Il tipo di implementazione elettronica presentata in questo lavoro è innovativa rispetto al passato; tale sistema mira infatti a controllare in real-time il titolo della miscela allo scopo di abbassare i consumi specifici e di abbattere le emissioni inquinanti.
Partendo da questa idea, le possibilità di realizzazione del controllo elettronico sono diverse, tutte ottenibili partendo da un carburatore tradizionale:
• Controllo della sezione del getto • Valvola supplementare
• Controllo emulsionatore
Una prima possibilità è il controllo della sezione del getto tramite uno spillo che vada ad ostruire una parte della sezione di passaggio del combustibile. Una realizzazione del genere richiede alta precisione nel controllo della posizione dello spillo a causa delle ridotte tolleranze in gioco. La gamma di miscele ottenibili sarebbe però molto ampia. La seconda modifica possibile riguarda l’inserimento di una seconda valvola, a valle della farfalla, che lasci entrare aria non carburata. La valvola dovrebbe avere però una luce molto ampia per far passare l’aria necessaria per un’ampia escursione del titolo e quindi il sistema dovrebbe essere comandato con un attuatore di grandi dimensioni con tempo di risposta inevitabilmente lungo.
La terza soluzione è il controllo del condotto dell’emulsionatore a freno d’aria e del circuito del minimo. Con il controllo dell’emulsionatore, è possibile mandare più o meno aria e quindi cambiare lo smagrimento della miscela. Tale sistema richiede una piccola sezione di passaggio per l’aria secondaria e quindi consente di impiegare un attuatore piccolo e veloce. Anche il controllo del circuito del minimo contribuisce ad una modifica sostanziale del titolo della miscela.
Da precedenti tesi [1, 2, 34], e dalle prove sperimentali condotte dalla azienda Dell’Orto [35], si è dimostrato che il sistema migliore è il terzo, dato che, per le sue caratteristiche, dà luogo ad un’ampia variazione del titolo con un basso assorbimento di energia elettrica ed è pertanto quello che è stato scelto per la sperimentazione.
A questo punto, bisogna porre l’attenzione sul sistema di controllo che si vuole utilizzare. Un sistema ad anello aperto è da escludere, poiché verrebbe a mancare un segnale che porti l’informazione della regolarità di funzionamento del motore. Bisogna necessariamente adottare un sistema in retroazione che abbia come input uno o più segnali indice del processo di combustione del motore, e che fornisca in uscita un segnale che operi sul controllo dell’emulsionatore a freno d’aria e sul circuito del minimo. La figura 4.1 schematizza il sistema carburatore elettronico, motore e sistema di controllo.
SISTEMA DI CONTROLLO input
Segnale di controllo
Figura 4.1:Schema di massima del sistema di controllo in retroazione. Si nota che il sistema può utilizzare uno o più segnali derivanti dal motore.
I segnali in ingresso al sistema di controllo possono essere derivanti da diverse valutazioni legate al processo di combustione, dal momento che i parametri che la caratterizzano sono i più validi ai fini della valutazione della dispersione ciclica. Nel capitolo 2, sono stati ampiamente descritti i principali parametri legati alla dispersione ciclica. In realtà, solo alcuni di questi parametri sono di pratico utilizzo, mentre molti sono frutto di misure indirette e quindi, meno precisi o più difficili da valutare. In
particolare, nel caso specifico, i parametri che possono dare una buona stima della dispersione ciclica sono:
• Velocità angolare del motore • Indice d’aria della miscela
• Durata temporale della combustione • Picco massimo di pressione indicata
• Angolo di manovella per il quale si verifica il picco massimo di pressione indicata • Pressione media indicata su ogni ciclo
• Ritardo d’accensione
Analizziamo per primo l’effetto della velocità angolare del motore. Dalla definizione di pressione media indicata è facile comprendere come questa grandezza sia una misura indiretta del lavoro prodotto dal gas. Eventuali irregolarità nel suo andamento si traducono in una variazione dell’energia trasmessa dallo stantuffo all’albero a gomiti di ciclo in ciclo e, di conseguenza, in oscillazioni nella velocità angolare del motore. Dal momento che l’entità delle irregolarità, per un dato titolo di miscela, varia in funzione del carico e del numero di giri, una centralina che operi con una semplice misura delle irregolarità necessita di conoscere, oltre alla velocità di rotazione anche la posizione angolare della farfalla. Inoltre, la misura delle fluttuazione della velocità angolare può essere influenzata da errori di montaggio dell’albero stesso, carichi sui cuscinetti di banco etc. In sintesi la valutazione di un parametro così sensibile a disturbi esterni rende tale soluzione difficilmente accettabile.
Per quanto riguarda l’indice d’aria della miscela, è noto che, per ogni allontanamento dalla zona delle miscele stechiometriche determini un aumento della dispersione ciclica. Tuttavia è difficile stabilire un legame preciso e diretto tra indice d’aria e dispersione ciclica.
La durata della combustione potrebbe essere un parametro utilizzabile come indice di dispersione ciclica. L’inconveniente è stabilire in che punto finisca la combustione, poiché anche durante la fase di discesa dello stantuffo sono sempre presenti dei fenomeni di postcombustione.
Dalla letteratura [10, 14] emerge che mentre la pressione media indicata e la pressione massima risentono delle irregolarità che si originano sia nella fase di innesco che nella fase principale della combustione, la posizione angolare del picco di pressione risente solo debolmente dell’effetto di queste ultime. E’ quindi possibile che durante la fase d’innesco siano presenti fonti di irregolarità tali da avere un effetto su questa grandezza più marcato di quello del titolo.
In questo lavoro di tesi, si è scelto come indice di irregolarità del motore, lo scarto quadratico medio del picco massimo di pressione indicata, essendo questa sicuramente una valida misura.
Dato che non possibile fornire al sistema di controllo in retroazione il segnale dello scarto quadratico medio del picco massimo di pressione media, rilevato dal ciclo indicato, si deve necessariamente utilizzare un altro segnale che deve, quindi, essere strettamente legato all’indice di dispersione ciclica. La logica di controllo che si vuole adottare sfrutta il segnale prelevato dalla sonda lambda proporzionale (descritta nel capitolo 5) per monitorare l’indice d’aria e correggerlo tramite l’intervento della centralina, al fine di permettere un funzionamento del carburatore con il valore del titolo prefissato. Tale segnale è legato alla dispersione ciclica, poiché come descritto nel capitolo 2, le irregolarità del motore sono dipendenti dal valore del titolo della miscela, ed il legame esistente è univoco.