2008 ICAD Attilio Domenico Cardillo
[COMMON COMMON RAIL] Architettura del sistema e principio di funzionamento
COMMON RAIL <SOMMARIO>
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SOMMARIO> SOMMARIO> ....................................................................................................................................................................... 2 INTRODUZIONE: IL COMMON RAIL (o JTD) ......................................................................................................................... 4 ARCHITETTURA DEL SISTEMA ............................................................................................................................................. 4 PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO......................................................................................................................................... 5 I. IL CIRCUITO IDRAULICO ................................................................................................................................................... 5 1. FILTRO DEL CARBURANTE ........................................................................................................................................... 7 2. SISTEMA DI RISCALDAMENTO DEL GASOLIO .............................................................................................................. 7 3. ELETTROPOMPA DI INNESCO A BASSA PRESSIONE .................................................................................................... 7 4. LA POMPA D'INIEZIONE AD ALTA PRESSIONE ............................................................................................................. 7 5. IL REGOLATORE DI PRESSIONE.................................................................................................................................... 8 6. COLLETTORE DI DISTRIBUZIONE (RAIL) ....................................................................................................................... 9 7. SENSORE TEMPERATURA DEL COMBUSTIBILE.......................................................................................................... 10 8. SENSORE PRESSIONE DEL COMBUSTIBILE ................................................................................................................ 10 9. ELETTROINIETTORI .................................................................................................................................................... 10 FUNZIONAMENTO DELL’ELETTROINIETTORE ........................................................................................................... 11 Attuatore/polverizzatore ...................................................................................................................................... 11 Elettrovalvola di comando .................................................................................................................................... 12 Successione temporale degli eventi ..................................................................................................................... 13 Considerazioni sulla quantità di combustibile introdotta e sull’anticipo di iniezione ......................................... 14 II. IL CIRCUITO DI ASPIRAZIONE ARIA................................................................................................................................ 15 1. IL MISURATORE MASSA ARIA.................................................................................................................................... 16 2. SENSORE TEMPERATURA ARIA ASPIRATA ................................................................................................................ 16 3. IL TURBOCOMPRESSORE........................................................................................................................................... 16 4. L'INTERCOOLER ......................................................................................................................................................... 17 III. IL CIRCUITO ELETTRICO-ELETTRONICO ........................................................................................................................ 18 1. CENTRALINA ELETTRONICA....................................................................................................................................... 18 2. SENSORE NUMERO DI GIRI ....................................................................................................................................... 19 3. SENSORE DI FASE ...................................................................................................................................................... 19 4. POTENZIOMETRO PEDALE ACCELERATORE .............................................................................................................. 20 5. SENSORE TEMPERATURA LIQUIDO REFRIGERANTE .................................................................................................. 20 6. SENSORE PRESSIONE ATMOSFERICA ........................................................................................................................ 20 7. SENSORE DI VELOCITÀ .............................................................................................................................................. 20 ICAD | 2008
COMMON RAIL <SOMMARIO>
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8. SENSORE DI SOVRAPRESSIONE ................................................................................................................................. 20 9. CONTATTORE DELLA FRIZIONE ................................................................................................................................. 20 10. CONTATTORE DEL FRENO ....................................................................................................................................... 21 11. CENTRALINA DELLE CANDELETTE ........................................................................................................................... 21 IV. IMPIANTO RICIRCOLO DEI GAS DI SCARICO ................................................................................................................ 22 PWM e il DUTY CYCLE ....................................................................................................................................................... 23 IL SISTEMA MULTIJET ........................................................................................................................................................ 24
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COMMON RAIL INTRODUZIONE: IL COMMON RAIL (o JTD)
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INTRODUZIONE: IL COMMON RAIL (o JTD) A differenza dei sistemi classici, il Common Rail prevede che la generazione di pressione sia disaccoppiata rispetto l’iniezione: ciò significa che la pressione viene generata indipendentemente dal numero di giri e dalla quantità di carburante e può essere selezionata all’interno di un intervallo prefissato (150 ÷ 1350 bar). Il componente che rende possibile il disaccoppiamento è l’accumulatore ad alta pressione; il cuore del sistema sono gli iniettori, comandati elettricamente. Il sistema è gestito in modo completamente elettronico e consente la generazione di iniezioni multiple (pilota, gestione post-iniezione). I vantaggi di questo sistema rispetto l’iniezione indiretta sono:
completa flessibilità della gestione della pressione di iniezione indipendentemente dal regime del motore e dal carico (per esempio è possibile ottenere pressioni elevate > 1000 bar ai medi e bassi regimi motore < 1500 giri/min) possibilità di effettuare iniezioni multiple per ogni ciclo (per esempio è possibile praticare una pre-iniezione o iniezione pilota, utile per la riduzione del rumore di combustione) completa flessibilità nella gestione dell’anticipo di iniezione di ciascuna parte dell’iniezione elevata precisione nel controllo della quantità iniettata, anche colpo a colpo, quando necessario (per esempio in condizioni di transitorio) capacità di operare a velocità motore elevate (fino a 6000 giri/min) possibilità di controllare elettronicamente i principali parametri di iniezione, ottimizzando così il funzionamento del motore senza dover ricorrere a complessi sistemi di tipo meccanico.
ARCHITETTURA DEL SISTEMA Come indicato schematicamente in figura, il sistema di iniezione Common Rail è costituito dai seguenti componenti:
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COMMON RAIL PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO
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PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO Una pompa di alimentazione estrae il combustibile dal serbatoio e lo manda alla pompa di alta pressione. Con riferimento alla figura precedente, la pompa di alta pressione (detta Radialjet) porta il gasolio ad una pressione regolata, pari a quella di iniezione (fino a 1350 bar nella versione attualmente in produzione; sino a 1600 bar nella nuova versione in fase di sviluppo). Una elettrovalvola a due vie spilla dalla mandata della pompa un’adeguata quantità di combustibile al fine di regolare la pressione al valore desiderato. Il gasolio in pressione non viene inviato direttamente dalla pompa Radialjet agli iniettori, ma viene accumulato in un collettore (rail) che svolge la funzione di contenere le oscillazioni (ripple) di pressione provocate dalla erogazione pulsante della pompa di alta pressione e dalle improvvise estrazioni di combustibile causate dalle aperture degli iniettori. Sul rail è montato un sensore di pressione il cui compito è quello di fornire un segnale di retroazione al circuito di regolazione della pressione. Più precisamente, il valore misurato da tale sensore viene comparato con il valore previsto in sede di progetto e memorizzato nella centralina elettronica. Se il valore misurato ed il valore previsto differiscono, allora viene aperto o chiuso un foro di troppo pieno nel regolatore di pressione della pompa di alta pressione. Nel caso di apertura di tale luce di efflusso, il combustibile in eccesso viene quindi rinviato al serbatoio tramite un apposito condotto di ricircolo. Gli iniettori sono alimentati dal rail e il loro funzionamento viene determinato dall’eccitazione di un veloce attuatore elettromagnetico a solenoide (integrato nel corpo di ogni elettroiniettore). L’eccitazione del solenoide determina l’apertura di una luce di efflusso presente in un apposito volume di controllo che provoca uno squilibrio delle pressioni agenti sullo spillo di un otturatore. Lo squilibrio di pressione consente il sollevamento dello spillo otturatore e la conseguente apertura degli ugelli d’efflusso del polverizzatore. Al controllo di tutto il sistema di iniezione è adibita una centralina elettronica, in cui sono integrate sia l’unità di controllo (ECU) sia quella di potenza (EPU) necessarie per il pilotaggio degli iniettori. 1
Al fine di ridurre le emissioni inquinanti il sistema è completato da un attuatore per l’EGR .
Il sistema è composto da quattro circuiti interdipendenti che sono: I. II. III. IV.
CIRCUITO IDRAULICO CIRCUITO ASPIRAZIONE ARIA CIRCUITO ELETTRICO-ELETTRONICO RICIRCOLO DEI GAS DI SCARICO
I. IL CIRCUITO IDRAULICO Questo circuito ha il compito di ripartire il combustibile dal serbatoio verso ciascun cilindro attraverso la pompa e gli iniettori. Si divide in due parti: il circuito a bassa e quello ad alta pressione.
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Exhaust Gas Recirculation: Ricircolo di cui sono dotati alcuni motori per reimmettere, tramite una valvola, una certa quantità di gas combusti all’interno dei cilindri e miscelarli con l’aria fresca prelevata dall’esterno. Viene utilizzato per ridurre le emissioni di ossidi d’azoto (NOx) sia nei Diesel sia nei benzina. Nei motori a gasolio, tuttavia, determina un incremento delle emissioni di particolato e quindi il tasso di EGR deve essere frutto di un compromesso se non si possono utilizzare filtri antiparticolato. ICAD | 2008
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Il circuito idraulico è essenzialmente composto da: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
FILTRO CARBURANTE SISTEMA DI RISCALDAMENTO COMBUSTIBILE (RISCALDATORE E TERMOINTERRUTTORE) ELETTROPOMPA POMPA INIEZIONE AD ALTA PRESSIONE REGOLATORE DI PRESSIONE
COLLETTORE DI DISTRIBUZIONE (RAIL) SENSORE TEMPERATURA GASOLIO SENSORE PRESSIONE GASOLIO ELETTROINIETTORI
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1. FILTRO DEL CARBURANTE La funzione del filtro del combustibile è di limitare il più possibile che le particelle solide presenti nel gasolio raggiungano la pompa e gli iniettori; inoltre è di estrema importanza in quanto evita che l’acqua condensata nel serbatoio del combustibile raggiunga gli elementi meccanici del sistema e li danneggi. È di solito del tipo a cartuccia con elemento filtrante costituito da una serie di dischi in carta ad alto potere filtrante ed è inserito tra la pompa pompa che preleva il carburante dal serbatoio e la pompa rotativa, tiva, che effettua l’iniezione. Ultimamente sul filtro viene montato il sensore presenza acqua.
2. SISTEMA DI RISCALDAMENTO DEL GASOLIO Su alcuni modelli il filtro del combustibile è dotato di un dispositivo di preriscaldo combustibile comandato da una valvola termostatica; questa valvola apre/chiude un condotto munito di una resistenza che viene riscaldata. In questo modo il combustibile si riscalda prima migliorando il funzionamento del motore a freddo ed evitando che il gasolio si geli.
3. ELETTROPOMPA DI INNESCO A BASSA PRESSIONE E’ costituita da una pompa elettrica funzionante a 12 V che non presenta alcuna particolarità rilevante se non quella di soddisfare i requisiti di pressione di mandata e di portata (0.5 bar di pressione di mandata ed una portata di almeno 0.5 lt/min in eccesso rispetto alla portata della pompa di alta pressione). L’elettropompa ad immersione è alloggiata direttamente nel serbatoio; è del tipo volumetrica a rullini. È dotata di due valvole,, una di non ritorno (per evitare che il circuito combustibile si svuoti) e una di sovrappressione (che evita che la pressione superi i 5 bar). L’elettropompa è alloggiata in un cestello a cui è annesso anche il galleggiante del livello carburante.
4. LA POMPA D'INIEZIONE AD ALTA PRESSIONE La pompa di alimentazione del sistema Common Rail è denominata Radialjet perché l’effetto pompante viene realizzato mediante tre elementi pompanti (pistoni) disposti in direzione radiale rispetto to all’asse di rotazione dell’albero della pompa. La distanza angolare tra un elemento pompante e l’altro è pari a 120°. ICAD | 2008
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La pompa viene trascinata dal motore ad una velocità di rotazione pari a circa la metà di quella del motore stesso tramite una trasmissione a cinghia dentata e senza la necessità di alcuna fasatura con il motore. La realizzazione della fasatura e della durata di iniezione sono, in tale sistema di iniezione, compiti demandati al sistema di controllo elettronico. Tale pompa assolve il solo compito di mantenere permanentemente il combustibile contenuto nel collettore al livello di pressione richiesto. Il movimento degli stantuffi è determinato dalla rotazione di un eccentrico di forma triangolare solidale all’albero della pompa. Tale eccentrico determina il movimento in successione dei tre pistoni mediante lo spostamento di una interfaccia meccanica (punteria) frapposta tra l’eccentrico ed il piede dello stantuffo. Il contatto tra l’eccentrico ed ogni singola punteria viene assicurato mediante una molla. Ogni gruppo pompante è dotato di una valvola di aspirazione a piattello e di una valvola di mandata a sfera. Tutte e tre le mandate degli elementi pompanti sono riunite internamente alla pompa ed inviano il combustibile al collettore comune per mezzo di un unico condotto. La pompa Radialjet è dotata di una valvola elettromagnetica di tipo on-off, installata sulla mandata di uno degli elementi pompanti, che permette di disattivare lo stesso elemento pompante durante le condizioni di funzionamento per le quali sia richiesta una portata di combustibile inferiore ai 2/3 della portata massima della pompa. In questo modo è possibile limitare l’assorbimento della pompa in tali condizioni operative. Una particolarità di tale pompa è quella di essere contemporaneamente lubrificata e raffreddata dallo stesso gasolio circolante al suo interno, attraverso opportune luci di passaggio. Per la regolazione della pressione di mandata sulla pompa è presente una elettrovalvola regolatrice di pressione. La pompa deve essere alimentata in bassa pressione con una pressione di almeno 0.5bar e con una portata minima di 0.5 lt/min in eccesso alla mandata, per consentire un buon raffreddamento. Tale alimentazione viene realizzata tramite una pompa elettrica di bassa pressione. La pompa è in grado di fornire una pressione massima che può raggiungere i 1350 bar.
5. IL REGOLATORE DI PRESSIONE Il regolatore di pressione permette di regolare la pressione del combustibile presente nell’accumulatore. Esso è costituito da un otturatore sferico mantenuto sulla sua sede conica da un’asta caricata da una molla e da una forza additiva generata da un solenoide, quando quest’ultimo è eccitato. A solenoide diseccitato la pressione di mandata dipende dal precarico della molla (circa 150 bar a 1000 giri/min pompa); spessori di registro consentono di regolare tale precarico al valore desiderato. L’innalzamento della pressione di iniezione viene realizzato limitando la sezione di passaggio dell’otturatore mediante l’eccitazione del solenoide. Incrementando, ICAD | 2008
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infatti, la corrente nella bobina del solenoide si accresce la forza esercitata dallo stesso solenoide sull’otturatore sferico, determinando una riduzione della sezione di passaggio dell’otturatore; questo limita la capacità d’efflusso d’effluss del foro dell’otturatore e con essa la quantità di combustibile cortocircuitata verso il serbatoio, consentendo una maggiore alimentazione del collettore ed un conseguente innalzamento della pressione nello stesso. La scelta di far corrispondere incrementi incrementi (e non diminuzioni) di pressione di iniezione ad aumenti di corrente è resa necessaria da ragioni di sicurezza; in tale modo, infatti, in presenza di un guasto nel sistema di regolazione la pressione di iniezione si porta automaticamente al valore minimo. mini La modulazione della pressione di iniezione si ottiene alimentando con una corrente elettrica in PWM (Pulse With Modulation)) la bobina del solenoide e chiudendo l’anello di regolazione mediante un segnale di retroazione (feedback) proveniente dal sensore ore di pressione e diretto alla ECU (Electronic Control Unit - centralina elettronica); il DUTY CYCLE di questo segnale può variare nel range 1% - 95% e viene gestito via software. Per maggiori dettagli su questo tema si rimanda il lettore a pagina 23.
6. COLLETTORE DI DISTRIBUZIONE (RAIL) ( Il collettore di accumulo del gasolio ad alta pressione (rail), ( ), ha lo scopo di smorzare le oscillazioni di pressione presenti all’interno del combustibile dovute sia alle tre mandate consecutive, cons tive, che si susseguono durante ogni giro della pompa Radialjet,, sia alle aperture periodiche degli iniettori. 3
Il volume interno del rail (40 cm per un motore a 4 cilindri e 2l di cilindrata) è stato studiato opportunamente in modo da smorzare tali oscillazioni lazioni di pressione evitando però sia l’insorgenza di ritardi di adeguamento della pressione durante i transitori sia problemi di riempimento in fase di avviamento, durante la quale il rail si deve riempire il più rapidamente possibile. Più precisamente, un volume più piccolo permetterebbe lo svilupparsi di pulsazioni inaccettabili della pressione del combustibile, viceversa un volume più ampio causerebbe una dilatazione del tempo di risposta durante i transitori o problemi di riempimento della capacità durante durante la fase di avviamento del motore. Il rail ha la forma di un parallelepipedo molto allungato nel quale è stata ricavata una cavità cilindrica ed è realizzato in acciaio per resistere alle elevate pressioni in esso presenti durante l’esercizio. Alle estremità del rail sono praticati due fori filettati, il primo per il montaggio del sensore di pressione ed il secondo per l’introduzione di un tappo filettato, sul quale è possibile, per esempio, inserire una termocoppia per la misura della temperatura del combustibile presente nel rail.
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7. SENSORE TEMPERATURA DEL COMBUSTIBILE 2
E' una resistenza di tipo NTC , collocata sul collettore ritorno combustibile. Il segnale rilevato è importante in quanto la densità del combustibile varia in funzione della sua temperatura. In conseguenza la quantità di combustibile iniettata in un tempo fisso varia in base alla temperatura del combustibile.
8. SENSORE PRESSIONE DEL COMBUSTIBILE Questo sensore ha il compito di rilevare la pressione del combustibile presente nel rail al fine di determinare la pressione di iniezione. Tale valore viene utilizzato per un controllo in loop chiuso (detto anche feed-back) della pressione stessa e per calcolare la durata del comando elettrico dell’iniezione. È posizionato al centro del rail.
9. ELETTROINIETTORI L’elettroiniettore prevede una sola alimentazione in alta pressione che, una volta raggiunto l’interno dell’iniettore, viene ripartita in due distinte parti, di cui una destinata principalmente all’alimentazione del polverizzatore, l’altra al controllo dell’asta di pressione. Entrambe le suddette parti di portata contribuiscono inoltre alla lubrificazione degli organi in movimento dell’elettroiniettore, grazie ai consistenti trafilamenti presenti in un sistema di iniezione lavorante a così elevate pressioni di esercizio. E’ presente inoltre un ricircolo a pressione atmosferica, necessario per lo smaltimento del gasolio utilizzato per il funzionamento della valvola pilota e per il convogliamento dei trafilamenti sopra menzionati. La temperatura del gasolio ricircolato dall’elettroiniettore può raggiungere valori molto elevati (100 °C), perciò i ricircoli devono essere dotati di tubazioni adatte a queste temperature.
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Negative Temperature Cohefficient: tipo di resistenza elettrica la cui variazione è 1 alla variazione di temperatura. ICAD | 2008
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FUNZIONAMENTO DELL’ELETTROINIETTORE Per meglio comprenderne il funzionamento, l’elettroiniettore può essere considerato come costituito da due parti: 1. 2.
l’attuatore/polverizzatore, composto dall’ugello e dal complesso asta di pressione-spina l’elettrovalvola di comando costituita dal solenoide e dalla valvola.
Il volume all’interno della valvola pilota ed immediatamente al di sopra dell’attuatore chiamato volume di controllo, ha un ruolo essenziale per il funzionamento dell’elettroiniettore. Esso è alimentato in modo permanente con il gasolio di linea tramite un foro “Z” (dal tedesco Zufluss = ingresso). Lo scarico di questa capacità è affidato ad un secondo foro “A” (dal tedesco Abfluss = uscita), la cui apertura è controllata dalla elettrovalvola di comando. Il gasolio contenuto nel volume di controllo esercita una pressione di intensità modulabile che agisce sulla superficie superiore dell’asta di pressione, avente area Ac; la forza che agisce su tale area dipende quindi dalla pressione presente all’interno del volume di controllo.
Attuatore/polverizzatore L’attuatore/polverizzatore è composto dall’ugello e dal complesso asta di pressione-spina. L’ugello viene alimentato dal gasolio in pressione quando il complesso asta di pressionespina è in posizione sollevata. Il sollevamento di quest’ultima viene realizzato mediante uno squilibrio di forze contrapposte persistenti su tale complesso. Le forze agenti sul sistema asta di pressione-spina sono tre:
La forza elastica Fe, rivolta nella direzione di chiusura e dovuta alla molla che agisce sulla spina; tale forza garantisce la tenuta del polverizzatore quando la pressione di linea scende a zero, evitando gocciolamenti di combustibile nel cilindro. La forza Fc, che agisce anch’essa nella direzione di chiusura, dovuta alla pressione del gasolio presente nel volume di controllo. Tale pressione agisce sull’area superiore dell’asta di pressione. La forza Fa, rivolta nella direzione di apertura, dovuta alla pressione del combustibile presente nel volume di alimentazione ed agente sull’area della corona circolare delimitata all’esterno dal diametro di scorrimento della spina nell’ugello e all’interno dal diametro di tenuta della sede conica. ICAD | 2008
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L’equilibrio del complesso asta di pressionespina dipende dal bilancio di queste tre forze. Quando l’iniettore non è eccitato (fig. precedente), le pressioni nei volumi di alimentazione e di controllo sono identiche e pari alla pressione di linea fornita dal rail; in tali condizioni risulta essere: Fc + Fe > Fa e quindi le forze di chiusura sono superiori a quelle di apertura; conseguentemente il complesso asta di pressione-spina è trattenuto in posizione di chiusura, garantendo la tenuta del polverizzatore. Affinché avvenga l’apertura della spina è necessario che la pressione nel volume di controllo diminuisca sino a che non sia verificata la seguente disequazione: Fc + Fe < Fa In tale modo si viene a creare uno squilibrio tra le forze agenti sulla spina a favore del sollevamento della stessa.
Elettrovalvola di comando L’elettrovalvola di comando ha il compito di controllare la pressione presente nel volume di controllo e quindi di determinare l’istante in cui l’attuatore permette l’inizio della introduzione e la durata della introduzione stessa. La pressione nel volume di controllo viene determinata dall’apertura e dalla chiusura del foro A da parte di un otturatore a sfera comandato da un solenoide, tramite un ago pilota (ancora). In condizioni di riposo l’elettromagnete è diseccitato e l’ago pilota è tenuto in posizione di chiusura da una molla. Nel volume di controllo, alimentato dal foro Z, la pressione Pc è pari alla pressione di linea e di conseguenza le forze che agiscono nella direzione di apertura del complesso asta di pressione-spillo (Fc+Fe) sono preponderanti nei confronti della forza di apertura (Fa). In tali condizioni non si ha quindi introduzione di combustibile nel cilindro. Eccitando l’elettromagnete si provoca l’alzata dell’ago pilota, consentendo all’otturatore a sfera di scoprire la luce del foro A. Tale foro ha una sezione di efflusso maggiore di quella del foro Z: conseguentemente si determina uno scarico del gasolio presente nel volume di controllo. Non essendo più quest’ultimo alimentato a sufficienza attraverso il foro Z (a causa della sua minor capacità di efflusso nei confronti del foro A) la pressione Pc va diminuendo e con essa la forza Fc agente sulla superficie superiore dell’asta di pressione. Quando la diminuzione della forza Fc è tale da verificare la disuguaglianza Fa>Fc+Fe allora comincia a sollevarsi il complesso asta di pressione-spina e ha inizio l’apertura del polverizzatore. Questo movimento verso l’alto determina un avvicinamento della parte superiore dell’asta verso il foro A, determinando una riduzione del volume di ICAD | 2008
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controllo. In tale volume si instaura una particolarissima condizione di equilibrio dinamico dovuta, molto probabilmente, a moti microturbolenti che permettono all’asta di non andare in battuta; situazione che causerebbe l’immediata chiusura del foro A con ovvie conseguenze. Il risultato macroscopico di questa particolare situazione di equilibrio è costituito da effetto di galleggiamento dell’intero complesso asta di pressione-spina all’interno del combustibile. In conseguenza al sollevamento dell’asta di pressione-spina, dal volume di alimentazione (costantemente rifornito di combustibile alla pressione di linea Pa), comincia a defluire il gasolio attraverso il polverizzatore ed inizia quindi l’introduzione di combustibile all’interno del cilindro. La diseccitazione dell’elettromagnete provoca la chiusura del foro A, che determina a sua volta la rapida risalita della pressione nel volume di controllo fino al valore originario. Questo determina il conseguente ripristino dell’equilibrio delle forze di pressione originariamente agenti sull’asta di pressione-spina ed il successivo ristabilimento del carattere di preponderanza, verso la direzione di chiusura, della risultante globale delle forze complessivamente agenti sull’organo in esame. Ciò comporta la discesa dell’asta di pressione-spina che provoca l’interruzione dell’afflusso di combustibile al polverizzatore, dando quindi termine all’iniezione. La rapida discesa dell’ancora necessaria per ottenere una veloce chiusura del foro A viene ottenuta tramite la molla M. La rapidità di tale moto di discesa potrebbe essere causa di rimbalzi, provocati dall’urto dell’ancora sulla relativa battuta inferiore, con conseguenti incertezze di chiusura. Per ovviare a tale inconveniente si è dotato tale equipaggio mobile di un grado di libertà aggiuntivo in direzione assiale (figura pag. 9. ELETTROINIETTORI) consentendo un moto relativo tra la parte superiore dell’ancora e quella inferiore, limitato però dall’interposizione di una molla. Tale accorgimento è efficace nella fase di discesa dell’ago pilota; infatti, non appena la parte superiore dell’ancora si stacca dalla sua battuta sovrastante, la parte superiore dell’ancora si svincola da quella inferiore provocando una riduzione della massa battente che elimina i rischi di contraccolpi.
Successione temporale degli eventi Per comprendere a fondo il funzionamento dell’elettroiniettore occorre chiarire l’esatta successione temporale degli eventi, riportati in figura. Ai capi della bobina dell’elettrovalvola viene applicata una corrente, che viene mantenuta per un tempo ET (Energizing Time) dipendente dalla quantità di combustibile che si desidera iniettare e dalla pressione di alimentazione.
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Il moto dell’ago pilota dell’elettrovalvola comincia con un ritardo TRE (Tempo Ritardo Eccitazione) ed il volume di controllo comincia a svuotarsi. L’ago pilota raggiunge la battuta superiore dopo un tempo TRAA (Tempo di Ritardo Apertura Ago pilota), dipendente dall’alzata massima, regolabile per mezzo di un’apposita vite di registro. Trascorso un tempo TRAS (Tempo di Ritardo Apertura Spillo) dall’inizio del moto dell’ago pilota, il complesso asta di pressione-spina inizia il suo moto e contemporaneamente comincia l’iniezione; il tempo trascorso dall’inizio dell’eccitazione dell’elettromagnete e l’inizio dell’iniezione viene detto TRII (Tempo di Ritardo Inizio Iniezione). Quando cessa il comando all’elettromagnete, l’ago pilota comincia la sua corsa di discesa, che termina dopo un tempo TRCA (Tempo di Ritardo Chiusura Ago pilota), dipendente sempre dall’alzata massima consentita all’ago; con la discesa dell’ago pilota si chiude il foro A ed il volume di controllo si riempie nuovamente. Quando le pressioni si sono riequilibrate, il complesso asta di pressione-spina ridiscende determinando la fine dell’iniezione. Si possono individuare quindi i seguenti tempi: TRCS (Tempo di Ritardo Chiusura Spillo), pari al tempo intercorso tra la chiusura del foro A ed il termine dell’iniezione, TAS (Tempo di Apertura Spillo), pari alla durata effettiva dell’iniezione, e TRFI (Tempo di Ritardo di Fine Iniezione), calcolato dalla fine del comando elettrico.
Considerazioni sulla quantità di combustibile introdotta e sull’anticipo di iniezione La quantità di combustibile introdotta ad ogni iniezione dipende essenzialmente da due parametri: la durata dell’apertura dello spillo e la pressione nel volume di alimentazione. In prima approssimazione si può considerare che la pressione nel volume di alimentazione sia pari alla pressione di linea; tuttavia, durante l’iniezione si ha un lieve abbassamento della pressione dovuto all’iniezione stessa. Non potendo controllare e misurare la pressione nel volume di alimentazione, sia per le difficoltà di accesso che per il breve tempo a disposizione, si assume come pressione di alimentazione la pressione misurata nel rail. La durata dell’apertura dello spillo dipende dalla durata del comando elettrico ET (Energizing Time); infatti, maggiore è la durata del comando elettrico, maggiore è il tempo di permanenza dell’ago pilota nella posizione di apertura e maggiore è la durata di apertura dello spillo. La durata effettiva dell’iniezione non è immediatamente correlabile alla durata del comando elettrico ed in genere la durata dell’iniezione effettiva è maggiore della durata del comando elettrico, in quanto il Tempo di Ritardo di Fine Iniezione (TRFI) è maggiore del Tempo di Ritardo di Inizio Iniezione (TRII). Il ritardo tra l’inizio del comando elettrico e l’effettiva iniezione (TRII) deve essere tenuto in conto qualora si facciano considerazioni sull’anticipo iniezione effettivo; infatti, il sistema di controllo Common Rail fa riferimento, per l’anticipo iniezione, al comando elettrico e non all’effettivo inizio dell’iniezione. Considerazioni analoghe valgono per la fine dell’iniezione effettiva. Di conseguenza, per valutare la reale quantità di combustibile introdotta sono necessari rilevi sperimentali “ad hoc”, allo scopo di determinare le curve caratteristiche della quantità introdotta in funzione di ET per diverse pressioni di iniezione.
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COMMON RAIL II. IL CIRCUITO DI ASPIRAZIONE ARIA
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II. IL CIRCUITO DI ASPIRAZIONE ARIA Il circuito di aspirazione aria deve fornire l’aria necessaria al sistema per la combustione del gasolio; l’aria aspirata attraversa il filtro (per trattenere eventuali impurità) viene misurata da un sensore apposito (misuratore di massa d’aria). Poiché il motore è turbo occorre anche la sovralimentazione di aria (fornita da un turbocompressore). Il circuito di aspirazione aria risulta essenzialmente costituito da: 1. 2. 3. 4.
MISURATORE MASSA ARIA SENSORE TEMPERATURA ARIA ASPIRATA TURBOCOMPRESSORE INTERCOOLER
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COMMON RAIL II. IL CIRCUITO DI ASPIRAZIONE ARIA
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1. IL MISURATORE MASSA ARIA Questo sensore informa la centralina della massa d’aria che il motore aspira. Esso è composto da un circuito elettronico che ha il compito di mantenere a temperatura costante una pellicola calda. Il passaggio dell’aria attraverso il condotto di aspirazione tende a raffreddare, in misura variabile, questa pellicola, obbligando il circuito elettronico ad aumentare l’intensità di corrente fornita alla pellicola stessa per mantenerla a temperatura costante. La centralina risale alla massa di aria che ha attraversato il condotto in base alla quantità di corrente che ha fornito al sensore. L'impiego di questo sensore non necessita della bruciatura di eventuali depositi come accadeva per il filo caldo.
2. SENSORE TEMPERATURA ARIA ASPIRATA Il sensore temperatura aria aspirata ha il compito di informare la centralina riguardo le condizioni di temperatura ed è collocato all'interno del misuratore massa aria. E' una resistenza di tipo NTC che al variare della temperatura dell'aria, varia la propria resistenza interna.
3. IL TURBOCOMPRESSORE Il turbocompressore permette di sovralimentare di aria il motore, sfruttando l’energia cinetica dei gas di scarico. In questo modo si migliora la combustione, il rendimento e di conseguenza si riducono le emissioni di residui inquinanti. 3
Per vetture con motorizzazione 1900cm si impiega un turbocompressore classico, mentre per vetture con 3 motorizzazione 2400cm si impiega un turbocompressore a geometria variabile.
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COMMON RAIL II. IL CIRCUITO DI ASPIRAZIONE ARIA
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4. L'INTERCOOLER L’intercooler è una sorta di piccolo radiatore. Esso ha la funzione di raffreddare l’aria compressa fornita dal turbocompressore e diretta verso il collettore di aspirazione. Questa operazione ha il vantaggio di permettere l’introduzione nel cilindro di una maggior massa di aria a parità di pressione.
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COMMON RAIL III. IL CIRCUITO ELETTRICO-ELETTRONICO
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III. IL CIRCUITO ELETTRICO-ELETTRONICO Trattandosi di un motore diesel gestito elettronicamente, il circuito elettrico elettronico diventa di vitale importanza per il buon funzionamento del sistema. Tale sistema risulta costituito da una centralina che riceve informazioni da una serie di sensori, in base alle quali determina come pilotare i vari attuatori per gestire le funzioni di controllo della portata, dell’anticipo e le strategie di comfort di guida.
Il circuito elettrico-elettronico è composto da: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.
CENTRALINA ELETTRONICA (EPU/ECU) SENSORE DI GIRI SENSORE DI FASE POTENZIOMETRO POSIZIONE DELL’ACCELERATORE SENSORE TEMPERATURA DEL LIQUIDO REFRIGERANTE SENSORE PRESSIONE ATMOSFERICA (NELLA CENTRALINA) SENSORE DI VELOCITÀ VETTURA LA CENTRALINA DI PRERISCALDO CANDELETTE INTERRUTTORE DEL FRENO INTERRUTTORE DELLA FRIZIONE SENSORE DI SOVRAPPRESSIONE
1. CENTRALINA ELETTRONICA La centralina elettronica Common Rail incorpora due unità: 1. 2.
EPU-Electronic Power Unit ECU-Electronic Control Unit.
L’unità di potenza (EPU) è adibita al solo comando degli iniettori. In essa sono contenuti i circuiti di potenza necessari per produrre l’eccitazione dei solenoidi e realizzare il controllo degli elettroiniettori. All’unità logica (ECU - Electronic Control Unit) è affidato invece il controllo elettronico dell’intero sistema: essa provvede alla elaborazione dei dati ed al controllo della EPU; gestisce inoltre i comandi in PWM (Pulse With Modulation) per il regolatore di pressione, per l’attuatore dell’EGR e per l’attuatore della turbina a geometria variabile del gruppo di sovralimentazione.
La centralina elettronica è il cervello di tutto il sistema di iniezione elettronica; essa riceve le seguenti informazioni dai sensori del sistema:
MISURATORE MASSA ARIA SENSORE DI GIRI SENSORE DI FASE POTENZIOMETRO POSIZIONE DELL’ACCELERATORE SENSORE TEMPERATURA ARIA ASPIRATA (interno al DEBIMETRO) SENSORE TEMPERATURA DEL LIQUIDO REFRIGERANTE SENSORE PRESSIONE ATMOSFERICA (nella centralina) SENSORE TEMPERATURA DEL COMBUSTIBILE SENSORE PRESSIONE DEL COMBUSTIBILE ICAD | 2008
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SENSORE DI VELOCITA’ SENSORE DI SOVRAPPRESSIONE INTERRUTTORI PEDALE FRENO ED ACCELERATORE SE PRESENTE ARIA CONDIZIONATA, INNESTO DEL COMPRESSORE
In base ai valori rilevati dai sensori e utilizzando le mappature interne alla sua memoria, la centralina decide la strategia di intervento e di correzione dei tempi base di iniezione, agendo sugli attuatori:
LA CENTRALINA DI PRERISCALDO CANDELETTE LA SPIA DI PRERISCALDO CANDELETTE GLI ELETTROINIETTORI IL CONTAGIRI L’EVENTUALE INFORMAZIONE DI GUASTO L’ENTRATA IN FUNZIONE DEL COMPRESSORE DEL CONDIZIONATORE L’ELETTROVALVOLA BORG WARNER (cioè la valvola modulatrice di depressione per il sistema EGR) IL REGOLATORE DI PRESSIONE LE ELETTROVENTOLE RADIATORE MOTORE
2. SENSORE NUMERO DI GIRI L’informazione del numero di giri e della posizione angolare è fornita da un trasduttore a riluttanza magnetica (pick-up) posizionato di fronte alla ruota fonica, calettata sull’albero motore e dotata di 58 denti piú un vano corrispondente a due denti consecutivi (BUCO); per questo motivo é detta ruota fonica a 60-2 denti. Il sensore induttivo è un generatore di tensione che funziona in base al principio dell'induzione elettromagnetica, secondo il quale in un conduttore posto all’interno di un campo magnetico, si genera una tensione alternata quando il suddetto campo magnetico subisce una variazione; il passaggio di uno dei denti sotto il sensore comporta una variazione di flusso magnetico e quindi una corrente indotta nel sensore. Questo segnale (detto SMOT) è utilizzato per risalire al numero di giri.
3. SENSORE DI FASE L’informazione del numero di giri non è sufficiente per determinare la fasatura del motore; per questa ragione si utilizza una ruota ad effetto Hall calettata sull’albero di distribuzione; sulla puleggia comando dell’albero di distribuzione è ricavata una finestra che consente al sensore di fase di individuare la fase del motore. Infatti, quando il sensore ad effetto Hall si trova in corrispondenza della finestra, si verifica una variazione del campo magnetico e quindi un segnale alto; viceversa in corrispondenza dell’anello della puleggia si ha un segnale basso.
Il segnale fornito da questo sensore viene chiamato CAMMA e, congiuntamente allo SMOT, permette il riconoscimento del cilindro in compressione. Attualmente il segnale CAMMA è utilizzato unicamente per il riconoscimento del primo cilindro; per la fasatura in seguito si utilizza solamente lo SMOT.
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4. POTENZIOMETRO PEDALE ACCELERATORE Il pedale dell’acceleratore è collegato ad un potenziometro che trasforma la sua posizione in un segnale elettrico. Al suo interno esiste un contatto di regime minimo e un interruttore di kick-down. Questo segnale è molto importante per il calcolo della portata e dell’anticipo.
5. SENSORE TEMPERATURA LIQUIDO REFRIGERANTE Questo sensore è una resistenza variabile di tipo NTC, installata sul termostato e lambita dal liquido refrigerante del motore. Al variare della temperatura, varia, con proporzionalità inversa, la propria resistenza interna e di conseguenza anche il segnale inviato verso la centralina (tensione). In questo modo la centralina risale alla temperatura del motore e può adattare i parametri di correzione.
6. SENSORE PRESSIONE ATMOSFERICA Il sistema è dotato di un sensore di pressione atmosferica alloggiato nella centralina; in base al valore rilevato, la centralina decide la strategia per il controllo della funzione EGR. Questo parametro è utile anche per il buon funzionamento del turbo e per evitare fumo nero ad altitudini maggiori.
7. SENSORE DI VELOCITÀ È un sensore ad effetto Hall situato sul cambio. Con il segnale ricavato la centralina corregge la quantità di combustibile e l’anticipo d’iniezione in relazione alle condizioni riscontrate. Il segnale, in concomitanza con il sensore di pedale frizione, si usa anche per determinare la marcia con cui la vettura sta viaggiando.
8. SENSORE DI SOVRAPRESSIONE Questo sensore è collocato sul collettore di aspirazione; il segnale che rileva viene usato dalla centralina elettronica per regolare la pressione e la durata dell'iniezione.
9. CONTATTORE DELLA FRIZIONE La centralina riceve dal contattore frizione un segnale di pedale frizione premuto/non premuto e diminuisce la quantità di combustibile d’iniezione nel momento in cui viene premuto il pedale della frizione, durante i processi di cambio di marcia; ciò favorisce un andamento più uniforme del veicolo ed evita lo scuotimento del motore.
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10. CONTATTORE DEL FRENO Questo segnale è preso dal circuito degli stop ed è utilizzato dalla centralina per riconoscere l’azione del conducente sul pedale del freno e come segnale di decelerazione del motore.
11. CENTRALINA DELLE CANDELETTE Il comando alle candelette avviene tramite la preriscaldo, sotto il controllo della centralina.
centralina di
Infatti per migliorare sia l’avviamento che la combustione in condizioni di bassa temperatura del motore, la centralina di preriscaldo regola la durata di attivazione delle candelette, al fine di ottenere una migliore combustione in queste fasi di funzionamento. Dopo l’avviamento segue la fase di post-riscaldamento, che permette una riduzione della rumorosità e una combustione più efficace.
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COMMON RAIL IV. IMPIANTO RICIRCOLO DEI GAS DI SCARICO
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IV. IMPIANTO RICIRCOLO DEI GAS DI SCARICO Il riciclo dei gas di scarico è un provvedimento costruttivo indispensabile per la riduzione delle emissioni inquinanti. E' costituito dalla valvola EGR e la valvola di riciclo dei gas di scarico. La valvola EGR è collocata tra il tubo di scarico ed il tubo di aspirazione; quando viene applicata una depressione, la valvola si apre e permette l'aggiunta di un parte dei gas di scarico al flusso d'aria. La valvola di riciclo dei gas di scarico converte i segnali di natura elettrica provenienti dalla centralina in una depressione che comanda l'EGR. L'intero processo viene gestito dalla centralina mediante il diagramma caratteristico mappato nella sua memoria.
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COMMON RAIL PWM e il DUTY CYCLE
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PWM e il DUTY CYCLE 3
Come detto in precedenza , per i common rail, la modulazione della pressione di iniezione si ottiene alimentando con una corrente elettrica in PWM la bobina del solenoide dell’elettroiniettore ed il DUTY CYCLE di questo segnale può variare nel range 1% - 95%. Ora andremo ad esplicitare quanto detto definendo i sopracitati termini. Un segnale PWM (Pulse Width Modulation ovvero modulazione a variazione della larghezza d'impulso) è un' onda quadra di duty cycle (rapporto pieno-vuoto, letteralmente ciclo di lavoro) variabile in modo da permette di controllare e modulare l'assorbimento di potenza di un carico elettrico. La figura seguente rappresenta in sostanza la definizione di duty cycle che andremo a breve ad enunciare.
Come si deduce dalla figura, il DUTY CYCLE D è il rapporto tra il tempo τ in cui l'onda assume valore alto4 e il periodo T e, considerando che un segnale PWM è caratterizzato dalla frequenza f costante, possiamo scrivere:
·
Il duty cycle serve quindi ad esprimere per quanta porzione di periodo il segnale è attivo; il suo valore è sempre un numero compreso tra 0 e 1. Nel caso in cui si abbia un duty cycle pari a "0" o "1" si è in presenza di segnali continui. Infatti, se il duty cycle ha valore 0, dalla formula si evince che τ è zero e quindi non si ha un livello alto per l’intero periodo (segnale continuo a livello basso). Se il duty cycle ha valore 1, significa che τ e T hanno stesso valore, quindi per tutto il periodo il segnale è alto (segnale continuo a livello alto). Spesso il duty cycle è indicato sotto forma di percentuale (D%): per ottenere la percentuale basta moltiplicare per 100 il risultato del rapporto τ/T quindi avremo: %
· · ·
La percentuale esprime più chiaramente il quantitativo di segnale alto, ad esempio: se D=0,8, ossia D% = 80%, significa che per l’80% del periodo totale il segnale è a livello alto mentre è basso per il restante 20%. In particolare, se D=0,5 (D%=50%) significa che per metà del periodo totale il segnale è alto, per l'altra metà è basso: in questo caso si può facilmente conoscerne la consistenza e l'ampiezza dell’onda quadra. Avremo infatti esclusivamente le armoniche dispari, e in particolare la terza, con ampiezza pari a un terzo della fondamentale, la quinta armonica, con ampiezza pari ad un quinto della fondamentale, e così via.
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Pag. 8, paragrafo 5. IL REGOLATORE DI PRESSIONE. In questo contesto si intende con alto il livello "attivo" ossia lo stato ON. ICAD | 2008
COMMON RAIL IL SISTEMA MULTIJET
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IL SISTEMA MULTIJET Una nuova centralina elettronica, denominata MULTIJET, ed attualmente in fase di sviluppo permetterà a breve una gestione ancor più flessibile delle modalità di comando dell’iniezione, aumentando il numero di iniezioni effettuabili nell’ambito di un ciclo motore rispetto al sistema attualmente in produzione, denominato UNIJET.
Le diverse iniezioni, che la nuova generazione del sistema Common Rail consentirà di attuare, sono le seguenti: 1. 2. 3. 4. 5.
iniezione pilota Effettuata con elevato anticipo rispetto all’iniezione principale, permette di ridurre drasticamente il rumore di combustione pre-iniezione Effettuata con bassissimi valori di anticipo rispetto all’iniezione principale, permette, insieme all’iniezione After, di modulare l’andamento della combustione contenendo le emissioni di inquinanti iniezione main Iniezione principale iniezione after Con questo termine si indica un’iniezione effettuata subito dopo l’iniezione principale, con analoghe finalità a quelle della pre-iniezione post-iniezione Ulteriore iniezione effettuata nelle ultime fasi della combustione allo scopo di aumentare le temperature di scarico, permettendo (periodicamente) la rigenerazione della trappola per il particolato. La post-iniezione può inoltre creare un ambiente riducente necessario per la rigenerazione del catalizzatore DeNOx per l’abbattimento degli ossidi di azoto.
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