Università di Roma “Tor Vergata” – Corso di Motori a Combustione Interna

MOTORI DIESEL AD INIEZIONE DIRETTA

ALIMENTAZIONE DEL COMBUSTIBILE E MOTO DELLA CARICA

Dott. Ing. Stefano Ubertini

Alimentazione del combustibile e moto della carica nei moderni motori Diesel

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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 DELL’ARIA ................................................................................................... 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 l’iniezione di uno spray di combustibile direttamente in camera di combustione senza avere premiscelamento con l’aria come avviene nei motori ad accensione comandata. Il combustibile iniettato ad alta velocità 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 è il risultato di un complesso processo di interazione aria-spray regolato dalle caratteristiche dello spray, dai moti secondari e dall’intensità di turbolenza dell’aria e dalla rapidità con la quale il combustibile liquido evapora. Il processo di combustione risultante è prevalentemente diffusivo e non dipende dal rapporto aria-combustibile globale ma da quello locale. I motori Diesel lavorano, perciò, con eccesso d’aria e la regolazione della potenza è realizzata variando la portata di combustibile. La pressione media effettiva dipende direttamente dalla massa di combustibile per ciclo ed è 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 quantità di combustibile iniettata per ciclo è piccolissima (440 mm3 per ciclo per cilindro nei motori Diesel per autotrazione) e che la regolarità del processo di combustione è determinata dalle caratteristiche dello spray di combustibile, il compito del sistema di iniezione in un motore ad accensione per compressione è particolarmente complesso. Il sistema di alimentazione del combustibile nei motori Diesel deve garantire quindi: - alta pressione di iniezione; - quantità di combustibile adeguata al carico; - fasatura (corretti istanti di inizio e fine iniezione); - uniformità 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 all’istante e per il tempo necessari la portata di combustibile richiesta all’iniettore corrispondente; in questo caso la pompa è responsabile della pressione di iniezione, della quantità 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 un’unica 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 l’iniettore che deve aprire, occupandosi in parte della fasatura; 3. sistema di iniezione con accumulatore di pressione in cui un’unica pompa di alimentazione fornisce continuamente combustibile in pressione ad un accumulatore da cui si dipartono i collegamenti con gli iniettori ad apertura comandata; l’accumulatore ha la funzione di smorzare le oscillazioni di pressione, gli iniettori sono responsabili della quantità 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 cioè gran parte della pressione di iniezione è ottenuta attraverso un pompante posto in corrispondenza dell’iniettore o attraverso lo spillo dell’iniettore stesso; 4. sistema di iniezione con accumulatore e distributore la cui unica differenza con il precedente è la presenza di un distributore a valle dell’accumulatore che apre i collegamenti con i vari iniettori ad apertura automatica all’istante 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 Alimentazione del combustibile e moto della carica nei moderni motori Diesel 4

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Figura 2 - Pompa con distributore incorporato Nei motori più 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 è realizzata con un moto rotatorio del pompante stesso. Successivamente il controllo elettronico è 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 più grande avanzamento tecnologico per i motori Diesel per autotrazione è stato il sistema di iniezione elettronica con Common Rail (CR) (fig. 3), lanciato come progetto verso metá degli anni ‘80 dal gruppo FIAT, al fine di realizzare un sistema di iniezione diretta tecnologicamente evoluto; el 1990 inizia l’attività di preindustrializzazione, che viene completata nel 1993. Nel 1994 il progetto venne ceduto al gruppo Bosch e nel 1997 il sistema entrò 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 farà riferimento al sistema Bosch ritenendolo emblematico dello stato dell’arte.

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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 all’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 (attualmente da 150 a 1800 bar). Il componente che rende possibile il disaccoppiamento è l’accumulatore ad alta pressione; gli iniettori sono ad apertura comandata elettricamente tramite solenoide. Il sistema è 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. L’introduzione del sistema CR consente: - elevate pressioni di iniezione, fino a 1600 bar nei sistemi già 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 Componenti del sistema Il sistema common-rail (fig. 4) è costituito da: - un circuito idraulico di alta pressione costituito dalla pompa di alta pressione, dall’accumulatore comune, dagli elettroiniettori e dai vari condotti; - un circuito idraulico di bassa pressione costituito da un elettropompa, da più stadi di filtraggio e dai vari condotti di mandata e di ritorno; - una centralina elettronica.

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Figura 4 – Circuiti alta pressione e bassa pressione

Figura 5 – Elettropompa di innesco Facendo riferimento al sistema CR Bosch, un’elettropompa da 12V (fig. 5) immersa nel serbatoio fornisce al combustibile una prevalenza di circa 0.5 bar necessaria a farlo arrivare alla pompa di alta pressione con una certa pressione iniziale. La portata fornita dall’elettropompa è leggermente superiore a quella massima della pompa ad alta pressione (una portata di almeno 0.5 lt/min in eccesso rispetto alla portata della pompa di alta pressione); la portata in eccesso è ricircolata al serbatoio (fig. 4). L’elettropompa è alloggiata in un cestello a cui è annesso anche il galleggiante del livello carburante. Il combustibile, inoltre, è soggetto ad una serie di stadi di filtraggio per eliminare le particelle solide in sospensione e l’acqua di condensa presente nel serbatoio. Il filtro (fig. Alimentazione del combustibile e moto della carica nei moderni motori Diesel 7

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6) 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 che preleva il carburante dal serbatoio e la pompa rotativa, che effettua l’iniezione. Ultimamente sul filtro viene montato il sensore presenza acqua. In alcuni casi, una resistenza elettrica avvolge uno dei filtri con lo scopo di preriscaldare il gasolio per migliorare l’avviamento a freddo ed evitare possibili congelamenti.

Figura 6 – Filtro del combustibile La pompa di alta pressione, illustrata in fig. 7, è costituita da tre pompanti radiali disposti a 120° l’uno dall’altro che ruotano (da qui il nome Radialjet) sul piano contenente gli assi dei pompanti. Essa fornisce continuamente combustibile alla pressione desiderata all’accumulatore. La pompa è trascinata dalla cinghia di distribuzione senza obblighi di fasatura col motore ad una velocità di rotazione pari alla metà di quella del motore. Ogni gruppo pompante è composto da un pistone, il cui movimento 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 viene raffreddata e lubrificata mediante lo stesso gasolio che la attraversa e che viene reinviato al serbatoio a pressione atmosferica. La regolazione di pressione è effettuate tramite un elettrovalvola che regola il grado di apertura dell’ingresso nel condotto di ritorno. Il regolatore di pressione è costituito, infatti, da un otturatore sferico mantenuto sulla sua sede da un'asta caricata da una molla e dalla forza generata da un solenoide (quando eccitato). Quando il suddetto solenoide non è eccitato la pressione dipende unicamente dalla molla che fornisce un valore minimo di pressione (circa 150 bar a 1000 giri/min pompa); il precarico può essere regolato agendo sugli appositi spessori di registro. Variando l’apertura della luce di ritorno varia la pressione dal minimo a un massimo di 1600 bar nei sistemi CR attualmente montati. La pressione di iniezione è quindi regolata indipendentemente dal regime di rotazione.

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Figura 7 – Pompa di alta pressione Radialjet.

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Il valore della pressione è misurato all’accumulatore e il segnale corrispondente è usato per il circuito di retroazione. Il valore misurato dal sensore di pressione 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. La pompa Radialjet è anche 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. Il gasolio in pressione non viene inviato direttamente dalla pompa Radialjet agli iniettori, ma viene accumulato in un collettore comune che ha la funzione di smorzare le oscillazioni di pressione dovute all’alimentazione pulsante della pompa di alta pressione e alle aperture intermittenti dei vari iniettori. Il rail (fig. 8) è costruito in acciaio ed ha la forma di un parallelepipedo, con una cavitá interna di forma cilindrica; il suo fissaggio al motore avviene tramite opportuni fori passanti. Il suo volume (40 cm3 circa per un motore 4 cilindri e 2000 cm3 di cilindrata), risulta dal compromesso di avere piccole oscillazioni di pressione e rapide risposte alla variazione della pressione di iniezione. L’accumulatore alloggia il sensore di pressione per fornire il segale di retroazione per la regolazione della pressione e, in alcuni casi, un sensore di temperatura necessario per calcolare la densità del combustibile.

Figura 8 – Common Rail (1 – condotti verso gli elettroiniettori; 2 – condotto dalla pompa di alta pressione) Gli elettroiniettori (fig. 9) sono ad apertura comandata da un veloce attuatore elettromagnetico a solenoide (integrato nel corpo di ogni elettroiniettore). Gli elementi fondamentali di un elettroiniettore sono: - il polverizzatore multiforo (fig. 10a), di tipo VCO (Valve Covered Orifice, cioè con i fori otturati direttamente dallo spillo) o di tipo Mini-Sac (fig.10b), in cui i fori

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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, da una molla; 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.

Figura 9 - Elettroiniettore

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Figura 10 – Confronto fra iniettore VCO (a) e Mini-sac (b) Un unico condotto ad alta pressione arriva all’iniettore e si divide al suo interno in due parti, di cui una destinata principalmente all’alimentazione del polverizzatore, l’altra in un volume di 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 operante a così elevate pressioni di esercizio. Il volume di controllo è collegato ad un circuito di ritorno con una luce occlusa da un otturatore comandato elettronicamente da un solenoide. Quando il solenoide è eccitato l’otturatore apre la luce di ritorno che, essendo di sezione maggiore di quella di mandata, tende a svuotare il volume di controllo e a diminuire la pressione. Quindi si hanno le seguenti condizioni di funzionamento: - solenoide diseccitato e spillo chiuso per effetto della forza di precarico della molla che collega lo spillo alla testa dell’iniettore; in questo caso entrambi i lati dello spillo sono soggetti alla pressione di iniezione e quindi la forza di pressione risultante è nulla (fig. 11); - solenoide eccitato e apertura della luce di ritorno; in questo caso la pressione nel polverizzatore è maggiore di quella nel volume di controllo e la forza di pressione che tende ad alzare lo spillo è maggiore della forza di precarico della molla; lo spillo si apre e il combustibile entra nel cilindro (fig. 12).

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Figura 11 – Condizione di riposo dell’elettroiniettore

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Figura 12 – Condizione di funzionamento dell’elettroiniettore Ogni iniezione è identificata da due parametri: - l’istante in cui la centralina invia il comando di alzata dello spillo, generalmente denominato SOI (Start Of Injection); - la durata temporale del comando di iniezione, generalmente denominata ET (Energizing Time o tempo di eccitazione del solenoide). C’è un certo tempo di ritardo fra lo SOI e l’effettiva apertura dell’iniettore e la durata dell’iniezione è diversa da ET. Dato che ritardo e durata effettiva variano in maniera complessa al variare delle condizioni di funzionamento del motore, il sistema richiede un’accurata fase di calibrazione prima dell’installazione (fig. 13). La sequenza dei vari ritardi meccanici ed elettrici è illustrato in fig. 14. 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. 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.

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1600 1400 Dati sperimentali Curva interpolante

Durata effettiva (μs)

1200 1000 800 600 400 200 0 0 200 400 600 800 1000

ET (μs)

Figura 13 - Durata effettiva di iniezione in funzione della durata temporale del comando di iniezione (Unijet) 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; - TRFI (Tempo di Ritardo di Fine Iniezione), calcolato dalla fine del comando elettrico. Il sistema CR è dunque un impianto di iniezione per motori Diesel operante secondo criteri logici di controllo del motore in cui le modalità di iniezione (in termini di quantità, timing e pressione) sono 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.

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Figura 14 – Ritardi e forma dell’iniezione Il “cuore” del sistema è quindi la centralina elettronica (fig. 15) costituita da: - un’unità di potenza (EPU = Electronic Power Unit) che si occupa della generazione dei segnali di apertura degli elettroiniettori; - un’unita logica (ECU = Electroni Control Unit) che riceve i segnali dai vari sensori di misura montati nel motore e provvede al controllo dei parametri di iniezione in base ai vari parametri operativi misurati.

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Figura 15 – Sistema di iniezione con segnali da e verso la centralina elettronica I sensori che comunicano con la centralina sono generalmente: - Sensore di giri, un trasduttore a riluttanza magnetica (pick-up) posizionato di fronte alla ruota fonica, calettata sull’albero motore; il sensore invia alla centralina un segnale ogni 6° di rotazione dell’angolo di manovella; - Sensore di fase, costituito da un pick-up affacciato su di una ruota fonica montata sull’albero di distribuzione e consente la fasatura delle iniezioni con i cicli dei vari cilindri; - Potenziometro posizione dell’acceleratore, che rileva la posizione del pedale acceleratore per determinare la domanda di potenza richiesta dal guidatore; il sensore è composto da un potenziometro collegato al pedale tramite alcuni leveraggi; il segnale ricevuto dalla centralina viene trattato opportunamente per convertire il valore di tensione in un valore espresso in gradi, da 0 (pedale completamente rilasciato) a 90° (pedale premuto a fondo); - Sensore temperatura del liquido refrigerante, una resistenza variabile di tipo NTC (Negative Temperature Coefficient), installata sul termostato e lambita dal liquido refrigerante del motore; esso fornisce alla centralina un indice dello stato termico del motore, al fine di determinare le correzioni di portata combustibile, pressione iniezione, anticipo iniezione (sia pilota che principale) ed EGR durante l’avviamento a freddo e nelle fasi di riscaldamento del motore; - Sensore pressione atmosferica (nella centralina); - Sensore di velocità, sensore ad effetto Hall situato sul cambio; con il segnale ricavato la centralina corregge la quantitá 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;

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Interruttore del freno, utilizzato dalla centralina per riconoscere l’azione del conducente sul pedale del freno e come segnale di decelerazione del motore; - Interruttore della frizione; la centralina riceve dal contattore frizione un segnale di pedale frizione premuto/non premuto e diminuisce la quantitá di combustibile d’iniezione nel momento in cui viene premuto il pedale della frizione, durante i processi di cambio di marcia; ció favorisce un andamento piú uniforme del veicolo ed evita lo scuotimento del motore; - Sensore di sovrapressione, posizionato nel collettore di aspirazione e usato dalla centralina elettronica per regolare la pressione e la durata dell'iniezione; - Misuratore portata d’aria aspirata, utilizzato nelle strategie per la limitazione della fumosità durante i transitori e per controllare l’EGR; il misuratore utilizzato è del tipo a filo caldo, ed è disposto a valle del filtro ed a monte del compressore; - Sensore temperatura aria aspirata (interno al debimetro); - Sensore temperatura del combustibile; - Sensore pressione del combustibile; - 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. Una nuova centralina elettronica, denominata MULTIJET, montata attualmente nei veicoli del gruppo FIAT permette 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 precedentemente in produzione, denominato UNIJET. Le diverse iniezioni, che la nuova generazione del sistema Common Rail consentirà di attuare, sono le seguenti: 1) iniezione pilota; effettuata con elevato anticipo rispetto all’iniezione principale, permette di ridurre drasticamente il rumore di combustione, migliora l’avviabilità a freddo e produce un incremento della coppia ai bassi regimi a scapito di un certo peggioramento del articolato; 2) 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; 3) iniezione main; iniezione principale la cui durata può essere gestita indipendentemente dalla pressione di iniezione; 4) iniezione after; con questo termine si indica un’iniezione effettuata subito dopo l’iniezione principale, con analoghe finalità a quelle della pre-iniezione 5) 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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Figura 16 – Segnale Unijet vs segnale multijet con strategia a 5 iniezioni

3. IL SISTEMA CON INIETTORE-POMPA
Un’alternativa al common rail è il sistema iniettore –pompa (adottato dalla Volkswagen, fig. 17) che integra in un solo corpo una pompa con un singolo iniettore,. In questo sistema il gasolio arriva all’iniettore per effetto di una pompa alloggiata nel serbatoio che produce una prevalenza di circa 4 bar. L’idea nasce dal fatto che per poter realizzare pressioni altissime, è necessario portare la pompa vicino all’iniettore perché alle alte pressioni nascono problemi di elasticità delle tubazioni e persino di compressibilità del liquido, con conseguenti colpi d’ariete Nel gruppo iniettore-pompa, direttamente sulla testa del cilindro, è alloggiato un gruppo pompante di tipo alternativo (a stantuffo) azionato meccanicamente dall’albero a camme del motore con una bilanciere. Una valvola comandata elettronicamente (elettrovalvola a solenoide) varia l’apertura della mandata, permettendo così di regolare la portata. L’iniettore è ad apertura automatica. La centralina che presiede all’iniezione determinando, con la valvola elettromagnetica, la quantità di gasolio per ogni pompata, riceve segnali da: pedale dell’acceleratore, velocità di rotazione del motore, velocità di rotazione dell’albero a camme di comando degli iniettori, temperatura liquido di raffreddamento, pressione aria condotto di alimentazione. Il vantaggio del sistema iniettore-pompa rispetto al CR è la possibilità di raggiungere pressioni di iniezione più elevate; i sistema attualmente in commercio permettono di ottenere una pressione massima del gasolio di circa 2050 bar. Questo riduce i tempi di iniezione e migliora la polverizzazione del getto, permettendo di raggiungere coppie e potenze più elevate. Gli svantaggi sono, però, diversi: - l’iniettore-pompa è molto più ingombrante di un elettroiniettore da CR e richiede una ri-progettazione della testa del cilindro per essere alloggiato (fig. 18); - i pompanti degli iniettori sono trascinati e in fase con il motore e questo rende meno flessibile la strategia di iniezione;

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è possibile per il momento soltanto una pre-iniezione di pochi mm3 di gasolio ai bassi regimi; la centralina elettronica controlla solo la portata di gasolio iniettata e non gli istanti di apertura e chiusura dello spillo.

Figura 17 – Iniettore-pompa Volkswagen

Figura 18– Ingombro dell’iniettore-pompa

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4. SVILUPPO E CARATTERISTICHE DELLO SPRAY
Come già detto in precedenza, una funzione molto importante del sistema di iniezione è quella di iniettare uno spray di caratteristiche opportune per un buon processo di combustione. Gli iniettori hanno un certo numero di fori di iniezione (da 4 a 6) di diametro molto piccolo (da 0.12 a 0.20 mm) in modo da ottenere uno spray di finissime goccioline. Il combustibile ad alta pressione è iniettato in camera di combustione a velocità altissima (100- 400 m/s). Il getto entrante nel cilindro si apre a forma di cono e viene polverizzato in gocce piccolissime di diametro estremamente variabile. Il processo di atomizzazione è molto complesso ed è regolato dall’interazione spray-gas e principalmente dall’azione combinata fra le forze aerodinamiche che sorgono nel moto relativo getto-gas e gocce-gas e le forze di tensione superficiale. La teoria più convincente suppone che l’atomizzazione sia legata all’insorgere di oscillazioni sulla superficie del getto uscente dall’ugello che vengono amplificate dall’azione delle forze aerodinamiche. Quando l’ampiezza delle oscillazioni supera un certo valore critico dal getto si separano legamenti liquidi e gocce (atomizzazione primaria o “breakup” primario, fig. 19). Le gocce formatesi dopo la disintegrazione del nucleo liquido sono sottoposte all’azione combinata di forze di diversa natura che provocano una distribuzione di pressione non uniforme sulla loro superficie. Questo porta alla deformazione della goccia e alla separazione di gocce più piccole, detta breakup secondario. Le forze dominanti nel processo fisico appena descritto sono l’inerzia, la forza aerodinamica, la viscosità e la tensione superficiale. Il numero di Weber della goccia, definito come: ρ u2D We D = g dove ρg e σ sono rispettivamente la densità e la tensione superficiale della goccia, u è la velocità relativa e D il diametro della goccia, misura l’importanza relativa delle forze esterne (forze aerodinamiche destabilizzanti) rispetto a quelle interne (tensione superficiale) e viene spesso utilizzato per classificare il “tipo” di atomizzazione secondaria.

σ

Figura 19- Atomizzazione primaria

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La sperimentazione ha dimostrato che per una goccia che si muove all’interno di un gas a velocità crescente si osserva un deformazione superficiale significativa per WeD più alto dell’unità e che oltre un certo valore critico (pari a 12 per i combustibili liquidi) questa deformazione porta alla frantumazione. Al variare di WeD, in funzione dell’intensità delle forze aerodinamiche, si identificano cinque regimi di atomizzazione: - regime vibrazionale (12