Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata

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1 Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Corso di Laurea Triennale in Ingegneria Elettronica - Informatica A.A. 2008/2009 II Periodo di lezione Corso di: Dinamica e Controllo delle Macchine Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata

2 INFLUENZA DELL INDICE D ARIA λ Indice d aria λ λ = α α s Rapporto di equivalenza φ α = s α = 1 λ α = A F = m m a c rapporto di miscela (Air/Fuel ratio) s valori stechiometrici

3 INFLUENZA DELL INDICE D ARIA λ Andamento tipico dell influenza del rapporto di miscela sulla potenza, sul consumo e sul rendimento globale del motore

4 EMISSIONI INQUINANTI Andamento qualitativo della concentrazione di emissioni inquinanti in funzione della dosatura del motore 1

5 INFLUENZA DELL INDICE D ARIA λ Efficienza della conversione degli NOx, del CO e degli HC in un catalizzatore trivalente in funzione della dosatura del motore

6 INFLUENZA DELL INDICE D ARIA λ Miscela magra λ >1 λ Massimo rendimento e minimo consumo (Lambda= ) Miscela stechiometrica λ =1 Massima efficienza del catalizzatore (Lambda=1±0.01) Miscela grassa λ <1 Massima potenza (Lambda= )

7 CONTROLLO INIEZIONE Per assicurarci che la combustione avvenga con un rapporto aria/combustibile più vicino possibile a quello stechiometrico ci si basa su misure compiute all aspirazione del motore, usate in un primo momento in catena aperta La centralina, tramite sensori che forniscono segnali elettrici, stima la quantità di aria aspirata e valuta di conseguenza la massa di benzina da iniettare, decidendo, infine, il tempo di durata di iniezione per avere una miscela stechiometrica 4

8 CONTROLLO INIEZIONE Il procedimento così visto si presenta in catena aperta e non è certo esente da imperfezioni Per ovviare a questo problema si è pensato di far operare la centralina in retroazione grazie alla sonda λ, posizionata allo scarico del motore, che provvede ad informare la centralina per quanto riguarda il rapporto aria/benzina, così che la centralina possa correggere la durata dell iniezione, t inj Affinché il catalizzatore funzioni correttamente la variazione del rapporto A/F rispetto al valore stechiometrico non deve essere superiore al ± 1% 5

9 CONTROLLO IN CATENA APERTA Schema del sistema di aspirazione 6

10 MASSA D ARIA ASPIRATA Sistemi di misura: Sistemi di misura della massa di aria aspirata dal motore M.A.F. α - n s d Mass Air Flow (Anemometro a filo caldo) Alfa Speed Speed Density 7

11 MASSA D ARIA ASPIRATA Sistemi di misura: Sistema M.A.F.: il M.A.F. misura attraverso un anemometro a filo caldo la portata d aria nel collettore e, quindi, dividendo per il numero dei cilindri, la portata per cilindro. Di conseguenza l anemometro viene posto a monte del collettore, ed è un sensore molto delicato: teme le impurità dell aria e non distingue il verso del flusso confondendo così flussi entranti o uscenti 8

12 MASSA D ARIA ASPIRATA Sistemi di misura: Sistema s d (speed-density) In fase di messa a punto del motore vengono mappati all interno della ECU i valori di rendimento volumetrico al variare della velocità di rotazione e della densita (pressione) dell aria nel collettore di aspirazione 9

13 MASSA D ARIA ASPIRATA Sistemi di misura: Sistema s d (speed-density) Durante il funzionamento del motore la centralina sfrutta i valori di rendimento volumetrico salvati per determinare il rendimento volumetrico in funzione della velocità di rotazione e della densita (pressione) dell aria e quindi calcolare la massa d aria aspirata speed η v density m a = η m = η V v at v ρ 9

14 MASSA D ARIA ASPIRATA Sistemi di misura: Sistema α d (alpha-speed) In fase di messa a punto del motore vengono mappati all interno della ECU i valori di rendimento volumetrico al variare della velocità di rotazione e della posizione della valvola a farfalla 9

15 MASSA D ARIA ASPIRATA Sistemi di misura: Sistema α d (alpha-speed) Durante il funzionamento del motore la centralina sfrutta i valori di rendimento volumetrico salvati per determinare il rendimento volumetrico in funzione della velocità di rotazione e posizione della valvola a farfalla e quindi calcolare la massa d aria aspirata alpha η v speed m a = η m = η V v at v ρ 9

16 MASSA D ARIA ASPIRATA Il sistema alfa-speed è senza dubbio più economico rispetto al sistema speed-density, in quanto non necessita di sensori di pressione e di temperatura nel collettore Esso è tuttavia completamente insensibile alle variazioni delle condizioni ambientali 18

17 RENDIMENTO VOLUMETRICO 21

18 RENDIMENTO VOLUMETRICO Chiusura acceleratore, farfalla rpm 22

19 RENDIMENTO VOLUMETRICO Alpha - speed Speed - density Chiusura acceleratore, farfalla rpm 24

20 RENDIMENTO VOLUMETRICO MAP = pressione nel collettore di aspirazione 25

21 RENDIMENTO VOLUMETRICO Sistema alfa-speed: M = η V ρ aria vol, ass cil amb Valore finale del transitorio In ogni caso a fine transitorio i valori delle grandezze sono gli stessi per i due sistemi ma per tutta la durata del transitorio il sistema alfa-speed fornisce alla centralina un valore errato dell aria aspirata, perché riferita ad un valore di η vol,ass che è quello reale a fine transitorio, per cui in tutto l intervallo viene stimata una massa d aria minore di quella reale con conseguente combustione magra 26

22 RENDIMENTO VOLUMETRICO Chiusura acceleratore, farfalla rpm 23

23 CONCLUSIONI Il sistema alfa-speed è impreciso durante i transitori causati da una brusca variazione della farfalla: questo comporta errori sulla valutazione della massa d aria aspirata, sulla quantità di benzina da iniettare e quindi sulla durata del tempo di iniezione Inoltre la mappatura del sistema alfa-speed è fatta in riferimento alle condizioni atmosferiche ambientali presenti durante la prova al banco, comunque diverse da quella in cui il motore opererà durante la sua vita Per contro, però, il sistema alfa-speed non richiede sensori e quindi risulta meno costoso Il sistema speed-density è meno vantaggioso economicamente ma è più preciso nei transitori 27

24 CONTROLLO IN CATENA CHIUSA 28

25 CONTROLLO IN CATENA CHIUSA 29

26 CONTROLLO IN CATENA CHIUSA 30

27 CONTROLLO IN CATENA CHIUSA Sonda Lambda 1 Corpo di ceramica speciale 2 Elettrodi al platino 3 Ceramica porosa di protezione 4 Tubo di scarico 32

28 CONTROLLO IN CATENA CHIUSA Sonda Lambda V T log P P O O 2, Aria 2, Gas 32

29 CONTROLLO IN CATENA CHIUSA Sonda Lambda 1 Contatto 2 Supporto di ceramica 3 Ceramica nella sonda 4 Tubo protetto (lato gas di scarico) 5 Collegamento elettrico 6 Molla a tazza 7 Guaina protettiva (lato aria) 8 Carcassa (-) 9 Elettrodo (-) 10 Elettrodo (+). 33

30 CONTROLLO IN CATENA CHIUSA Sonda UEGO (Universal Exhaust Gas Oxygen) 34

31 CONTROLLO IN CATENA CHIUSA 35

32 CONTROLLO IN CATENA CHIUSA 36