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Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Corso di Laurea Triennale in Ingegneria Elettronica - Informatica A.A. 2005/2006 – II Periodo di lezione Corso di: Dinamica e Controllo delle Macchine Docente: Prof. Giuseppe Cantore Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata EMISSIONI INQUINANTI Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata 1 EFFICIENZA DEL CATALIZZATORE Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata 2 INDICE D’ARIA – DEFINIZIONE Indice d’aria l ma mf l ma mf s ma = massa di aria mf = massa di combustibile (fuel) pedice ()s = quantità stechiometriche Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata 3 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 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 Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata 4 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 l, 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, tinj Affinché il catalizzatore funzioni correttamente la variazione del rapporto A/F rispetto al valore stechiometrico non deve essere superiore al 1% Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata 5 CONTROLLO IN CATENA APERTA Schema del sistema di aspirazione Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata 6 MASSA D’ARIA ASPIRATA Sistemi di misura: Sistemi di misura della massa di aria aspirata dal motore M.A.F. -n s–d Mass Air Flow Alfa Speed Speed Density (Anemometro a filo caldo) Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata 7 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 Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata 8 MASSA D’ARIA ASPIRATA Sistemi di misura: Sistema s – d (speed-density): noto il volume del cilindro, si calcola la massa di aria aspirata conoscendo la temperatura e la pressione dell’aria nel collettore: pcoll R Tcoll = densità dell’aria nel collettore pcoll = pressione dell’aria nel collettore Tcoll = temperatura dell’aria nel collettore R = costante del gas ma,asp = massa di aria aspirata ma ,asp Vcil v Vcil = volume del cilindro v = rendimento volumetrico del motore Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata 9 MASSA D’ARIA ASPIRATA Se riuscissimo ad avere le misure di pressione e di temperatura all’interno del cilindro stesso il sistema sarebbe molto più raffinato e preciso Purtroppo però questo non è possibile per varie ragioni: - l’ambiente presente all’interno del cilindro (si raggiungono picchi di pressione e di temperatura elevati per i sensori); - le variazioni della temperatura sono molto veloci e i sensori usati in questa misura hanno una elevata costante di tempo, quindi non sarebbero in grado di seguirne l’andamento in tempi brevi; - inoltre esiste anche una ragione economica: infatti avrei bisogno di 2 sensori (per p e T) per ogni cilindro, e questa tipologia di sensori è solitamente molto costosa Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata 10 MASSA D’ARIA ASPIRATA Andamento della pressione all’interno del cilindro Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata 11 MASSA D’ARIA ASPIRATA Quindi poiché nel cilindro non si possono rilevare né la pressione né la temperatura l’unica alternativa è misurare la pressione e la temperatura nel collettore a monte del motore Se le condizioni del fluido rimanessero inalterate passando dal collettore al cilindro allora avremmo la misura corretta della massa di aria aspirata ma, purtroppo, le caratteristiche variano a causa delle temperature elevate che si raggiungono all’interno della camera di combustione, delle perdite di carico attraverso le valvole, dell’iniezione di benzina Allora per evitare di commettere degli errori troppo elevati nella misura della massa di aria aspirata si introduce un rendimento di carica o volumetrico Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata 12 MASSA D’ARIA ASPIRATA Sistema speed-density: Rendimento volumetrico relativo: ci si riferisce alle condizioni presenti nel collettore: vol ,rel ma ,reale ma ,coll ma,reale = massa di aria realmente presente nel cilindro ma,coll = massa di aria che sarebbe presente nel cilindro se avesse le caratteristiche (p e T) presenti nel collettore Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata 13 MASSA D’ARIA ASPIRATA Sistema alfa-speed: Rendimento volumetrico assoluto: ci si riferisce alle condizioni dell’ambiente esterno (p = 760 mmHg e T= 20 °C): vol ,ass ma ,reale ma ,amb ma,reale = massa di aria realmente presente nel cilindro ma,amb = massa di aria che sarebbe presente nel cilindro se avesse le caratteristiche (p e T) presenti nell’ambiente esterno al momento della prova al banco Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata 14 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 ambientali Per valutare la massa realmente aspirata nel cilindro devo avere memorizzato in centralina il valore del rendimento volumetrico assoluto o relativo, a secondo del sistema considerato Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata 15 MAPPATURA IN CENTRALINA Sistema speed-density: Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata 16 MAPPATURA IN CENTRALINA Sistema alfa-speed: Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata 17 MAPPATURA IN CENTRALINA Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata 18 MAPPATURA IN CENTRALINA Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata 19 RENDIMENTO VOLUMETRICO vol ,rel ma ,reale pcoll Vcil R T coll Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata 20 RENDIMENTO VOLUMETRICO Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata 21 RENDIMENTO VOLUMETRICO Chiusura acceleratore, farfalla rpm Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata 22 RENDIMENTO VOLUMETRICO Chiusura acceleratore, farfalla rpm Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata 23 RENDIMENTO VOLUMETRICO Chiusura acceleratore, farfalla rpm Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata 24 RENDIMENTO VOLUMETRICO MAP = pressione nel collettore di aspirazione Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata 25 RENDIMENTO VOLUMETRICO Sistema alfa-speed: Maria vol ,ass Vcil 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 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 Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata 26 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 Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata 27 CONTROLLO IN CATENA CHIUSA Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata 28 CONTROLLO IN CATENA CHIUSA Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata 29 CONTROLLO IN CATENA CHIUSA Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata 30 CONTROLLO IN CATENA CHIUSA Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata 31 CONTROLLO IN CATENA CHIUSA Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata 32 CONTROLLO IN CATENA CHIUSA Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata 33 CONTROLLO IN CATENA CHIUSA Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata 34 CONTROLLO IN CATENA CHIUSA Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata 35 CONTROLLO IN CATENA CHIUSA Controllo di un Motore a Combustione Interna ad Accensione Comandata 36