Università degli Studi di Bologna

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1 Università degli Studi di Bologna Facoltà di Ingegneria Dipartimento di Ingegneria delle Costruzioni Meccaniche, Nucleari, Aeronautiche e di Metallurgia Dottorato in Ingegneria delle Macchine e dei Sistemi Energetici XV ciclo Sviluppo di metodologie per la simulazione di iniettori ad alta pressione e ad alta velocità di attuazione Tesi di Dottorato di: Dott. Ing. Stefania Falfari Relatore: Chiar.mo Prof. P. Pelloni Coordinatore: Chiar.mo Prof. A. Peretto Anno Accademico 2001/2002

2 Introduzione Introduzione Il tema del dottorato di ricerca riguarda lo studio dei sistemi di iniezione Common Rail (CR) per motori Diesel veloci per autotrazione. In particolare si sono analizzati limiti e potenzialità dell iniettore Bosch di prima e seconda generazione. L attività del primo anno si è incentrata sul reperimento del materiale bibliografico, necessario per fotografare lo stato dell arte, e sulla definizione della metodologia di ricerca. Quest ultima comprende sia una parte numerica, necessaria per l interpretazione del comportamento fluidomeccanico ed elettrico dell iniettore, sia una parte sperimentale di verifica delle soluzioni ottimizzate studiate per via numerica. L attività del secondo anno si è svolta verificando sperimentalmente la validità del modello sviluppato e quindi studiando i limiti effettivi dell iniettore cosiddetto di prima generazione. Inoltre è stato realizzato fisicamente un circuito elettronico di controllo ed è stato testato al banco per lo studio di strategie avanzate di controllo, essendo queste ultime l obiettivo primario del modello. L attività del terzo anno si è incentrata sullo sviluppo del modello dell iniettore al fine di renderlo parte integrante del progetto del componente stesso: a questo scopo è stato inserito un sottomodello in grado di simulare la propagazione delle onde di alta pressione in un condotto, anche in caso di brusca variazione di sezione. Inoltre è stato sviluppato un sottomodello di cavitazione predittivo affiancato dalla proposta metodologica di un utilizzo integrato di simulazione 1D con analisi multidimensionale CFD, seguito da una validazione sperimentale. Il lavoro è stato svolto in collaborazione con la VM Motori, azienda costruttrice di motori Diesel per autoveicoli, con la Magneti Marelli di Bologna, con il Dipartimento di Scienze dell Ingegneria dell Università di Modena, con il Dipartimento di Ingegneria Elettronica dell Università di Bologna e con l Engine Research Center dell Università del Wisconsin. Tali collaborazioni si sono rese necessarie a causa della complessità tecnologica dei sistemi di iniezione Common Rail, complessità che richiede un approccio multidisciplinare. 2

3 Motivazioni I sistemi ad iniezione diretta Common Rail sembrano essere la via più breve e versatile verso il raggiungimento di livelli di emissioni allo scarico entro i limiti imposti dalle normative europee UE, riassunti nella Tabella 1. Emissioni standard per autovetture, g/km anno CO HC HC+NO x NO x PM Euro *** 0.97 *** 0.14 Euro 2 - IDI *** 0.70 *** 0.08 Euro 2 - DI *** 0.90 *** 0.10 Euro *** Euro *** Tabella 1: Limiti sulla concentrazione di emissioni allo scarico (normativa valida per motori Diesel europei) EURO 1 Particulate EURO 2 EURO 3 EURO 4 NOx Figura 1: Rappresentazione grafica dei limiti imposti alle emissioni di particolato e ossidi di azoto Attualmente quindi il problema più sentito in campo automobilistico è quello della riduzione di tali emissioni inquinanti: gli attuali motori Diesel CR rientrano nella normativa Euro 3, ma fra soli tre anni dovranno essere omologati secondo Euro 4. La differenza sostanziale fra le due normative è che nel passaggio dall'una all'altra è previsto un forte abbattimento delle emissioni tollerate (Figura 1): in modo particolare, la quantità di 3

4 particolato (per particolato si intendono particelle di carbonio non ossidate) ammesso allo scarico è dimezzata. Rispetto alla situazione antecedente la nascita di Euro 1, il particolato ammesso allo scarico con Euro 4 sarà ridotto del 93%. Le emissioni inquinanti più preoccupanti per il motore Diesel sono il particolato (soot) e gli ossidi di azoto (NO x ); gli idrocarburi incombusti (HC) e l ossido di carbonio (CO) allo scarico sono ridotti rispetto al motore a benzina perché complessivamente il Diesel lavora con miscele magre. Il vero problema del Diesel è la disomogeneità della miscela: nelle zone magre e ad alta temperatura si formano gli NO x, nelle zone ricche si forma particolato. In particolare l intervento su particolato e NO x può essere fatto a monte, ossia in camera di combustione, e a valle mediante l adozione di filtri i catalizzatori. Concettualmente gli NO x non si potranno mai eliminare del tutto perché l'azoto, da cui essi hanno origine, è quello atmosferico contenuto nell'aria; invece il particolato può essere eliminato prima di lasciare la camera di combustione perché può essere ossidato una volta miscelato con l'ossigeno, nell'ultima fase di combustione. Per ridurre il particolato si può aumentare la pressione di iniezione. Per ridurre gli NO x è utile diminuire la temperatura di fiamma, operazione possibile raffreddando l'aria dopo la compressione (intercooler), attuando il parziale ricircolo dei gas di scarico in aspirazione (EGR), ritardando l'iniezione: questi interventi purtroppo aumentano il particolato. Una parziale soluzione è rappresentata dall'uso, a valle del sistema, di trappole di particolato e di un catalizzatore riducente DeNO x : essi però introducono perdite di carico, quindi cali prestazionali, e il DeNO x, in particolare, ha bassi rendimenti. Visti i limiti connessi all adozione dei catalizzatori, le case automobilistiche puntano a migliorare la qualità del processo di combustione in modo da ridurre le emissioni già prima del loro ingresso in filtri o catalizzatori. Volendo migliorare la qualità della combustione, la via migliore è il miglioramento del processo di miscelazione tramite il miglioramento della tecnologia del sistema di iniezione. In particolare, il miglioramento della combustione, inteso come migliore efficienza di utilizzo dell ossigeno, porta a ridurre il soot e a fare aumentare gli NO x. Tuttavia il guadagno nella riduzione di soot è tale da permettere di adottare altre strategie (EGR) che consentano l abbattimento degli ossidi di azoto. Da qui l ampio risalto ai sistemi di iniezione ad alta pressione (CR, iniettore pompa, etc.). Se tali sistemi potessero essere attuati rapidamente, allora una possibile strada sarebbe la strategia di iniezione denominata "multinjection", cioè una iniezione non più unica ma frazionata: si pensa di realizzare una o due iniezioni pilota, 4

5 due iniezioni principali (main) ed una post iniezione. L'iniezione frazionata concettualmente sembra essere molto efficace nella riduzione delle emissioni di NO x e particolato, poiché si inietta combustibile in funzione della disponibilità di ossigeno e non tutto in una volta, come avviene attualmente, facilitando l'omogeneità della miscela. La formazione degli NO x dipende dalla prima iniezione principale, mentre il particolato è legato principalmente alla seconda. Con le due iniezioni principali si può iniettare meno combustibile nella prima iniezione rispetto al caso standard di una sola iniezione principale, riducendo così il picco di temperatura, il che porta anche a ridurre il rumore. Con la seconda iniezione principale, però, si rischia di iniettare combustibile in una zona povera di ossigeno (l'ossigeno è spinto verso la periferia della camera di combustione dai moti di swirl e reverse squish), il che potrebbe aumentare la formazione di particolato e ridurre le prestazioni del motore. Per risolvere questo problema si può iniettare più combustibile nella prima iniezione principale e meno nella seconda: per ridurre l'aumento di NO x, si ritardano le due iniezioni di due gradi di angolo. La post iniezione serve a ridurre gli NO x : essa ha luogo nella fase di espansione o addirittura di scarico. Lo scopo di questa iniezione è quello di iniettare una quantità ben definita di combustibile, il quale non brucia ma vaporizza grazie al calore dei gas di scarico; parte di questo combustibile ritorna in camera di combustione con lo EGR, parte invece serve a ridurre gli NO x nel catalizzatore. Sfruttando la post iniezione, il catalizzatore riduce gli ossidi di azoto in un ambiente non più molto povero di combustibile e aumenta così il suo rendimento. I parametri critici per determinare il successo della iniezione multipla sono la quantità di combustibile da iniettare ad ogni fase, la durata dell'iniezione, l'intervallo fra due iniezioni consecutive, la pressione di iniezione. In particolare, l'intervallo fra due iniezioni successive deve essere tale da garantire sempre la ripetibilità del risultato, ossia deve essere tale da permettere di iniettare la stessa quantità di combustibile nel caso di due leggi di iniezione uguali e successive. Inoltre è indispensabile che l'iniettore si chiuda fra l'una e l'altra iniezione, cioè, per esempio, fra pilota e iniezione principale. In quest'ottica è tassativo ridurre il più possibile, compatibilmente con le restrizioni appena elencate, l'intervallo fra due iniezioni consecutive ed è qui che si inseriscono la ricerca ed il modello in questione. 5

6 Contributo originale Un valido strumento per la l analisi delle capacità e dei limiti dell iniettore CR è sicuramente la modellazione numerica, che non può prescindere dall analisi sperimentale al banco prova, ma consente di focalizzare e ottimizzare quest ultima. Infatti l analisi sperimentale è di primaria importanza al fine di fornire dati per la messa a punto di un modello, ma ha lo svantaggio di essere molto costosa, richiedere spesso lunghi tempi e di non essere sempre completamente esaustiva: talvolta non consente l analisi dettagliata di alcuni fenomeni a causa della necessità di non utilizzare strumenti di misura invasivi, tali cioè da alterare la grandezza oggetto di misura. Inoltre l analisi numerica consente, in unione con la parte sperimentale, di analizzare anche l effetto di tolleranze di lavorazione nonché di varianti progettuali sulle prestazioni dell iniettore in termini di massa iniettata e portata istantanea. Lo studio dei sistemi Common Rail è stato affrontato da numerosi studiosi con differenti approcci: molti sono i modelli sviluppati per simularne il comportamento. Il modello sviluppato nel corso di questo dottorato è un modello a parametri concentrati. L originalità dello studio rispetto allo stato dell arte come in letteratura è consistito nello studio di strategie avanzate di controllo dell iniettore di prima generazione e nella realizzazione di un circuito elettronico in grado di svilupparle; inoltre è stata proposta una metodologia di lavoro che consiste nell utilizzare ed implementare i risultati ottenuti con l analisi fluidodinamica computazionale 3D in un modello monodimensionale così da renderlo predittivo. Struttura della tesi INTRODUZIONE CAPITOLO 1: Il sistema di iniezione Common Rail: descrizione, specifiche attuali e future di utilizzo, problemi tecnologici e operativi CAPITOLO 2: La simulazione numerica: bibliografia ed analisi critica. CAPITOLO 3: Il modello dell iniettore: equazioni. 6

7 CAPITOLO 4: Analisi combinata con codici CFD tridimensionali per la determinazione del coefficiente di efflusso in ugelli cavitanti: modelli 3D, risultati, implementazione nel modello 1D. CAPITOLO 5: Validazione del modello 1D integrato con dati della CFD e risultati CAPITOLO 6: La determinazione di profili avanzati di controllo: studio e realizzazione di un circuito elettrico per strategie avanzate, validazione al banco delle strategie e del circuito. Lista delle figure Figura 1: Rappresentazione grafica dei limiti imposti alle emissioni di particolato e ossidi di azoto Lista delle tabelle Tabella 1: Limiti sulla concentrazione di emissioni allo scarico (normativa valida per motori Diesel europei) 7

8 1.1 Il sistema di iniezione Common Rail Capitolo 1 Il sistema di iniezione Common Rail La storia del «Common Rail» comincia alla fine degli anni 80, quando il Centro Ricerche FIAT inizia un'intensa ricerca per verificare la fattibilità tecnologica e industriale del nuovo sistema. All'inizio degli anni 90, ceduti i diritti a Bosch, quest ultima inizia la fase di pre-industrializzazione, per poi nel 97 passare alla produzione di serie. Dal 98 in poi la tecnologia «made in Fiat» viene adottata dalle maggiori case automobilistiche europee e dai costruttori di veicoli commerciali leggeri e medi. In occasione di una conferenza stampa tenuta nel mese di aprile 2001, Klaus Krieger, direttore dello sviluppo del settore Tecnica di Iniezione Diesel della Robert Bosch in Germania, descrisse in maniera molto chiara e sintetica come i veicoli Diesel avrebbero rispettato i futuri valori limite dei gas di scarico: il sistema Common Rail permette infatti di ottenere un tipo di iniezione che, anche in correlazione con altri componenti del motore, sarà in grado di contenere le emissioni entro la normativa Euro IV, consentendo allo stesso tempo di aumentare la potenza dei motori, nonché di diminuirne i consumi ed il rumore. Un aspetto caratteristico di questo sistema è quello di avere elevate pressioni di iniezione: il Common Rail viene prodotto in serie con pressioni di iniezione massime di 1600 bar. La prossima generazione, presumibilmente con una pressione di 1800 bar, verrà sviluppata per un impiego nella produzione di serie a partire dal Altre caratteristiche sono: 1. Estesa area di applicazione, da motori per autoveicoli (30 kw per cilindro) a motori navali (fino a 200 kw per cilindro); 2. Variabilità dell inizio iniezione (SOI, start of injection); 3. Possibilità di suddividere la singola iniezione in iniezioni più piccole separate (pilot, main, post); 4. Capacità di variare la pressione di alimentazione in funzione del carico; 5. Indipendenza dei parametri dalla velocità del motore. 8

9 A differenza dei vecchi sistemi di iniezione il Common Rail consente di rendere indipendente la pressione di iniezione dalla fase di pompaggio del combustibile ad alta pressione utilizzando la gestione elettroidraulica degli iniettori. In tal modo è possibile fasare l iniezione e la sua durata ed avere, per ogni iniettore, più iniezioni per ogni ciclo del motore riuscendo, inoltre, ad ottimizzare i consumi e minimizzare le emissioni inquinanti [1-3]. Il Common Rail lavora quindi con pressioni di iniezione inferiori rispetto al sistema equipaggiato dall iniettore pompa (2000 bar), ma è più versatile proprio perché consente di rendere la pressione indipendente dalla fase di pompaggio del combustibile. Nei sistemi di iniezione convenzionali, che utilizzano sistemi a distributore o a pompa in linea, l iniezione comprende solamente una fase principale in cui la generazione di pressione e la quantità di combustibile da iniettare sono tra loro dipendenti e vincolate da un legame meccanico. Una camma e un pistone hanno, infatti, il compito di creare la pressione di iniezione e quello di dosare la quantità di combustibile da iniettare. Ciò ha molteplici effetti negativi sulle caratteristiche di iniezione: in primo luogo la pressione di iniezione cresce con l'aumentare della velocità di rotazione dell'albero motore, facendo aumentare quindi la quantità di gasolio iniettata, e riducendo drasticamente la capacità di controllo del sistema. Inoltre la pressione di iniezione sale durante il processo di iniezione per poi precipitare alla fine della stessa (con una curva della pressione praticamente triangolare). Il picco di pressione massima risulta più che doppio della pressione media, fatto questo che, oltre a comportare una sollecitazione supplementare sgradita, è responsabile di un'elevata rumorosità. Al fine di migliorare il comfort, riducendo la rumorosità, sarebbe opportuno riuscire a iniettare molto gradualmente il combustibile, per ottenere, in camera di combustione all inizio del processo di iniezione, una quantità di combustibile molto piccola e riuscire, conseguentemente, a limitare il picco di pressione che inevitabilmente si genera all inizio della combustione a causa del ritardo all accensione. Queste esigenze vengono pienamente soddisfatte dal sistema di iniezione con accumulatore di pressione Common Rail, per il cui funzionamento sono previste, oltre a una iniezione principale, anche una fase di pre-iniezione chiamata comunemente "iniezione pilota" e una di post-iniezione, chiamata "post", che viene utilizzata per l'abbattimento dei gas di scarico all interno di appositi catalizzatori. Per le autovetture che adottano questo sistema viene utilizzata una pompa di alta pressione a pistoni radiali in cui la pressione viene realizzata indipendentemente dal processo 9

10 di iniezione, poiché la sua velocità dipende direttamente da quella del motore con un rapporto di trasmissione non variabile. D'altro canto, la pressione di iniezione viene determinata dalle caratteristiche dell'accumulatore. Per questo motivo, in prima approssimazione, è possibile affermare che la pressione di iniezione è pressoché costante, limitando l'influenza delle oscillazioni di pressione sulla portata di combustibile iniettata. Ciò che rende funzionale il complesso risulta comunque essere la rete di sensori che, monitorando il sistema, forniscono alla centralina elettronica tutte le informazioni necessarie per il corretto funzionamento. Se, infatti, da una parte un forte contributo alla diminuzione delle emissioni nocive è offerto dall'elevata pressione come precedentemente sottolineato, le rigorose norme vigenti in materia di emissioni inquinanti non potrebbero essere attese se non si avessero a disposizione sensori molto evoluti tecnologicamente e in grado di fornire ad una unità di controllo, in tempi ristrettissimi, tutte le informazioni necessarie per il corretto dosaggio della quantità di combustibile. 1.2 I componenti del sistema Common Rail Il sistema Common Rail è un sistema modulare costituito dai seguenti componenti (Figure 1, 2, 3): 1. Serbatoio carburante; 2. Pompa di alimentazione; 3. Pompa di alta pressione; 4. Rail; 5. ECU (Electronic Control Unit); 6. Iniettori (uno per cilindro); 7. Limitatori di flusso; 8. Valvola limitatrice di pressione; 9. Valvola regolatrice di pressione; 10. Sensori di temperatura e pressione; 11. Condotti di bassa e alta pressione. 10

11 Figura 1: Il sistema Common Rail: 1.filtro 2.ECU 3.Pompa alta pressione 4.rail 5.iniettori 6.Sensore velocità albero a camme 7.Sensore temperatura liquido refrigerante 8.Filtro carburante 9.Sensore pedale acceleratore Figura 2: Posizionamento nel motore del CR 11

12 Figura 3: Posizione dei sensori Figura 4: Pompa alta pressione; 1 Albero; 2 Camma; 3 Pistone; 4 Valvola ingresso; 5 Valvola uscita; 6 Ingresso La pompa di alimentazione, generalmente ad ingranaggi, invia il carburante alla pompa di alta pressione. La pompa di alta pressione (Figura 4) è trascinata direttamente dal motore, alla metà della sua velocità di rotazione e mai oltre i 3000 rpm, tramite un sistema di trasmissione a ruote dentate o cinghie, ed è lubrificata dal carburante stesso. È costituita da tre pistoni radiali mossi da un eccentrico. La valvola di entrata di ogni pistone può essere aperta da un solenoide impedendo la compressione del carburante, che quindi rifluisce nel circuito di bassa pressione: un solo pistone può essere così escluso. In questo modo la quantità di combustibile 12

13 e la pressione possono essere adattate alla domanda riducendo, inoltre, la potenza assorbita dal sistema. Il combustibile giunge ad alta pressione all'interno di un cilindro di acciaio chiamato rail, collegato a tutti gli iniettori (e proprio da questo collegamento deriva il termine "common" cioè comune) che funge da accumulatore smorzando le oscillazioni di pressione dovute sia all alimentazione della pompa, sia all estrazione degli iniettori. Il contenuto volumetrico è di circa cm 3 di carburante per motori a quattro cilindri. Un sensore misura la pressione nel rail, il suo valore giunge alla centralina, che lo confronta con quello desiderato. Il valore massimo ammesso è pari a 1500 bar, superato il quale interviene la valvola limitatrice di pressione che, aprendosi, lascia defluire carburante verso il serbatoio. La pressione di alimentazione varia da 250 bar a 1400 bar in funzione del carico del motore. La pressione del rail è gestita dalla centralina elettronica tramite l azionamento della valvola regolatrice di pressione (Figura 5) posta sulla mandata della pompa. Una sfera ha la possibilità di ostruire il condotto che collega la zona di alta pressione con lo scarico, a bassa pressione, nel serbatoio del carburante. Alla mandata della pompa il valore medio della pressione (la quale oscilla a causa del funzionamento alternato dei tre pistoni radiali) è tarato sul massimo ammesso all interno del rail. Per ridurne i valori, durante l'andamento ai carichi parziali, si attiva il collegamento con lo scarico. L'elettrocalamita ha lo scopo di parzializzare l'apertura del collegamento gestendo il movimento della sfera. Poiché, date le elevate pressioni, la sfera non riuscirebbe a restare ferma nella posizione desiderata, il suo funzionamento è volutamente del tipo duty-cycle, in altre parole un andamento tutto chiuso - tutto aperto, che provoca un'oscillazione nell'andamento della pressione del rail (Figura 6), con una frequenza più bassa rispetto a quella in uscita dalla pompa, con un valore medio uguale a quello impostato dalla centralina. 13

14 Figura 5: Valvola regolatrice di pressione; 1 Sfera; 2 Armatura; 3 Elettromagnete; 4 Molla; 5 Connessione elettrica 850 [bar] Injections Cycle for a 4 Cylinders [s] 0.20 Figura 6: Andamento pressione nel rail Il sistema di controllo del Common Rail comprende: 1. ECU; 2. Sensore di velocità albero a gomito (velocità); 3. Sensore di velocità albero a camme (fasatura); 4. Sensore del pedale acceleratore; 5. Sensore pressione dell'aria turbocompressa; 6. Sensore pressione del rail; 7. Misuratore portata d'aria. 14

15 Tenendo conto della pressione esercitata sul pedale dell'acceleratore e considerando l'input di tutti i sensori, la centralina gestisce la pressione del rail e definisce l'input di tensione adatto per gli iniettori consentendo di ottenere le prestazioni richieste. In genere, se la richiesta di potenza è elevata, la pressione del rail è massima e gli iniettori forniscono al cilindro una grande massa di combustibile, mentre con richieste di potenza minori (carichi parziali), la pressione del rail si abbassa ed il carburante iniettato diminuisce. I limitatori di flusso sono posizionati fra il rail e gli iniettori; ciascun limitatore ha il compito di prevenire l'iniezione continua di carburante qualora il relativo iniettore rimanga aperto: il limitatore si chiude automaticamente nel caso in cui la quantità di combustibile iniettata superi il valore prestabilito. Per mezzo dell'iniettore, in particolare attraverso i piccoli fori di cui è dotato (in genere cinque), il combustibile viene introdotto, polverizzato e diffuso nella camera di combustione. Il grado di miscelazione fra aria e combustibile, che influenza le emissioni inquinanti, dipende dalla polverizzazione del combustibile e dal moto dell'aria. I sensori di pressione dell aria compressa e il misuratore di portata servono soprattutto nei transitori per tenere conto dell inerzia del turbocompressore L iniettore di prima generazione Bosch Gli iniettori (Figure 7) sono connessi al rail tramite corti tubi di acciaio. Per aprirli si fornisce corrente alla valvola solenoidale situata nella parte alta dell'iniettore, tramite l ECU. La centralina, in funzione della "mappatura", alimenta l'elettrocalamita tramite la quale si agisce sull'iniettore gestendone il funzionamento. La quantità di carburante iniettata è proporzionale alla pressione di iniezione, all'area e al numero dei fori di uscita, ed anche al tempo in cui la valvola solenoidale rimane eccitata: infatti l apertura di quest ultima determina la durata dell apertura dello spillo, quindi il tempo di iniezione. Il funzionamento della valvola solenoidale dipende quindi dal tipo di profilo di tensione che le viene fornito. Le parti funzionali principali dell iniettore sono: 1. Un elettrovalvola, eccitata da un solenoide; 2. Uno stelo; 3. Un ugello; 15

16 4. Una camera di controllo, situata fra la parte superiore dello stelo e l elettrovalvola, e chiusa rispetto a quest'ultima da una sfera molto piccola; 5. Un volume di controllo alimentato dal canale di alta pressione in collegamento con il rail stesso. Ad iniettore chiuso, lo stelo è sottoposto sopra, nella camera di controllo, e sotto, nel volume di controllo, a 1300 bar a pieno carico: su di esso si esercita una forza verso il basso che lo tiene chiuso, unitamente all'azione di una molla. Quando il solenoide dell elettrovalvola è attraversato da corrente (quest'ultima generata da un dato profilo di tensione), si genera un campo magnetico che attira verso l'alto un gruppo ferromagnetico (ancora, molla, perno). Questo gruppo è quello che normalmente tiene chiusa la sfera contro la sua sede: alzandosi, lascia sollevare la sfera, che sotto è spinta da 1300 bar (a pieno carico) e sopra trova una contropressione allo scarico, che generalmente varia da 0.5 a 2 bar. Ciò fa crollare la pressione della camera di controllo da 1300 bar (essa è in comunicazione diretta con il rail) a circa 800 bar: lo stelo è così sottoposto ad una differenza di pressione positiva che lo spinge ad aprirsi, vincendo l'azione della molla, e così pure lo spillo. Nella sede dello spillo sono situati dei piccoli fori che permettono l'iniezione. Questi fori sono disposti in modo tale da iniettare combustibile in tutte le direzioni della camera di combustione. L'apertura dello spillo avviene con un certo ritardo rispetto al segnale di corrente in ingresso e così anche la sua chiusura. L ugello è del tipo VCO (Valve Covered Orifice), come illustrato in Figura 8. Nel VCO i fori sono coperti dallo spillo in chiusura, per cui il loro orifizio è parzializzato in apertura dall alzata dello spillo. La valvola solenoidale (Figura 9) è costituita da tre elementi separati: 1. L'ancora, di materiale ferromagnetico; 2. Il perno, il cui compito è quello di tenere la sfera premuta contro la sua sede; 3. Una molla, che smorza l impatto dell ancora in chiusura e la mantiene in posizione quando il magnete è diseccitato; 4. Una molla che favorisce il ritorno del pilota in fase di chiusura. 16

17 Figura 7: L iniettore di prima generazione Bosch Figura 8: L ugello VCO Foro Z Foro A Figura 9: Il gruppo elettrovalvola dell iniettore di prima generazione Bosch Il pilota urta in discesa peggiorando molto le prestazioni dell'iniettore: durante la fase di chiusura, guidata solo da una molla, quando il magnete è diseccitato, si assiste ad un urto della sfera contro la sua sede. Questi urti tendono ad allungare il tempo totale di iniezione e, inoltre, rovinano la sede della sfera dopo un certo numero di cicli. Questa struttura del pilota così complessa è dovuta alla necessità di contenere meccanicamente i saltellamenti in fase di 17

18 apertura [4]: in passato, infatti, l'intero gruppo era costruito in un blocco unico, ma ciò faceva sì che esso in chiusura impattasse contro la sua sede con velocità non nulla, provocando un suo rimbalzo indietro e possibili riaperture della sfera. Con la nuova soluzione sono ancora possibili riaperture, ma sono molto contenute e si esauriscono rapidamente nel tempo. La valvola solenoide è il componente critico dell'iniettore: deve realizzare il compromesso tra la necessità di iniettare un volume di combustibile ridotto nella iniezione pilota (al massimo 2 4 mm 3 ) ed avere un alto grado di efflusso durante la iniezione principale (fino a 70 mm 3 ). Il foro che collega l elettrovalvola alla camera di controllo è denominato foro A, mentre quello che collega il condotto proveniente dal rail alla camera di controllo è il foro Z (Figura 9): la loro calibrazione è fondamentale nel determinare la dinamica di apertura e chiusura dell iniettore. In particolare, se diminuisce la sezione del foro Z, la camera di controllo si svuota più rapidamente, per cui lo stelo è più veloce nella sua alzata e l onda di portata iniettata è più quadrata in apertura; quando la forza elettromotrice si annulla, ossia in chiusura, la camera di controllo si riempie più lentamente, per cui la curva di portata ha una pendenza meno accentuata. La sezione del foro A invece influenza principalmente la curva di portata in apertura: se la sezione diminuisce, la camera di controllo si svuota più lentamente e l iniettore è più lento [15]. In chiusura la sezione del foro A influenza la modalità e il tempo di chiusura della sfera, ma, una volta chiusa l elettrovalvola, non ha più alcun peso sulla ricarica della camera di controllo L iniettore di seconda generazione Bosch Questo iniettore (Figure 10 e 11) differisce sostanzialmente da quello di prima generazione in tre particolari costruttivi: 1. l ugello mini-sac ; 2. il moto balistico dello stelo ( virtual lift ); 3. la conformazione dell elettrovalvola. Nell ugello mini-sac (Figura 12) i fori sono affacciati su un piccolo volume. Quando lo spillo si solleva, non appena nel mini-sac si raggiunge la pressione di esercizio, uguale a quella nominale di iniezione meno le perdite di carico (Figura 13), il processo di iniezione ha inizio senza parzializzazione dell area dei fori di uscita. Inoltre nell ugello VCO l iniezione di un singolo foro dipende strettamente dalla posizione dello spillo, che è eccentrico rispetto alla sua sede, per cui la modalità di iniezione varia da ciclo a ciclo per un singolo foro in funzione 18

19 della posizione dello spillo. La presenza del volume sac nell ugello mini-sac aiuta l alimentazione uniforme e simmetrica dei fori, specialmente durante i transitori di alzata dello stelo [14]. Il grosso svantaggio di questi ugelli è di conservare una piccola quantità di fluido nel sac al termine dell iniezione, che provoca uno sgocciolamento nella successiva fase di espansione quando la pressione nel cilindro è inferiore a quella del sac stesso. Una riduzione di questo volume porterebbe di certo ad una diminuzione dello sgocciolamento e quindi delle emissioni inquinanti allo scarico, ma al contrario non garantirebbe più un uniforme alimentazione dei fori, con conseguente irregolarità nello spray tra foro e foro, particolarmente all inizio dell iniezione. Lo stelo ha una corsa di tipo balistico in cui non è mai raggiunta la battuta meccanica di fine corsa ( virtual lift ), come avveniva per il vecchio iniettore, ma la sua posizione è frutto di un equilibrio di pressioni. Tale soluzione è stata adottata per ottenere curve di volume iniettato proporzionali al tempo di eccitazione per ogni livello di pressione, che facilitano il controllo dell iniettore. In Figura 14 sono rappresentate due curve sperimentali di portata per due diversi tempi di eccitazione (ET): da essa si nota che per bassi ET il CR presenta curve triangolari di portata. L elettrovalvola (Figura 15) è costituita ancora da ancora e perno, ma è cambiato il criterio di assemblaggio. In particolare l ancora è limitata in apertura a 40 μm rispetto alla posizione di equilibrio, mentre il perno è bloccato meccanicamente da uno stop, ed è soggetta in chiusura ad una sottoelongazione limitata meccanicamente a 20 μm. Sono quindi ancora presenti le oscillazioni in chiusura dell ancora: il rimbalzo in chiusura limita fortemente l intervallo di tempo minimo tra due iniezioni successive perché la risposta cambia se il comando di apertura è dato durante la fase di salita o di discesa dell ancora stessa, per cui è necessario attendere la fine dei rimbalzi prima di dare il comando di apertura della seconda iniezione per ottenere un risultato ripetibile. 19

20 Figura 10: L iniettore di seconda generazione Bosch Figura 11: Spaccato dell iniettore di seconda generazione Bosch Figura 12: L ugello mini-sac 20

21 Pressure (MPa) Time (ms) Figura 13: Andamento della pressione nel mini-sac Portata in volume (cm 3 /s) ET 0.8 ms ET 0.4 ms Tempo (ms) Figura 14: Portata sperimentale a differenti tempi di eccitazione (ET) del solenoide MOLLA DI RITORNO 38μm + 70 ± PERNO ANCORA 20μm ± 38μm ± Figura 15: Il gruppo elettrovalvola dell iniettore di seconda generazione Bosch 21

22 1.3 Specifiche attuali di utilizzo Nell ottica del raggiungimento dei livelli di emissioni imposti dalla normativa EURO 4 una possibile soluzione sembra essere l iniezione multipla [5-12], ossia l iniezione frazionata: essa consiste nella suddivisione della quantità di combustibile da iniettare in due o più iniezioni principali, oltre all iniezione pilota e alla post iniezione, già presenti nei sistemi di prima generazione. Un parametro fondamentale che caratterizza l iniezione è la curva di portata del carburante, che definisce la variazione della massa di carburante iniettata durante un singolo ciclo di iniezione. Esso deve crescere lentamente in modo da produrre la minima massa di combustibile iniettata durante il ritardo di accensione, in quanto questa massa potrebbe bruciare, in seguito all attivarsi della combustione, con effetti negativi sul rumore del motore e la formazione di NO x. Il frazionamento dell iniezione ha proprio lo scopo di migliorare questo aspetto: produrre lo stesso beneficio di un profilo dolce senza pregiudicare il tempo di iniezione e la diffusione del carburante. Nei sistemi di iniezione tradizionali si ha che: Piccole quantità di gasolio sono iniettate a bassa pressione quando ne servirebbero grandi; Il picco di pressione è il doppio della pressione media. Il sistema Common Rail si propone di risolvere questi problemi partendo dai seguenti presupposti: Indipendentemente fra loro, la pressione di iniezione e la quantità di combustibile devono poter essere variate per ogni condizione operativa del motore; All inizio del processo di iniezione la quantità di combustibile deve essere molto piccola per ovviare ai problemi legati al ritardo all accensione. Il sistema deve quindi suddividere l iniezione in due o più iniezioni: una pilota, una principale ed eventualmente una piccola iniezione posticipata per migliorare le emissioni di NO x (Figura 16). 22

23 Injection Velocity [cm/s] inj. Velocityj Cum. Fuel Cumlative Injected Fuel [mg/stroke*cycle] Injection Velocity [cm/s] Inj. Velocity Cum. Fuel Cumlative Injected Fuel [mg/stroke*cycle] C.A. [deg. ATDC] C.A. [deg. ATDC] (a) (b) Figura 16: Rappresentazione della velocità di iniezione e del combustibile iniettato cumulativo nel caso di: (a): Iniezione standard; (b): Iniezione multipla Concettualmente, il frazionamento sembra essere un presupposto molto efficace per ottenere la riduzione di NO x e particolato, dato che il combustibile viene iniettato in funzione della disponibilità di ossigeno (non tutto in una volta come nei sistemi tradizionali) facilitando l omogeneità della miscela. La formazione degli NO x dipende principalmente dalle modalità di miscelazione e combustione della prima iniezione principale, mentre il particolato è legato alla seconda. Con le due iniezioni principali si può iniettare meno combustibile nella prima iniezione rispetto al caso standard di una sola iniezione principale, riducendo così il picco di temperatura, il che porta anche a ridurre il rumore. Con la seconda iniezione principale, però, si inietta combustibile in una zona povera di ossigeno (l'ossigeno è spinto verso la periferia della camera di combustione dai moti di swirl e di reverse squish), il che aumenta la formazione di particolato e riduce le prestazioni del motore. Per risolvere questo problema si può iniettare più combustibile nella prima iniezione principale e meno nella seconda: per ridurre l'aumento di NO x, si ritardano le due iniezioni. La post iniezione serve a ridurre gli NO x : essa ha luogo nella fase di espansione o addirittura di scarico. Lo scopo di questa iniezione è quello di iniettare una quantità ben definita di combustibile, il quale non brucia ma vaporizza grazie al calore dei gas di scarico; parte di questo combustibile ritorna in camera di combustione con lo EGR, parte invece serve a ridurre gli NO x nel catalizzatore. Sfruttando la post iniezione, il catalizzatore riduce gli ossidi di azoto in un ambiente non più molto povero di combustibile e aumenta così il suo rendimento. 23

24 L iniezione pilota può essere anticipata fino a 90 prima del punto morto superiore e solitamente è calibrata in modo da ottenere la minore concentrazione di soot. Questa iniezione, in genere molto piccola (2 4 mm 3 ), ha lo scopo di ottimizzare le condizioni della camera di combustione, ed i suoi effetti sono i seguenti: 1. La pressione all interno della camera aumenta; 2. Il ritardo di accensione dell iniezione principale diminuisce; 3. Si riduce di conseguenza il picco di pressione dovuto alla combustione ed i gradienti. Le dirette conseguenze sono la riduzione del rumore del motore, del consumo di carburante e delle emissioni nocive nei gas di scarico. L iniezione principale ( main ) è quella che effettivamente fornisce l energia necessaria per ottenere la coppia richiesta. Generalmente si effettua un ulteriore iniezione, chiamata post, subito dopo la principale: il carburante iniettato durante la fase di espansione del pistone evapora a causa dell elevata temperatura, si miscela con i gas di scarico e giunge ai convertitori catalitici che utilizzano tali particelle di combustibile evaporato come agente riducente, migliorando così la loro efficienza. I parametri critici per determinare il successo dell iniezione multipla sono: a) La quantità di carburante da iniettare ad ogni step; b) La durata di iniezione; c) L intervallo fra due iniezioni consecutive; d) La pressione di iniezione. L intervallo fra due iniezioni successive deve essere tale da garantire sempre la ripetibilità del risultato, ossia deve essere tale da permettere di iniettare la stessa quantità di carburante nel caso di due leggi di iniezione uguali e successive. Inoltre occorre verificare la corretta chiusura dell iniettore fra due iniezioni successive. La realizzazione di questo tipo di iniezione presenta alcuni inconvenienti legati alla velocità di attuazione che possiedono gli attuali iniettori. Per il loro corretto funzionamento gli iniettori hanno bisogno di un tempo minimo tra due iniezioni successive. I parametri che caratterizzano tale tempo sono fondamentalmente due, il primo di natura elettronica, il 24

25 secondo di natura idraulica. Infatti, i condensatori della centralina hanno bisogno di un tempo di carica da rispettare per avere un corretto funzionamento tra due azionamenti consecutivi, così come il circuito idraulico deve avere la possibilità di ripristinare le pressioni in alcuni suoi punti. Attualmente nei sistemi di prima generazione questo tempo minimo, imposto da Bosch, è di 1.8 ms: esso impedisce di fatto l iniezione multipla, consentendo l iniezione pilota solo fino a 1800 rpm del motore. 1.4 Specifiche future di utilizzo La prima generazione di sistemi CR ha raggiunto i livelli di emissioni inquinanti ammesse allo scarico dalla normativa EURO 3 abbastanza facilmente, grazie alle elevate pressioni di iniezione. Per ridurre sia gli ossidi di azoto sia il particolato allo scarico è necessario potere suddividere l iniezione principale in più iniezioni e ridurre quindi l intervallo minimo fra due iniezioni consecutive, al di sotto dei 500 μs [10,11]. Questo consente di ottenere la tempistica migliore di iniezione ciclo per ciclo. Inoltre tale tempo minimo deve garantire la ripetibilità dell iniezione, ossia la stessa quantità di massa di combustibile iniettata per ogni ciclo. 1.5 Problemi tecnologici e operativi Il raggiungimento di un tempo minimo tra due iniezioni consecutive inferiore a 500 μs è limitato dal circuito elettronico, che comanda l iniettore, dal suo progetto meccanico e dalle prestazioni fluidodinamiche dell iniettore. In particolare il circuito elettronico di comando dell iniettore di prima generazione richiede almeno 1000 μs per la ricarica del condensatore, così da garantire due successive attuazioni. L iniettore ha tempi di risposta idraulica all eccitazione del solenoide lenti, dell ordine delle centinaia di microsecondi: inoltre necessita di un tempo minimo tra due iniezioni consecutive per garantire la chiusura della valvola solenoidale e per ripristinare la pressione nella camera di controllo, al di sopra di un valore di soglia [13]. Infatti le tempistiche di apertura della valvola solenoidale variano a seconda della posizione in cui si trova l ancora al momento dell applicazione della corrente al solenoide [4], influenzando pesantemente la dinamica dell iniettore. L apertura e chiusura dell iniettore 25

26 idraulicamente è gestita dall equilibrio delle pressioni nella camera di controllo e nel volume di accumulo: quando la pressione scende al di sotto di un certo valore nella camera di controllo, l asta di pressione si solleva. Anche in questo caso è necessario che la pressione in camera di controllo sia sempre la stessa nell istante in cui si apre la valvola solenoidale, altrimenti la dinamica di apertura dello spillo varia, pregiudicando la ripetibilità della quantità di massa iniettata. Il problema della ripetibilità è inoltre legato alle tolleranze di costruzione che rendono problematica la realizzazione di iniettori nominalmente uguali. In particolare la messa in calibrazione dei singoli orifizi è soggetta al passaggio di liquidi abrasivi che rendono incerti sia i diametri sia i raggi di raccordo all imbocco, con conseguenze sulle condizioni di efflusso e, quindi, sulle caratteristiche operative dell iniettore. In più esistono problemi di variabilità ciclica da foro a foro. In Figura 17, in particolare, Soteriou et al. [16] ha evidenziato come il flusso fuoriesca in cinque condizioni di efflusso diverse dall ugello. Figura 17: Rappresentazione della variabilità delle condizioni di efflusso tra foro e foro dell ugello VCO in transitorio Bibliografia del capitolo [1] Stumpp, G., Ricco, M., Common-Rail An Attractive Fuel Injection System for Passenger Car DI Engines, SAE Paper , [2] Boehner, W., and Hummel, K., Common Rail Injection System for Commercial Diesel Vehicles, SAE Paper , [3] Bosch, Diesel-engine management,2nd edition. 26

27 [4] Ficarella, A., Laforgia, D., and Landriscina, V., Evaluation of Instability Phenomena in a Common Rail Injection System for High Speed Diesel Engines, SAE Paper , [5] Nehmer, D. A. and Reitz, R. D., Measurements of the Effects of Injection Rate and Split Injections on Diesel Engine Soot and NOx Emissions, SAE Paper , [6] Pierpont, D. A., Montgomery, D.T., Reitz, R. D., Reducing Particulate and NOx Using Multiple Injections and EGR in a D.I. Diesel Engine. SAE Paper , [7] Tow, T., Pierpont, D. A., Reitz, R. D., Reducing Particulates and NOx Emissions by Using Multiple Injections in a Heavy Duty D.I. Diesel Engine, SAE Paper , [8] Chan, M., Das, S. Reitz, R. D., Modeling Multiple Injection and EGR Effects on Diesel Engine Emissions, SAE Paper , [9] Han, Z., Uludogan, Ali, Hampson, G.J and Reitz, R. D., Mechanism and NOx Emissions Reduction Using Multiple Injection in a Diesel Engine, SAE Paper , [10] Ganser. M.A., Common Rail Injector with Injection Rate Control, SAE Paper , [11] Bianchi, G.M., Pelloni, P., Corcione, F.E., and Luppino, F., Numerical Analysis of Passenger Car HSDI Diesel Engines with 2nd Generation of Common-Rail Injection Systems: The Effect of the Multiple Injections on Emissions, SAE Paper , [12] Imarisio, R., Ricco, M., Rossi Sebastiano, G.M., Multiple Injection, a cost effective solution for emission reduction of Common Rail DI Diesel Engines, Aachener Kolloquium Fahrzeug-und Motorentechnik [13] Bianchi, G.M., Falfari, S., Pelloni P., Song-Charng Kong, Reitz, R.D., Numerical Analysis of High Pressure Fast-Response C.R. Injector Dynamics", SAE , March [14] De Risi, A., Colangelo, G., Laforgia, D., An Experimental Study of High Pressare Nozzles in Consideration of Hole-to-Hole Spray Abnormalities, SAE paper number , March [15] Desantes, J.M., Arrègle, J., Rodriguez, P.J., Computational Model for Simulation of Diesel Injection Systems, SAE Paper ,

28 [16] Soteriou, C., Andrews, R., Smith, M., Torres, N., Sankhalpara, S., The Flow Patterns of Variable Nozzle Geometries for Diesel Injection, SAE paper number , March Lista delle figure Figura 1: Il sistema Common Rail Figura 2: Posizionamento nel motore del CR Figura 3: Posizione dei sensori Figura 4: Pompa alta pressione Figura 5: Valvola regolatrice di pressione Figura 6: Andamento pressione nel rail Figura 7: L iniettore di prima generazione Bosch Figura 8: L ugello VCO Figura 9: Il gruppo elettrovalvola dell iniettore di prima generazione Bosch Figura 10: L iniettore di seconda generazione Bosch Figura 11: Spaccato dell iniettore di seconda generazione Bosch Figura 12: L ugello mini-sac Figura 13: Andamento della pressione nel mini-sac Figura 14: Portata sperimentale a differenti tempi di eccitazione (ET) del solenoide Figura 15: Il gruppo elettrovalvola dell iniettore di seconda generazione Bosch Figura 16: Rappresentazione della velocità di iniezione e del combustibile iniettato cumulativo nel caso di: (a): Iniezione standard; (b): Iniezione multipla Figura 17: Rappresentazione della variabilità delle condizioni di efflusso tra foro e foro dell ugello VCO in transitorio 28

29 2.1 Obiettivi della simulazione numerica Capitolo 2 La simulazione numerica Un valido strumento per l analisi delle capacità e dei limiti dell iniettore CR è sicuramente la modellazione numerica, che non può prescindere dall analisi sperimentale al banco prova, ma consente di focalizzare e ottimizzare quest ultima, nonché indirizzare la progettazione. Infatti l analisi sperimentale è di primaria importanza al fine di fornire dati per la messa a punto di un modello, ma ha lo svantaggio di essere molto costosa, richiedere spesso lunghi tempi e di non essere sempre completamente esaustiva: talvolta non consente l analisi dettagliata di alcuni fenomeni a causa della necessità di non utilizzare strumenti di misura invasivi, tali cioè da alterare la grandezza oggetto di misura. Lo studio dei sistemi Common Rail è stato affrontato da numerosi studiosi (Digesu et al. [1,2], Ficarella et al. [3], Desantes et al. [4], Catalano et al. [6], Wickman et al. [5], Coppo et al. [7], etc.) con differenti approcci: molti sono i modelli sviluppati per simularne il comportamento. Tutti i modelli analitici sono stati sviluppati numericamente e poi sono stati validati sperimentalmente al banco prova in termini, per esempio, di masse iniettate: alcuni di essi per descrivere particolari fenomeni fisici, quali per esempio la cavitazione, utilizzano nella modellazione numerica dati sperimentali raccolti in particolari condizioni operative ritenute significative ai fini del funzionamento. Di seguito si riporta il quadro fenomenologico-sperimentale cui fare riferimento e gli approcci numerici per la modellazione dell iniettore e del fenomeno della cavitazione al suo interno. 2.2 Modelli dell iniettore e del sistema CR in letteratura Differenti modelli sono stati sviluppati e sono reperibili in letteratura, per lo più zerodimensionali o monodimensionali. Alcuni fanno uso di dati ottenuti al banco prova in date condizioni operative ritenute significative ai fini predittivi. Scopo di questi modelli è quello di prevedere il comportamento di un componente o dell intero sistema di iniezione, determinarne i parametri critici di funzionamento, ottenere informazioni progettuali non 29

30 estrapolabili direttamente dall analisi sperimentale, oppure fornire ingressi utili per i modelli fluidodinamici tridimensionali (CFD). Di seguito si riportano le descrizioni di alcuni modelli ritenuti particolarmente significativi. Digesu et al. [1,2] hanno sviluppato un modello monodimensionale dell iniettore CR di prima generazione basato sul metodo dei volumi concentrati, ossia ha individuato all interno dell iniettore delle camere interconnesse da condotti o orifizi calibrati: il sistema è risolto con le equazioni di conservazione dell energia e della portata. All interno dei condotti tra due camere è simulata la propagazione delle onde di pressione, applicando le equazioni di continuità e del momento della quantità di moto per flusso isotermo, risolte col metodo delle caratteristiche. Le equazioni dinamiche sono usate per simulare il comportamento delle parti in movimento all interno dell iniettore, sottoposte a tensioni o attriti. Tali elementi in moto generano anche un effetto pompante nelle camere, di cui si tiene conto nel modello. Le forze considerate agenti sui corpi sono la forza di pressione, le molle con il loro precarico, le azioni d urto e di attrito: per gli urti è stata considerata la teoria degli urti elastici, mentre l attrito è valutato con la teoria di Nikuradse. La forza elettromagnetica sviluppata dalla valvola solenoidale è stata valutata con l analisi agli elementi finiti: si sottolinea che il suo valore massimo è prossimo ai 200 N. In particolare il magnete è stato schematizzato come bidimensionale e asimmetrico. Le proprietà magnetiche del materiale derivano da un analisi sperimentale. Il rail è schematizzato come un volume alimentato ad alta pressione dalla pompa. La legge di variazione dei coefficienti di efflusso con l alzata dello stelo negli orifizi calibrati è ricavata sperimentalmente per date condizioni operative. Per valutare in particolare il coefficiente di efflusso dell ugello sono state considerate tre tipi di perdite: il trafilamento tra la sede di tenuta e lo stelo, le perdite per cambio di direzione all ingresso dei fori, la perdita nella sezione di vena contracta. Sono stati valutati sperimentalmente i relativi coefficienti di perdita. Quindi è presente un modello di cavitazione: la condizione di innesco si ha quando la pressione scende al di sotto della pressione di vapore per una data temperatura del combustibile. Il modello è stato validato sperimentalmente e successivamente è stato usato per eseguire un analisi di sensibilità per valutare l influenza della propagazione delle onde di alta pressione nei condotti [2]. E emerso che i parametri influenzati sono in particolare: l alzata dello stelo, la portata iniettata, la pressione in ogni camera. 30