ITTO20130565A1

ITTO20130565A1 - Sistema per il condizionamento attivo di un fluido gassoso di aspirazione di un motore a combustione interna

Info

Publication number: ITTO20130565A1
Application number: IT000565A
Authority: IT
Inventors: Matteo Biglia; Gabriele Maione; Cristiano Massano
Original assignee: Denso Thermal Systems Spa
Priority date: 2013-07-05
Filing date: 2013-07-05
Publication date: 2015-01-06
Also published as: DE102014213042A1; US9435252B2; US20150007561A1

Description

DESCRIZIONE DELL’INVENZIONE INDUSTRIALE DAL TITOLO: "Sistema per il condizionamento attivo di un fluido gassoso di aspirazione di un motore a combustione interna"

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce in generale ai sistemi per condizionare i fluidi gassosi (aria o miscele aria-gas di scarico di ricircolo) in ingresso nei motori a combustione interna.

È noto che nella progettazione dei sistemi di alimentazione di aria o miscele aria-gas nei motori a combustione interna si affrontano problematiche di ordine differente, che richiedono il condizionamento dei fluidi in ingresso al motore.

In particolare, le sempre più restrittive normative sulle emissioni richiedono uno sforzo tecnologico continuo per il miglioramento delle prestazioni; ogni parametro che incide sul consumo di carburante e sui livelli di emissione è pertanto oggetto di studio finalizzato a tale miglioramento. A tal proposito, lo sviluppo di un sistema che garantisca un andamento di temperatura ottimale dell’aria di aspirazione in ogni condizione di marcia (dal warm-up del motore alla condizione di “wide open throttle” - WOT) può diventare uno strumento importante per il rispetto delle future normative di emissione dei motori.

Inoltre, la tendenza al down-sizing comune fra i produttori automobilistici richiede lo sviluppo di soluzioni con un’elevata potenza specifica, in particolare mediante l’uso di un turbocompressore che comprime l’aria di aspirazione.

In passato sono stati sviluppati ed applicati alla produzione di massa diversi sistemi per il controllo della temperatura dell’aria di aspirazione.

Ad esempio, alcuni costruttori hanno sviluppato un sistema di bypass di un raffreddatore dell’aria di aspirazione alimentato ad aria, utilizzato per ridurre le emissioni di CO/HC durante la fase di warm-up del motore.

Un altro costruttore ha invece proposto una tecnica di modulazione della portata, generata da una pompa elettrica ausiliaria, dell’acqua che alimenta un raffreddatore dell’aria di aspirazione al fine di mantenere costante una temperatura dei gas di aspirazione all’ingresso del motore. La pompa suddetta viene mantenuta inattiva durante la fase di warm-up del motore, fino a che non si raggiunge una temperatura target.

Tale tecnologia è stata ulteriormente sviluppata come descritto in US 2011/0088664. Tale pubblicazione descrive un sistema di aspirazione comprendente un raffreddatore dell’aria di aspirazione alimentato ad acqua, ed un ramo di bypass addizionale, i quali sono controllati tramite una doppia valvola. La disposizione suddetta permette di selettivamente raffreddare, raffreddare parzialmente o non raffreddare l’aria di carica in aspirazione al motore a seconda della velocità dello stesso.

In particolare, la presente invenzione riguarda un sistema di aspirazione per un motore a combustione interna sovralimentato di un autoveicolo, comprendente

una canalizzazione di aspirazione avente una prima estremità collegabile ad un compressore di sovralimentazione, ed una seconda estremità collegabile ad una pluralità di cilindri del motore per l’alimentazione di un fluido gassoso di aspirazione a detti cilindri, in cui detta canalizzazione di aspirazione include una linea di raffreddamento comprendente:

un raffreddatore di alta temperatura ed un raffreddatore di bassa temperatura disposti in serie lungo detta canalizzazione di aspirazione, ed alimentati con un fluido di raffreddamento previsto per raffreddare il fluido gassoso di aspirazione, detto fluido di raffreddamento essendo alimentato da un sistema di alimentazione a bordo dell’autoveicolo; ed un ramo di by-pass disposto in parallelo con detto raffreddatore di bassa temperatura, detto ramo di bypass e detto raffreddatore di bassa temperatura essendo selettivamente collegati in uscita a detto raffreddatore di alta temperatura.

Un sistema di questo tipo è descritto nell’articolo “Turbocharging with low temperature charge air cooling and EGR” di Carsten Guhr ed Hans Zellbeck (MTZ 10/2012, vol. 73, pp. 44-52). Tale sistema è stato proposto per migliorare il comportamento dinamico dei motori a benzina, in particolare in condizioni di carico a velocità ridotta. Viene inoltre individuato un aumento dell’efficienza del propulsore in condizioni stazionarie e a ridosso della curva di massima coppia di funzionamento.

Uno scopo della presente invenzione è quello di proporre un sistema in grado di seguire in modo relativamente più preciso una curva ottimale desiderata di temperatura del fluido gassoso di aspirazione in ogni condizione di marcia.

Tale scopo è raggiunto secondo l’invenzione da un sistema di aspirazione del tipo sopra definito, comprendente inoltre una linea di riscaldamento con un riscaldatore previsto per riscaldare il fluido gassoso di aspirazione, detta linea di riscaldamento essendo disposta in parallelo con detta linea di raffreddamento, in cui detto sistema di aspirazione è configurato modulabile fra una modalità di riscaldamento in cui il fluido gassoso di aspirazione è riscaldato attraverso detto riscaldatore, ed una modalità di raffreddamento in cui il fluido gassoso di aspirazione è raffreddato attraverso almeno uno di detti raffreddatore di alta temperatura e raffreddatore di bassa temperatura.

Come si può apprezzare, un tale sistema presenta un elevato numero di gradi di libertà, per il fatto di basarsi su diversi parametri di regolazione (portate di fluido di aspirazione rispettivamente distribuite a riscaldatore e raffreddatori, potenza elettrica alimentata al riscaldatore, portate di fluido di raffreddamento alimentate ai raffred datori); in tal modo, la regolazione può avvenire in modo da approssimare nel modo più preciso possibile una curva di temperatura ideale.

Forme di realizzazione preferite dell’invenzione sono definite nelle rivendicazioni dipendenti, che sono da intendersi come parte integrante della presente descrizione.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del sistema di aspirazione secondo l’invenzione diverranno più chiari con la seguente descrizione dettagliata di una forma di realizzazione del trovato, fatta con riferimento ai disegni allegati, forniti a titolo puramente illustrativo e non limitativo, in cui:

- la figura 1 è uno schema che rappresenta un sistema di aspirazione secondo la presente invenzione;

- la figura 2 è uno schema che rappresenta un modulo di condizionamento per il sistema di aspirazione di figura 1;

- la figura 3 è un grafico che confronta una curva di temperatura dell’aria di aspirazione in un sistema con un raffreddatore convenzionale ed una curva di temperatura ottimale, al variare delle condizioni di marcia di un autoveicolo; e

- le figure 4 a 6 rappresentano il modulo di condizionamento di figura 2 in differenti modalità operative, associate a rispettive condizioni di marcia dell’autoveicolo.

La figura 1 mostra un motore a combustione interna 20 convenzionale comprendente una pluralità di cilindri 21, ed una canalizzazione di aspirazione 30 una cui prima estremità 31 è collegata in uscita ad un compressore di sovralimentazione C, ed una cui seconda estremità 32 è collegata in ingresso ai cilindri 21 del motore per l’alimentazione di un fluido gassoso di aspirazione. Tale fluido gassoso può essere aria od una miscela aria/gas di scarico di ricircolo, nel caso di motori che sfruttano il ricircolo dei gas di scarico del motore.

Il motore 10 può essere un motore sovralimentato ad accensione per compressione (ad esempio un motore diesel) od un motore sovralimentato ad accensione comandata (ad esempio un motore a benzina).

La canalizzazione di aspirazione 30 comprende inoltre un modulo di condizionamento 33 oggetto della presente invenzione, per il condizionamento del fluido gassoso di aspirazione, che verrà descritto in dettaglio nel seguito. In figura 1 è inoltre rappresentato un convenzionale condotto di alimentazione aria esterna 34, collegato in ingresso al compressore C per alimentare aria esterna alla canalizzazione di aspirazione 30, e lungo il quale sono disposti un filtro aria 35 ed una valvola deviatrice 36. Alla valvola deviatrice 36 è inoltre convenzionalmente collegata in ingresso una canalizzazione di ricircolo 37a (opzionale) per il ricircolo dei gas di scarico. La figura 1 mostra inoltre una turbina T messa in rotazione dai gas di scarico del motore e solidale in rotazione con il compressore C, un componente di post-trattamento 38 per il trattamento dei gas di scarico, ed una valvola deviatrice 39, per selettivamente instradare i gas di scarico alla canalizzazione di ricircolo 37 o ad un sistema di scarico. In figura 1 è inoltre mostrata una canalizzazione di ricircolo ad alta pressione 37b convenzionalmente prevista per il ricircolo dei gas di scarico ad alta pressione, che può essere presente, o meno, a seconda delle circostanze applicative.

Con riferimento anche alla figura 2, il modulo di condizionamento 33 comprende un raffreddatore di alta temperatura 331, un raffreddatore di bassa temperatura 332 ed un riscaldatore 333. Per “modulo” si intende che i componenti suddetti possono essere integrati/assemblati all’interno di una struttura di supporto ed interconnessione, in modo da formare una singola unità costruttiva.

Il raffreddatore di alta temperatura 331 è alimentato con un fluido di raffreddamento, in particolare acqua (miscela di acqua e glicol etilene od altra sostanza refrigerante), ed è collegato ad un circuito di alimentazione del fluido di raffreddamento, comprendente una pompa P1.

Il raffreddatore di bassa temperatura 332 è alimentato con un fluido di raffreddamento, in particolare acqua (miscela di acqua e glicol etilene od altra sostanza refrigerante), ed è collegato ad un secondo circuito di alimentazione del fluido di raffreddamento, comprendente una pompa P2. Il condizionamento del fluido di raffreddamento circolante nel suddetto circuito di alimentazione di bassa temperatura è realizzato secondo sistemi tecnici noti; il circuito di bassa temperatura è impiegato per alimentare direttamente il raffreddatore di bassa temperatura ed, in alternativa od in combinazione, un serbatoio di stoccaggio del fluido di bassa temperatura eventualmente presente nel circuito, e previsto per alimentare il raffreddatore di bassa temperatura durante le fasi di transitorio rapido del motore. In una forma di realizzazione alternativa, può essere previsto un unico circuito di alimentazione che alimenta entrambi i raffreddatori 331 e 332.

Il riscaldatore 333 è un riscaldatore elettrico, ad esempio un riscaldatore con una resistenza di riscaldamento avente comportamento a coefficiente di temperatura positivo (PTC).

All’interno della canalizzazione di raffreddamento 30 il raffreddatore di alta temperatura 331 ed il raffreddatore di bassa temperatura sono disposti in serie e fanno parte di una linea di raffreddamento per raffreddare il fluido gassoso di aspirazione; il riscaldatore 333 fa parte di una linea di riscaldamento per riscaldare il fluido gassoso di aspirazione. La linea di riscaldamento comprendente il riscaldatore 333 è disposta in parallelo con la linea di raffreddamento comprendente i raffreddatori 331 e 332. Una prima valvola di regolazione V1 è collegata in uscita al riscaldatore 333 per modulare il flusso di fluido gassoso attraverso il riscaldatore 333 fra una posizione di chiusura ed una posizione di apertura della valvola di regolazione V1.

Nella linea di raffreddamento è inoltre compreso un ramo di by-pass 334 disposto in parallelo con il raffreddatore di bassa temperatura 332; il ramo di bypass 334 ed il raffreddatore di bassa temperatura 332 sono selettivamente collegati in uscita al raffreddatore di alta temperatura 331. In particolare, una seconda valvola di regolazione V2 è disposta sul ramo di by-pass 334 per modulare il flusso di fluido gassoso attraverso il ramo di bypass 334 fra una posizione di chiusura ed una posizione di apertura della valvola di regolazione V2, ed una terza valvola di regolazione V3 è disposta in uscita al raffreddatore di bassa temperatura 332 per modulare il flusso di fluido gassoso attraverso il raffreddatore di bassa temperatura 332 fra una posizione di chiusura ed una posizione di apertura della valvola di regolazione V3. Le valvole di regolazione V1, V2, V3 possono essere integrate in un unico corpo valvolare complesso a più vie, e da un punto di vista costruttivo possono anch’esse far parte del modulo di condizionamento 33. Più in generale, mezzi valvolari possono essere disposti lungo almeno una di dette linea di riscaldamento e linea di raffreddamento per modulare il flusso di fluido gassoso attraverso esse, ed in particolare possono essere associati rispettivamente al riscaldatore 333, al ramo di bypass 334 ed al raffreddatore di bassa temperatura 332, eventualmente con una disposizione differente da quella rappresentata nelle figure.

È inoltre prevista un’unità di controllo 40, che può essere l’unità di controllo motore (ECU), per governare le valvole di regolazione V1, V2, V3 e l’alimentazione elettrica al riscaldatore 333 ed alle pompe P1, P2 dei circuiti di alimentazione del raffreddatore di alta temperatura 331 e del raffreddatore di bassa temperatura 332, come indicato dalle frecce a tratti in figura 2. L’unità di controllo ECU governa il funzionamento dei dispositivi suddetti sulla base delle condizioni del veicolo. Per rilevare le condizioni di marcia del veicolo, all’unità di controllo 40 è operativamente associata una serie di sensori. In particolare, l’unità di controllo 40 riceve ed elabora segnali forniti da un eventuale sensore di temperatura di ingresso 351 e da un sensore di temperatura di uscita 352, ed indicativi della temperatura del fluido gassoso di aspirazione in ingresso (lato compressore) ed in uscita (lato motore) dal modulo di condizionamento 33. L’unità di controllo 40 riceve inoltre ed elabora segnali forniti da un sensore di velocità e da un sensore di acceleratore, e rispettivamente indicativi della velocità del veicolo (o del motore) e dell’accelerazione richiesta per il veicolo, ad esempio mediante pressione su un pedale di acceleratore. La costituzione e le modalità di posizionamento dei sensori suddetti sono di per sé convenzionali e non essenziali ai fini della presente invenzione. I segnali forniti dai vari sensori sono rappresentati da frecce a tratti in figura 1.

L’unità di controllo 40 può essere programmata per governare il sistema di aspirazione in modo da seguire approssimativamente una curva di temperatura ottimale del fluido gassoso di temperatura, la quale può essere definita a livello di progetto per lo specifico motore sulla base di diversi parametri quali ad esempio:

- Tipo di motore (benzina, gasolio, ecc.);

- Condizioni di temperatura del motore (fase di warm-up, condizioni operative normali, condizioni ambientali e di carico severe, ecc.); - Velocità e coppia richieste al motore;

- Velocità e coppia correnti del motore.

A titolo di esempio, la figura 3 rappresenta, in funzione del tempo, una possibile curva di velocità CS di un veicolo che affronta differenti condizioni di marcia, partendo dall’accensione del motore all’istante t = 0. Una linea a tratti rappresenta la temperatura ambiente, supposta costante. In figura 3 è poi rappresentata una possibile curva di temperatura CT del fluido gassoso di aspirazione (all’ingresso del motore) in un sistema convenzionale dotato di un raffreddatore del fluido di aspirazione, corrispondente alle variazioni di velocità del veicolo rappresentate dalla curva CS. In figura 3 è poi rappresentata una possibile curva di temperatura ottimale OT del fluido gassoso di aspirazione all’ingresso del motore, definita “ottimale” in quanto ottimizza il rendimento e la riduzione delle emissioni del motore alle specifiche condizioni di marcia rappresentate dalla curva CS ed alle condizioni ambientali di temperatura costante considerate nell’esempio. In un sistema di aspirazione secondo l'invenzione l’unità di controllo 40 può essere programmata per governare i vari componenti del sistema in modo da seguire nel modo più preciso possibile la curva ottimale OT.

Dopo l’accensione del motore e durante la fase di warm-up (dal punto 0 al punto 4 in figura 3), l’unità di controllo 40 può regolare le valvole di regolazione in modo da avere la valvola V1 aperta e le valvole V2 e V3 chiuse, in modo che tutto il fluido di aspirazione passi attraverso il riscaldatore 333 (si veda la figura 4); ciò può migliorare le prestazioni del motore e ridurre le emissioni di HC e CO durante il warm-up.

In una condizione di marcia normale (dal punto 4 al punto 5, dal punto 8 al punto 10, e dal punto 13 in poi), l’unità di controllo 40 può regolare le valvole di regolazione in modo da avere le valvole V1 e V3 chiuse e la valvola di regolazione V2 aperta, in modo che tutto il fluido di aspirazione passi attraverso il raffreddatore di alta temperatura 331 (si veda la figura 5), e regolare (tramite la pompa P1) la portata di fluido di raffreddamento al raffreddatore 331 per modulare la quantità di calore per unità di tempo sottratta al flusso del fluido gassoso di aspirazione. Ciò può ridurre od eliminare il degrado di prestazioni del motore durante la marcia normale.

In una condizione in cui è richiesta un’accelerazione a partire da basse velocità del motore (dal punto 5 al punto 8, e dal punto 10 al punto 13), l’unità di controllo 40 può regolare le valvole di regolazione in modo da avere la valvola V1 chiusa e le valvole V2 e V3 aperte, in modo che tutto il fluido di aspirazione passi, oltre che attraverso il raffreddatore di alta temperatura 331, anche attraverso il raffreddatore di bassa temperatura 332 (si veda la figura 6), e regolare (tramite le pompe P1 e P2) la portata di fluido di raffreddamento ai raffreddatori 331 e 332 per modulare la quantità di calore per unità di tempo sottratta al flusso del fluido gassoso di aspirazione. In condizioni di ridotte velocità del motore. Il raffreddamento addizionale apportato dal raffreddatore di bassa temperatura 332 può migliorare il comportamento dinamico del motore e ridurre il turbo-lag, con un conseguente miglioramento della guidabilità del motore.

È inoltre possibile concepire ulteriori configurazioni operative del sistema di aspirazione secondo l’invenzione, oltre a quelle sopra descritte, quali ad esempio configurazioni con apertura parziale di una o più delle valvole di regolazione V1, V2 e V3, per realizzare il passaggio di differenti frazioni del fluido di aspirazione rispettivamente attraverso il riscaldatore 333 ed i raffreddatori 331 e 332 ed effettuare una loro successiva miscelazione in modo da ottenere una regolazione ancora più fine della temperatura del fluido di aspirazione all’ingresso del motore.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Sistema di aspirazione per un motore a combustione interna sovralimentato di un autoveicolo, comprendente una canalizzazione di aspirazione (30) avente una prima estremità (31) collegabile ad un compressore di sovralimentazione (C), ed una seconda estremità (32) collegabile ad una pluralità di cilindri (21) del motore per l’alimentazione di un fluido gassoso di aspirazione a detti cilindri, in cui detta canalizzazione di aspirazione include una linea di raffreddamento comprendente: un raffreddatore di alta temperatura (331) ed un raffreddatore di bassa temperatura (332) disposti in serie lungo detta canalizzazione di aspirazione, ed alimentati con un fluido di raffreddamento previsto per raffreddare il fluido gassoso di aspirazione, detto fluido di raffreddamento essendo alimentato da un sistema di alimentazione a bordo dell’autoveicolo; ed un ramo di by-pass (334) disposto in parallelo con detto raffreddatore di bassa temperatura, detto ramo di bypass e detto raffreddatore di bassa temperatura essendo selettivamente collegati in uscita a detto raffred datore di alta temperatura; caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre una linea di riscaldamento con un riscaldatore (333) previsto per riscaldare il fluido gassoso di aspirazione, detta linea di riscaldamento essendo disposta in parallelo con detta linea di raffreddamento, in cui detto sistema di aspirazione è configurato modulabile fra una modalità di riscaldamento in cui il fluido gassoso di aspirazione è riscaldato attraverso detto riscaldatore, ed una modalità di raffreddamento in cui il fluido gassoso di aspirazione è raffreddato attraverso almeno uno di detti raffreddatore di alta temperatura e raffreddatore di bassa temperatura.
2. Sistema secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre mezzi valvolari (V1, V2, V3) disposti lungo almeno una di dette linea di riscaldamento e linea di raffreddamento per modulare il flusso di fluido gassoso attraverso esse.
3. Sistema secondo la rivendicazione 2, in cui detti mezzi valvolari sono associati rispettivamente al riscaldatore (333), al ramo di bypass (334) ed al raffreddatore di bassa temperatura (332).
4. Sistema secondo la rivendicazione 3, in cui detti mezzi valvolari comprendono primi mezzi valvolari (V1) disposti collegati in uscita al riscaldatore (333), secondi mezzi valvolari (V2) disposti sul ramo di by-pass (334), e terzi mezzi valvolari (V3) disposti collegati in uscita al raffreddatore di bassa temperatura (334).
5. Sistema secondo una delle rivendicazioni 2 a 4, in cui detti mezzi valvolari sono integrati in un unico corpo valvolare.
6. Sistema secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detti riscaldatore, raffreddatore di alta temperatura, raffreddatore di bassa temperatura ed, eventualmente, detti mezzi valvolari sono integrati in un unico modulo di condizionamento (33).
7. Sistema secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre un’unità di controllo (40) programmata per modulare il sistema di aspirazione fra la modalità di riscaldamento e la modalità di raffreddamento in funzione di condizioni di marcia del veicolo, determinate tramite una pluralità di sensori associati all’unità di controllo (40).
8. Sistema secondo la rivendicazione 7, in cui detta unità di controllo è un’unità di controllo del motore (ECU).
9. Sistema secondo la rivendicazione 7 od 8, in cui detti sensori comprendono un sensore di temperatura di uscita (352) previsto per fornire un segnale indicativo della temperatura del fluido gassoso di aspirazione a valle del sistema di aspirazione, un sensore di velocità previsto per fornire un segnale indicativo della velocità del veicolo, ed un sensore di acceleratore previsto per fornire un segnale indicativo di un’accelerazione richiesta per il veicolo.
10. Sistema secondo la rivendicazione 9, in cui detti sensori comprendono inoltre un sensore di temperatura di ingresso (351) previsto per fornire un segnale indicativo della temperatura del fluido gassoso di aspirazione all’ingresso della canalizzazione di aspirazione (30), a valle del compressore di sovralimentazione (C).