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.
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
Correlazione tra rapporto aria-combustibile e emissioni di CO, HC, NO
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.
sistema alimentazione motori ciclo Otto: carburazione p i η i 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 λ [-] potenza massima miscela ricca efficienza massima miscela magra
alimentazione motori ciclo Otto: iniezione elettronica controllo iniezione λ = 1 NO x HC CO N 2 + O 2 H 2 0 + CO 2 CO 2
alimentazione motori ciclo Otto: iniezione elettronica Funzionamento della marmitta catalitica
alimentazione motori ciclo Otto: iniezione elettronica anticipo quantità
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
alimentazione motori ciclo Otto: iniezione elettronica misuratore portata catalizzatore Sonda λ FEEDFORWARD τ τ FEEDBACK ECU
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.
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
alimentazione motori ciclo Otto: iniezione elettronica a) portata aria anemometro filo caldo film caldo
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)
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
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
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
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
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^-1 4 3 1,6 2 5 10 15 20 25 30 35 40 5 10 15 20 25 30 35 40 U m /s U m /s Output voltage as fct. of velocity Voltage derivative as fct. of velocity
alimentazione motori ciclo Otto: iniezione elettronica a) portata aria
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
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
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
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;
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)
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.
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
2. sistema iniezione: Motori a Combustione Interna c) posizione angolare sensore induttivo n=750 rpm n=3000 rpm
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>1 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 λ [-] Zona 3 = miscela stechiometrica omogenea λ=1
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
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
alimentazione motori ciclo Otto: iniezione elettronica iniezione diretta Anticipo grande Miscela omogenea Anticipo basso Miscela stratificata
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
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
Sistema di controllo motore ad accensione comandata
sistema iniezione (motore diesel): Motori a Combustione Interna Sistemi di iniezione pompa rotativa iniettore - pompa common-rail
sistema iniezione (motore diesel): pompa rotativa iniettore - pompa common-rail
sistema iniezione (motore diesel): Impianto di iniezione meccanica (pompa Bosch)
sistema iniezione (motore diesel): Iniettore pompa: assenza di iniezione
sistema iniezione (motore diesel): Motori a Combustione Interna INIZIO INIEZIONE FINE INIEZIONE Iniettore pompa: durata iniezione
sistema iniezione (motore diesel): Common rail
4. sistema iniezione (motore diesel): Motori a Combustione Interna Segnale di controllo 0 = Combustibile p=300-1800 bar Common rail
sistema iniezione (motore diesel): Motori a Combustione Interna portata iniettata angolo PILOTA PRINCIPALE POST Sistemi common rail 1 generazione
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
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.
sistema iniezione (motore diesel):
sistema iniezione (motore diesel):
sistema iniezione (motore diesel):
sistema iniezione (motore diesel): FSN: Filter Smoke Number
sistema iniezione (motore diesel):
sistema iniezione (motore diesel):
sistema iniezione (motore diesel):
sistema iniezione (motore diesel):
sistema iniezione (motore diesel):
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 10000 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.
inquinanti (motore diesel): Diminuire la quantità di PM emesso (soluzione a posteriori) = FILTRO
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
inquinanti (motore diesel):
inquinanti (motore diesel): Motori a Combustione Interna Sistema EGR = Exhaust Gas Recycling
inquinanti (motore diesel):