Nuovo sistema di misura della portata istantanea degli

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quindi il valore medio misurato su un certo
numero assegnato di iniezioni, la deviazione
standard della popolazione (naturalmente
minore è la deviazione standard più preciso è
l’iniettore nella erogazione di combustibile), il
tempo di ritardo tra la reale iniezione di liquiFig. 1 –
do ed il comando elettrico di attuazione ed
infine la legge di iniezione ossia la portata Leggi di iniezione
relative a diverse
istantanea nel tempo.
Nuovo sistema di misura della
portata istantanea degli iniettori
per motori Diesel e benzina
di Carmine Ungaro, Luca Marassi
La Ricerca e Sviluppo del Gruppo Loccioni ha brevettato e realizzato un nuovo
sistema di misura della portata istantanea di combustibile erogata da iniettori
Diesel e benzina. Con questo nuovo strumento di misura si raggiungono migliori
prestazioni in termini di accuratezza e di
precisione nella misura della quantità di
combustibile iniettata per ogni singola
iniezione.
Questa tipologia di misura è fondamentale sia per chi progetta e sviluppa iniettori sia per chi progetta e realizza motori.
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Premessa
L’introduzione dei sistemi di alimentazione
motore tramite iniezione a controllo elettronico ha permesso agli attuali motori ad accensione per compressione di raggiungere prestazioni, in termini di potenza e di abbattimento di emissioni di inquinanti, inimmaginabili
fino a qualche tempo fa. Questo soprattutto
grazie alle elevate pressioni di alimentazione
dei moderni iniettori “Common Rail” ed alle
strategie di iniezione multipla.
Elemento fondamentale nella gestione delle
strategie di alimentazione motore è la centralina elettronica che determina i parametri di
iniezione sulla base delle condizioni di funzionamento e delle prestazioni richieste.
Per assolvere questo compito occorre che la
centralina conosca le prestazioni di ogni iniettore installato sul sistema di alimentazione,
ovvero sia in grado di sapere la quantità di
combustibile iniettata ad ogni pressione per
un assegnato tempo di attuazione.
Infatti, la gestione dell’iniezione di gasolio non
è affidata ad un sistema di controllo a ciclo
chiuso, capace cioè di variare la quantità
iniettata sulla base della differenza tra quanto
richiesto dalle condizioni di funzionamento,
memorizzato sulla centralina, e la quantità
realmente iniettata, ma la centralina deve
operare come un sistema di controllo in catena aperta.
È quindi necessario memorizzare (o “mappare”) nella centralina una enorme quantità di
dati che indichino i tempi di attuazione previsti per ciascun iniettore al fine di ottenere una
specifica prestazione. La centralina deve
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condizioni di
quindi riconoscere l’iniettore e conoscere le
sue effettive prestazioni.
Per rendere possibile tutto questo, alla fine
del ciclo di produzione di ogni singolo iniettore si procede alla sua caratterizzazione, effettuando dei test in alcuni punti particolari di
funzionamento per verificare l’effettiva quantità di combustibile iniettato in relazione al tempo di eccitazione ed alla pressione di alimentazione.
Gli strumenti di misura della
portata degli iniettori
Da quanto detto fin qui si evince come il test
dell’iniettore Diesel a fine ciclo di produzione
sia un operazione molto delicata e, visto l’elevato numero di pezzi prodotti, richiede la realizzazione di linee di test dedicate. Su queste
linee di test l’elemento principale è lo strumento di misura che permette di calcolare la
quantità di liquido emessa per ogni singola
iniezione. Questo tipo di strumento viene
denominato “Shot to Shot” proprio per sottolineare la sua capacità di misurare la quantità
di liquido per ogni singolo colpo o iniezione.
La criticità di questo tipo di misura risiede nel
fatto che ormai bisogna discriminare quantità
di liquido dell’ordine del microlitro emesse in
modo discontinuo ad una elevata velocità.
Questa tipologia di strumento deve fornire
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Si può effettuare una prima grossolana distinzione tra i misuratori dividendoli in due famiglie: i sistemi a volume variabile ed i sistemi a
volume fisso.
I sistemi a volume variabile sono caratterizzati dall’avere un elemento mobile, in genere un
pistoncino, alloggiato in una camera di misura messa in collegamento diretto con l’iniettore. Il pistoncino, a seguito di una iniezione di
combustibile, si muove dalla sua condizione
di equilibrio, fino a raggiungere una nuova
posizione. Misurando opportunamente la
posizione del pistoncino, ad inizio iniezione ed
a fine iniezione, si risale al volume di liquido
iniettato. A fine iniezione avviene lo scarico
della camera di misura attraverso una elettrovalvola ed a mezzo di una forza di contrasto,
il pistoncino ritorna nella posizione iniziale.
Nei sistemi a volume fisso in genere è presente un sensore di pressione in un ambiente di
misura in comunicazione diretta con l’iniettore
ed in base alle informazioni provenienti dal sensore si risale alla quantità di liquido iniettata.
I sistemi a volume variabile sono i sistemi
attualmente più diffusi in ambito industriale e
sono quelli attualmente installati su tutte le
linee di test di iniettori.
A causa della presenza di un elettrovalvola di
scarico della camera ed alla delicatezza del
pistoncino mobile tali sistemi presentano problemi di affidabilità. Inoltre, non sono in grado
di fornire una misura adeguata del profilo di
iniezione (injection rate), ossia della portata
istantanea erogata (Fig. 1).
Questo fa si che spesso nei laboratori di ricerca
e sviluppo, dove è importante misurare la portata istantanea soprattutto in caso di iniezioni
multiple, la strumentazione utilizzata è differente dalla strumentazione utilizzata in produzione.
funzionamento di un
iniettore diesel al
variare della
pressione nel rail
espresse in mg/s.
Le quantità variano
da 1 mm3 a 45
mm3 , la pressione
di alimentazione
dell’iniettore varia
da 280 bar a 1700
bar
Fig. 2 –
Legge di iniezione di
un iniettore GDI di
tipo piezo - spray
guided. La pressione
di alimentazione
dell’iniettore è di
circa 250 bar , la
quantità iniettata
circa 80 mg
Tra gli strumenti a volume variabile sono
attualmente presenti sul mercato l’Akribis del-
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tore al fine di avere cicli con migliori rendimenti e minor emissioni di inquinanti.
foro si ottiene la seguente relazione:
Il MEXUS
La R&D del Gruppo Loccioni ha brevettato e
realizzato un nuovo strumento di misura Shot
to Shot in grado di essere installato sulle linee
di test.
Lo strumento sviluppato, denominato Mexus,
è stato pensato per l’utilizzo intensivo in produzione, ma è in grado di perseguire con efficacia anche le richieste di chi lavora in R&D.
Fig. 3 –
Schema semplificato
dei componenti del
sistema di misura
Mexus
Il Mexus
la britannica Innov8, l’EMI 2 della francese
EFS di brevetto Bosch, l’EMI 21 della tedesca
Mohwald anch’esso di brevetto Bosch.
Tra gli strumenti a volume fisso si possono
segnalare l’Injection Analyzer della IAV, che è
lo strumento storicamente utilizzato nei laboratori per lo studio della legge di iniezione, e l’
FJ6000 della Ono Sokki.
Infine, si vuole sottolineare come tali strumenti siano utilizzati in maniera sempre più intenlinea di produzione
siva anche per lo sviluppo di iniettori benzina
ad alta cadenza per
di tipo GDI. Infatti, negli ultimi anni il vivo inteiniettori Diesel. Su
resse nei confronti dei sistemi ad iniezione
questa stazione si
effettuano il test shot diretta benzina per motori ad accensione
comandata (iniettori GDI) impone ai produttoto shot e la misura
ri di tali sistemi lo studio della misura shot to
di tutti i parametri
shot e lo studio della legge d’iniezione (Fig. 2).
necessari alla
Questo naturalmente per ottenere ed ottimizcaratterizzazione di
zare innovative strategie di controllo dell’inietun iniettore
installato su una
Il Mexus è costituito da una camera di misura
di forma semisferica piena di liquido, sulla base
della quale è presente un sensore di pressione
piezo-resistivo. La camera è inoltre dotata di un
piccolo foro di scarico e di una valvola di regolazione che ne controlla la sezione di efflusso;
la valvola di regolazione è azionata da un motore a passo. Immediatamente a valle della valvola di scarico è presente un sensore di portata
massica ad effetto Coriolis. La camera, a differenza di tutti gli altri sistemi, è quindi dotata di
uno scarico continuo.
L’iniettore viene alloggiato direttamente sulla
camera di misura.
.
mi
p
p0
portata massica istantanea dell’iniettore
pressione all’interno della camera
pressione ambiente
Fig. 4 –
Sezione della
Grazie all’acquisizione del segnale di pressione della camera durante una determinata fase
del ciclo e grazie all’acquisizione del segnale
della portata proveniente dal sensore massi-
meccanica del Mexus
caratteristica lo rende insensibile alle variazioni delle proprietà del liquido di prova.
Inoltre, per come è stato progettato, il sistema
Mexus offre una notevole stabilità della misura della legge di iniezione nel tempo. Queste
caratteristiche, congiuntamente con l’elevata
ripetibilità e stabilità della misura shot to shot
lo rendono particolarmente efficace nella
caratterizzazione a fine produzione del componente iniettore. Il Mexus è capace di misurare in maniera accurata sino a 10 iniezioni
consecutive per ciclo (multijet).
L’elettronica del Mexus è stata dotata di un controller real time con integrato un sistema FPGA.
Principio di misura
La camera, piena di liquido, di circa 25 cc di
volume, viene definita come un volume di
controllo dotato di un ingresso, ossia la sezione di passaggio del liquido dell’iniettore, e di
un’uscita, ossia la valvola di regolazione dello
scarico (Fig. 3).
Il Mexus
installato in un
laboratorio di ricerca
e sviluppo di un
produttore di
iniettori Diesel
IIl Mexus è stato
presentato al 16°
”Aachen
Colloquium” che si è
La camera di misura del Mexus viene così
schematizzata come un sistema 0-dimensioni
con una sezione di ingresso ed una di uscita.
Con questa approssimazione si intendono
tutte le variabili di stato uguali in ogni punto
della camera, e dipendenti solo dal tempo.
Applicando a tale volume di controllo l’equazione di continuità della massa, la relazione di
comprimibilità e l’equazione di efflusso da un
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tenuto dal 8 al 10 di
Ottobre nella
cittadina di
co, ttramite un opportuno algoritmo di calcolo è possibile calcolare ad ogni ciclo i parametri C1 e C2. Noti quindi questi parametri per
ogni singolo evento, analizzando il segnale di
pressione si risale alla portata istantanea di
liquido iniettata per ogni singola iniezione.
Integrando nel tempo la calcolata legge
d’iniezione, è possibile risalire alla misura shot
to shot della massa iniettata.
Aquisgrana sede di
una delle principali
Università tecniche
tedesche
Uno dei principali elementi che differenzia il
Mexus da tutti gli altri strumenti della sua
famiglia è che è in grado di fornire la legge di
iniezione direttamente in massa. Questa
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L’algoritmo di calcolo e tutta la parte software
di gestione sono stati sviluppati in ambiente
Labview NI.
Alla luce di quanto descritto possiamo affermare che il Mexus offre ai progettisti una innovativa soluzione per il test dei sistemi di iniezione. Questo valido strumento aiuterà nell’ottimizzazione e nello sviluppo dei nuovi componenti necessari per realizzare un motore
sempre più performante e “pulito”.
Prestazioni
Il Mexus misura la quantità di combustibile in
massa per ogni singola iniezione, la legge di
iniezione, i tempi di ritardo rispetto al segnale
di comando di apertura e chiusura iniezione.
Relativamente alla quantità di liquido iniettata
determina i valori istantanei, media, deviazione standard, massimo e minimo di una serie
di iniezioni acquisita. Il numero di shot acquisiti può variare da 1 sino a 5.000.
Il range di misura va da 0,4 a 130 mg/ciclo, la
frequenza di iniezione da 5 a 50 Hz e l’accu-
ratezza di misura è di 0,08 mg/shot nel range
0,4-50 mg/shot.
La contropressione in camera di misura va da
5 a 60 bar.
I fluidi di prova sono l’Exxol D40 e il N-eptano per
iniettori benzina, l’ISO4113 per i sistemi Diesel.
Conclusioni
I vantaggi che offre il nuovo sistema di misura
Mexus sono così sintetizzabili: una bassa
manutenzione vista l’assenza di parti in movimento durante le fasi di misura, un’elevata
accuratezza, la possibilità di misurare direttamente in massa, l’assenza di un circuito di
azoto per la contropressione (tipico dei vecchi
strumenti di misura), una installazione rapida
e la possibilità di avere in maniera accurata
sia la misura “shot to shot” sia legge di iniezione con un unico strumento.
Tutto questo consente l’utilizzo del Mexus sia
in ricerca e sviluppo sia in produzione, con il
conseguente allineamento delle misure effettuate nelle diverse fasi della realizzazione del
sistema di alimentazione motore.
Carmine Ungaro – Luca Marassi
Carmine Ungaro (il primo da sinistra)
Laureato presso l’Università Federico II di Napoli in Ingegneria Meccanica. Nel
reparto R&D del Gruppo Loccioni dal 2005, è ora il responsabile del progetto
Mexus e della divisione R&D della LOCCIONI I AUTOMOTIVE
e-mail: [email protected]
Luca Marassi (il primo da destra)
Laureato in Ingegneria Meccanica presso l’Università di Perugia nel 1999. Dal 2000 nel Gruppo Loccioni come Project
Manager nella linea Automotive. Dal 2003 è il Businnes Unit Manager della Loccioni/Automotive.
e-mail: [email protected]
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