Sistemi di Iniezione Common Rail

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1 Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica/Informatica A.A. 2007/2008 II Periodo di lezione Corso di: Dinamica e Controllo delle Macchine Docente: Prof. Ing. Giuseppe Cantore Parte Seconda: Sistemi di Iniezione e Controllo Iniezione nei Motori Sistemi di Iniezione Common Rail

2 CARATTERISTICHE GENERALI La caratteristica principale dei sistemi di iniezione di tipo Common Rail è la seguente: la generazione della pressione di iniezione e l iniezione del combustibile in camera sono completamente disaccoppiate Infatti, la pressione di iniezione viene generata indipendentemente rispetto al regime di rotazione del motore ed alla quantità di fluido iniettata Il combustibile viene immagazzinato all interno di un accumulatore ad alta pressione detto Common Rail ed è così pronto per l iniezione La quantità di combustibile da iniettare viene decisa dal conducente del veicolo, mentre l istante di avvio dell iniezione e la pressione di iniezione vengono calcolate dalla centralina elettronica (ECU) sulla base delle mappature memorizzate all interno di essa Parte Seconda: Sistemi di Iniezione Common Rail 1

3 CARATTERISTICHE GENERALI A questo punto la centralina elettronica invia segnali elettrici ai solenoidi dei singoli iniettori che provvedono ad iniettare all interno dei diversi cilindri, seguendo il ciclo di funzionamento di ognuno di essi Le principali componenti elettroniche e sensoristiche di questa tipologia di sistemi di iniezione sono le seguenti: ECU (Electronic Central Unit) Sensore della velocità dell albero motore Sensore della velocità dell albero a camme Sensore del pedale dell acceleratore Sensore di pressione del turbo Sensore di pressione del Rail Sensore di temperatura del liquido di raffreddamento Misuratore di portata d aria all aspirazione del motore Parte Seconda: Sistemi di Iniezione Common Rail 2

4 CARATTERISTICHE GENERALI I vari segnali provenenti dai diversi sensori elencati in precedenza vengono processati dalla centralina elettronica, la quale definisce, anche in base alle richieste del conducente del veicolo (segnale proveniente dal sensore del pedale dell acceleratore), la condizione di funzionamento del motore e, come conseguenza di ciò, del veicolo stesso Più in dettaglio, il regime di rotazione del motore viene misurato dal sensore di misurazione della velocità dell albero motore, mentre il sensore di misura della velocità di rotazione dell albero della distribuzione (albero a camme) permette di decidere l ordine di accensione dei vari cilindri (fasatura dei cilindri) Il misuratore di portata d aria all aspirazione del motore permette di determinare il valore istantaneo di portata d aria aspirata dal motore e di variare la massa di combustibile da iniettare al fine di limitare le emissioni inquinanti allo scarico Parte Seconda: Sistemi di Iniezione Common Rail 3

5 CARATTERISTICHE GENERALI Inoltre, se il motore è equipaggiato con un sistema di sovralimentazione volumetrica o dinamica (turbocompressore), il sensore di misurazione della pressione di sovralimentazione permette di tenere conto anche del funzionamento di questo sistema Nelle fasi di avvio a freddo del motore o nel caso di funzionamento con valori ridotti della temperatura esterna (funzionamento nei mesi invernali o in particolari zone geografiche) sono i sensori di misurazione della temperatura del liquido di raffreddamento del motore e della temperatura dell aria esterna che forniscono informazioni alla ECU al fine di impostare i valori più appropriati per l anticipo di iniezione e per valutare quale strategia di iniezione impiegare (pre e post iniezioni, durata della iniezione principale, etc.) Parte Seconda: Sistemi di Iniezione Common Rail 4

6 LAYOUT DEL SISTEMA Parte Seconda: Sistemi di Iniezione Common Rail 5

7 CARATTERISTICHE DELL INIEZIONE Sistemi convenzionali Nei sistemi di iniezione tradizionali (con pompa in linea e relativo sistema di distribuzione) il processo di iniezione del combustibile in camera avviene in un unica fase (senza iniezione pilota o post iniezione) Parte Seconda: Sistemi di Iniezione Common Rail 6

8 CARATTERISTICHE DELL INIEZIONE Le caratteristiche della fase di iniezione sono, quindi, le seguenti: La pressione di iniezione aumenta progressivamente così come la quantità di combustibile iniettata Alla fine della fase di iniezione la pressione crolla molto velocemente a valori di pressione pressoché nulli come conseguenza della chiusura dell ugello dell iniettore stesso Sistemi convenzionali Parte Seconda: Sistemi di Iniezione Common Rail 7

9 CARATTERISTICHE DELL INIEZIONE Le conseguenze di ciò sono le seguenti: La frazione iniziale di combustibile viene iniettata a valori di pressione decisamente inferiori rispetto a quella finale La pressione massima di iniezione è più che doppia rispetto al corrispondente valore medio La curva di iniezione è praticamente triangolare Sistemi convenzionali Parte Seconda: Sistemi di Iniezione Common Rail 8

10 CARATTERISTICHE DELL INIEZIONE Le caratteristiche della fase di iniezione sono, in questo caso, le seguenti: Durante la fase iniziale del processo di iniezione (pilot injection) la quantità di combustibile iniettata è estremamente ridotta La fase principale del processo di iniezione (main( injection) avviene a pressione pressoché costante Sistemi Common Rail Parte Seconda: Sistemi di Iniezione Common Rail 9

11 CARATTERISTICHE DELL INIEZIONE Sistemi Common Rail Iniezione pilota Durante l iniezione pilota (pilot injection) una piccola quantità di combustibile (da 1 a 4 mm 3 ) viene iniettata all interno del cilindro per preparare le condizioni più opportune all interno del cilindro prima della fase di iniezione principale (main injection) In questo modo, l efficienza del processo di combustione può essere notevolmente migliorata e gli effetti sono i seguenti: La pressione e la temperatura durante la fase di compressione aumenta a causa delle reazioni di pre-combustione dovute alla parziale combustione del combustibile iniettato durante questa fase Si riduce, pertanto, il ritardo di accensione che caratterizza la fase principale di iniezione Allo stesso tempo di riduce la pressione media durante la fase di combustione ed i picchi di pressione durante questa fase (minor ruvidezza di funzionamento del motore) Parte Seconda: Sistemi di Iniezione Common Rail 10

12 CARATTERISTICHE DELL INIEZIONE Sistemi Common Rail Iniezione pilota In generale le principali conseguenze sono le seguenti: Riduzione del rumore che caratterizza il processo di combustione Riduzione del consumo di combustibile Riduzione delle emissioni inquinanti allo scarico del motore Parte Seconda: Sistemi di Iniezione Common Rail 11

13 CARATTERISTICHE DELL INIEZIONE Sistemi Common Rail Iniezione pilota Senza iniezione pilota Con iniezione pilota Parte Seconda: Sistemi di Iniezione Common Rail 12

14 CARATTERISTICHE DELL INIEZIONE Sistemi Common Rail Iniezione pilota Paragonando gli andamenti della pressione all interno del cilindro per due diverse strategie di iniezione, con e senza iniezione pilota, le seguenti considerazioni possono essere evidenziate: La curva relativa alla strategia di iniezione senza iniezione pilota mostra una limitata salita della pressione in camera prima del punto morto superiore (TDC). In seguito si può osservare un forte gradiente di pressione dovuto allo sviluppo impulsivo del processo di combustione La curva relativa alla strategia di iniezione con iniezione pilota mostra una più significativa crescita della pressione in camera prima del punto morto superiore (TDC). In seguito, in questo caso, si riduce il gradiente di pressione dovuto all avvio del processo di combustione, così come il picco massimo di pressione Parte Seconda: Sistemi di Iniezione Common Rail 13

15 CARATTERISTICHE DELL INIEZIONE Sistemi Common Rail Iniezione principale L iniezione principale (main injection) determina la coppia erogata dal motore Nei sistemi di iniezione di tipo Common Rail la pressione di iniezione rimane praticamente costante durante tutto il processo di iniezione Parte Seconda: Sistemi di Iniezione Common Rail 14

16 CARATTERISTICHE DELL INIEZIONE Sistemi Common Rail Iniezione secondaria Per certe versioni di motori Diesel dotati di appositi convertitori catalitici per la riduzione degli NO x un iniezione secondaria di combustibile può essere introdotta al fine di facilitare la riduzione di tali specie di inquinanti In questo caso un iniezione secondaria (detta anche post-iniezione) segue la fase principale di iniezione (main injection) e può caratterizzare la fase di espansione o addirittura di scarico, a partire da una posizione angolare dell albero motore fino a 200 dopo il PMS (punto morto superiore) L iniezione secondaria introduce all interno dei gas combusti una ben precisa quantità di combustibile Parte Seconda: Sistemi di Iniezione Common Rail 15

17 CARATTERISTICHE DELL INIEZIONE Sistemi Common Rail Iniezione secondaria Al contrario delle iniezioni pilota e principale, il combustibile iniettato durante l iniezione secondaria non brucia ma vaporizza asportando, così, calore ai gas combusti ancora presenti all interno del cilindro Durante la fase di scarico del motore, la miscela costituita dai gas combusti e dal combustibile iniettato durante l iniezione secondaria abbandona il cilindro e viene inviata al sistema di scarico del motore Parte di questa miscela viene inviata all interno del cilindro durante il ciclo successivo del motore dal sistema cosiddetto di EGR (exhaust gas recirculation) e svolge la stessa funzione di una iniezione pilota fortemente anticipata rispetto al PMS Inoltre, appositi convertitori catalici utilizzano il combustibile presente nei gas di scarico come agente riducente per la riduzione del contenuto percentuale di NO x nei gas di scarico Parte Seconda: Sistemi di Iniezione Common Rail 16

18 FUEL SYSTEM Parte Seconda: Sistemi di Iniezione Common Rail 17

19 FUEL SYSTEM FUEL SYSTEM LOW HIGH PRESSURE PRESSURE DELIVERY DELIVERY Parte Seconda: Sistemi di Iniezione Common Rail 18

20 FUEL SYSTEM Low pressure delivery system Parte Seconda: Sistemi di Iniezione Common Rail 19

21 FUEL SYSTEM Low pressure delivery system Il low pressure delivery system è costituito dai seguenti componenti: 1) Serbatoio del combustibile 2) Pre-filtro del combustibile 3) Pompa di bassa pressione 4) Filtro del combustibile 5) Linee di collegamento del fluido a bassa pressione La sua funzione principale è quella di fornire l alimentazione del combustibile per l high pressure delivery system Parte Seconda: Sistemi di Iniezione Common Rail 20

22 LOW PRESSURE DELIVERY SYSTEM Serbatoio del combustibile Il serbatoio del combustibile deve essere realizzato in materiale metallico anti-corrosione e deve garantire l assenza di perdite di fluido e di trafilamenti ad una pressione pari al doppio di quella operativa Viene sempre dotato di valvole di sicurezza per il controllo dei livelli di pressione al suo interno. Sempre per questo scopo viene molto spesso dotato di sensori e sistemi di controllo e di misura per la limitazione della pressione massima Viene solitamente posizionato sufficientemente lontano dal propulsore per motivi di sicurezza in caso di incidente Parte Seconda: Sistemi di Iniezione Common Rail 21

23 LOW PRESSURE DELIVERY SYSTEM Pompa di bassa pressione La pompa di bassa pressione ha il compito di alimentare in maniera continua e adeguata la pompa di alta pressione: In ogni condizione operativa Alla necessaria pressione di alimentazione Durante tutta la vita utile del sistema di iniezione Nei sistemi di iniezione di tipo common rail vengono utilizzate due principali tipologie di pompe di bassa pressione: Pompa elettrica a rulli (soluzione standard) Pompa ad ingranaggi esterni azionata meccanicamente Parte Seconda: Sistemi di Iniezione Common Rail 22

24 LOW PRESSURE DELIVERY SYSTEM Filtro del combustibile L acqua eventualmente presente all interno del gasolio viene drenata periodicamente attraverso un tappo posizionato nella parte inferiore del serbatoio del filtro Spesso i sistemi di iniezione di tipo common rail per autovetture sono dotati di sistemi automatici di segnalazione del livello dell acqua all interno del filtro del combustibile (spia sul cruscotto della vettura) Parte Seconda: Sistemi di Iniezione Common Rail 23