STUDIO DI MASSIMA DI UN BANCO PROVA PER INIETTORI DIESEL COMMON RAIL

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Romeo Nigro
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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BOLOGNA FACOLTA DI INGEGNERIA Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica Disegno Tecnico Industriale STUDIO DI MASSIMA DI UN BANCO PROVA PER INIETTORI DIESEL COMMON RAIL Tesi di laurea di: MARCO BARNABÈ Relatore: Prof. Ing. LUCA PIANCASTELLI ANNO ACCADEMICO Correlatori: Prof. Ing. GIANNI CALIGIANA Prof. Ing. ALFREDO LIVERANI

DIESEL COMMON RAIL Tesi di laurea di: MARCO BARNABÈ Relatore: Prof. Ing.

2 OBIETTIVI DELLA TESI: Progettazione di un banco prova per iniettori Diesel common rail Realizzazione del banco prova VINCOLI: Maggiore economicità di realizzazione possibile Compattezza e semplicità

3 UTILITÀ DEL PROGETTO Lo studio in oggetto costituisce la base di un progetto di ricerca che utilizzerà il banco realizzato per test ed ottimizzazioni dell iniezione common rail Il banco sarà interfacciato a un PC tramite schede hardware della National e pilotato tramite il software Labview Estrema versatilità grazie al controllo tramite PC Bassissimo costo

Il banco sarà interfacciato a un PC tramite schede hardware della National e pilotato

4 ELETTROINIETTORE Alimentazione ad altissima pressione 1400 bar. Elettriniettore servoassistito idraulicamente: c è una valvola pilota che, indirettamente, comanda l apertura l dello spillo. Le forze in gioco e la loro crescita devono essere così forti da compensare tutte le forze meccaniche resistenti DRIVER costosi, materiali magnetici particolari, esenti da correnti parassite.

5 Ib ATTUAZIONE INIETTORE 20 A 13 A Livelli tipici di corrente: Corrente media di picco (bypass): Ib = 20A Ripple sulla corrente di picco (bypass): Ib = 3A Corrente media di mantenimento (hold): Ih = 13A Ripple sulla corrente di mantenimento (hold): Ih = 4A Ib Ih Ih Tempi tipici di attuazione: Energizing Time: ET = 160µs 2ms Tempo di lancio (boost): Tboost = 82µs Tempo di picco (bypass): Tbypass = 80µs 350µs Tempo di decadimento corrente picco / manten.: Toff1 = 11µs Tempo di manten. (hold): Thold = ET Tboost Tbypass Toff1 Tempo di decadimento corrente dal valore di manten.: Toff2 45µs Tboost Tonb Tperb Tbypass ET Tonh Toff 1 Tperh Thold Toff 2 Profili di corrente variabili con elevata dinamica, alti valori della corrente di attuazione. L elettroiniettore common rail richiede quindi: Complesso circuito di alimentazione carburante ad alta pressione Complesso apparato elettronico di comando

= 80µs 350µs Tempo di decadimento corrente picco / manten.: Toff1 = 11µs Tempo di manten. (hold): Thold = ET Tboost Tbypass Toff1 Tempo di decadimento corrente dal valore di manten.

6 BANCHI PROVA COMMERCIALI STRUTTURA FUNZIONALE: Unità di ottenimento dell alta pressione e gestione dei flussi di carburante Unità elettronica di simulazione e generazione segnali e di rilevazione delle grandezze di interesse

di carburante Unità elettronica di simulazione e

7 BANCHI PROVA COMMERCIALI Funzioni integrate in un unica complessa ma versatile macchina Sistema composto da più unità distinte acquistabili separatamente COSTI MOLTO ELEVATI: Da per le soluzioni più semplici fino a per i banchi prova di punta

distinte acquistabili separatamente COSTI MOLTO ELEVATI: Da

8 PROGETTAZIONE Unità di ottenimento dell alta pressione e gestione flussi di carburante progettata attorno ai componenti del sistema d iniezione del motore Fiat 1.9 JTD common rail Unità elettronica provvisoria, per testare il funzionamento del banco, costituita dalla centralina automobilistica e dal numero minimo di sensori che essa richiede per funzionare. Unità meccanica (circuito carburante e trasmissione) Unità elettronica

9 JTD common rail Unità elettronica provvisoria, per testare il funzionamento del banco, costituita dalla

9 Circuito di bassa pressione (2,5 bar) alimentato da una elettropompa Circuito di alta pressione (1400 bar) alimentato dalla pompa CP1 Alimentazione slegata dall iniezione, presenza di ricircoli di carburante PROGETTAZIONE Il nostro banco ricalcherà il circuito di alimentazione carburante del motore 1.9 JTD Fiat, in modo da sfruttare I componenti a disposizione in laboratorio Alta pressione Bassa pressione

carburante PROGETTAZIONE Il nostro banco ricalcherà il circuito di alimentazione carburante del

Sensore del numero di giri e sensore di fase.

10 PROGETTAZIONE L elettronica da noi utilizzata è ridotta al minimo indispensabile Sensore di pressione rail e regolatore di pressione. Queste due unità collegate con la centralina forniscono un loop di regolazione della pressione nel rail. Sensore del numero di giri e sensore di fase. Questi due sensori forniscono alla centralina le informazioni necessarie per decidere in che cilindri iniettare e la durata di iniezione. La mancanza di tutti gli altri sensori non consente l ottimizzazione dell iniezione, per il nostro scopo ciò non crea alcun problema.

11 COMPONENTI A DISPOSIZIONE Pompa di alta pressione CP1 Rail Iniettori Pulegge della trasmissione Ruota fonica dell albero motore Sensore di fase dell albero a camme

12 PROGETTAZIONE La pompa CP1 richiede all albero albero motore 4Kw nelle condizioni di massima velocità e pressione. Un motore elettrico di tale potenza dotato di inverter ha un costo molto elevato Azioniamo il banco col tornio, che offre: Potenza e regolazione di velocità sufficienti Facile prelevamento del moto dal mandrino Montaggio sicuro e posizionamento regolabile del banco sul carro del tornio.

Un motore elettrico di tale potenza dotato di inverter ha un costo molto elevato Azioniamo il banco

13 PROGETTAZIONE SUPPORTO Struttura di alluminio ad L che ospita i componenti del sistema di iniezione e li collega alla base del tornio Progettato rispettando il layout originario dei componenti del motore Fiat JTD. Affinamento per revisioni successive mirate a contenere i costi, ridurre gli ingombri e perfezionare la funzionalità. Pompa CP1 Puleggia motrice 540 x 470 x 400 mm 350 x 460 x 400 mm 300 x 200 x 380 mm

14 TRASMISSIONE Puleggia n.1 condotta calettata sull albero della pompa CP Puleggia n.2 dell albero a camme folle, inclusa nella trasmissione per prelevare il segnale del sensore di fase Puleggia n.3 motrice montata direttamente sul mandrino del tornio

n.2 dell albero a camme folle, inclusa nella trasmissione per

15 CALCOLO DELLE FORZE Condizioni di massimo assorbimento della pompa: 4 Kw a 4000 rpm albero motore. P 4000 T = = = 303, 3N r ω 0, ,6 F = T 1 M = T r 16, 3Nm 1 1 = F = 2 T cos25 549, 7N 2 = Comune lega di alluminio: Rm = 280 Mpa Rp0,2 = 180 Mpa Non ci sono problemi di resistenza σ max = 27MPa

P 4000 T = = = 303, 3N r ω 0,0315 418,6 F = T 1 M = T r 16, 3Nm 1 1 = F =

16 MONTAGGIO RUOTE La puleggia motrice con i relativi accessori sarà montata sul mandrino del tornio La ruota fonica è necessaria per la misura della velocità Ruota fonica Puleggia motrice

17 MONTAGGIO RUOTE Montaggio della puleggia folle tramite singolo cuscinetto sere 3202 a doppia corona di sfere. Ralla esterna fissata con un coperchio in uno scasso realizzato sulla piastra Ralla interna fissata all albero della ruota stretta su uno spallamento da una vite M6.

Ralla esterna fissata con un coperchio in uno scasso realizzato

18 REALIZZAZIONE Le piastre costituenti il supporto sono state modellate tramite Cad 3D I cicli di lavorazione sono stati pianificati tramite software Cam. Le lavorazioni sono state effettuate automaticamente con una fresa Cnc. Verificati gli accoppiamenti le piastre sono state saldate. Dimensioni supporto: 300 x 200 x 380 mm

Le lavorazioni sono state effettuate automaticamente con una fresa Cnc.

19 REALIZZAZIONE I componenti assial simmetrici sono stati realizzati al tornio Albero della puleggia 2 Puleggia motrice con accessori Cuscinetto Puleggia 2 Le staffe di supporto del rail, del sensore di ruota fonica e il supporto delle bottiglie graduate sono stati realizzati al momento del montaggio con materiale reperito in laboratorio.

supporto del rail, del sensore di ruota fonica e il supporto delle bottiglie

20 ALLESTIMENTO Circuito di alta pressione - trasmissione La pompa CP1, i componenti della trasmissione, il rail e gli iniettori sono stati montati nelle sedi predisposte Trasmissione Iniettori Pompa CP1 Contenitori graduati Rail Contestualmente è stato realizzato il piano di supporto per i contenitori graduati

nelle sedi predisposte Trasmissione Iniettori Pompa CP1 Contenitori graduati

21 ALLESTIMENTO Fissaggio sul tornio Albero motore stretto sul mandrino Supporto fissato alla base del tornio tramite blocchetti e bulloni M8 Registrazione tensione cinghia agendo sui volantini del tornio Sensori di ruota fonica e di albero a camme accuratamente fasati Sensore albero a camme Sensore numero giri

22 ALLESTIMENTO Circuito di bassa pressione Il circuito di bassa pressione è costituito per lo più da componenti commerciali Valvole di non ritorno Pompa di bassa con serbatoio provvisorio Filtro Il serbatoio e costituito da un contenitore metallico La pompa di bassa pressione originale Fiat ci è stata fornita dal centro Diesel di lugo. Il filtro è stato trovato presso un ricambista locale, non necessita di supporto filtro, è stato adattato all utilizzo su un sistema common rail.

23 Ritorno al serbatoio ALLESTIMENTO Circuito di bassa pressione Mandata Ricircolo dopo il filtro attraverso una valvola di non ritorno da 2,5 bar Ricircolo in mandata della pompa CP1 (regolatore di pressione) Ricircolo degli iniettori (trafilamento e quantità di comando) Tutti i ricircoli convergono ad un piccolo collettore e convogliati al serbatoio

24 ALLESTIMENTO Elettronica Batteria Cablaggio Centralina Schemi impianto Il cablaggio è stato collegato a sensori, attuatori e centralina L impianto è alimentato da una batteria a 12V Il cablaggio è stato decifrato grazie al complicato schema elettrico Sono stati collegati all alimentazione i contatti corrispondenti al primo giro di chiave

25 PROVA DEL BANCO La prova del banco ha dimostrato: Una perfetta funzionalità della trasmissione meccanica Una perfetta funzionalità del circuito di carburante Impianto elettrico non funzionante a causa del sistema antifurto immobilizer

26 CONCLUSIONI Gli obiettivi della tesi sono pienamente raggiunti col funzionamento della parte meccanica ed idraulica del sistema. Purtroppo lo sviluppo del progetto di controllo tramite PC della costruzione meccanica oggetto della mia tesi può proseguire con una solo parziale validazione sperimentale. Possibili soluzioni del problema riscontrato: Completare il cablaggio con un blocco chiave e relativi accessori Utilizzare un sistema elettronico commerciale di controllo degli iniettori per validare il banco prova realizzato

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