1 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. 3 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. 4 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 densità di 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. 5 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] Pressure [bar] -100 100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900 HRR [kJ/m3deg] Sistemi meccanici (ante 1996) Sistemi a controllo elettronico (post 2000) Sistemi di iniezione per Motori Diesel I.D. 6 Bosch Diesel Fuel Injection Systems
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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.
3
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)
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Bosch Diesel Fuel Injection Systems
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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 in Linea
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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 in Linea
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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 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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Pompa a stantuffi radiali
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Pompa a stantuffi radiali
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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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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
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40Iniettori Elettroidraulici
ELECTRONIC
CONTROL UNITPompa Alta
Pressione
Regolatore di
Pressione
Pompa di
Alimentazione
Sensore di
Pressione
Common Rail – Controllo
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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
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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