I motori a combustione interna sono macchine motrici termiche a funziona- mento ciclico, che convertono in lavoro meccanico l’energia liberata bruciando combustibili all’interno della macchina stessa.
Il fluido di lavoro che, espandendosi e comprimendosi, scambia energia con gli organi mobili della macchina, `e costituito da aria e combustibile prima del- la combustione e dai prodotti dell’ossidazione del combustibile in aria dopo tale processo. Nei motori ad accensione comandata, o motori a ciclo Otto, la combustione della miscela di aria e vapori di benzina viene attivata da una
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scintilla fatta scoccare tra gli elettrodi di una candela, realizzando cos`ı una combustione molto rapida, idealmente a volume costante.
Nei motori a quattro tempi pi`u di met`a del ciclo di lavoro, che ha la durata di quattro corse del pistone, ossia due giri dell’albero motore, `e dedicata al- l’espulsione dei gas combusti ed alla aspirazione della carica fresca ad opera del pistone. La regolazione della potenza disponibile viene effettuata tramite variazione della massa di miscela aria-benzina aspirata per ciclo, agendo sulla valvola a farfalla che viene aperta e chiusa dal pedale di accelerazione. Nei motori ad iniezione elettronica la quantit`a di benzina necessaria al buon funzionamento del motore viene regolata dalla centralina di controllo del moto- re, ECU - Electronic Control Unit, in funzione del valore dei segnali provenien- ti da diversi sensori localizzati sul motore o nei condotti di aspirazione e sca- rico. A tal proposito si definisce il rapporto aria/benzina (A/F) normalizzato come λ = ˙ ma ˙ mf 14.67
Tale rapporto `e utilizzato per garantire attraverso il controllo titolo una buona combustione. La benzina viene quindi iniettata nel collettore di aspirazione da uno o pi`u iniettori comandati elettronicamente.
L’introduzione del controllo elettronico dei motori a combustione interna `e giustificata dalle seguenti esigenze:
1. Guidabilit`a, intesa in generale come la richiesta di buone prestazioni del motore in tutte le possibili condizioni di funzionamento. Ad esempio, nelle condizioni di minimo il motore deve avere un numero di giri stabile anche a seguito di improvvise richieste di potenza da parte di strumenti ausiliari come il condizionatore; il motore deve garantire una ripresa sufficiente in tutte le condizioni di apertura della farfalla, e cos`ı via.
2. Minimizzare il consumo di carburante. 3. Minimizzare le emissioni di gas inquinanti.
In particolare, l’adozione da parte della Comunit`a Europea di normative via via pi`u stringenti di regolamentazione della quantit`a di emissioni inquinanti, introdotte inizialmente in California e quindi nel resto degli Stati Uniti ed in Europa, ha obbligato le case produttrici di autoveicoli ad utilizzare non solo nuovi strumenti essenziali al raggiungimento di questo obiettivo, come il convertitore catalitico, ma a porre un’attenzione man mano crescente alle strategie di controllo motore.
I primi limiti alla produzione di emissioni inquinanti sono stati introdotti dal- la Comunit`a Europea nel 1971. A partire da quella data, i limiti sono stati periodicamente abbassati, al fine di limitare l’inquinamento atmosferico gene- rato dagli autoveicoli commerciali, in particolare nei grandi centri urbani, e di condurre le case automobilistiche europee alla produzione di veicoli a bas- sissimo inquinamento.
Negli ultimi anni sono inoltre state introdotte normative stringenti che impon- gono l’implementazione in centralina di algoritmi di monitoraggio e diagnosti- ca di tutti i componenti in qualche modo legati alla produzione di inquinanti. Lo scopo `e quello di rilevare in tempi brevi la presenza di comportamenti anomali o guasti dei sensori, degli attuatori o del processo stesso, che posso- no provocare emissioni inquinanti oltre i limiti stabiliti. Opportune strategie devono quindi compensare il malfunzionamento dei dispositivi, o al contrario segnalarne all’utente la presenza ed agevolare l’individuazione e la correzione del guasto da parte dei tecnici della manutenzione.
Le principali funzioni che un sistema di controllo motore deve implementare sono:
1. controllo della quantit`a di carburante da iniettare e dell’istante di inie- zione, per ottenere una miscela avente un rapporto ottimale di aria e benzina;
2. controllo dell’anticipo di accensione, per erogare la coppia necessaria ad un buon funzionamento del veicolo;
3. controllo dell’aria supplementare nelle condizioni di funzionamento al mi- nimo, per mantenere il numero di giri stabile a seguito dell’accensione di dispositivi ausiliari, quali il sistema di condizionamento del veicolo od il servosterzo, in tutte le condizioni ambientali e di temperatura del motore. In particolare, il controllo del rapporto aria/benzina, detto anche titolo, `e attualmente realizzato mediante strategie differenti in funzione della tempe- ratura del motore: a motore freddo o nella fase di riscaldamento del motore, fase di warm-up, vengono utilizzati algoritmi di controllo in anello aperto, cio`e algoritmi che non utilizzano retroazioni dei segnali di stato o di uscita, per la mancanza di affidabilit`a del segnale proveniente dalla sonda non lineare utilizzata per la misura del rapporto aria/benzina. Nel caso invece di motore caldo, il controllo viene effettuato tipicamente in anello chiuso, mediane l’uso di controllori di tipo PI, [11]. Strategie differenti vengono invece utilizzate per compensare le escursioni di titolo generate dall’apertura e chiusura improvvise della valvola a farfalla, [9].
Ad ogni modo, l’implementazione di opportune strategie di controllo e dia- gnostica, e la taratura dei loro parametri, richiedono l’identificazione e la validazione di modelli per il controllo che godano di propriet`a di compattezza e semplicit`a, oltre che di efficacia e correttezza.