Sistemi Di Iniezione Diesel_1-1
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Sistemi di iniezione per Motori Diesel I.D.
1
IL SISTEMA DI
ALIMENTAZIONE DEL COMBUSTIBILE
NEI MOTORI DIESEL
POLITECNICO DI TORINO
PROPULSORI TERMICI I
Prof. Marco Badami
Sistemi di iniezione per Motori Diesel I.D.
2
L’evoluzione dei sistemi iniezione per motori Diesel ad Iniezione Diretta
•Pompa in linea
•Pompa rotativa BoschVE
•Pompa a stantuffi radiali
•Iniettore Pompa
•Il sistema Common Rail
• Prestazioni
• La tecnologia Multijet
Sistemi di iniezione per Motori Diesel I.D.
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Un sistema iniezione Diesel deve assolvere tre principali esigenze:
� Fasatura: l’iniezione deve effettuarsi in un ben determinato istante
del ciclo.
� Quantità: il sistema deve permettere l’introduzione di un
quantitativo stabile di combustibile.
� Qualità: il getto deve avere delle ben determinate caratteristiche di
Polverizzazione, Penetrazione e Diffusione
Sistemi di iniezione per Motori Diesel I.D.
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Un sistema iniezione Diesel I.D. moderno deve:
� Iniettare ad alta pressione (> 1400 bar) per ridurre il tempo di iniezione e migliorare l’atomizzazione e quindi aumentare la densitàdi potenza
� Gestire un treno di iniezioni successive per ciclo motore per poter
modulare il processo di combustione e quindi ridurre il rumore e le emissioni
� Distribuire il combustibile in camera di combustione nella maniera
ottimale e quindi ridurre la fumosità
Sistemi di iniezione per Motori Diesel I.D.
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Come è possibile gestire la combustione con un sistema iniezione Diesel moderno?
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60
Crank angle [deg]
Pre
ssu
re [
bar]
-100
100
300
500
700
900
1100
1300
1500
1700
1900
HR
R [
kJ/m
3d
eg
]
Sistemi meccanici
(ante 1996)
Sistemi a controllo elettronico
(post 2000)
Sistemi di iniezione per Motori Diesel I.D.
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Bosch Diesel Fuel Injection Systems
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Sistemi di iniezione per Motori Diesel I.D.
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Pompa in Linea
Sistemi di iniezione per Motori Diesel I.D.
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Pompa in Linea
Sistemi di iniezione per Motori Diesel I.D.
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Pompa in Linea
Sistemi di iniezione per Motori Diesel I.D.
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Pompa in Linea
Sistemi di iniezione per Motori Diesel I.D.
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Pompa in Linea
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Pompa in Linea
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Sistemi di iniezione per Motori Diesel I.D.
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Pompa in Linea
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Pompa in Linea
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Pompa in Linea
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Pompa Rotativa VE
Sistemi di iniezione per Motori Diesel I.D.
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Pompa Rotativa VE
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Pompa Rotativa VE
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Pompa Rotativa VE
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Pompa Rotativa VE
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Pompa Rotativa VE
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Pompa Rotativa VE
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Pompa Rotativa VE
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Pompa a stantuffi radiali
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Sistemi di iniezione per Motori Diesel I.D.
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Pompa a stantuffi radiali
Sistemi di iniezione per Motori Diesel I.D.
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Pompa a stantuffi radiali
Sistemi di iniezione per Motori Diesel I.D.
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Radial distributor pump with on board electronics
Bosch VP 44
Features
� High peak injection pressure (> 1600 bar)
� Wide range of timing (> 30°CA)
� 1 Pre injection per cycle
� On board engine ECU
Constraints
� Injection pressure depends on speed/load
in open loop
� Only 1 Pre injection per cycle with timing
limitation
� Difficult metering of the Pre injection
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Iniettore Pompa
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Unit Injector – Bosch UIS
Features
� Cam shaft driven
� High peak Injection pressure (> 2000 bar)
� Wide range of timing (> 30°CA)
� 2 Pre inj.+ 1 Post inj. per cycle
Constraints
� Injection pressure depends on speed/load
in open loop
� Heavy impact on the engine layout
� Impossible retrofit of existing hardware
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Il sistema iniezione Common Rail
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Sistemi di iniezione per Motori Diesel I.D.
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Common Rail – Bosch CRS
Features
� High Injection pressure (> 1600 bar)
� Closed loop injection pressure control
(independent from speed/load)
� Fully flexible range of timing
� Up to 5 injection events per cycle
� Easy retrofit of existing hardware
equipped with conventional systems
Constraints
� System complexity, including the vehicle
interface (hydraulic/electrical/electronic)
� Higher nozzle stress, compared with
conventional system
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Il sistema Common Rail permette:
� Completa flessibilità di gestione della pressione di iniezione (> 1400
bar); migliorare l’atomizzazione e quindi ridurre la fumosità ai bassi
regimi e aumentare la densità di potenza
� Possibilità di effettuare iniezioni multiple anche molto ravvicinate, per
modulare il processo di combustione e quindi ridurre il rumore e le emissioni
� Completa flessibilità nella gestione dell’anticipo di iniezione
� Elevata precisione e ripetibilità nella regolazione della quantitàiniettata (anche differente da cilindro a cilindro)
� Completa possibilità di rimappare la centralina se necessario, variando
quindi i parametri
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Filtro
RAIL
Elettroiniettore
Sensore di
Pressione
Pompa Alta
Pressione
Serbatoio
Regolatore di
Pressione
Pompa di Innesco
Common Rail – Layout Idraulico
Sistemi di iniezione per Motori Diesel I.D.
40Iniettori Elettroidraulici
ELECTRONIC
CONTROL UNITPompa Alta
Pressione
Regolatore di
Pressione
Pompa di
Alimentazione
Sensore di
Pressione
Common Rail – Controllo
Sistemi di iniezione per Motori Diesel I.D.
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Common Rail Injector
Polverizzatore
Asta di comando
Corpo Iniettore
Servovalvola
Gruppo Armatura
Solenoide
High pressure fitting
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Common Rail InjectorMain parts
Anchor
Load spring spacer
Magnet spring
Anchor bolt
Anchor spring
Residual Air Gap spacer
Bolt guidance
Nut
Anchor lift spacer
Valve sphere + sphere seat
Valve body
Valve pushroad
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Common Rail injector - 2 way control valve
“A” pre hole
“A” hole
Control volume
“Z” pre hole
“Z” hole
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ELECTROMAGNET
TWO WAYVALVE
NOZZLE
INLET FUEL ATHIGH PRESSURE
• Electromagnete not activated
• Same pressure in the valveand in the nozzle
• Forces balance: F1 > F2
• Nozzle closed
F1
F2
ELECTROMAGNET
TWO WAY
VALVE
NOZZLE
ELECTRIC ACTUATION
INLET FUEL AT
HIGH PRESSURE
FUEL RECIRCULATEDAT LOW PRESSURE
• Electromagnet activated
• Pressure in the valvereduced by opening theoutflow hole
• Forces balance: F2 > F1
• Nozzle open
F1
F2
Outflow hole open
Common Rail injector – Funzionamento
Sistemi di iniezione per Motori Diesel I.D.
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ELECTROMAGNET
TWO WAY
VALVE
NOZZLE
ELECTRIC ACTUATION
INLET FUEL AT
HIGH PRESSURE
FUEL RECIRCULATED
AT LOW PRESSURE
• Electromagnet activated
• Pressure in the valvereduced by opening theoutflow hole
• Forces balance: F2 > F1
• Nozzle open
F1
F2
Outflow hole open
Injector functioning
Control Volume press.
[A]
Current
Anchor lift
Neddle lift
Injection rate
Time [µµµµs]
[mm
3/ µµ µµ
s]
[ µµ µµm
][b
ar]
[ µµ µµm
]
~ 300 µµµµs
~ 40 µµµµs
~ 450 µµµµs (depending on the neddle lift)
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Common Rail Injector - the nozzle
Needle
Nozzle
body
Sealing
diameter
Stabilization
grooveHole
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VCO Microsac Minisac
(Valve Covered Orifice)
Trapped fuel beloved the needle hydraulic sealing (5 holes x φ 0.15 mm x l 1mm)
0,145mm3 0,23mm3 0,32mm3
Common Rail Injector - the nozzleTip geometries
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Common Rail Injector - the nozzleInfluence of the hole inlet geometry on the flow field and discharge coefficient (µ)
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Common Rail Injector - the nozzleFunctional issue
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Common Rail high pressure pump
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Common Rail high pressure pump
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Common Rail Injector performanceInfluence of pressure on the injection rate
Injection rate [mm3/µs] = f ( Inj. Press.)
ET 670 µµµµs
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Common Rail Injector performanceInfluence of ET on the injection rate
Injection rate [mm3/µs] = f ( ET)
Inj. pressure 800 bar
Sistemi di iniezione per Motori Diesel I.D.
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Common Rail Injector performance
Injector Characteristic map ⇒ Fuel Delivery = f (E.T., Inj. Press.)
Pilot Injection Area
(zoom)
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Common Rail Injector performanceInfluence of the injections separation (Dwell Time) on the total (Pilot+Main) delivery
Delivery (Pilot + Main) = f (ETPilot, ETMain, Inj. Press., Dwell Time)
Injection stability threshold
StabilityInstability
DT
P M
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Common Rail Injector performance
Waterfall analysis of the Dwell Time effect on injection rate
Injector current Injection rate
DT
P M
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La tecnologia Multijet
Sistemi di iniezione per Motori Diesel I.D.
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CRS with
Multiple Injections
Noise control
in cold operation
and low rpm
� Injection Duration Control
� Combustion Rate Shaping
� Soot oxidation
DENOx or DPF
Regeneration
PILOT POSTMAIN
PRE MAIN AFTER
CRS1st generation
From Pilot Injection...
TDC +60°-60°
PIL
OT
MA
IN
COMBUSTI
ON
RATE
FUELL
ING
… to Sequential Multiple Injections
TDC +60°-60°
PIL
OT
PR
E
MA
IN
AFT
ER
COMBUS
TION
RATE
FUELL
ING
PO
ST
The Multijet tech – the application
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Crank angle [deg]
Pre
ssu
re [b
ar]
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0
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800
900
HR
R [k
J/m
3d
eg
]
MAIN
ADVANCED MAIN
PRE + MAIN
PRE + PRE + MAIN
PRE + PRE + MAIN + AFTER
MULTIJET – The Diesel combustion controlThe indicated cycle shaping by the means of the injection strategy
1500 rpm x 5 bar of BMEP
Sistemi di iniezione per Motori Diesel I.D.
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Crank angle [deg]
Pre
ssu
re [
bar]
-100
0
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300
400
500
600
700
800
900
HR
R [k
J/m
3d
eg
]
CYL. PRESS. [bar]
INJ. RATE [mm3/deg]
HRR [kJ/m3deg]
NOx = 1.59 g/kWh
SOOT = 0.010 g/kWh
CN = 95 DBA
Single injection - S.o.I. 0º C.A.
MULTIJET – The Diesel combustion controlThe indicated cycle shaping by the means of the injection strategy
1500 rpm, 5 bar of BMEP
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Crank angle [deg]
Pre
ss
ure
[b
ar]
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900
HR
R [
kJ
/m3
de
g]
CYL. PRESS. [bar]
INJ. RATE [mm3/deg]
HRR [kJ/m3deg]
NOx = 2.10 g/kWh
SOOT = 0.022 g/kWh
CN = 96 DBA
Single Advanced Injection - S.o.I. 3º C.A.
1500 rpm, 5 bar of BMEP
MULTIJET – The Diesel combustion controlThe indicated cycle shaping by the means of the injection strategy
Sistemi di iniezione per Motori Diesel I.D.
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Crank angle [deg]
Pre
ss
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[b
ar]
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HR
R [
kJ
/m3
de
g]
CYL. PRESS. [bar]
INJ. RATE [mm3/deg]
HRR [kJ/m3deg]
NOx = 1.54 g/kWh
SOOT = 0.038 g/kWh
CN = 87 DBA
Pre + Main - S.o.I. 0º ETPre 300 µµµµs DTPre 200 µµµµs
1500 rpm, 5 bar of BMEP
MULTIJET – The Diesel combustion controlThe indicated cycle shaping by the means of the injection strategy
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Crank angle [deg]
Pre
ss
ure
[b
ar]
-100
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300
400
500
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HR
R [
kJ/m
3d
eg
]
CYL. PRESS. [bar]
INJ. RATE [mm3/deg]
HRR [kJ/m3deg]
NOx = 1.55 g/kWh
SOOT = 0.101 g/kWh
CN = 84 DBA
Double Pre + Main - S.o.I. 0º ETPre 1&2 300 µµµµs DTPre 1&2 200 µµµµs
1500 rpm, 5 bar of BMEP
MULTIJET – The Diesel combustion controlThe indicated cycle shaping by the means of the injection strategy
Sistemi di iniezione per Motori Diesel I.D.
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Crank angle [deg]
Pre
ss
ure
[b
ar]
-100
0
100
200
300
400
500
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700
800
900
HR
R [
kJ
/m3
deg
]
CYL. PRESS. [bar]
INJ. RATE [mm3/deg]
HRR [kJ/m3deg]
NOx = 1.54 g/kWh
SOOT = 0.095 g/kWh
CN = 84 DBA
Double Pre + Main + After - S.o.I. 0º ETPre 1 & 2 300 µµµµs DTPre 1 & 2 200 µµµµs ETAfter 300 µµµµs DTAfter 700 µµµµs
1500 rpm, 5 bar of BMEP
MULTIJET – The Diesel combustion controlThe indicated cycle shaping by the means of the injection strategy
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The Piezo Technology in the Diesel Injector
Sistemi di iniezione per Motori Diesel I.D.
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The Piezo Tech in the Diesel Injector - The functioning
Outlet
A hole
Inlet
Z hole
Bypass
Addittive
Z hole
V3
control
volume
control
valve
needle
1) Starting position
outlet
inlet
bypass
blocked
V3
2) Needle opening
• Bypass blocked
• normal CR-function
with inlet/outlet throttle
inlet
inlet
bypass
open
V3
3) Needle closing
• Bypass open
• two inlet throttlesrail pressure
leakage pressure
control volume pressure
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Sistemi di iniezione per Motori Diesel I.D.
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The Piezo vs Advanced Solenoid injector
E.T.
Piezo Voltage inj.pattern
Solenoid Current inj.pattern
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Tdiff
CRIP 1 MI inj. currentpattern
Tdiff
Piezo inj. Voltage pattern
800 bar / ~20 mm3 tot.
(Main = 18,5 mm3, Pilot =1.5 mm3 , Inj. Pipe = 200 mm)
The Piezo vs Advanced Solenoid injector
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Injection rate @ 1600 bar 70mm3 (different ET)
The Piezo vs Advanced Solenoid injector