INFLUENZA DI DOSATURA ED ANTICIPO D ACCENSIONE SULLE PRESTAZIONI DEL MOTORE

INFLUENZA DI DOSATURA ED ANTICIPO D ACCENSIONE SULLE PRESTAZIONI DEL MOTORE Alberto Beccari (1) Emiliano Pipitone (1) (1) Dipartimento di Meccanica ed Aeronautica Università di Palermo SOMMARIO Nelle moderne vetture a benzina una centralina di controllo elettronica (CPU) presiede alle principali funzioni di controllo e gestione del motore. Due parametri assumono particolare rilievo sul consumo specifico e sulle emissioni: il tempo di iniezione (ovvero la dosatura della miscela carburata) e l anticipo d accensione rispetto al punto morto superiore. I valori di queste due variabili sono memorizzati all interno della CPU, in apposite mappe, in funzione del carico e del regime di rotazione del motore. Si è voluto studiare l incidenza quantitativa dei due parametri sopra citati sulle prestazioni del motore e dimostrare che una scelta opportuna di entrambi i valori consente una riduzione significativa dei consumi ( e delle emissioni che ne derivano). I risultati di prove sperimentali stazionarie confermano le aspettative e mostrano che il consumo specifico risente maggiormente di una scelta non ottimale dell'anticipo che non di una dosatura di funzionamento stechiometrica. ABSTRACT Modern spark ignition automotive engines are controlled by an electronic control unit (ECU or CPU) which selects the right value of injection nozzle opening time and spark advance as a function of load and angular speed, according to maps properly stored in memory. Since air-fuel ratio and spark advance strictly influence both engine efficiency and pollutants emissions, the authors intended to evaluate this dependence for different conditions of load and angular speed. Experiments carried on a test stand show a considerable potential in lowering fuel consumption and related emissions by selecting the appropriate value both for spark advance and injection time. Moreover, as far as the specific fuel consumption is concerned, the optimal choice for spark advance proved to have greater influence than the best air-fuel ratio. 1. INTRODUZIONE Nei moderni motori automobilistici ad accensione comandata la dosatura di funzionamento è regolata automaticamente in retroazione tramite sonda lambda, intervenendo sul tempo di attivazione dell iniettore preposto alla carburazione dell aria aspirata, in modo da alimentare ogni cilindro con miscela carburata stechiometrica: questo al fine di rendere efficace l azione del catalizzatore ossidante-riducente delle sostanze inquinanti allo scarico. Infatti l efficienza del dispositivo catalizzante è accettabile solamente in una finestra molto stretta di dosatura, nell intorno del valore stechiometrico. Detto funzionamento stechiometrico è poi completato da una opportuna mappatura di anticipo d accensione rispetto al punto morto superiore, mappatura funzione del carico (apertura della valvola a farfalla e/o pressione nel collettore di aspirazione) e della velocità angolare del motore. In particolari condizioni operative del motore, tipicamente a piena ammissione, la logica del funzionamento a dosatura stechiometrica viene esclusa a favore di un funzionamento con eccesso di carburante (miscela carburata ricca), al fine di conseguire da un lato il massimo valore di coppia all albero motore e dall altro di non surriscaldare le parti meccaniche critiche del motore (valvole di scarico, ecc.). Tutti i dati di mappatura del tempo di iniezione e dell anticipo d accensione sono memorizzati in apposita EPROM di corredo alla centralina elettronica di controllo (CPU) ([1], [2]). La tecnica sopra descritta, ben nota universalmente ai motoristi auto, è necessaria da un lato per superare le prove di omologazione delle vetture (cicli di prova standard con misura delle emissioni inquinanti) e dall altro 1

per preservare l incolumità del motore e le sue massime prestazioni a pieno carico. Tutto ciò ha presumibilmente un costo: maggiore consumo specifico della potenza nel funzionamento stechiometrico rispetto all ottimo funzionamento con miscela carburata povera, nella marcia a carico moderato; notevole inquinamento in termini di ossido di carbonio CO ed idrocarburi incombusti HC nel funzionamento con miscela carburata ricca a pieno carico, condizione in cui il catalizzatore non abbatte gli inquinanti essendo la dosatura di funzionamento fuori finestra ([3], [4], [5]). 2. CAMPAGNA DI PROVE SPERIMENTALI La sperimentazione condotta in sala prova motori presso in nostro Dipartimento si è proposta di valutare quantitativamente il guadagno ottenibile sulle prestazioni del motore, in termini di consumo specifico e coppia, attraverso una opportuna scelta delle due variabili anticipo d accensione e tempo di iniezione. I risultati ottenuti mostrano, in estrema sintesi, che le mappe originali memorizzate nella Eprom (in particolar modo quella dell anticipo di accensione) non assicurano il funzionamento ottimale del motore a regime costante. In particolare si è osservato che la penalizzazione dovuta al funzionamento stechiometrico è marginale rispetto alla penalizzazione prodotta da un valore non ottimale dell'anticipo di accensione. Il banco prove utilizzato per la sperimentazione è costituito essenzialmente da: a) freno a correnti parassite Schenck regolato su una caratteristica frenante a velocità angolare costante b) motore Fiat Fire ad iniezione del tipo Single Point (SPI) da 1108 cc c) motore Fiat Fire ad iniezione del tipo Multi Point simultanea (MPI) da 1242 cc d) centralina di sviluppo Walbro in grado di intervenire in tempo reale sui due parametri tempo di iniezione ed anticipo di accensione e) accelerometro Brüel & Kjær collegato ad oscilloscopio al fine di avvertire l incipiente detonazione f) misuratore ottico di velocità angolare g) computer per l'elaborazione dei dati sperimentali acquisiti Le prove sperimentali si sono suddivise in una prima fase di rilievo delle prestazioni (consumo carburante, produzione inquinanti e coppia all albero in funzione del carico e della velocità di rotazione del motore a regime costante) nonché dei parametri di funzionamento (anticipo d accensione e tempo di iniezione) dei motori pilotati dalle rispettive centraline originali, ed in una seconda fase di ottimizzazione dei parametri citati, attraverso l impiego della centralina di sviluppo, perseguendo il duplice obiettivo di massimizzare la coppia motrice in condizioni di pieno carico (WOT) e di minimizzare il consumo specifico della potenza in parzializzazione. Allo scopo di rendere confrontabili i risultati ottenuti si è provveduto, quando possibile, ad eliminare l influenza delle variabili esterne. Posto come obiettivo la valutazione dell influenza delle due variabili indipendenti anticipo d accensione e tempo d iniezione sulle 360 350 340 330 320 310 qs [g/kwh] n = 1500 φ = 0.5 λ = 0,96 λ = 1,02 λ = 1,08 Ant. [ ] 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 Figura 1 Consumo specifico al variare dell angolo di anticipo per diverse dosature di funzionamento (Fiat Fire 1108 SPI, 1500 rpm, φ=0.5) prestazioni del motore, è stato necessario definire una strategia di intervento su tali variabili. Attraverso prove preliminari svolte sul primo motore esaminato (vedi Figura 1, in cui il rapporto stechiometrico λ è stato calcolato sulla base dei valori rilevati delle emissioni di CO, CO 2, ed O 2 [6]) si è osservato che non è possibile stabilire una priorità di intervento fra le due variabili, cioè non esiste un valore ottimo di dosatura per qualsiasi valore di anticipo e viceversa (vedi anche [1] pag.25). 2

Figura 2 Consumo specifico al variare della ricchezza della miscela carburata per diversi angoli di anticipo d accensione [2] Se esistesse, tracciando diverse curve di consumo specifico a dosatura costante al variare dell anticipo d accensione, se ne troverebbe una tutta al di sotto delle altre, mentre, come si vede per esempio in Figura 1, le curve a dosatura costante si intersecano. Il risultato non cambia se invece si tracciano curve ad anticipo d accensione costante al variare della dosatura (vedi Figura 2, [2]): non è possibile individuare un valore dell angolo di anticipo per cui il consumo specifico sia il minimo qualunque sia la dosatura di funzionamento. Nella sperimentazione sul primo motore (FIAT Fire 1108cc Single Point Injection) si è proceduto facendo variare prima il tempo di iniezione, ad anticipo di accensione costante, fino a raggiungere il minimo consumo specifico, ovvero il minimo valore del rapporto t inj / C, essendo t inj il tempo di iniezione (letto sulla console della centralina di sviluppo) e C la coppia motrice. Dalle espressioni della pressione media effettiva p me e del consumo specifico si ottiene infatti p me C 4π = V C q S t = inj K inj 4C π γ b q S = t inj p q K me S inj V C γ b tinj C (1) dove Vc è la cilindrata del motore, K inj è una costante di proporzionalità tra il tempo di apertura degli iniettori ed il volume di combustibile iniettato in un ciclo e γ b la densità del combustibile, e quindi ad anticipo d accensione costante, il consumo specifico risulta proporzionale al rapporto tra il tempo di iniezione e la coppia motrice. Raggiunto così un minimo del consumo specifico al variare del tempo di iniezione (cioè della dosatura) si è variato l anticipo d accensione alla ricerca del valore che rendesse massima la coppia motrice. Seguendo questa strategia sono state ricavate le curve del consumo specifico in funzione della frazione di carico f(=p me /p me_max ) del motore ottimizzato e messe a confronto con quelle ricavate per il motore pilotato dalla centralina originale (vedi grafici in Figura 3). Per quanto riguarda l ottimizzazione in condizioni di pieno carico, si sono cercati i valori di tempo di iniezione ed anticipo d accensione 1 che rendessero massima la coppia motrice (ovvero la p me ): il risultato è mostrato nell ultimo grafico di Figura 3, in cui le p me sono riferite a condizioni standard dell'ambiente di aspirazione p o =760 mmhg e T o =273.15 K. In generale si è ottenuta una diminuzione di consumo specifico rispetto alla versione originale fino a velocità angolari di 0 giri/min. In Figura 4 sono mostrate le mappe collinari del consumo specifico ottenute impiegando la centralina originale e quella di sviluppo ottimizzata. Da questa prima serie di prove si è appurato che il funzionamento con dosatura stechiometrica a carico parziale costituisce una penalizzazione del consumo marginale rispetto ad una scelta non ottimale dell'anticipo d'accensione. I valori di dosatura ottimali riscontrati si scostano infatti ben poco dall'unità, mentre gli incrementi di anticipo rispetto alla versione originale vanno dai 5 ai 15 di angolo di manovella. 1 Rispettando comunque la condizione di "non detonazione", condizione limitante il funzionamento per frazioni di carico φ 0.6 3

q S [g/kwh] 1500 giri/min q S [g/kwh] 500 2000 giri/min 600 550 450 500 450 350 350 250 0.2 0.4 0.6 0.8 1 f 250 0.2 0.4 0.6 0.8 1 f q S [g/kwh] 0 giri/min Ottimizzato 500 [bar] 10 Confronto Pme massima 450 9.5 9 8.5 350 8 7.5 250 0.2 0.4 0.6 0.8 1 f 7 1000 2000 0 0 5000 [rpm] Figura 3 Confronto consumo specifico e p me massima (φ = p me / p me_max = frazione di carico massimo, motore: Fiat Fire 1108cc SPI) 4

Pme [bar] 9.40 9.00 8.60 8.20 7.80 7.40 7.00 6.60 6.20 5.80 5.40 5.00 4.60 4.20 3.80 3.40 3.00 2.60 2.20 1.80 1.40 1500 2000 2500 0 3500 0 4500 5000 Regime di rotazione [giri/min] Pme [bar] 9.40 9.00 8.60 8.20 7.80 7.40 7.00 6.60 6.20 5.80 5.40 5.00 4.60 4.20 3.80 3.40 3.00 2.60 2.20 1.80 1.40 1500 2000 2500 0 3500 0 4500 5000 Regime di rotazione [giri/min] Figura 4 Mappe collinari del consumo specifico (Fiat Fire 1108cc SPI): a sinistra motore originale, a destra motore ottimizzato Alla luce di questi risultati, nelle prove sperimentali condotte sul secondo motore (Fiat Fire 1242cc con sistema di iniezione multi point simultanea) si è deciso di cambiare la strategia di intervento, portando così prima l'anticipo al valore di massima coppia (MBT) e successivamente intervenendo sul tempo di iniezione alla ricerca di un consumo specifico ancora minore, valutato sempre attraverso il rapporto t inj / C. Le curve rappresentate in Figura 5, Figura 6 e Figura 7 mettono a confronto gli andamenti del consumo specifico rilevati a regime costante ed al variare del carico. Si distinguono tre curve: una per il motore gestito dalla centralina originale, una per il motore pilotato dalla centralina di sviluppo (di produzione Walbro) intervenendo solo sull'anticipo e l'ultima per il motore funzionante in condizioni ottimali di anticipo e tempo di iniezione. 440 420 q S [g/kwh] Confronto q S a 1500 rpm 380 360 340 320 Ottimiz. solo anticipo Ottimiz. Completa 280 260 240 220 Pme [bar] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Figura 5 Curve di consumo specifico rilevate sul motore Fiat 1242cc MPI a 1500 rpm 5

440 420 q S [g/kwh] Confronto q S a 2500 rpm 380 360 340 320 Ottimiz. Anticipo Ottimiz. Completa 280 260 240 220 200 Pme [bar] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Figura 6 Curve di consumo specifico rilevate sul motore Fiat 1242cc MPI a 2500 rpm 420 380 q S [g/kwh] Confronto q S a 3500 rpm 360 340 320 Ottimiz. Solo Anticipo Ottimiz. Completa 280 260 240 220 Pme [bar] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Figura 7 Curve di consumo specifico rilevate sul motore Fiat 1242cc MPI a 3500 rpm Come si vede gran parte del guadagno sul consumo specifico si ottiene intervenendo solo sull'anticipo, mentre la successiva ricerca del tempo di iniezione ottimale non sortisce grande effetto. In Figura 8 sono messe a confronto le mappe collinari del consumo specifico del motore Fiat 1242cc MPI pilotato dalla centralina originale e da quella di sviluppo ottimizzata, mentre in Figura 9 è rappresentato graficamente, al variare del carico al motore (ovvero della pressione media effettiva p me ) e del regime di rotazione, il guadagno percentuale sul consumo specifico ottenuto attraverso la calibrazione ottimale della centralina di sviluppo. Si osserva che anche agli alti regimi di rotazione si è riusciti ad ottenere un piccolo miglioramento sul rendimento del motore, mentre per quanto riguarda la coppia a pieno carico non si è ottenuto nessun vantaggio significativo oltre i 4500 giri/min. (in Figura 10 è riportato l andamento della p me massima in funzione del regime di rotazione sia per il motore gestito dalla centralina originale che da quella di sviluppo ottimizzata.). 6

Figura 8 Confronto mappe collinari del consumo specifico (Fiat Fire 1242cc MPI): a sinistra motore originale, a destra motore ottimizzato 16% 1500 2000 2500 0 3500 0 4500 5000 14% 12% 10% 8% 6% 4% 2% 1500 rpm 2000 2500 0 3500 0 4500 5000 11 10 9 8 7 6 3 4 5 pme [bar] 2 0% Figura 9 Guadagno percentuale sul consumo specifico ottenuto con centralina di sviluppo ottimizzata Durante le prove sono stati rilevati anche i valori delle emissioni inquinanti monossido di carbonio CO ed idrocarburi incombusti HC allo scarico (prima del catalizzatore). Anche qui i due parametri in studio hanno mostrato una diversa influenza. Contrariamente a quanto osservato per il consumo specifico, l intervento 7

p me [bar] 11.5 11 10.5 10 9.5 quest ultima ha mostrato ancora un effetto prevalente. Ottimizzato 9 1000 1500 2000 2500 0 3500 0 4500 5000 5500 rpm Figura 10 Confronto p me massima ottenuta con il motore Fiat Fire 1242 MPI in versione originale ed ottimizzato sull anticipo d accensione non ha determinato variazioni rilevanti sulle emissioni di CO rispetto al motore gestito dalla centralina originale (in alcuni casi si è riscontrato un debole incremento probabilmente dovuto ad una maggiore dissociazione dell anidride carbonica CO 2 per via delle più alte temperature raggiunte nel cilindro aumentando l anticipo d accensione), mentre l'impoverimento della miscela carburata ai carichi parziali ha mostrato maggiore efficacia nell'abbattimento dell'ossido di carbonio (vedi Figura 11 e Figura 12). Sulle emissioni di idrocarburi incombusti, invece, si sono ottenute riduzioni sia ottimizzando l anticipo che la dosatura, anche se 7 % Vol. 6 5 4 3 Emissioni di CO 1500 rpm Ottimizzaz. Solo Anticipo Ottimizzaz. Completa 2 1 0 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 f (pme/pme_max) ppm 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 Emissioni di HC 1500 rpm 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 f (pme/pme_max) Figura 11 Confronto emissioni inquinanti rilevate dal motore Fiat Fire 1242 MPI a 1500 rpm 8

7 % Vol. 6 5 4 Emissioni di CO 3500 rpm Ottimizzaz. Solo Anticipo Ottimizzaz. Completa 3 2 1 0 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 f (pme/pme_max) ppm 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 Emissioni di HC 3500 rpm 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 f (pme/pme_max) Figura 12 Confronto emissioni inquinanti rilevate dal motore Fiat Fire 1242 MPI a 3500 rpm Non è stato possibile per ora rilevare i livelli delle emissioni di ossidi di azoto NO X, ma è noto dalla letteratura ([2], [3], [4], [5]) che questi raggiungono il massimo in corrispondenza di una dosatura di funzionamento leggermente povera (1<λ<1.1) e che aumentano anch essi con l anticipo d accensione a causa di una maggiore dissociazione dovuta alle più alte temperature in camera di combustione (vedi Figura 13). Figura 13 Emissioni di ossidi di azoto al variare della dosatura e per diversi valori dell anticipo [2] 3. CONCLUSIONI In base alla sperimentazione condotta può per ora trarsi la conclusione che il funzionamento del motore con miscela carburata stechiometrica in parzializzazione costituisce una penalizzazione marginale dal punto di vista del consumo specifico della potenza. Una maggiore influenza è invece da ascriversi all'anticipo d'accensione, che però deve anche rispettare valori compatibili con alcune caratteristiche irrinunciabili per il corretto funzionamento del motore, quali la guidabilità della vettura e la formazione di ossidi di azoto. E' comunque certo che l individuazione dell'anticipo di massima coppia a dosatura e carico costante (MBT) riveste un importanza motoristica fondamentale, tale da giustificarne la ricerca automatica, per esempio con dispositivi di controllo in retroazione [7] [8] [9], piuttosto che basandosi solamente su valori fissi memorizzati nella CPU. 9

ELENCO DEI SIMBOLI φ = p me /p me_max γ b C ECU CPU K inj MBT MPI p me q s SPI t inj Vc Frazione di carico massimo Densità del combustibile Coppia motrice Electronic Control Unit Central Process Unit costante di proporzionalità tra il tempo di apertura degli iniettori e la benzina iniettata Maximum Brake Torque Multi Point Injection pressione media effettiva riferita a condizioni standard dell'ambiente di aspirazione p o =760 mmhg e T o =273.15 K consumo specifico della potenza Single Point Injection tempo di apertura dell iniettore cilindrata del motore BIBLIOGRAFIA [1] H.P.Lenz, Mixture Formation in Spark-Ignition Engines, Springer-Verlag Wien New York, SAE International, 1992 [2] Bosch, Automotive electric / electronic systems, SAE, 1988 [3] A. Beccari, C. Caputo, Motori termici volumetrici, UTET, 1987 [4] John B.Heywood, Internal combustion engine foundamentals, McGraw-Hill Book Company, 1988 [5] F.Shafer, R. van Basshuysen, Reduced emissions and Fuel Consumption in Automobile Engines, Springer- Verlag Wien New York, SAE International, 1995 [6] A. Beccari, N. Di Bartolomeo, "Valutazione della dosatura mediante analisi dei gas di scarico", Rivista: ATA, 1996 [7] Paul H. Schweitzer and Carl Volz, "Electronic Optimizer Control for I.C. engine: most MPG for any MPH", SAE Paper 750370 [8] Lars Eriksson, "Spark advance modelling and control", Linus & Linnea, Linköping, Svezia 1999 [9] P. Yoon, S. Park, M. Sunwoo, "Closed-loop control of spark advance and air-fuel ratio in SI engines using cylinder pressure", SAE Technical Papers 2000-01-0933 10