I sistemi di iniezione common rail per motori Diesel

Corso di Macchine a Fluido A.A. 2003/2004
Docente L. Postrioti
Il sistema di iniezione a controllo elettronico common-rail
INTRODUZIONE
Il sistema di iniezione a controllo elettronico per motori Diesel ad iniezione diretta di
tipo common-rail, nasce come progetto strategico di medio termine nell'ambito del Gruppo
Fiat verso la metà degli anni '80. Sviluppato dall'Elasis (Sistema Ricerca Fat nel
Mezzogiorno – Sede di Bari) prima e da Magneti Marelli e CRF (Centro Ricerche Fiat –
Orbassano, Torino) successivamente, ha raggiunto la fase di pre-industrializzazione
intorno al 1993. Il progetto è stato quindi ceduto al Gruppo Bosch nel 1994, che ne ha
curato lo sviluppo finale e la fase di industrializzazione vera e propria. La prima vettura
equipaggiata (Alfa Romeo 156) con questo innovativo sistema di iniezione è stata
commercializzata a partire dalla fine del 1997.
Questo sistema di iniezione, il primo nel suo genere e probabilmente ancora il punto di
riferimento tecnico del settore, ha costituito un punto di svolta storico nell’evoluzione del
motore Diesel. Infatti, grazie all’adozione di questa tipologia di sistema di iniezione,
soprattutto in virtù del controllo elettronico di tutti i principali parametri operativi, il
motore Diesel ha visto contemporaneamente crescere la sua potenza specifica (sono stati
raggiunti 70 CV/dm3, valore ottimo anche per un motore ad accensione comandata)
conservando e anzi migliorando il suo livello di efficienza energetica (prossima al 40% in
condizioni di coppia massima). Aspetto tutt’altro che secondario, la flessibilità del sistema
di iniezione ha aumentato enormemente le possibilità di controllo delle emissioni
inquinanti rispetto a quanto possibile con sistemi convenzionali.
Successivamente alla commercializzazione del sistema Common-Rail Bosch (con la
designazione Unijet per la prima generazione, attualmente denominato MultiJet), diversi
altri sistemi similari in termini concettuali sono stati sviluppati o sono in corso di sviluppo
da parte di Aziende concorrenti (Delphi, Siemens, Denso, la stessa Magneti Marelli). Altri
Costruttori hanno scelto via alternative (sistema iniettore –pompa Volkswagen) per
ottenere risultati analoghi in termini di flessibilità e caratteristiche di iniezione. Tuttavia,
nel seguito, si farà riferimento al sistema Bosch ritenendolo emblematico dello stato
dell’arte.
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I sistemi di iniezione Common-Rail Diesel
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IL SISTEMA BOSCH COMMON-RAIL UNIJET-MULTIJET
Con questa tipologia di sistema di iniezione, la gestione elettronica garantisce un
controllo estremamente preciso e flessibile delle quantità iniettate, dei tempi di iniezione e
della pressione di iniezione. Il controllo della quantità iniettata può essere eseguito in
maniera singola per i diversi cilindri ad ogni ciclo del motore. E' inoltre possibile realizzare
iniezioni multiple (attualmente fino a 5) nell'ambito dello stesso ciclo motore, ottenendo
significativi vantaggi in termini di controllo del processo di combustione. Con ciò si
ottiene una significativa riduzione delle emissioni inquinanti, dei consumi ed un
miglioramento delle prestazioni, diminuzione di rumorosità e vibrazioni dell'unità motrice.
Il sistema può operare con velocità di rotazione del motore comprese fra i 100 e i 6000
giri al minuto, con pressione di iniezione regolabile fra i 150 e i 1350 bar,
indipendentemente dalla velocità di rotazione del motore. La pressione massima di utilizzo
è stata portata a 1600 bar con l’introduzione della seconda generazione del sistema; sono
attualmente in corso sperimentazioni per arrivare fino a 1800 bar, pressione peraltro già
raggiunta da altri sistemi concorrenti (Delphi).
Globalmente, il sistema UNIJET può essere visto come il primo impianto di iniezione
per motori Diesel operante secondo criteri logici di controllo del motore simili a quelli
ormai ampiamente affermati nel campo dei motori ad accensione comandata. Infatti, le
modalità di iniezione (in termini di quantità, timing e pressione) sono in questo caso
determinate in base, oltre che al carico richiesto e alla mappatura di funzionamento precodificata, all'effettivo stato operativo del motore, definito, come sarà più chiaro nel
seguito, grazie all'adozione di un numero significativo di sensori.
Nel seguito si riporta una sintetica descrizione del principio di funzionamento.
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DEL SISTEMA UNIJET
Il sistema UNIJET è costituito dai seguenti componenti fondamentali (figura 1):
•
•
•
•
una pompa di alta pressione;
un accumulatore di pressione (common-rail);
gli elettroiniettori;
il sistema elettronico di controllo (centralina, sensori e attuatori).
Una prima pompa elettrica di bassa pressione alimenta la pompa di alta pressione,
azionata dal motore, che invia il combustibile al common rail. Sulla pompa di alta
pressione (o sul rail stesso, a seconda delle versioni) è posto un elettroattuatore, controllato
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dalla centralina, che comanda una valvola a due vie: la portata in eccesso, rispetto al valore
richiesto per mantenere nel rail la pressione desiderata, è inviata nuovamente al serbatoio.
Un sensore di pressione, posizionato sull'accumulatore, opera come elemento di controllo e
di feed-back per il sistema di regolazione della pressione. Il rail svolge la funzione di
smorzatore delle oscillazioni di pressione indotte dall'azione della pompa e dalle aperture
degli iniettori, di modo che questi possano operare in condizione di pressione di monte
costante.
L'apertura degli elettroiniettori è comandata dalla centralina, in cui sono presenti
un'unità logica (ECU, Electronic Control Unit) e una di potenza (EPU, Electronic Power
Unit). L'azione della centralina è determinata in base sia ai valori di mappatura, sia ai
segnali provenienti dai sensori installati, che consentono di valutare lo stato di
funzionamento del motore.
LA POMPA DI INIEZIONE
La pompa di alta pressione (fig. 2) è di tipo volumetrico a tre pompanti, disposti
radialmente a 120° attorno all'asse e comandati da un eccentrico solidale all'albero. Dato il
ridotto volume morto, il rendimento volumetrico dei pompanti è molto elevato (oltre 0.9)
contribuendo a diminuire, rispetto ai sistemi convenzionali, la coppia torcente richiesta per
l'azionamento della pompa. Il sistema non richiede alcuna fasatura con il motore,
semplificando notevolmente le operazioni di manutenzione.
Fig. 2
La pompa di iniezione del sistema UNIJET [39].
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Fig. 1 Schema generale del sistema UNIJET [39].
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Il regolatore di pressione installato sulla pompa di alta pressione è costituito da un otturatore
sferico controllato, nella sua azione, da una molla e da un solenoide. Quando il solenoide è
attraversato da corrente, l'otturatore a sfera tende ad essere chiuso diminuendo la portata di
combustibile di ritorno al serbatoio e, quindi, incrementando la portata e la pressione al rail. La
regolazione del sistema è attuata dalla centralina mediante un segnale ad onda quadra (200 Hz) con
duty cycle variabile (detto PWM, Pulse Width Modulation), in base al segnale proveniente dal
sensore di pressione presente sul rail.
L'INIETTORE
Lo schema di funzionamento dell'elettroiniettore è riportato in figura 4. Gli elementi
fondamentali sono:
• il polverizzatore multiforo (fig 3), di tipo VCO (Valve Covered Orifice, cioè con i fori otturati
direttamente dallo spillo) o di tipo Mini-Sac, in cui i fori sono alimentati da un piccolo volume a
valle della zona di tenuta tra lo spillo e la sua sede; lo spillo è tenuto in posizione chiusa, a
riposo, dalla molla M1;
• l'asta di pressione, il cui moto è controllato dalla pressione esistente nel piccolo volume di
controllo posto sulla sua parte superiore; la legge di variazione della pressione nel volume di
controllo è determinato dai due fori calibrati A e Z, che regolano l'afflusso e il deflusso di
combustibile;
• l'elettrovalvola, posta nella parte superiore dell'iniettore, che ha la funzione di scoprire il foro A
per realizzare l'iniezione.
a)
Fig. 3
b)
Schema di polverizzatore di tipo VCO (fig 3a) eMiniSac (fig 3b)
In seguito al comando della centralina, la bobina dell'elettrovalvola è percorsa da corrente
causando il sollevamento della sfera di chiusura del foro A; di conseguenza, la pressione nel volume
di controllo posto sopra l'asta di pressione cala. Viene a crearsi così un'alterazione dello stato di
equilibrio dell'asta di pressione, con conseguente apertura dello spillo che causa l'avvio
dell'iniezione. Al cessare del comando di apertura da parte della centralina, il foro A si richiude
consentendo alla pressione nel volume di controllo di risalire fino a richiudere lo spillo per far
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cessare l'iniezione. Come conseguenza della catena di eventi descritti, l'avvio dell'iniezione avviene
con un certo ritardo rispetto all'inizio del periodo di eccitazione dell'elettrovalvola (ET, Energizing
Time), come schematicamente mostrato in figura 4.
Connettore
Molla
Elettromagnete
Raccordo
Ancora
Ghiera
Valvola
Otturatore a sfera
Asta di pressione
Corpo
Molla (F e)
Dado di ritegno
Distanziale calibrato
Grano di riferimento
Foro “ Z ”
Polverizzatore: Spina
Vc
Foro “ A ”
Ugello
Fig. 4
Schema di iniettore del sistema UNIJET e della sequenza temporale degli eventi.
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