ITTO940609A1 - Sistema elettronico di controllo dinamico della pressione di iniezione in un impianto di iniezione a collettore comune. - Google Patents
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Abstract
Sistema elettronico (1) di controllo della pressione di iniezione per un impianto di iniezione (4) carburante in cui una pompa (8) é atta ad alimentare carburante ad elevata pressione ad un collettore di alimentazione comune (17) (RAIL) provvisto di una pluralità di uscite (19a, l9b, 19c, 19d) comunicanti con rispettivi iniettori (21a, 21b, 21c, 21d). L'Impianto dì iniezione (4) comprende un regolatore di pressione (24) che è interposto tra un'uscita (8a) della pompa (8) ad un ingresso (17a) del collettore (17) ad è controllato da un segnale di pilotaggio (u (z)) generato da un circuito regolatore (50). Il circuito regolatore (50) riceve in ingresso un segnale digitale di errore (Err (z)) differenza tra un segnale (Pmis (z)) generato da un sensore di pressione (38) nel collettore ed un sognale (Prif (z)) rappresentante una pressione di riferimento ottimale. il regolatore (50) presenta una funzione di trasferimento R(z) del tipo. (FORMULA I) dove A, Kc sono coefficienti numerici calcolati e Z è la variabile digitale.(Figura 1).
Description
D E S C R I Z I O N E
del brevetto per invenzione industriale
La presente invenzione è relativa ad un sistema elettronico di controllo dinamico della pressione di iniezione in un impianto di iniezione a collettore comune .
Sono noti sistemi di controllo della pressione di iniezione per impianti di alimentazione carburante in cui una pompa è atta ad alimentare carburante ad elevata pressione (1000-1300 bar) ad un collettore di alimentazione (RAIL) provvisto di una pluralità di uscite comunicanti con rispettivi iniettori.
Tali impianti di alimentazione comprendono inoltre un regolatore di pressione che è interposto tra un'uscita della pompa ed un ingresso del collettore di alimentazione (RAIL) e comunica con un condotto per il ritorno carburante.
I sistemi di controllo di tipo noto comprendendo una centralina elettronica ricevente in ingresso un primo segnale generato da un sensore di pressione disposto sul collettore di alimentazione ed un secondo segnale rappresentante una pressione di riferimento ottimale; tale centralina elettronica elabora i segnali di ingresso e genera in uscita un segnale di pilotaggio per il regolatore di pressione.
In particolare, i sistemi di controllo di tipo noto comprendono un regolatore proporzionale integrale P.I. il quale riceve in ingresso un segnale di errore e(t) differenza tra il primo ed il secondo segnale e genera in uscita il segnale di pilotaggio u(t) secondo una espressione del tipo:
dove e(t) è l'errore, u(t) è il segnale di pilotaggio e Ki e Kp sono rispettivamente la costante proporzionale e quella integrale del regolatore P.I..
Tali sistemi di controllo pressione di iniezione realizzano un controllo approssimato che non è efficace per tutte le condizioni di lavoro dell'impianto di alimentazione .
I sistemi noti possono inoltre presentare fenomeni di instabilità.
Scopo della presente invenzione è quello di realizzare un sistema che risolva gli inconvenienti dei sistemi noti.
Il precedente scopo è raggiunto dalla presente invenzione in quanto essa è relativa ad un sistema di controllo dinamico della pressione di iniezione in un impianto di iniezione carburante di un motore a combustione interna;
il detto impianto di iniezione comprendendo: almeno una pompa atta ad alimentare carburante in pressione ad un collettore di alimentazione (RAIL) provvisto di una pluralità di uscite comunicanti con rispettivi iniettori del detto motore;
almeno un regolatore di pressione interposto tra un uscita di detta pompa ed un ingresso di detto collettore di alimentazione;
detto regolatore di pressione comunicando con almeno un condotto per il ritorno carburante;
il detto sistema di controllo della pressione comprendendo :
mezzi sensori di pressione disposti sul detto collettore di alimentazione ed atti a generare un primo segnale (Pmis) correlato alla pressione carburante nel detto collettore di alimentazione;
mezzi atti a generare un secondo segnale (Prif) correlato ad una pressione ottimale;
mezzi controllori elettronici riceventi il primo ed il secondo segnale e generanti in uscita un segnale di pilotaggio U(z) per il detto regolatore di pressione.
caratterizzato dal fatto che i detti mezzi controllori elettronici comprendono mezzi regolatori riceventi in ingresso un segnale di errore digitale Err(z) e generanti in uscita detto segnale di pilotaggio U(z); detto segnale di errore digitale Err(z) essendo proporzionale alla differenza tra il detto primo ed il detto secondo segnale;
detti mezzi regolatori presentando una funzione di trasferimento a dati campionati R(z)=U(z)/Err(z) del tipo:
[1]
dove:
z = variabile digitale;
a = coefficiente numerico;
Kc coefficiente proporzionale numerico.
L'invenzione verrà ora illustrata con particolare riferimento alle figure allegate che rappresentano una preferita forma di realizzazione non limitativa in cui:
la figura 1 illustra un sistema elettronico di controllo dinamico della pressione di iniezione realizzato secondo i dettami della presente invenzione; e
la figura 2 illustra un diagramma a blocchi logico atto a chiarire il funzionamento fisico-matematico del sistema di controllo secondo la presente invenzione. Con riferimento alla figura 1, verrà ora descritto un sistema elettronico 1 di controllo dinamico della pressione di iniezione applicato ad un impianto di iniezione 4 di un motore 6 a combustione interna (rappresentato schematicamente), in particolare un motore diesel.
L'impianto di iniezione 4 comprende una pompa di alimentazione elettrica 8 che comunica in ingresso, tramite un condotto di alimentazione 10, con un serbatoio combustibile 12 e presenta un uscita 8a che comunica, attraverso una linea di alimentazione ad alta pressione 15 (1000-1300 bar), con un ingresso 17a di un collettore (RAIL) di alimentazione 17 di tipo noto.
Il collettore di alimentazione (RAIL) 17 è provvisto di una pluralità di uscite 19a, 19b, 19c 19d che comunicano con rispettivi iniettori 2la, 21b, 2lc.
21d del motore 6 (collettore comune).
L'impianto di iniezione 4 comprende inoltre un regolatore di pressione 24 interposto sulla linea ad alta pressione 15 e costituito preferibilmente da una elettrovalvola a due vie controllata elettronicamente da una centralina elettronica 27. In particolare, l'elettrovalvola 24 comprende un avvolgimento elettrico 30 (illustrato schematicamente) atto a muovere assialmente un otturatore 26 (rappresentato schematicamente) .
Il regolatore di pressione 24 comunica inoltre con un primo condotto di ritorno 28 combustibile (by-pass) che sfocia nel serbatoio 12.
L'impianto di iniezione 4 comprende inoltre un secondo condotto di ritorno combustibile 29 che presenta ingressi comunicanti con uscite di ricircolo degli iniettori 21a-21d ed una uscita 29a che comunica con il serbatoio 12.
La centralina elettronica 27 è alimentata da una batteria elettrica 34 che alimenta inoltre i vari dispositivi elettrici (non rappresentati) che cooperano con il motore 6.
La centralina 27 riceve in ingresso una pluralità di segnali di informazione N misurati nel motore (ad esempio numero di giri motore, pressione nel collettore di aspirazione (non rappresentato), posizione acceleratore (non rappresentato), ecc) e genera in uscita una pluralità di segnali di comando Tj che, dopo essere stati decodificati ed amplificati da un circuito di potenza 32, comandano gli iniettori 21a-21d.
Secondo la presente invenzione la centralina elettronica 27 riceve in ingresso un primo segnale di pressione Pmis generato da un sensore dì pressione 38 disposto sul collettore di alimentazione 17 ed un secondo segnale Prif che rappresenta una pressione di riferimento ottimale, ad esempio ottenuta mediante una tabella elettronica (non illustrata) o impostata manualmente. La centralina 27 comprende un nodo sommatore 40 presentante ingressi sommatori (+) e sottrattori (-) a cui pervengono rispettivamente i segnali Prif e Pmis digitalizzati mediante unità di campionamento A/D 42a, 42b (illustrate schematicamente).
Il nodo sommatore 40 presenta una uscita 40u alla quale è presente un segnale di errore digitale Err(z) che viene alimentato ad un ingresso 50a di un circuito regolatore 50. Il circuito regolatore 50 presenta inoltre una uscita 50b sulla quale è presente un segnale digitale U(z) che realizza il segnale di pilotaggio per l'elettrovalvola 24. L'uscita 50b comunica infatti, mediante una linea elettrica 51, con un circuito di comando (non illustrato) della elettrovalvola 24.
Secondo la presente invenzione il circuito regolatore 50 presenta una funzione di trasferimento R(z), definita come rapporto tra l'uscita U(z) e l'ingresso Err(z), del tipo:
I<1>! dove
z = variabile digitale;
a = coefficiente numerico calcolabile;
Kc è un coefficiente proporzionale numerico il cui valore è compreso tra un limite inferiore Kc-min ed un limite superiore Kc-Max.
In particolare, il coefficiente Kc è ricavabile secondo l'espressione
dove:
- Kt è la costante di proporzionalità che lega la forza Find agente sull'otturatore 26 del regolatore 24 alla corrente II che attraversa l'avvolgimento 30, cioè Find = Kt*Il; [3]
Sugello è la sezione dell'ugello (non rappresentato) del regolatore 24 dal quale fuoriesce il carburante in pressione;
Vbatt è la tensione della batteria 34;
- RL è la resistenza parassita dell'avvolgimento 30 del regolatore di pressione 24;
- T è il tempo di campionamento della centralina 27; e
fc è la frequenza per cui il prodotto R(z)*G(z) tra la funzione di trasferimento R(z) del regolatore 50 e la funzione di trasferimento G(z) del sistema ingresso/uscita comprendente la pompa 8, il collettore di alimentazione 17 e l'elettrovalvola 24 ha guadagno unitario .
Il coefficiente numerico a è ricavabile secondo 1'espressione:
dove:
- Ku è un coefficiente di proporzionalità;
- T è il tempo di campionamento della centralina 27;
-Xotturatore ,equilibrio è la posizione dello otturatore 26 del regolatore 24 per cui fuoriesce il carburante verso il condotto di ritorno 28 (by-pass);
-Pcarb,equilibrio è la pressione del carburante nel collettore 17;
Crail è la capacità idraulica del collettore 17. In particolare, esplicitando la [1] si ottiene la formula fisicamente implementata dal circuito regolatore 50 cioè:
dove i è rappresenta 1'istante di campionamento e Kc, ed a sono state definite precedentemente.
Con particolare riferimento alla figura 2 verranno ora descritte, in modo approssimato, le operazioni svolte per ottenere l'espressione [1].
Il sistema fisico formato dalla pompa 8, dal collettore di alimentazione 17 e dall'elettrovalvola 24 è rappresentabile mediante un sistema ingresso-uscita a dati campionati avente come ingresso il segnale di comando dell'elettrovalvola 24 (segnale U(z)) e come uscita il segnale di pressione Pmis(z). Tale sistema ingresso-uscita è stato modellizzato attraverso una pluralità di equazioni di stato che sono state combinate tra di loro calcolando una funzione di trasferimento globale G(z) definita come rapporto tra l'ingresso e l'uscita, cioè G(z)=Pmis(z)/U(z).
L'impianto di iniezione 4 ed il sistema di controllo 1 realizzano un sistema con retroazione 90 (figura 2) che è schematizzabile con un primo blocco 100 che definisce la funzione di trasferimento R(z) del regolatore 50 ed un secondo blocco 110 collegato in ingresso con l'uscita del primo blocco 100 e rappresentante il sistema fisico ingresso-uscita descritto dalla funzione di trasferimento G(z).
Il primo blocco 100 presenta inoltre un ingresso corounicante con un nodo sonunatore 120 a cui sono alimentati il segnale di pressione di riferimento Prif(z) ed il segnale di retroazione Pmis(z) proveniente dall'uscita del blocco 110.
Per il calcolo della [1] sono state impostate alcune specifiche di controllo:
(a) l'errore all'inseguimento al gradino del sistema 90 deve essere sostanzialmente nullo, cioè il sistema 90 eccitato da una Prif(z) a gradino deve rispondere prontamente e l'uscita del sistema Pmis(z) deve portarsi, dopo un rapido transitorio, ad un valore di regime;
(b) il tempo di salita Ts del sistema 90 deve essere inferiore ad un numero prefissato di secondi, ad esempio 0,5 secondi (il tempo di salita Ts è definito come il tempo in cui l'uscita (Pmis) di un sistema controllato impiega per passare dal 10% al 90% del valore a regime in seguito di un gradino di eccitazione, vedi A.ISIDORI, Sistemi di Controllo, SIDEREA, ROMA 1979, pagina 114);
(c) la massima sovraelongazione s (overshoot) dell'uscita del sistema 90 deve essere minore di un valore percentuale, ad esempio il 5%.
La sovraelongazione s è definita come il massimo scostamento della risposta del sistema dal valore di regime (vedi A.ISIDORI, Sistemi di Controllo, SIDEREA, ROMA 1979, pagina 114).
Il rispetto della condizione (a) implica che, come è noto dallo studio della teoria dei sistemi (ad esempio nel testo A.ISIDORI, Sistemi di Controllo, SIDEREA, ROMA 1979), la funzione di trasferimento R(z) deve avere un polo nell'origine cioè deve comprendere almeno un blocco CI del tipo:
[6]
Per quanto riguarda la specifica (b) dobbiamo ricordare che il tempo di salita Ts è legato alla banda passante Bp del sistema 90 in anello chiuso dalla relazione empirica (A.ISIDORI, Sistemi di Controllo, SIDEREA, ROMA 1979, pagina 119):
[7]
dove Ts è il tempo di salita, Bp è la banda passante del sistema in anello chiuso.
La relazione [7] sopra descritta permette di ricavare la banda passante Bp del sistema in anello chiuso dopo aver impostato il tempo di salita Ts.
Ricordiamo che il limite superiore della banda passante del sistema è definito come il doppio della frequenza alla quale la funzione di trasferimento R(z)*G(z) interseca su un diagramma di Bode l'asse a zero dB. Pertanto, stabilito Bp, si ricava fc=l/2Bp.
Dopo aver calcolato la banda passante Bp mediante la [7] viene calcolato il guadagno Kc del sistema che realizza tale banda passante Bp nel peggiore dei casi.
Dalla specifica (b) otteniamo cosi un valore minimo Kcmin del guadagno Kc del circuito regolatore 50.
Il guadagno del circuito regolatore 50 presenta inoltre un limite superiore Kcmax che viene definito in base all'effetto del rumore sul sistema 90; in particolare viene definito un valore limite di guadagno Kcmax al di sopra del quale i disturbi sulla grandezza di uscita (Pmis(z)) producono effetti dannosi sulla stabilità del sistema.
La sovraelongazione s è legata al modulo di risonanza Mr in anello chiuso dalla relazione (vedi A.ISID0R1 i Sistemi di Controllo, SIDEREA, ROMA 1979, pagina 119):
[8].
Ad esempio, per s=5% si richiede un margine di fase minimo di circa 60" alla frequenza fc.
Dal momento che il sistema 90 in anello aperto (R(z)*G(z)) ha naturalmente una fase che si approssima al valore (-180°) per cui si manifesta instabilità è necessario introdurre nel regolatore 50 R(z) un blocco C2 che introduce uno spostamento di fase richiesto (nell'esempio circa 60°) cioè un blocco del tipo:
[9]
Da guanto sopra detto risulta chiaro che dalla composizione della [6] e della [9] e della costante proporzionale Kc definita come sopra detto è stata ottenuta la funzione di trasferimento R(z).
.Da guanto sopra detto risultano chiari i vantaggi della presente invenzione in guanto il sistema descritto utilizza un regolatore 50 implementante una funzione di trasferimento R(z) il cui calcolo è stato ottenuto attraverso un modello del sistema fisico (blocco 110) che simula il comportamento dell'impianto di iniezione. Per tale motivo il sistema 1 riproduce fedelmente le specifiche di controllo.
Il sistema 1 presenta inoltre un elevato margine di stabilità ed una elevata banda passante.
La stabilità del sistema 1 inoltre, è di tipo full-range" cioè il sistema 1 si mantiene in stabilità nonostante la variabilità dei parametri del sistema fisico.
Tutti i coefficienti (a, Kc) utilizzati dal sistema della presente invenzione sono calcolati direttamente; vengono cosi evitate le lunghe (e costose) determinazioni sperimentali dei coefficienti utilizzate nell'arte nota.
Risulta infine chiaro che modifiche e varianti possono essere apportate al sistema descritto senza peraltro uscire dall'ambito protettivo della presente invenzione .
Claims (1)
- R I V E N D I C A Z I O N I 1.- Sistema di controllo dinamico della pressione di iniezione in un impianto di iniezione a collettore comune (4) di un motore a combustione interna (6); il detto impianto di iniezione (4) comprendendo: almeno una pompa (8) atta ad alimentare carburante in pressione ad un collettore di alimentazione (RAIL) (17) provvisto di una pluralità di uscite (19a,19b,19c,19d) comunicanti con rispettivi iniettori (21a,21b,21c,21d) del detto motore (6); almeno un regolatore di pressione (24) interposto tra un uscita (8a) di detta pompa (8) ed un ingresso (17a) di detto collettore di alimentazione (17); detto regolatore di pressione (24) comunicando con almeno un condotto (28) per il ritorno carburante; il detto sistema (1) di controllo della pressione comprendendo z mezzi sensori di pressione (38) disposti sul detto collettore di alimentazione (17) ed atti a generare un primo segnale (Pmis) correlato alla pressione carburante nel detto collettore di alimentazione (17); mezzi atti a generare un secondo segnale (Prif) correlato ad una pressione ottimale; mezzi controllori elettronici (27) riceventi il primo ed il secondo segnale e generanti in uscita un segnale di pilotaggio U(z) per il detto regolatore di pressione (24), caratterizzato dal fatto che i detti mezzi controllori elettronici (27) comprendono mezzi regolatori (50,100) riceventi in ingresso un segnale di errore digitale (Err(z)) e generanti in uscita detto segnale di pilotaggio U(z); detto segnale di errore digitale (Err(z)) essendo proporzionale alla differenza tra il detto primo ed il detto secondo segnale; detti mezzi regolatori (35,100) presentando una funzione di trasferimento a dati campionati del tipo: [1] dove: z =*variabile digitale; a = coefficiente numerico; Kc coefficiente proporzionale numerico. 2.- Sistema secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il detto coefficiente proporzionale numerico Kc è ricavabile secondo una espressione del tipo: [2 ] q dove - Kt è la costante di proporzionalità che lega la forza (Find) agente sullo otturatore (26) del detto regolatore di pressione (24) alla corrente (II) che attraversa l'avvolgimento (30) del regolatore (24); - Sugello è la sezione dell'ugello (25) del detto regolatore (24) dal quale fuoriesce il carburante in pressione; - Vbatt è la tensione della batteria (34) che alimenta i detti mezzi controllori elettronici (27); - RL è la resistenza parassita dell'avvolgimento (30) del detto regolatore (24); - T è il tempo di campionamento dei detti mezzi controllori elettronici (27); e - fc è la frequenza per cui il prodotto R(z)*G(z) tra la funzione di trasferimento R(z) dei detti mezzi regolatori (50) e la funzione di trasferimento G(z) del sistema ingresso/uscita comprendente la detta pompa (8), il detto collettore di alimentazione (17) ed il detto regolatore di pressione (24) ha guadagno unitario. 3.- Sistema secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che il detto coefficiente numerico a è ricavabile secondo 1'espressionei dove: - Ku è un coefficiente di proporzionalità; - T è il tempo di campionamento dei detti mezzi controllori elettronici (27); -Xotturatore, equilibrio è la posizione dello otturatore (26) del detto regolatore (24) per cui il carburante viene inviato al detto condotto per il ritorno (28); -Pcarb,equilibrio è la pressione del carburante nel detto collettore (17); Crail è la capacità idraulica del detto collettore (17). 4.- Sistema secondo una qualeiasi delle rivendicazioni procedenti, caratterizzato dal fatto che i detti mezzi regolatori (50,100) implementano una formula del tipo: dove i è rappresenta l'istante di campionamento, a è un coefficiente numerico e Kc è un coefficiente proporzionale numerico. 5.- Sistema di controllo dinamico della pressione di iniezione in un impianto di iniezione a collettore comune sostanzialmente come descritto ed illustrato con riferimento alle figure allegate.
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