HIGH PRESSURE DELIVERY SYSTEM

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1 Valvola di controllo della pressione Due forze agiscono congiuntamente sull elemento mobile della valvola: Forza della molla Forza esercitata dal solenoide Al fine di facilitarne la lubrificazione ed il raffreddamento tutti i componenti dell assieme della valvola sono costantemente circondati dal combustibile 54

2 Valvola di controllo della pressione - Modalità di funzionamento La valvola di controllo della pressione viene azionata secondo due loop di controllo principali: Un primo ciclo di controllo elettrico di tipo slow-response che ha il compito di fissare un valore medio di pressione all interno del rail Un secondo ciclo di controllo meccanico di tipo fast-response che ha il compito di smorzare le fluttuazioni di pressione ad elevata frequenza 55

3 Valvola di controllo della pressione - Modalità di funzionamento Modalità di funzionamento con il solenoide non eccitato: l elevata pressione del combustibile all interno del rail o alla mandata della pompa di alta pressione viene applicata alla sfera della valvola di controllo della pressione attraverso il condotto di ingresso. Poiché il solenoide non è eccitato la sfera viene mantenuta in posizione di chiusura dalla sola forza elastica della molla. La forza esercitata dal fluido sulla sfera supera facilmente la forza della molla la valvola si apre e raggiunge un grado di apertura che dipende dalla portata di mandata della pompa (p max-rail 100 bar) 56

4 Valvola di controllo della pressione - Modalità di funzionamento Modalità di funzionamento con il solenoide eccitato: al fine di raggiungere livelli più elevati di pressione all interno del rail, alla forza della molla si viene ad aggiungere anche la forza elettromagnetica generata sull elemento mobile dal solenoide. La valvola raggiunge una posizione di equilibrio caratterizzata da un ben determinato grado di apertura dipendente dalla forza esercitata dal solenoide la valvola rimane aperta e mantiene costante la pressione del combustibile 57

5 Valvola di controllo della pressione - Modalità di funzionamento Una variazione della portata erogata dalla pompa o la laminazione di una certa quantità di combustibile dal circuito di alta pressione viene compensata da una corrispondente variazione del grado di apertura dell elemento mobile della valvola La forza generata dal solenoide è proporzionale alla corrente di alimentazione che viene solitamente variata per mezzo di un dispositivo di PWM (pulse with modulation) Una corrente di alimentazione del solenoide pulsante alla frequenza di 1 khz è sufficiente a proteggere il sistema da fluttuazioni di pressione indesiderate 58

6 Rail 59

7 Rail All interno del rail viene immagazzinato il combustibile ad alta pressione inviato dalla pompa di alta pressione Dal punto di vista funzionale il rail rappresenta un volume di fluido (capacità) in grado di smorzare o comunque di ridurre l ampiezza delle oscillazioni di pressione generate dalla pompa di alta pressione e dal processo di iniezione Il rail (detto anche accumulatore ad alta pressione) è comune a tutti i cilindri da cui il nome common rail Anche quando elevate quantità di combustibile sono estratte dal rail (ad esempio in seguito all iniezione di combustibile all interno di un cilindro) all interno di esso la pressione rimane praticamente costante 60

8 Rail Ciò assicura che la pressione di iniezione rimanga pressoché costante dall istante di apertura dell iniettore Al fine di soddisfare l ampia varietà di installazioni su differenti tipologie di motore, il rail viene fornito completo delle valvole limitatrici di portata agli iniettori e degli attacchi per il sensore di pressione e per il regolatore di pressione 61

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10 Il sensore di pressione del rail fornisce in input alla centralina elettronica (ECU) un segnale elettrico proporzionale alla pressione all interno del rail Sensore di pressione del rail Il sensore deve misurare il valore istantaneo della pressione all interno del rail: con adeguata accuratezza il più velocemente possibile 63

11 Sensore di pressione del rail Il sensore di pressione del rail è costituito dai seguenti componenti principali: Corpo dotato di connessioni elettriche con l esterno Elemento sensore integrato e saldato alla presa di pressione Circuito integrato (pcb printed circuit board) dotato di circuito elettrico per la valutazione della pressione 64

12 Sensore di pressione del rail Da una presa sul rail il combustibile passa attraverso un canale di collegamento ricavato all interno del corpo del sensore ed arriva al diaframma del sensore di pressione L elemento sensore (semiconduttore) è collegato al diaframma e converte la pressione del fluido in un segnale elettrico che viene inviato prima ad un circuito di amplificazione e, in seguito, alla centralina elettronica 65

13 Sensore di pressione del rail Il principio di funzionamento è il seguente: sotto l azione della pressione cambia la forma del diaframma (approssimativamente 1 mm di deformazione a 1500 bar) e, come conseguenza di ciò, la resistenza elettrica dell elemento sensibile La variazione di resistenza dell elemento sensibile determina una variazione della tensione rilevata sul ponte di misura alimentato alla tensione di circa 5 V 66

14 Sensore di pressione del rail La variazione di voltaggio misurata è compresa tra 0 e 70 mv in funzione della pressione all interno del rail e viene amplificata dal circuito di valutazione nell intervallo compreso tra 0.5 e 4.5 V Una misura precisa della pressione all interno del rail è fondamentale per un corretto funzionamento del sistema Per le condizioni di funzionamento tipiche dei motori Diesel, l accuratezza del sensore di pressione è pari a circa il ± 2% del fondo scala 67

15 Regolatore di pressione del rail 68

16 Regolatore di pressione del rail Dal punto di vista funzionale il regolatore di pressione del rail agisce come una valvola limitatrice di pressione ad azione diretta Se la pressione all interno del rail supera un valore di taratura ben definito, il regolatore di pressione si apre e scarica una portata di fluido verso il serbatoio a bassa pressione del sistema di iniezione Il valore massimo della pressione di taratura del regolatore di pressione del rail è solitamente dell ordine di bar 69

17 Regolatore di pressione del rail Il regolatore di pressione del rail è costituito dai seguenti componenti principali: Corpo dotato di filettatura esterna per il fissaggio sul rail e di filettatura interna per la connessione con la linea di ritorno al serbatoio Otturatore mobile interno Molla precaricata 70

18 Regolatore di pressione del rail In corrispondenza dell estremità filettata esterna per la connessione al rail il corpo del regolatore è dotato di un foro di passaggio tenuto in posizione di chiusura dall estremità conica dell otturatore mobile Fino a che la pressione all interno del rail rimane inferiore rispetto al valore di taratura, l otturatore viene mantenuto in posizione di chiusura dalla forza esercitata dalla molla precaricata 71

19 Regolatore di pressione del rail Non appena la pressione all interno del rail supera il valore di taratura, l otturatore si apre Si viene così a determinare una connessione diretta fra il common rail e la linea di ritorno verso il serbatoio a bassa pressione Il fluido ad elevata pressione all interno del rail può così rifluire verso il serbatoio del combustibile a bassa pressione la pressione all interno del rail diminuisce e viene così regolata 72

20 Valvole limitatrici di portata agli iniettori 73

21 Valvole limitatrici di portata agli iniettori La funzione delle valvole limitatrici di portata agli iniettori è quella di impedire che, nel caso in cui un iniettore rimanga aperto permanentemente, si abbia un flusso continuo di combustibile attraverso l iniettore Per impedire ciò, non appena la portata di combustibile che abbandona il rail supera un ben determinato livello, la valvola si chiude impedendo il flusso attraverso l iniettore 74

22 Valvole limitatrici di portata agli iniettori La valvola limitatrice di portata all iniettore è costituita da un corpo metallico (N 5) dotato di filettature esterne per il collegamento con il rail e con l iniettore. Alle due estremità del corpo sono presenti anche due passaggi per le connessioni idrauliche al rail ed all iniettore All interno del corpo è presente un otturatore mobile (N 3) forato al centro per il passaggio del fluido dall ingresso all uscita. Tale otturatore è spinto nella direzione del rail dalla forza esercitata da una molla (N 4) posizionata all interno del corpo della valvola 75

23 Valvole limitatrici di portata agli iniettori L otturatore mobile fa tenuta rispetto alla superficie cilindrica interna del corpo Il passaggio del combustibile in direzione longitudinale avviene attraverso il foro ricavato all interno di esso Tale foro si restringe in corrispondenza di una delle due terminazioni dell otturatore definendo una ben precisa area di efflusso che ha il compito di limitare la portata di combustibile 76

24 Valvole limitatrici di portata agli iniettori - Modalità di funzionamento Modalità di funzionamento normale: L otturatore mobile si trova in posizione di riposo a contatto con la sede in corrispondenza della connessione idraulica della valvola con il rail In corrispondenza dell istante di iniezione il combustibile comincia ad attraversare la valvola. La caduta di pressione a cavallo della sezione ristretta dell otturatore determina l azione di una forza che agisce sull otturatore e vince progressivamente la forza della molla L otturatore mobile si sposta nella direzione dell iniettore e chiude progressivamente la luce di passaggio del fluido dal rail all iniettore stesso 77

25 Valvole limitatrici di portata agli iniettori - Modalità di funzionamento Modalità di funzionamento normale: Alla fine della fase di iniezione l iniettore si chiude, il flusso attraverso di esso si interrompe e la molla riporta l otturatore mobile nella sua posizione di riposo a contatto con la battuta superiore La molla ed il diametro dei fori per il passaggio del fluido attraverso l otturatore mobile sono dimensionati in modo tale da garantire che, anche in corrispondenza della massima quantità di combustibile iniettata, siano in grado di riportare l otturatore in posizione iniziale di riposo 78

26 Valvole limitatrici di portata agli iniettori - Modalità di funzionamento Modalità di funzionamento anormale: Se l iniettore rimane aperto a causa di un guasto si ha un flusso eccessivo di combustibile attraverso di esso ed all interno del cilindro con i conseguenti ovvi problemi di funzionamento del motore La caduta di pressione aumenta, pertanto, proporzionalmente alla portata di combustibile. In questo caso, la forza dovuta alla differenza di pressione vince la resistenza esercitata dalla molla e l otturatore si muove verso il basso fino a chiudere completamente il passaggio del combustibile attraverso la valvola verso l iniettore 79

27 Valvole limitatrici di portata agli iniettori - Modalità di funzionamento Modalità di funzionamento con trafilamento: Se l iniettore al termine di una fase di iniezione non si chiude perfettamente si verifica il trafilamento di una certa quantità di combustibile dal sistema di iniezione all interno del cilindro del motore In questo caso, in funzione della portata di trafilamento residua, ad ogni iniezione l otturatore non riesce a raggiungere la posizione di riposo a contatto con la battuta all estremità del corpo della valvola collegata al rail Dopo un certo numero di iniezioni l otturatore arriva a contatto con la sede inferiore ricavata all interno del corpo della valvola e chiude il passaggio del combustibile verso l iniettore 80

28 Valvole limitatrici di portata agli iniettori 81

29 Iniettore 82

30 Iniettore L avvio della fase di iniezione e la quantità di combustibile iniettata ad ogni ciclo motore vengono controllate mediante l utilizzo di iniettori a comando elettro-idraulico Questa particolare tipologia di iniettore può essere montata direttamente sulla testa del cilindro del motore e può essere installata anche su motori Diesel ad iniezione diretta di tipo tradizionale 83

31 Iniettore Dal punto di vista funzionale gli iniettori a comando elettro-idraulico dei moderni sistemi di iniezione di tipo common rail possono essere suddivisi in tre parti principali: 1) Solenoid valve (valvola a solenoide) 2) Hydraulic servo-system (servo sistema idraulico) 3) Hole-type nozzle (ugello e polverizzatore di iniezione) 84

32 Iniettore Il combustibile entra all interno dell iniettore dalla connessione di alta pressione (N 4 in figura) e giunge nella parte inferiore dell iniettore (nozzle) attraverso il canale N 10 ed all interno della camera di controllo (N 8) attraverso l orificio di trafilamento (feed orifice, N 7 in figura) 85

33 Iniettore La camera di controllo è collegata alla via di ritorno del combustibile verso il serbatoio (N 1 in figura) attraverso un ulteriore orificio di trafilamento (N 6 in figura) mantenuto in posizione di chiusura dalla valvola a solenoide 86

34 Iniettore - Modalità di funzionamento Le modalità di funzionamento dell iniettore possono essere descritte considerando quattro fasi principali di funzionamento: 1) Iniettore chiuso (con l alta pressione applicata) 2) Iniettore aperto (avvio dell iniezione) 3) Iniettore completamente aperto 4) Iniettore in fase di chiusura Queste fasi di funzionamento sono determinate dalle forze applicate ai principali componenti dell iniettore Con il motore spento e pressione nulla agente all interno del rail l iniettore viene mantenuto in posizione di chiusura dalla molla presente all interno del nozzle 87

35 Iniettore chiuso 88

36 Iniettore chiuso Quando l iniettore è chiuso la valvola a solenoide non è eccitata dal segnale elettrico e rimane in posizione di chiusura In questo caso, la sfera della valvola a solenoide è mantenuta a contatto con la sede in posizione di chiusura e l orificio di trafilamento (N 6) è anch esso ostruito Il combustibile ad alta pressione proveniente dal rail riempie sia la camera di controllo che la camera del nozzle Nel complesso lo spillo dell iniettore viene mantenuto in posizione di chiusura dall azione congiunta della pressione agente all interno della camera di controllo e della molla interna che tiene lo spillo in posizione di chiusura 89

37 Iniettore aperto (avvio dell iniezione) 90

38 HIGH PRESSURE DELIVERY SYSTEM Iniettore aperto (avvio dell iniezione) La valvola a solenoide viene eccitata con una corrente elettrica esterna. La forza esercitata dal solenoide supera quella esercitata dalla molla di contrasto e l ancoretta interna si muove verso l alto Come conseguenza di ciò, l orificio di trafilamento si apre ed il combustibile può fluire dalla camera di controllo verso la camera situata posteriormente alla valvola a solenoide e ritornare infine al serbatoio del sistema di iniezione. Pertanto, la pressione del fluido all interno della camera di controllo diminuisce fortemente mentre la pressione all interno della camera del nozzle rimane costante al valore di pressione del rail La riduzione della pressione all interno della camera di controllo determina una riduzione della forza esercitata sullo spillo che, muovendosi verso l alto, da l avvio alla fase di iniezione 91

39 Iniettore completamente aperto La velocità di apertura dello spillo è determinata dalla differenza tra le portate che attraversano i due orifici di trafilamento (N 6 e 7 in figura) Lo spillo si muove verso l alto e raggiunge la sua posizione finale a contatto con la battuta superiore ricavata all interno del corpo supportato da un cuscinetto di fluido generato dal flusso del combustibile attraverso gli orifici di trafilamento Lo spillo dell iniettore è ora completamente aperto ed il combustibile viene iniettato all interno della camera di combustione ad una pressione pari a quella che regna all interno del rail 92

40 Iniettore in fase di chiusura Nel momento in cui viene meno l alimentazione della corrente alla valvola a solenoide l ancoretta viene spinta verso il basso dalla forza esercitata dalla molla della valvola a solenoide. L orificio di trafilamento viene chiuso dalla valvola a sfera che viene spinta verso il basso e va ad esercitare nuovamente la tenuta idraulica contro la sede ricavata all interno del corpo dell iniettore La pressione all interno della camera di controllo torna a risalire e, agendo unitamente alla forza della molla interna, torna a vincere la forza esercitata dalla pressione del fluido all interno della camera del nozzle 93

41 Iniettore in fase di chiusura Lo spillo viene perciò spinto verso il basso e torna progressivamente ad assumere la posizione di chiusura iniziale dell iniettore La velocità di chiusura dello spillo è determinata dalla portata di combustibile attraverso l orificio di trafilamento (N 7 in figura) Il processo di iniezione cessa nel momento in cui lo spillo arriva a chiudere completamente i fori di efflusso ricavati nella parte terminale dell iniettore 94

42 Hole-type nozzles Gli iniettori dei sistemi di iniezione di tipo common rail sono comunemente dotati di hole-type nozzles (polverizzatori) La geometria dei nozzles condiziona: l istante di avvio dell iniezione e la quantità di combustibile iniettata numero dei getti di combustibile, forma ed atomizzazione dello spray, distribuzione del combustibile in camera Per i sistemi di iniezione di tipo common rail sono disponibili due tipi di nozzles: Sac-hole nozzle Seat-hole nozzle 95

43 Hole-type nozzles I fori di iniezione sono posizionati sulla superficie esterna della parte terminale dell iniettore di forma conica Il numero dei fori ed il loro diametro dipende da: La quantità di combustibile da iniettare La forma della camera di combustione I moti organizzati della carica all interno del cilindro (swirl di diversa intensità) 96

44 Hole-type nozzles In entrambi i casi (sac-hole e seathole nozzles) i fori di ingresso sono caratterizzati da spigoli arrotondati realizzati per mezzo di lavorazioni meccaniche di elettro-erosione Tale caratteristica è finalizzata alle seguenti ragioni: Prevenire in anticipo l usura degli spigoli dei fori di ingresso causata dalle particelle abrasive che possono essere contenute all interno del combustibile Ridurre l irregolarità della portata di combustibile iniettata 97

45 Hole-type nozzles Per ridurre al minimo le emissioni di idrocarburi incombusti (HC) è importante cercare di limitare al minimo il volume di combustibile che si trova nella parte terminale dell iniettore al di sotto dei fori di iniezione (volume residuo) Tale obiettivo può essere raggiunto più facilmente utilizzando iniettori di tipo seat-hole nozzles Sac hole nozzle Seat hole nozzle 98

46 Sac-hole nozzle Gli iniettori di tipo sac-hole nozzles sono caratterizzati da fori di iniezione posizionati nella parte terminale dell iniettore stesso Tutti i fori di iniezione solo alimentati da un volume di fluido ricavato nella parte terminale dell iniettore detto sac da cui il nome del particolare tipo di iniettore La forma geometrica del sac può essere di due diverse tipologie: Sac cilindrico Sac conico 99

47 Sac-hole nozzle Gli iniettori di tipo sac-hole nozzles con sac di forma cilindrica ed estremità di forma semisferica permettono di avere massima libertà in fase di progetto per quanto riguarda: Numero dei fori di iniezione Lunghezza dei fori di iniezione Angolo dei fori di iniezione L estremità dell iniettore di forma semisferica, unitamente alla forma cilindrica del sac, permette di realizzare fori di uguale lunghezza 100

48 Sac-hole nozzle Gli iniettori di tipo sac-hole nozzles con sac di forma cilindrica ed estremità di forma conica sono caratterizzati esclusivamente da fori di iniezione aventi lunghezza pari a 0.6 mm La forma conica dell estremità dell iniettore permette di aumentarne lo spessore di parete della parte terminale e, quindi, di accrescerne la resistenza strutturale 101

49 Sac-hole nozzle Gli iniettori di tipo sac-hole nozzles con sac di forma conica ed estremità di forma conica sono caratterizzati da valori inferiori del volume residuo rispetto agli altri due introdotti in precedenza Il volume residuo di questa tipologia di iniettore è intermedio tra quelli di un seathole nozzle e di un sac-hole nozzle con sac di forma cilindrica L angolo di conicità del sac e dell estremità dell iniettore sono solitamente uguali per mantenere il più possibile costante lo spessore di parete dell iniettore 102

50 Seat-hole nozzle Al fine di minimizzare il volume di combustibile isolato nella parte terminale dell iniettore, e così le emissioni di HC, la sezione iniziale dei fori di iniezione può essere ricavata direttamente in corrispondenza della sede conica della parte terminale dell iniettore Come conseguenza di ciò non esiste praticamente volume di combustibile isolato (sac) e non c è connessione diretta tra la camera di combustione e l iniettore quando quest ultimo è in posizione di chiusura 103

51 Seat-hole nozzle In questo caso il volume di combustibile isolato nella parte terminale dell iniettore è decisamente inferiore rispetto a quello del sac-hole nozzle La parte terminale dell iniettore è di forma conica per motivi di resistenza strutturale I fori vengono solitamente realizzati per elettro-erosione (EDM electrical discharge machining) 104

52 Modellazione dell iniettore a solenoide Fasi della modellazione Comprensione del sistema Sketch mode Submodel mode Parameter mode Simulation mode Parti del modello Solenoide Stadio pilota Stadio principale Polverizzatore Librerie usate Idraulica (Hcd) Controllistica Amesim Iniettore Multijet Modello AMESim

53 Risultati della simulazione Velocità [m/s] AMESim Sperimentale Tempo [s] Leggi a pieno carico Sola iniezione Main P rail = 1610 bar Cd = 0.82 ( v = 505 m/s ) Timing e morfologia rispettati Iniezione Pre e Main Dwell time = 0.4 ms P rail = 1207 bar Cd = 0.85 ( v main = 510 m/s ) Velocità [m/s] AMESim Sperimentale ( v pre = 180 m/s ) Tempo [s]

54 Modello del sistema Elementi presenti Pompa di A.P. Rail e piping Regolatore di pressione Iniettori Supercomponenti Pompa di A.P. Regolatore Iniettori Elementi non presenti Pompa di B.P. Limitatrici di portata Circuito di ritorno