Indice del consumo specifico Fig.6 Trade-off tra consumo specifico di combustibile ed emissioni di NO x 1.2 Indice delle emissioni spec. di NOx Condizione di riferimento: no EGR, no after EGR No after After 5 dopo il PMS After 20 dopo il PMS Indice della fumosità Fig.7 Trade-off tra fumosità ed emissioni di NO x

12 Il trade-off tra le due emissioni (fig.7) evidenzia inoltre che l EGR complica la scelta della strategia, poiché le curve corrispondenti alle diverse posizioni dell after si incrociano al crescere della frazione ricircolata. La prossima disponibilità di un motore equipaggiato con un sistema di controllo dell iniezione evoluto consentirà di applicare diversi schemi di iniezione, controllando anche i quantitativi iniettati, e di verificare l andamento dei suddetti trade-off in modo più appropriato, mentre l integrazione nel sistema di misura di uno strumento per il rilievo del rumore di combustione permetterà di includere anche questo parametro nelle analisi sperimentali e nella procedura di ottimizzazione. 5. CONCLUSIONI L indagine sviluppata presso l Internal Combustion Engines Group ICEG) operante presso il Dipartimento di Macchine, Sistemi Energetici e Trasporti (DIMSET) dell Università di Genova sul controllo della posizione angolare dell iniezione after, associata alle consuete iniezioni pilota e principale, per differenti livelli di EGR su un motore Diesel per autotrazione, ha permesso di evidenziare alcuni interessanti aspetti, pur essendo stata svolta su un propulsore equipaggiato con un sistema di iniezione common rail di prima generazione. Lo studio ha in particolare confermato l influenza della terza iniezione sul consumo di combustibile e sulle emissioni inquinanti, legata a cambiamenti significativi nello sviluppo della combustione e nella legge di rilascio di calore. L attivazione del ricircolo dei gas di scarico interagisce fortemente con il controllo delle iniezioni, mostrando effetti di entità paragonabile a quelli dell iniezione after nel caso del consumo di combustibile o decisamente prevalenti nel caso delle emissioni di ossidi di azoto. Infine l andamento della fumosità allo scarico viene notevolmente modificato in presenza di EGR ed è evidente soprattutto per questo parametro la necessità di definire una strategia di controllo integrato dei due sistemi, che consenta la sua riduzione parallelamente al conseguimento di benefici per le altre grandezze di interesse. Sembra quindi di poter concludere che l attività sviluppata, pur con i limiti già sottolineati, ha consentito una prima analisi degli effetti del controllo dei sistemi di iniezione e di ricircolo dei gas di scarico sui parametri operativi del motore ed un confronto con alcuni dei risultati disponibili in letteratura sull argomento, confermando la necessità di integrare l attività sperimentale con tecniche statistiche sia nella fase di progettazione delle misure (Edwards et al., 2000) sia nella fase di ottimizzazione delle strategie (Capobianco, 2001) ed offrendo infine diversi spunti di approfondimento. Tra questi, appare di particolare interesse lo studio dell interazione tra i sistemi di iniezione e di sovralimentazione: la possibilità di gestire i fenomeni di combustione (Imarisio et al., 2004) e quindi i quantitativi di energia allo scarico, apre infatti interessanti prospettive per il controllo del sovralimentatore e la possibilità di migliorarne il comportamento adeguandolo alle esigenze dell applicazione automobilistica, soprattutto in termini di risposta in transitorio. Le indagini proseguiranno quindi su un propulsore equipaggiato con sistema di iniezione del combustibile di tipo evoluto attualmente in fase di installazione, riprendendo gli studi effettuati per approfondire i risultati più interessanti ed allargando il campo agli aspetti innovativi evidenziati. Simbologia f frazione in massa m massa specifica n velocità di rotazione pme pressione media effettiva

13 ECU EGR ET FSN PMS T θ unità elettronica di controllo ricircolo dei gas di scarico (exhaust gas recirculation) tempo di energizzazione iniettori Filter Smoke Number punto morto superiore temperatura assoluta angolo di manovella Apici e pedici after riferito all iniezione after c combustibile main riferito all iniezione principale pilota riferito all iniezione pilota rail accumulatore del combustibile EGR ricircolo dei gas di scarico HC idrocarburi incombusti NO x ossidi di azoto TC gruppo di sovralimentazione 3 sezione di ingresso della turbina di sovralimentazione Bibliografia Beatrice C., Belardini P., Bertoli C., Lisbona M. G., Rossi Sebastiano G. M. (2001): Combustion Process Management in Common Rail DI Diesel Engines by Multiple Injection, SAE Paper no Bianchi G. M., Pelloni P., Corcione F. E., Luppino F. (2001): Numerical Analysis of Passenger Car HSDI Diesel Engines with the 2 nd Generation of Common Rail Injection Systems: the Effect of Multiple Injections on Emissions, SAE Paper no Borrione S. M., Capobianco M., Zamboni G. (2001): On the Control of the Turbocharging System in a Common Rail DI Diesel Engine, 3 Convegno Internazionale su «Control and Diagnostics in Automotive Applications», ATA paper no.01a3036, Sestri Levante, luglio Capobianco M., Gambarotta A., Zamboni G. (1996): Experimental Characterisation of Turbocharging and EGR Systems in an Automotive Diesel Engine, 3 rd International Seminar on Application of Powertrain and Fuel Technologies to Meet Emissions Standards for the 21 st Century, paper no.c517/027/96, Institution of Mechanical Engineers, Londra, giugno 1996, p.191. Capobianco M., Gambarotta A., Zamboni, G. (1998a): Controlling Turbocharging and EGR System To Improve Exhaust Aftertreatment Conditions in an Automotive Diesel Engine, «6 th International Conference on Turbocharging and Air Management Systems», paper no.c554/004/98, Institution of Mechanical Engineers, Londra, novembre 1998, p.75. Capobianco M., Gambarotta. A., Silvestri P., Zamboni G. (1998b): Turbocharger and EGR Control Strategies in an Automotive DI Diesel Engine, 2 Convegno Internazionale su «Control and Diagnostics in Automotive Applications», ATA, Genova, ottobre Capobianco M. (1998c): Improvement of Automotive Diesel Engine for the 21st Century Challenge, International Conference on Advances in Vehicle Control and Safety, AVCS, Amiens, luglio 1998, p.11. Capobianco M. (2001): Optimum Control of an Automotive DI Diesel Engine for Low Exhaust Emissions, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Journal of Automotive Engineering, Vol.215, Part D, December 2001, pages

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