Sistemi di iniezione nei motori AC

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1 Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Corso di Laurea Triennale in Ingegneria Meccanica A.A. 2007/2008 III Periodo di lezione Corso di: Macchine B Docente: Prof. Stefano Fontanesi Sistemi di iniezione nei motori AC

2 Compiti del sistema di iniezione Le principali funzioni cui il sistema di iniezione è deputato sono: Dosatura: erogazione della quantità di combustibile richiesta dal carico e dal regime di rotazione del motore. Generazione della corretta pressione di iniezione: la p inj ha un influenza diretta sulla conformazione del getto di combustibile Fasatura dell istante di iniezione: corretto istante di inizio iniezione, ottimale rispetto al punto di funzionamento (regime e carico) e rispetto alle esigenze di limitazione delle emissioni inquinanti. Legge di portata: corretta erogazione istantanea di combustibile durante tutto il periodo di iniezione (legge di iniezione). Caratteristiche dello spray (polverizzazione, penetrazione, diffusione) al fine di ottenere, all interno di una determinata camera di combustione, un buon miscelamento del combustibile in seno all aria. 1

3 Compiti del sistema di iniezione Il corretto espletamento di queste funzioni da parte del sistema di iniezione, permette di conseguire: Combustione più completa possibile. Consumi ed emissioni inquinanti contenute. Basse emissioni acustiche e carichi (termici e meccanici) contenuti. Corrispondenza tra potenza richiesta e potenza erogata compatibilmente con consumi ed emissioni inquinanti contenute. Le difficoltà progettuali ed operative a cui si deve far fronte nello sviluppo e corretto funzionamento del sistema di iniezione sono aggravate dalle piccole quantità di combustibile che devono essere iniettate (ordine di grandezza: mm 3 ) 2

4 Il sistema di iniezione Common Rail L esigenza di limitare il più possibile il tempo di ritardo fisico, unitamente ai vantaggi derivanti dal controllo elettronico della fasatura e della dosatura del combustibile hanno portato allo sviluppo dei gruppi di iniezione a controllo elettronico: qui sotto si riporta lo schema di massima di un sistema di iniezione common rail Bosch 3

5 Il sistema di iniezione Common Rail La caratteristica principale dei sistemi di iniezione Common Rail è il completo disaccoppiamento della generazione della pressione di iniezione e dell iniezione in camera. Infatti, la pressione di iniezione viene generata indipendentemente rispetto al regime di rotazione del motore e alla quantità di combustibile da iniettare. Il combustibile viene immagazzinato in 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 dall ECU sulla base delle mappature memorizzate al suo interno. 4

6 Il sistema di iniezione Common Rail A questo punto l ECU invia segnali elettrici ai solenoidi dei singoli iniettori, che provvedono ad iniettare il combustibile. I principali segnali elettronici di controllo e di regolazione dei sistemi Common Rail sono: -Il sensore del regime motore -Il segnale di fase -Il sensore della posizione del pedale dell acceleratore -Il sensore della pressione del turbo -Il sensore di pressione nel Rail -Il sensore di T motore -Il misuratore di portata d aria motore I vari segnali vengono processati dall ECU, la quale definisce la condizione di funzionamento del motore. 5

7 Il sistema di iniezione Common Rail 1. Misuratore di portata d aria; 2. Centralina elettronica; 3. Pompa ad alta pressione; 4. Accumulatore ad alta pressione (rail); 5. Iniettori; 6. Sensore di n; 7. Sensore di Tmotore; 8 Filtro combustibile; 9. Sensore di posizione acceleratore 6

8 Sistemi convenzionali Nei sistemi di iniezione tradizionali (es. pompa in linea e distributore) il processo di iniezione del combustibile in camera avviene in un unica soluzione. Non si possono pertanto adottare iniezioni multiple (pilot, pre, post). 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 pressochè nulli 7

9 Sistemi convenzionali 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 valor medio di progetto; La curva di iniezione è praticamente triangolare: il getto risultante è, pertanto, fortemente disomogeneo nell arco dell iniettata. 8

10 Nel caso di sistema CR, le caratteristiche del processo di iniezione sono invece le seguenti: E possibile adottare iniezioni multiple (fino a 5): iniezione pilota, pre-iniezione, iniezione principale (main, fino a 2), post-iniezione; le iniezioni si susseguono in maniera prefissata, nei limiti dell inerzia del sistema La (le) fase(i) principale(i) del processo di iniezione (main injection) avviene (avvengono) a pressione praticamente costante: questo permette un controllo accurato della morfologia del getto in camera. 9

11 Durante l iniezione pilota (pilot-injection) una piccola quantità di combustibile (uno o più mm3) viene iniettata in maniera anticipata all interno della camera, per preparare le condizioni più opportune all interno del cilindro prima dell iniezione principale. In questo modo, l efficienza del processo di combustione può essere notevolmente aumentata, e le motivazioni sono le seguenti: la pressione e la temperatura in camera aumentano a causa delle reazioni di pre-ossidazione e pre-combustione dovute all accensione (almeno parziale) del combustibile iniettato durante la pilot; Si riduce, pertanto, il tempo di ritardo fisico all accensione che caratterizza l iniezione main; Allo stesso tempo, si riduce la pressione media durante la fase di combustione, si limitano i picchi, riducendo i carichi massimi, le emissioni di NOx, la rumorosità del motore. 10

12 Senza iniezione pilota Con iniezione pilota 11

13 HIGH PRESSURE DELIVERY SYSTEM 12

14 HIGH PRESSURE DELIVERY SYSTEM High pressure delivery System è costituito dai seguenti componenti principali: 1. Pompa di alta pressione dotata di valvole di controllo della pressione di shut-off 2. Rail 3. Sensore di pressione del rail 4. Regolatore di pressione del rail 5. Valvole limitatrici di portata agli iniettore 6. Iniettori 13

15 POMPA DI ALTA PRESSIONE 1. Albero 2. Camera eccentrica 3. Elemento pompante con pistone 4. Valvole di ingresso 5. Valvola di uscita 6. Ingresso 14

16 POMPA DI ALTA PRESSIONE La pompa di alta pressione è l interfaccia tra i sistemi di alimentazione del combustibile a bassa e ad alta pressione Essa ha il compito di erogare un adeguata quantità di combustibile al sistema di iniezione in tutte le condizioni di funzionamento del motore Al contrario dei sistemi di iniezione convenzionali, la pompa di alta pressione provvede a generare in modo continuo ed a mantenere ad un livello opportuno la pressione di iniezione all interno del rail. Pertanto, il combustibile da iniettare viene sempre mantenuto ad alta pressione e non deve essere compresso per ogni singola iniezione. Viene preferibilmente installata sul motore Diesel in corrispondenza dello stesso punto di montaggio della pompa di distribuzione di un sistema di iniezione convenzionale Normalmente viene trascinata in rotazione dal motore Diesel essa collegato mediante collegamento diretto o trasmissione meccanica con ruote, catene o cinghie dentate La velocità di rotazione della pompa di alta pressione è solitamente pari alla metà delle velocità di rotazione del motore Diesel che la trascina in rotazione e comunque mai superiore ai 3000 rpm. 15

17 VALVOLA DI CONTROLLO DELLA PRESSIONE La valvola di controllo della pressione ha il compito di fissare il valore della pressione all interno del rail in funzione delle condizioni operative del motore e di mantenerlo nel tempo Se la pressione all interno del rail è troppo elevata, la valvola di controllo della pressione si apre e una parte del combustibile rifluisce dal rail al serbatoio attraverso un apposita linea idraulica di collegamento Se la pressione all interno del rail è troppo bassa, la valvola di controllo della pressione si chiude e isola il rail dalla linea di bassa pressione 16

18 RAIL 17

19 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 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. Ciò assicura che la pressione di iniezione rimanga pressoché costante dall istante di aperture 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. 18

20 SISTEMA DI INIEZIONE COMMON RAIL 19

21 INIETTORE 20

22 INIETTORE Il combustibile entra all interno dell iniettore dalla connessione di alta pressione (4) e giunge nella parte inferiore dell iniettore (nozzle) attraverso il canale (10) ed all interno della camera di controllo (8) attraverso l orificio di trafilamento (7, Feed Orifice) La camera di controllo è collegata alla via di ritorno del combustibile verso il serbatoio (1) attraverso un ulteriore orificio di trafilamento (6) mantenuto in posizione di chiusura dalla valvola a solenoide. 21

23 INIETTORE MODALITA DI FUNZIONAMENTO Le modalità di funzionamento dell iniettore possono essere considerando quattro fasi principali di funzionamento: 1. Iniettore chiuso (con alta pressione applicata) 2. Iniettore aperto (avvio dell iniezione) 3. Iniettore completamente aperto 4. Iniettore in fase di chiusura Queste fasi 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 i posizione di chiusura dalla molla presente all interno del nozzle. 22

24 1. 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 i posizione di chiusura e l orificio di trafilamento (6) è ostruito Il combustibile ad alta pressione proveniente dal rail riempie sia la camera di controllo sia 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. 23

25 2. 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, l orificio di trafilamento si apre e 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. 2

26 3. INIETTORE COMPLETAMENTE APERTO La velocità di apertura dello spillo è determinata dalla differenza tra le portate che attraversano i due orifici di trafilamento (6 e 7). Lo spillo si muove verso l alto e raggiunge la posizione finale a contatto con la battuta superiore, supportato da un cuscinetto di fluido in pressione generato dal flusso del combustibile attraverso gli orifizi di trafilamento. 6 7 Lo spillo dell iniettore è ora completamente aperto, e il combustibile viene iniettato in camera di combustione ad una pressione pari a quella che regna nel rail. 25

27 4. 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 orifizio 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 iniettore. La pressione all interno della camera di controllo torna a risalire e, agendo insieme alla forza della molla interna, torna a vincere la forza esercitata dalla pressione del fluido all interno della camera del nozzle (parte inferiore dello spillo). 26

28 4. 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 orifizio di trafilamento (n. 7 in figura). Il processo di iniezione termina nel momento in cui lo spillo arriva a chiudere completamente i fori di efflusso ricavati nella parte terminale dell iniettore. 27

29 Gli iniettori dei sistemi common rail sono comunemente dotati di hole-type nozzles (polverizzatori). La geometria del nozzle condiziona: l istante di avvio dell iniezione, la quantità iniettata, la parte terminale dell iniezione; forma ed atomizzazione dello spray, numero dei getti e distribuzione del combustibile in camera Per i sistemi di iniezione common rail sono disponibili due tipi di nozzle: sac-holenozzle seat-hole nozzle Hole-type nozzle 28

30 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 nozzle. In questo caso il volume di combustibile isolato nella parte terminale dell iniettore è decisamente inferiore rispetto a quello dei sac-hole nozzle. La parte terminale dell iniettore è di forma conica per motivi di resistenza strutturale. I fori vengono realizzati per elettro-erosione. d = mm L/d = 4 7 v inj > 450 m/s Hole-type nozzle 29