Universit di Roma Tor Vergata Corso di Motori a Combustione Interna

Alimentazione del combustibile e moto della carica nei moderni motori Diesel 1

MOTORI DIESEL AD INIEZIONE DIRETTA

ALIMENTAZIONE DEL COMBUSTIBILE E MOTO DELLA

CARICA

Dott. Ing. Stefano Ubertini

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Alimentazione del combustibile e moto della carica nei moderni motori Diesel 2

SOMMARIO

1. INTRODUZIONE ......................................................................................................... 3 1.1. Regolazione della potenza ...................................................................................... 3 1.2 Classificazione dei sistemi di iniezione................................................................... 3

2. IL SISTEMA COMMON RAIL ................................................................................... 5 2.1 Componenti del sistema .......................................................................................... 6

3. IL SISTEMA CON INIETTORE-POMPA................................................................. 19 4. SVILUPPO E CARATTERISTICHE DELLO SPRAY ............................................. 21 5. MOTO DELLARIA ................................................................................................... 27

5.1 Cenni sulla turbolenza ........................................................................................... 28 5.2 Moti secondari: swirl, tumble e squish.................................................................. 28

BIBLIOGRAFIA............................................................................................................. 36 APPENDICE - TAVOLE................................................................................................ 37

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1. INTRODUZIONE

1.1. Regolazione della potenza I motori ad accensione per compressione bruciano un combustibile poco volatile. Questo impone liniezione di uno spray di combustibile direttamente in camera di combustione senza avere premiscelamento con laria come avviene nei motori ad accensione comandata. Il combustibile iniettato ad alta velocit in camera di combustione si presenta inizialmente come una colonna liquida compatta e successivamente si polverizza in una moltitudine di gocce di piccole dimensioni che si allontanano reciprocamente facendo assumere al getto la forma di un cono. La miscela combustibile-comburente il risultato di un complesso processo di interazione aria-spray regolato dalle caratteristiche dello spray, dai moti secondari e dallintensit di turbolenza dellaria e dalla rapidit con la quale il combustibile liquido evapora. Il processo di combustione risultante prevalentemente diffusivo e non dipende dal rapporto aria-combustibile globale ma da quello locale. I motori Diesel lavorano, perci, con eccesso daria e la regolazione della potenza realizzata variando la portata di combustibile. La pressione media effettiva dipende direttamente dalla massa di combustibile per ciclo ed limitata superiormente da:

- limiti sulle emissioni inquinanti ai bassi regimi; - massimi carichi meccanici ai regimi intermedi (prossimi al regime di massima

coppia); - massimi carichi termici agli alti regimi (prossimi al regime di massima potenza).

Considerando, inoltre, che la quantit di combustibile iniettata per ciclo piccolissima (4-40 mm3 per ciclo per cilindro nei motori Diesel per autotrazione) e che la regolarit del processo di combustione determinata dalle caratteristiche dello spray di combustibile, il compito del sistema di iniezione in un motore ad accensione per compressione particolarmente complesso. Il sistema di alimentazione del combustibile nei motori Diesel deve garantire quindi:

- alta pressione di iniezione; - quantit di combustibile adeguata al carico; - fasatura (corretti istanti di inizio e fine iniezione); - uniformit di alimentazione fra i vari cilindri; - caratteristiche dello spray tali da ottenere un processo di combustione regolare e

basse emissioni inquinanti in tutto il campo di funzionamento del motore.

1.2 Classificazione dei sistemi di iniezione Diversi sistemi di iniezione sono stati sviluppati per i motori Diesel nel tempo, generalmente classificati come segue:

1. sistema di iniezione con una pompa per cilindro che fornisce allistante e per il tempo necessari la portata di combustibile richiesta alliniettore corrispondente; in questo caso la pompa responsabile della pressione di iniezione, della quantit di

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combustibile iniettata e della fasatura, mentre gli iniettori, ad apertura automatica, sono responsabili delle caratteristiche dello spray;

2. sistema di iniezione con pompa singola e distributore in cui ununica pompa fornisce il combustibile con pressione e portata adeguate a tutti gli iniettori ad apertura automatica e un distributore apre il collegamento fra la mandata della pompa e liniettore che deve aprire, occupandosi in parte della fasatura;

3. sistema di iniezione con accumulatore di pressione in cui ununica pompa di alimentazione fornisce continuamente combustibile in pressione ad un accumulatore da cui si dipartono i collegamenti con gli iniettori ad apertura comandata; laccumulatore ha la funzione di smorzare le oscillazioni di pressione, gli iniettori sono responsabili della quantit di combustibile iniettata, della fasatura e delle caratteristiche dello spray e la pompa fornisce soltanto la pressione di iniezione adeguata; possono rientrare in questa classe anche i sistemi con accumulo a bassa pressione e con iniettori-pompa, in cui cio gran parte della pressione di iniezione ottenuta attraverso un pompante posto in corrispondenza delliniettore o attraverso lo spillo delliniettore stesso;

4. sistema di iniezione con accumulatore e distributore la cui unica differenza con il precedente la presenza di un distributore a valle dellaccumulatore che apre i collegamenti con i vari iniettori ad apertura automatica allistante e per il tempo desiderati.

In passato i motori Diesel erano tutti equipaggiati con sistemi di iniezione meccanica. Del tipo 1 era il sistema di iniezione con pompa in linea (fig. 1) con un numero di pompanti alternativi con pistone rotante pari al numero dei cilindri.

Figura 1 - Pompa in linea

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Figura 2 - Pompa con distributore incorporato

Nei motori pi piccoli si adottava il sistema 2, come la pompa con distributore incorporato di fig. 2 in cui un unico pompante alternativo fornisce la pressione di iniezione e la portata di combustibile e la distribuzione del combustibile fra i vari iniettori realizzata con un moto rotatorio del pompante stesso. Successivamente il controllo elettronico stato adottato per i sistemi di iniezione suddetti con un miglioramento sensibile soprattutto in termini di accuratezza dei parametri di iniezione.

2. IL SISTEMA COMMON RAIL Il pi grande avanzamento tecnologico per i motori Diesel per autotrazione stato il sistema di iniezione elettronica con Common Rail (CR) (fig. 3), lanciato come progetto verso met degli anni 80 dal gruppo FIAT, al fine di realizzare un sistema di iniezione diretta tecnologicamente evoluto; el 1990 inizia lattivit di preindustrializzazione, che viene completata nel 1993. Nel 1994 il progetto venne ceduto al gruppo Bosch e nel 1997 il sistema entr nel mercato 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). Tuttavia, nel seguito, si far riferimento al sistema Bosch ritenendolo emblematico dello stato dellarte.

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Figura 3 Schema di un sistema di iniezione con Common Rail

A differenza dei sistemi classici, il Common Rail prevede che la generazione di pressione sia disaccoppiata rispetto alliniezione: ci significa che la pressione viene generata indipendentemente dal numero di giri e dalla quantit di carburante e pu essere selezionata allinterno di un intervallo prefissato (attualmente da 150 a 1800 bar). Il componente che rende possibile il disaccoppiamento laccumulatore ad alta pressione; gli iniettori sono ad apertura comandata elettricamente tramite solenoide. Il sistema gestito in modo completamente elettronico e consente la generazione di iniezioni multiple (pilota, gestione post-iniezione). Oggi i motori Diesel competono in termini di prestazioni con quelli ad accensione comandata, garantendo nel contempo consumi specifici nettamente inferiori. Lintroduzione del sistema CR consente:

- elevate pressioni di iniezione, fino a 1600 bar nei sistemi gi industrializzati e fino a 1800 bar in quelli di nuova generazione;

- controllo della pressione e dei parametri di iniezione (free mapping) indipendente dal regime di rotazione del motore e in funzione di un gran numero di parametri motoristici e operativi.

2.1 Com