SISTEME DE INJECTIE COMMON RAIL PE MOTOARE MAS SI MAC CU INJECTIE DIRECTĂ

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRASOV FACULATATEA DE INGINERIE MECANICA AUTOVEHICULUL ŞI MEDIUL

- REFERAT-

Disciplina: SOLUŢII NOI DE MOTOARE CU ARDERE INTERNĂ Tema: SISTEME DE INJECŢIE COMMON RAIL PE MOTOARE MAS ŞI MAC CU INJECŢIE DIRECTĂ

Îndrumător: Prof.dr.ing. Anghel CHIRU

Student: MÎRZEA VASILE Grupa MR562

-1-

-2-

Cuprins: I.

INTRODUCERE ........................................................................................................... 4

II.

SCHEMA SISTEMULUI COMMON RAIL ..................................................................... 4

III. ELEMENTE CONSRUCTIVE ALE SISTEMULUI ......................................................... 7 1.

Rampa comună ........................................................................................................ 7

2.

Filtrul de motorină ..................................................................................................... 9

3.

Injector cu comandă electrică ................................................................................... 9

4.

Pompa de înaltă presiune ....................................................................................... 11

5.

Unitatea de comandă electronica (calculatorul de injectie) ECU ............................ 12

6.

Senzorul de presiune din rampa ............................................................................. 14

7.

Supapa limitator de presiune .................................................................................. 15

8.

Limitatorul de debit.................................................................................................. 16

9.

Regulatorul de presiune.......................................................................................... 16

IV. APLICAŢII .................................................................................................................. 17 1.

V.

VW - Motorul 1.6 TDI, COMMON RAIL, 55kW, 66kW and 77kW. .......................... 17 FIRME PRODUCĂTOARE ŞI PRODUSE CARACTERISTICE.................................. 22

VI. BIBLIOGRAFIE .......................................................................................................... 23

-3-

I.

INTRODUCERE Sistemul rampă comună (engleză Common rail) este un sistem de injecţie directă,

folosită la motoarele cu ardere internă, mai ales pentru motoarele cu aprindere prin comprimare, dar şi pentru cele cu aprindere prin scânteie. Cel mai important aspect al unui motor cu sistemul rampă comună este faptul că, distribuţia combustibilului la injectoare se face dintr-o conductă comună, aflată la presiune mare, către fiecare injector în parte.

Un inconvenient al sistemelor de injecţie cu pompă cu elemente în linie sau cu pompă cu distribuitor rotativ este dată de dependenţa presiunii de turaţia şi sarcina motorului. Din acest motiv este destul de dificil să se optimizeze combustia pentru fiecare punct de funcţionare al motorului.

Sistemele de injecţie cu rampă comună înlătură acest inconvenient datorită faptului că pompa de înaltă presiune ridică presiunea şi o stochează într-un acumulator numit rampă comună. Injectoarele nu mai sunt conectate direct la pompă ci sunt alimentate la rampă.

Principalul avantaj al sistemelor de injecţie cu rampă comună constă în independenţa presiunii combustibilului faţă de punctul de funcţionare al motorului (turaţie şi sarcină). Această independenţă conferă posibilitatea optimizării injecţiei pentru creşterea performaţelor dinamice şi de consum ale motorului. De asemenea este posibilă divizarea injecţiei de combustibil în mai multe faze: pre-injecţie, injecţie principală şi postinjecţie.

Prototipul primului sistem common rail cu comanda electronica a fost dezvoltat de Magneti Marreli in colaborare cu Centrul de Cercetare Fiat. Grupul FIAT a vandut proiectul companiei Robert Bosch. Privind retrospectiv a fost o greseala strategica a celor de la Fiat pentru ca noua tehnologie s-a dovedit extrem de profitabila, dar la momentul respectiv Fiat se afla in dificultate financiara si nu a putut sa dezvolte proiectul. In anul 1997 au aparut primele autoturisme dotate cu sistemul common rail: primul model a fost Alfa Romeo 156 2.4 JTD urmat de Mercedes–Benz C220 CDI. Astazi sistemele common rail sunt pe toate modelele de autoturisme, de la modele de oras de clasa mica la SUV-uri. Principalii producatori sunt Bosch, Delphi, Denso, Siemens.

II.

SCHEMA SISTEMULUI COMMON RAIL Într-un sistem de injecţie cu rampă comună ridicare presiunii combustibilului şi

injecţia propriu-zisă sunt complet independente. Cantitatea de combustibil injectată este definită de conducătorul auto, prin poziţia pedalei de acceleraţie, iar începutul injecţie şi durata injecţiei este controlată de calculatorul motorului. Toate sistemele de injecţie cu rampă comună sunt controlate electronic şi conţin următoarele elemente: -4-

-

calculator de injecţie (ECU – Engine Control Unit)

-

senzor turaţie motor

-

senzor poziţie arbore cu came

-

senzor poziţie pedală de acceleraţie

-

senzor presiune de supraalimentare

-

senzor presiune rampă

-

senzor temperatură motor

-

senzor debit masic de aer (debitmetru)

Viteza de rotaţie a motorului este determinată cu ajutorul senzorului de turaţie iar ordinea injecţie (de exemplu 1-3-4-2 pentru un motor cu patru cilindrii) prin intermediul senzorului de poziţie al arborelui cu came. Tensiunea electrică generată de potenţiometrul senzorului de poziţie al pedalei de acceleraţie informează calculatorul de injecţie asupra cererii de cuplu pe care o face conducătorul auto. Masa de aer măsurată este utilizată pentru calculul cantităţii de combustibil ce trebuie injectată în motor astfel încât arderea să fie cât mai completă şi cu emisii minime de substanţe poluante. Temperatura motorului este utilizată pentru a corecta debutul injecţiei şi cantitate de combustibil injectată.

Astfel, cu ajutorul informaţiilor citite de la senzori, calculatorul de injecţie controlează momentul deschiderii şi închiderii injectoarelor precum şi durata injecţiei. În figura de mai jos este prezentat un sistem de injecţie cu rampă comună Bosch, utilizat pentru un motor diesel cu patru cilindri.

Figura.II - Sistem de injecţie diesel cu rampă comună Bosch -5-

Componentele sistemului de injecţie Bosch: 1.

debitmetru de aer

2.

calculator injecţie

3.

pompă de înaltă presiune

4.

rampă comună (acumulator de înaltă presiune)

5.

injectoare

6.

senzor turaţie motor

7.

senzor temperatură motor

8.

filtru motorină

9.

senzor poziţie pedală de acceleraţie

Exemple de sisteme common rail

-6-

III.

ELEMENTE CONSRUCTIVE ALE SISTEMULUI 1. Rampa comună Principalele funcţii ale rampei comune (acumulatorul de presiune) sunt cele de

acumulare de combustibil la presiune înaltă precum şi distribuţia acestuia la injectoare. De asemenea rampa mai are rolul de filtru ale oscilaţiilor de presiune produse pompă la încărcare şi injectoare la descărcare.

Fig. III-1-1 - Rampă comună şi injectoare

-7-

Rampa (1) este prevăzută de asemenea cu un senzor de presiune (3) care informează calculatorul de injecţie nivelul presiunii pentru injectoare (6). Controlul presiunii din rampă se face cu ajutorul unui electro-supape care are rol de regulator de presiune (2). Electro-supapa este comandată de către calculatorul de injecţie iar când se deschide refulează combustibilul prin intermediul racordului (4). Alimentarea rampei cu combustibil sub presiune se face prin racordul (5) care este conectat la pompa de înaltă presiune.

Există sisteme de injecţie la care rampa comună nu este cilindrică ci sferică.

Avantajul sistemelor de injecţie cu rampă comună sferică constă în gabaritul mai redus şi costul scăzut. Dezavantajul însă este dat de faptul că conductele ce leagă injectoarele de rampă sunt mai lungi.

Elementele componente ale sistemului de injecţie: -

rampă comună

-

filtru de motorină

-

pompă de înaltă presiune

-

injectoare

-

calculator de injecţie

Fig. III-1-2 - Sistem de injecţie diesel cu rampă comună sferică de la Delphi

-8-

2. Filtrul de motorină Impurităţile din motorină pot provoca deteriorarea componentelor sistemului de injecţie: pompă, injector, supape, etc. De asemenea motorina poate conţine apă, care odată ajunsă în sistemul de injecţie poate conduce la griparea pieselor în mişcare sau la o corodare prematură. Din aceste motive este necesară utilizarea unui filtru care să răspundă cerinţelor de filtrare ale sistemului de injecţie cum ar fi: diametrul minim al particulelor filtrate, reţinerea apei şi fiabilitate ridicată.

Elementele componente ale filtrului:

Fig. III-2-1 Filtrul de motorină 1. racord rezervor combustibil 2.

racord

pompă

joasă/înaltă

presiune 3. retur combustibil 4. orificiu de eliminare a apei colectate

Cerinţele unui filtru de motorină se împart în patru mari categorii: -

filtrarea impurităţilor

-

gestionarea apei din motorină (separarea apei, stocarea şi detecţia)

-

încălzirea motorinei (prevăzute la filtrele motoarelor ce operează şi la

temperaturi scăzute) -

eliminarea gazelor (aerului) Din aceste considerente funcţionarea la parametrii nominali ai unui filtru este

indispensabilă unui motor diesel. Defectul total sau parţial al unui filtru de motorină poate conduce chiar şi la avarierea iremediabilă a componentelor sistemului de injecţie.

3. Injector cu comandă electrică Introducerea combustibilului în cilindru se face prin intermediul injectoarelor. Prin durata deschiderii injectoarelor se controlează cantitatea de combustibil injectată.

Injectorul este conectat, în cazul sistemelor de injecţie common-rail, la rampa de înaltă -9-

presiune prin intermediul unui racord şi a unei conducte. Acţionare injectorului este electrică şi se face la comanda calculatorului de injecţie.

Momentan există două soluţii pentru acţionarea injectoarelor: cu solenoid (electro-magnet) sau cu cristal piezoelectric. Soluţia cu solenoid este mai puţin costisitoare decât cea piezoelectrică dar acţionarea este mai puţin rapidă. Continental este producătorul care are toată familia de sisteme de injecţie cu acţionare piezoelectrică.

Bosch, Delphi şi Denso oferă soluţii cu solenoid cât şi piezoelectrice.

Fig III-3-3: Injector Delphi acţionat cu solenoid Elementele componente ale injectorului: 1-corpul injectorului 2-racord de joasă presiune (retur) 3-racord de înaltă presiune 4-conectori electrici 5-solenoid 6-supapă de comandă 7-acul injectorului 8-pulverizator Cum funcţionează? Pentru a înţelege mai bine cum funcţionează injectorul Delphi acţionat cu solenoid am reprezentat doar secţiunea care conţine solenoidul (1), supapa de control (5) şi acul injectorului (3)

Fig III-3-4: Injector Delphi (detaliu) 1.

2.

3.

4.

5.

6.

- 10 -

solenoid arc elicoidal acul injectorului pulverizator supapă de comandă arc elicoidal

Acul injectorului (3) este ţinut pe sediul, obturând orificiile pulverizatorului, datorită forţelor date de arcul elicoidal (2) şi presiunii p1 ce acţionează pe suprafaţa S1.

Când se doreşte injecţia de combustibil calculatorul de injecţie comandă solenoidul (1) care deschide supapa (5). Datorită deschiderii supapei de comandă presiunea p1 scade (p1 < p2) iar acul injectorului este deplasat comprimând arcul (2) astfel realizându-se injecţia. În momentul în care solenoidul nu mai este alimentat de calculatorul de injecţie supapa de comandă este închisă de către arcul (6). Se realizează echilibrul de presiuni (p1 = p2) iar acul injectorului revine pe sediu.

Această succesiune de operaţii se realizează foarte rapid, închiderea şi deschiderea injectoarelor se poate face de mai multe ori pe un ciclu (injecţie multiplă).

Introducerea cristalelor piezoelectrice de către Continental (fostul Siemens VDO) a condus la îmbunătăţirea performanţelor sistemelor de injecţie în ceea ce priveşte timpul de răspuns al injectoarelor şi controlul cantităţii de combustibil injectat

1.

2.

3.

4.

5.

corpul injectorului conectori electrici cristal piezoelectric supapă de comandă racord de înaltă presiune 6. acul injectorului 7. pulverizator

Fig.III-3-5: Injector Continental cu acţionare piezoelectrică (Siemens VDO)

4. Pompa de înaltă presiune Legătura dintre pompa de transfer şi rampa comună este realizată de pompa de înaltă presiune. Rolul pompei este a asigura o presiune ridicată a combustibilului în rampă, indiferent de condiţiile de funcţionare ale motorului, pe întreaga durată de viaţă a motorului cu ardere internă. Antrenarea pompei se face prin cuplarea acesteia la arborele cotit al motorului. Turaţia maximă a pompei depinde de tipul pompei. De exemplu pompele de primă generaţie Bosch sunt limitate la 3000 rot/min.

Principalele elemente componente ale unei pompe de înaltă presiune pentru sistemele de injecţie cu rampă comună sunt prezentate în figura de mai jos. Pompa prezentată este Bosch de primă generaţie cu trei pistoane dispuse la 120 °C. - 11 -

Fig III-4-1: Pompă de injecţie diesel de înaltă presiune Bosch Pompă de înaltă presiune Bosch de primă generaţie - elementele componente: 1.

arbore de antrenare

2.

electro-supapă de control a debitului

3.

excentric

4.

pompă de transfer (integrată în pompa de înaltă presiune)

5.

supapă de refulare

6.

piston

7.

supapă de admisie

5. Unitatea de comandă electronica (calculatorul de injectie) ECU Controleaza numărul de injecții, cantitatea de combustibil injectată și durata fiecărei injecții. În funcție de regimul de funcționare al motorului (dat de poziția pedalei de accelerație și turație) și de modul de combustie (normal sau regenerare filtru) calculatorul de injecție decide numărul de injecții pe ciclu. La turații și sarcini mici se

- 12 -

efectuează injecția cu cele mai multe secvențe, iar la turații mari, datorită timpului scurt de efectuare al arderii, injecția se efectuează într-o singură secvență.

Tehnologia common-rail se bazează pentru cartografiere pe controlul timpului de injectie. Unitatea electronica de control foloseste semnalele de intrare preluate cu ajutorul senzorilor si, funcţie de multiplele informaţii primite generează semnale de ieşire in funcţie de criteriile de funcţionare ale motorului. Pentru a adapta cantitatea de motorina, unitatea electronica de control acţionează fie asupra presiunii din rampa, fie asupra duratei de acţionare a electroventilelor injectoarelor, sincronizând cu acurateţe aceste acţiuni. Cantitatea de motorina injectata depinde de comanda electroventilelor, de viteza de deschidere si de închidere a acului injectorului. de presiunea carburantului in rampa, de cantitatea trecuta prin injector si de ridicarea acului. Unitatea electronica de control foloseste semnale privind: - înalta presiune din rampa; - turaţia; - presiunea din galeria de admisie; - temperatura lichidului de răcire; - poziţia pedalei de frâna; , - nivelul uleiului; - poziţia unghiulara a arborelui cotit; - poziţia pedalei de acceleraţie; - debitul masic de aer (senzor cu pelicula încălzita); - temperatura aerului.

De asemenea se schimba informaţii si cu alte sisteme de control ale automobilului: ABS, antifurt. climatizare, tracţiune. etc. De exemplu, sistemul de control al tracţiunii are nevoie de anumite informaţii transmise de calculatorul ce controlează injecţia common-rail.

- 13 -

Supapele electromagnetice sau piezoelectrice fac posibil un control foarte exact al injectoarelor privind controlul timpului de injecţie si al cantităţii de combustibil in condiţiile de înalta presiune asigurate de tehnologia common rail prin aceasta asigurandu-se o foarte buna atomizare a combustibilului. Pentru reducerea zgomotului motorului, calculatorul comanda divizarea injecţiei de motorina in mai multe faze, o cantitate mica de combustibil este injectata inaintea injectiei principale prin aceasta reducându-se explozia si vibraţiile. Unele sisteme common rail performante realizeaza cinci injectii pe cursa din care: o injectie principala prin care se asigura obţinerea cuplului motor; doua preinjectii (numite pilot 1 si pilot 2) cu rolul de a reduce zgomotul, a usura pornirea la rece, a reduce formarea de particule poluante; doua postinjecţii (numite post injecţie si post injecţie târzie) cu rolul de a reduce emisiile poluante prin prelungirea procesului de ardere.

6. Senzorul de presiune din rampa Destinaţie. Pentru a furniza unitarii electronice de control tensiune de semnal ce corespunde presiunea aplicata, senzorul de presiune din rampa trebuie sa măsoare presiunea instantanee din rampa: - cu acurateţea corespunzătoare, - cat mai rapid posibil.

Proiectare si construcţie. Senzorul de presiune din rampa cuprinde următoarele componente (figura IV-6-1): - un senzor integral sudat pe fitingul de presiune, - o placa de circuit imprimat cu circuitul electric de evaluare.

- un corp pentru senzor cu conector electric.

Motorina curge spre senzorul de presiune din rampa printr-o deschidere din rampa, a cârei capăt este închis de diafragma senzorului. Motorina sub presiune ajunge la

diafragma

senzorului

printr-o

gaura

înfundata.

- 14 -

Elementul

senzor

(dispozitiv

semiconductor) pentru conversia presiunii la semnal electric este montat pe aceasta diafragma. Semnalul general de senzor este aplicat unui circuit de evaluare care amplifica semnalul măsurat si îl trimite unitarii electronice de control (ECU).

Funcţionare. Senzorul de presiune din rampa funcţionează după cum urmează: când forma diafragmei se modifica, se schimba si rezistenta electrica a stratului ataşat diafragmei. Schimbarea formei diafragmei (aproximativ 1 mm la 1500 bari) ca rezultat al creşterii presiunii sistemului, modifica rezistenta electrica si provoacă o schimbare a tensiunii intr-o punte de rezistente alimentata la 5 V. Variaţia de tensiune este in domeniul 0 ... 70 mV (funcţie de presiunea aplicata) si este amplificata de circuitul de evaluare la 0,5 ... 4.5 V. Măsurarea cu precizie a presiunii din rampa este esenţiala pentru corecta funcţionare a sistemului. Aceasta este una din raţiunile pentru care măsurarea presiunii aplicate senzorului de presiune din rampa se face cu o acurateţe de aproximativ ± 2% din diapazon. Daca senzorul de presiune se defectează, valva de control al presiunii este declanşata in mod "orb" folosind o funcţie de urgenta (limp-mode) si valori fixe.

Fig.IV-6-1-Senzorul de presiune din rampă 1 - conexiune electrica; 2 circuit de evaluare: 3 - diafragma metalica cu senzor; 4 - racord de înalta presiune; 5 - filet de montare

7. Supapa limitator de presiune Destinaţie. Supapa limitator de presiune are aceeaşi funcţie ca si o supapa de suprapresiune. In cazul unei presiuni excesive. supapa limitator de presiune limitează presiunea din rampa prin deschiderea unei canalizaţii de scăpare. Supapa permite o presiune maxima in rampa de scurta durata de 1500 bari.

Proiectare si construcţie. Supapa limitator de presiune mecanic ce cuprinde următoarele componente: - corp cu filet exterior pentru infiletare in rampa, - conexiune la conducta de retur spre rezervor, - 15 -

este un dispozitiv

- piston mobil, Fig.IV-7-1-Supapa limitatoare presiune

- arc.

1 - Racord de înalta presiune; 2 - supapa; 3 - pasaje de curgere; 4

piston plonjor;

5 - arc; 6 - opritor; 7- corpul supapei; 8 - retur motorina.

In capătul de conectare la rampa, corpul este prevăzut cu o trecere ce este închisa cu capătul in forma de con al pistonului apăsat in scaunul de etanşare din interiorul corpului. La presiuni de funcţionare normale (pana la 1350 bari), pistonul este apăsat de un arc pe scaun si rampa rămâne închisa. De undata ce presiunea maxima din sistem este depăşita, pistonul este ridicat de presiunea din rampa ce învinge forţa arcului.

Motorina sub presiune poate scăpa curgând prin trecerile din interiorul pistonului. de unde este dirijata înapoi in rezervor printr-o conducta colectoare. Când supapa se deschide motorina iese din rampa, astfel încât presiunea din rampa scade.

8. Limitatorul de debit Destinaţie.

Limitatorul de debit previne injecţia continua in eventualitatea

foarte puţin probabila in care un injector ar rămâne deschis permanent. Pentru a realiza aceasta funcţie, limitatorul de debit închide conducta injectorului în discuţie de îndată ce cantitatea de motorina ce iese din rampa depăşeşte un nivel bine definit.

Proiectare si construcţie. Limitatorul de debit cuprinde un corp metalic cu filet exterior pentru înfiletare in rampa (înalta presiune) si un filet exterior pentru înfiletare in conductele injectoarelor. Corpul are cate o trecere la fiecare capăt care asigura conectare hidraulica la rampa si la conducta injectorului. In interiorul corpului limitatorului de debit se găseşte un piston ce este apăsat de un arc in direcţia acumulatorului de motorina (rampei comune).

9. Regulatorul de presiune

Regulatorul de presiune este o supapa electromagnetica. El reglează presiunea din rampa in funcţie de curentul primit ce este livrat de unitatea electronica de control.

Intensitatea curentului determina forţa de închidere a supapei regulatorului de presiune.

Excesul de motorina este returnat in rezervor.

- 16 -

IV.

APLICAลขII 1. VW - Motorul 1.6 TDI, COMMON RAIL, 55kW, 66kW and 77kW.

- 17 -

1 - Fuel system pressurisation pump G6 2 - Fuel filter with pre-heater valve 3 - Pre-supply pump 4 - Fuel temperature sender G81 5 - High-pressure pump 6 - Fuel metering valve N290 7 - Fuel pressure regulating valve N276 8 - High-pressure accumulator (rail) 9 - Fuel pressure sender G247 10 - Pressure retention valve 11 - Injectors N30, N31, N32, N33

- 18 -

Sistemul de injecţie

Timpii de injecţie

- 19 -

Pompa de ĂŽnaltÄ&#x192; presiune

Alimentarea cu combustibil - 20 -

Rampa comunÄ&#x192;

Valva regulatoare de presiune

Injectorul - 21 -

V.

FIRME PRODUCĂTOARE ŞI PRODUSE CARACTERISTICE Sistemul de injecţie cu rampă comună este oferit de către mulţi producători.

Fiecare are propriul simbol, de obicei protejat, dar care de multe ori nu este utilizat în mod constant: -

CDI (Common Rail Direct Injection): Mercedes-Benz, Daimler

-

CDTI (Common Rail Diesel Turbo Injection): Opel

-

CRDi (Common Rail Direct Injection): Hyundai, Kia

-

dCi (Diesel Common-Rail Injection): Renault, Nissan

-

DDIS: Suzuki (Common-Rail)

-

DI-D (Direct Injection Diesel): Mitsubishi (Common-Rail)

-

D-4D (Direct Injection 4-stroke Diesel): Toyota (Common-Rail)

-

HDi (High Pressure Direct Injection): Peugeot, Citroën (Common-Rail)

-

i-CTDi (intelligent Common Rail Turbo Diesel Injection): Honda

-

JTD rsp. JTDM (Jet Turbo Diesel Multijet): Alfa Romeo, Fiat, Lancia

(Common-Rail) -

TDCi (Turbodiesel Common Rail Injection): Ford

-

TDI (Turbodiesel Direct Injection): Volkswagen („PumpeDüse” sau Common-

Rail) -

D (Diesel): BMW

- 22 -

VI.

BIBLIOGRAFIE

1. BERNARD CHALLEN, Diesel engine reference book, 2. KONRAD REIF, Diesel engine management â&#x20AC;&#x201C; system and components, SpringerVerlag London Limited, 2014 3. Self-study programme 442 4. http://www.e-automobile.ro/categorie-motor/19-diesel/25-motor-diesel-injectiedirecta.html 5. http://www.dibasmotors.ro/common-rail-sistemul-care-a-revolutionat-motoarelediesel/ 6. https://ro.wikipedia.org/wiki/Ramp%C4%83_comun%C4%83

- 23 -