minimizzare il consumo di combustibile; massimizzare la potenza sviluppata;

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1 Obiettivi dei sistemi di controllo motore: ARIA P ridurre l inquinamento; COMBUSTIBILE INQUINAMENTO minimizzare il consumo di combustibile; massimizzare la potenza sviluppata; aumentare l affidabilità; aumentare la flessibilità d uso.

2 Esempio di sistema di controllo: Motori a Combustione Interna BOSCH MOTRONIC 4.4 INPUT (sensori) Velocità motore Portata aria Temperatura motore Vibrazioni blocco motore Concentrazione ossigeno gas di scarico Posizione albero a camme Posizione valvola a farfalla Accelerometro Sistema climatizzazione Pressione impianto aria condizionata Pressione atmosferica Pressione sistema lubrificazione Temperatura esterna Pressione serbatoio benzina OUTPUT (attuatori) Relais sistema Relais pompa combustibile Pompa combustibile Iniettori By-pass valvola a farfalla Turbocompressore Accensione Relais impianto aria condizionata Compressore aria condizionata Relais ventilatore sistema raffreddamento Ventilatore sistema raffreddamento Relais pompa aria secondaria (impianto catalitico) Pompa aria secondaria (impianto catalitico) Pompa d aria Valvola spurgo canister Valvola chiusura canister input ====> centralina elettronica di controllo ====> output

3 Correlazione tra rapporto aria-combustibile e emissioni di CO, HC, NO

4 Correlazione tra rapporto aria-combustibile e emissioni di CO, HC, NO Il parametro λ è sempre associato alla misura della stechiometria della miscela ariacombustibile, ma può avere in letteratura definizioni diverse, cui corrispondono ovviamente valori numerici diversi. Sono riportate di seguito alcune di esse: con una dosatura povera o magra λ è < 1 con una dosatura povera o magra λ è > 1 con una dosatura povera o magra λ è < 1 La sola certezza è che λ =1 significa miscela stechiometrica.

5 sistema alimentazione motori ciclo Otto: carburazione p i η i λ [-] potenza massima miscela ricca efficienza massima miscela magra

6 alimentazione motori ciclo Otto: iniezione elettronica controllo iniezione λ = 1 NO x HC CO N 2 + O 2 H CO 2 CO 2

7 alimentazione motori ciclo Otto: iniezione elettronica Funzionamento della marmitta catalitica

8 alimentazione motori ciclo Otto: iniezione elettronica anticipo quantità

9 alimentazione motori ciclo Otto: iniezione elettronica m = f (ρ, A, p, τ) costanti Il controllo della quantità iniettata viene fatto intervenendo sul tempo di apertura degli iniettori τ parametro di controllo INPUT

10 alimentazione motori ciclo Otto: iniezione elettronica misuratore portata catalizzatore Sonda λ FEEDFORWARD τ τ FEEDBACK ECU

11 alimentazione motori ciclo Otto: iniezione elettronica In base alla strategia di comando degli iniettori, l iniezione multi-point, cioè con un iniettore per ogni cilindro, può essere: simultanea: quando gli iniettori immettono contemporaneamente il combustibile, richiedendo così un solo comando da parte dell unità di controllo; semisequenziale: quando sono attivati diversi gruppi di iniettori con un unico comando, semplificando così il sistema di controllo; sequenziale: quando i singoli iniettori sono azionati individualmente secondo un ordine prefissato.

12 alimentazione motori ciclo Otto: iniezione elettronica PMS 180 gradi PMI Cil.1 Cil.2 iniezione simultanea 360 gradi iniezione sequenziale 360 gradi aspirazione compressione espansione scarico

13 alimentazione motori ciclo Otto: iniezione elettronica a) portata aria anemometro filo caldo film caldo

14 Anemometria a filo caldo Motori a Combustione Interna Principles of operation Consider a thin wire mounted to supports and exposed to a velocity U. When a current is passed through wire, heat is generated (I 2 R w ). In equilibrium, this must be balanced by heat loss (primarily convective) to the surroundings. If velocity changes, convective heat transfer coefficient will change, wire temperature will change and eventually reach a new equilibrium. Current I Sensor dimensions: length ~1 mm diameter ~5 micrometer Velocity U Sensor (thin wire) Wire supports (St.St. needles)

15 Anemometria a filo caldo Motori a Combustione Interna Governing equation I Governing Equation: de dt = W H E = thermal energy stored in wire E = CwTs Cw = heat capacity of wire W = power generated by Joule heating W = I 2 Rw recall Rw = Rw(Tw) H = heat transferred to surroundings

16 Anemometria a filo caldo Motori a Combustione Interna Governing equation II Heat transferred to surroundings Convection H = Conduction f(t w, l w, k w, T supports ) Radiation f(t w 4 - T f4 ) ( convection to fluid + conduction to supports + radiation to surroundings) Qc = Nu A (Tw -Ta) Nu = h d/kf = f (Re, Pr, M, Gr,α ), Re = ρ U/µ

17 Anemometria a filo caldo Simplified static analysis I Motori a Combustione Interna For equilibrium conditions the heat storage is zero: de dt = O W = H and the Joule heating W equals the convective heat transfer H Assumptions - Radiation losses small - Conduction to wire supports small - Tw uniform over length of sensor - Velocity impinges normally on wire, and is uniform over its entire length, and also small compared to sonic speed. - Fluid temperature and density constant

18 Anemometria a filo caldo Static heat transfer: Simplified static analysis II Motori a Combustione Interna W = H I 2 Rw = ha(tw -Ta) I 2 Rw = Nukf/dA(Tw -Ta) h = film coefficient of heat transfer A = heat transfer area d = wire diameter kf = heat conductivity of fluid Nu = dimensionless heat transfer coefficient Forced convection regime, i.e. Re >Gr 1/3 (0.02 in air) and Re<140 Nu = A 1 + B 1 Re n = A 2 + B 2 U n I 2 Rw 2 = E 2 = (Tw -Ta)(A + B U n ) The voltage drop is used as a measure of velocity. King s law

19 Anemometria a filo caldo Hot-wire static transfer function Motori a Combustione Interna Velocity sensitivity (King s law coeff. A = 1.51, B = 0.811, n = 0.43) 2,4 5 E volts 2,2 2 1,8 du/de/u volts^ , U m /s U m /s Output voltage as fct. of velocity Voltage derivative as fct. of velocity

20 alimentazione motori ciclo Otto: iniezione elettronica a) portata aria

21 alimentazione motori ciclo Otto: iniezione elettronica b) sensore lambda Principio di Nernst p1 V = K T log + p 2 C p 1 = pressione parziale dell ossigeno nell'aria p 2 = pressione parziale dell ossigeno nel gas di scarico

22 alimentazione motori ciclo Otto: iniezione elettronica b) sensore lambda elettrodo esterno (gas di scarico); supporto ceramico; elettrodo interno (aria); canale per l'aria di riferimento; isolatore (supporto) ; collegamenti elettrici. Sensore lambda finger type

23 alimentazione motori ciclo Otto: iniezione elettronica b) sensore lambda 1. strato poroso protettivo; 2. elettrodo esterno (gas di scarico); 3. supporto ceramico; 4. elettrodo interno (aria); 5. canale per l'aria di riferimento; 6. isolatore; 7. resistenza per riscaldamento; 8. supporto; 9. collegamenti elettrici. Sensore lambda planar type

24 alimentazione motori ciclo Otto: iniezione elettronica b) sensore lambda 1. Componente filettato; 2. Supporto ceramico; 3. Collegamenti; 4. Protezione; 5. Sensore; 6. Contatto elettrico; 7. Cilindro esterno; 8. Elemento riscaldante; 9. Connessione elastica; 10. Rondella elastica. 1. Protezione; 2. Tenuta; 3. Componente filettato; 4. Supporto ceramico; 5. Sensore planare; 6. Cilindro esterno; 7. Collegamenti;

25 alimentazione motori ciclo Otto: iniezione elettronica La sonda lambda pre-catalizzatore serve alla centralina per regolare la dosatura e mantenerla attorno ai valori stechiometrici ottimali per far funzionare al meglio il catalizzatore, realizzando il controllo in modalità close-loop corto, con una frequenza di alcuni Hz: quando la miscela è magra la centralina comincia ad ingrassare la carburazione: in questa fase il catalizzatore accumula ossigeno; quando la miscela è ricca la centralina comincia a smagrire la carburazione: in questa fase l ossigeno accumulato ossida gli HC e il CO. Quando il catalizzatore invecchia perde la capacità di immagazzinare ossigeno nella fase di magra. Inoltre, ilo close-loop corto non è molto preciso, la centralina può far fatica a mantenere la dosatura nei limiti imposti. Test di verifica dell invecchiamento del catalizzatore. (fonte: Magneti Marelli)

26 alimentazione motori ciclo Otto: iniezione elettronica La sonda lambda dopo il catalizzatore (obbligatoria dalle norme EURO3) serve per controllarne il funzionamento. La centralina usa le lente oscillazioni del segnale della sonda post-catalizzatore con un close-loop lungo per: aggiustare finemente la dosatura; compensare, entro certi limiti (poi scatta un allarme), il lento decadimento del catalizzatore. Dal punto di vista delle prestazioni del motore ne deriva che: norma EURO2: che il catalizzatore funzioni bene o male, non interferisce sulla dosatura; norma EURO3 e successive: lo stato del catalizzatore influisce sulla dosatura.

27 alimentazione motori ciclo Otto: iniezione elettronica c) posizione angolare sensore induttivo Tensione in uscita: b = f(traferro, materiali, geometria) m = numero denti ω = velocità angolare t = tempo frequenza 1. cavo schermato 2. magnete permanente 3. sensore 4. carter 5. nucleo (ferro dolce) 6. bobina 7. traferro 8. ruota dentata posizione angolare velocità angolare

28 2. sistema iniezione: Motori a Combustione Interna c) posizione angolare sensore induttivo n=750 rpm n=3000 rpm

29 alimentazione motori ciclo Otto: iniezione elettronica iniezione iniezione λ = 1 indiretta diretta λ = 1 p i η i Zona 1 = miscela magra stratificata λ>1 Zona 2 = miscela magra omogenea λ> λ [-] Zona 3 = miscela stechiometrica omogenea λ=1

30 alimentazione motori ciclo Otto: iniezione elettronica iniezione diretta λ = 1 quantità iniettata anticipo iniezione Zona 1 = miscela magra stratificata λ>1 Zona 2 = miscela magra omogenea λ>1 Zona 3 = miscela stechiometrica omogenea λ=1

31 alimentazione motori ciclo Otto: iniezione elettronica iniezione diretta λ = 1 quantità iniettata anticipo iniezione Zona 1 = miscela magra stratificata λ>1 Zona 2 = miscela magra omogenea λ>1 Zona 3 = miscela stechiometrica omogenea λ=1

32 alimentazione motori ciclo Otto: iniezione elettronica iniezione diretta Anticipo grande Miscela omogenea Anticipo basso Miscela stratificata

33 accensione motori ciclo Otto Motori a Combustione Interna Obiettivi: - controllo anticipo accensione 1 - energia trasferita nella miscela I BA BO D CA BA = batteria I = ruttore BO = bobina CA = candele 2 1. Circuito primario 2. Circuito secondario

34 accensione motori ciclo Otto Motori a Combustione Interna angolo giri/min carico Dwell è la quantità di tempo necessario per caricare una bobina induttiva al suo livello massimo di energia. In termini di controllo del motore moderno, Dwell è definito in millisecondi. Tipicamente è compreso tra 2ms e 5ms. L accensione elettronica controlla meglio il valore di Dwell rispetto ai sistemi precedenti. Dwell Imax anticipo B

35 Sistema di controllo motore ad accensione comandata

36 sistema iniezione (motore diesel): Motori a Combustione Interna Sistemi di iniezione pompa rotativa iniettore - pompa common-rail

37 sistema iniezione (motore diesel): pompa rotativa iniettore - pompa common-rail

38 sistema iniezione (motore diesel): Impianto di iniezione meccanica (pompa Bosch)

39 sistema iniezione (motore diesel): Iniettore pompa: assenza di iniezione

40 sistema iniezione (motore diesel): Motori a Combustione Interna INIZIO INIEZIONE FINE INIEZIONE Iniettore pompa: durata iniezione

41 sistema iniezione (motore diesel): Common rail

42 4. sistema iniezione (motore diesel): Motori a Combustione Interna Segnale di controllo 0 = Combustibile p= bar Common rail

43 sistema iniezione (motore diesel): Motori a Combustione Interna portata iniettata angolo PILOTA PRINCIPALE POST Sistemi common rail 1 generazione

44 sistema iniezione (motore diesel): Motori a Combustione Interna a) l andamento della portata in funzione dell angolo di manovella b) l andamento del rilascio del calore (heat release) in funzione dell angolo di manovella Sistemi common rail 2 generazione

45 sistema iniezione (motore diesel): - iniezione pilota, effettuata con un elevato anticipo rispetto all iniezione principale, rende possibile un preriscaldamento della camera di combustione, consentendo di diminuire il rumore derivato dalla combustione; - pre-iniezione, effettuata con bassissimo anticipo rispetto all iniezione principale, permette, assieme all iniezione after, di modulare l andamento della combustione, contenendo le emissioni di inquinanti; - iniezione principale, durante la quale è erogata la frazione maggiore di combustibile; - iniezione after, effettuata subito dopo l iniezione principale, con analoghe finalità a quelle della preiniezione; - post-iniezione, effettuata periodicamente nella fase finale della combustione con lo scopo di aumentare la temperatura del gas di scarico, permettendo la rigenerazione del filtro del particolato.

46 sistema iniezione (motore diesel):

49 sistema iniezione (motore diesel): FSN: Filter Smoke Number

55 inquinanti (motore diesel): Motori a Combustione Interna HC CO NOx PM = particulate matter Per motori Euro2 o inferiori la distribuzione dimensionale si estendo fino a nm Definizione semplificata: assieme di particelle con diametro tra 10 e 2500 nm (Euro3 o superiore) derivati dalla combustione incompleta del gasolio. Contenuto di zolfo, condensazione di alcuni idrocarburi pesanti, il lubrificante, ecc.

56 inquinanti (motore diesel): Diminuire la quantità di PM emesso (soluzione a posteriori) = FILTRO

57 inquinanti (motore diesel): Nota: dn/dlogdp è la funzione densità di probabilità della distribuzione lognormale di Dp. Una variabile X è distribuita lognormalmente se Y=ln(X) è distribuita normalmente. Distribuzione dimensionale PM prova dinamica (accelerazione) Iveco Cursor8 Euro3

58 inquinanti (motore diesel):

59 inquinanti (motore diesel): Motori a Combustione Interna Sistema EGR = Exhaust Gas Recycling

60 inquinanti (motore diesel):