Modul de Functionare a Injectiei Controlate Electronic la Motorul Dieseldocx

=== Modul de functionare a injectiei controlate electronic la motorul Diesel ===

Sistemul de injecție al unui motor cu aprindere prin comprimare (diesel) este alcătuit în principal dintr-o pompă de injecție, rampă comună, injector și conductele de legătură.

Fig 1.: Sistem de injecție Bosch CRS2.2
Sursa: Bosch

Elementele componente ale sistemului:

pompă de înaltă presiune

rampă comună

injectoare

Un sistem de injecție este proiectat astfel încât să îndeplinească mai multe funcții:

să dozeze cantitatea de combustibil pe ciclu în funcție de regimul de funcționare al motorului;

să creeze o presiune ridicată a combustibilului pentru a face posibilă pulverizarea;

să asigure pulverizarea li distribuția combustibilul în camera de ardere;

să inițieze injecția de combustibil la un moment bine determinat pe ciclu și să asigure o durată a injecției determinată;

să asigure dozarea egală a combustibilului între mai mulți cilindrii.

La nivel mondial există patru mari producători de sisteme de injecție pentru automobile. Piața este împărțită de Bosch, Continental, Delphi, și Denso. De asemenea automobilele din grupul Fiat echipează unele din motoarele sale cu sisteme de injecție produse de Magneti Marelli.

Sistemele de injecție pentru motoare diesel se pot clasifica în funcție de o multitudine de criterii. În prezentul articol vom discuta despre sisteme de injecție directă și indirectă, evoluția și tipul acestora precum și despre modul de funcționare al fiecărei componente.

Tipuri de sisteme de injecție (din punct de vedere al injecției combustibilului)

Injecția indirectă (cu pre-cameră)

La motoarele diesel cu injecție indirectă combustibilul este injectat într-o precameră supraîncălzită. Aprinderea combustibilului este inițiată în precameră iar apoi este propagată în cilindru unde are loc arderea propriu-zisă a amestecului aer-combustibil. Pre-camera reprezintă aproximativ 40% din volumul total al camerei de ardere.

Fig 2.: Sistem de injecție indirectă diesel cu pre-cameră

Sursa: Bosch

Elementele componente ale sistemului de injecție:

injector

bujie incandescentă

pre-cameră

chiulasă

cilindru

Pre-camera este atent concepută pentru a asigura amestecarea corespunzătoare a combustibilului pulverizat cu aerul comprimat supraîncălzit. Astfel se reduce viteza de ardere care are ca efect reducerea zgomotului datorat arderii precum și a solicitărilor mecanice asupra pieselor motorului. Cu toate acestea utilizarea unei pre-camere are dezavantajele unor pierderi adiționale de căldură care se traduce într-un randament mai mic. În plus pre-camera necesită utilizarea unor bujii incandescente pentru a facilita pornirea.

În cazul injecției indirecte aerul se mișcă cu viteză ridicată îmbunătățind astfel omogenizarea amestecului aer-combustibil. Acest avantaj simplifică construcția injectorului și permite utilizarea de motoare cu capacitate cilindrică mai mică, cu toleranțe de construcție mai permisive deci mai puțin costisitoare și mai fiabile.

Prin comparație sistemele de injecție directă combină mișcare mai lentă a aerului cu mișcare rapidă a combustibilului injectate la o presiune mare

Avantajele utilizării injecției indirecte sunt următoarele:

se poate utiliza la motoarele cu capacitate cilindrică mică

presiunea de injecție necesară este relativ scăzută (100-300 bari) deci costul unui injector este redus

turația maximă a motorului poate atinge valori de 6000 rot/min datorită arderii divizate

Dezavantajele utilizării unei astfel de soluții se rezumă la:

consum specific ridicat datorită pierderilor prin căldură și a pierderilor de presiune în timpul arderii

tensiuni termice și mecanice concentrate pe anumite porțiuni ale pistonului și a camerei de ardere ce conduc la limitarea puterii maxime ce poate fi obținută din motor

Soluția de injecție indirectă cu pre-camera a fost utilizată începând cu anii 1920. Tehnologia de injecție directă era cunoscută la aceea vreme dar se utiliza în general doar pe camioane. Motivul era zgomotul și vibrațiile puternice specifice injecției directe, fenomene mai puțin controlabile la aceea vreme. Pe motoarele diesel moderne injecția indirectă nu se mai utilizează în principal datorită consumului specific ridicat și în al doilea rând datorită limitării performanțelor dinamice.

Injecția directă

De reținut că motoarele diesel moderne sunt în exclusivitate cu injecție directă! Spre deosebire de injecția indirectă, la care combustibilul se injectează într-o pre-cameră, la injecția directă motorina se injectează direct în cilindru. Procesul de injecție este caracterizate de pulverizarea combustibilului, încălzirea, evaporarea și amestecul acestuia cu aerul. Specific motoarelor diesel cu injecție directă sunt presiunile mari ale combustibilului (până la 2000 bari) și rapoartele mari de comprimare (17-19).

Fig 3: Sistem de injecție directă diesel

Sursa: Bosch

O caracteristică specifică motoarelor diesel cu injecție directă este forma pistonului. Camera de ardere este formată în principal de cavitatea din capul pistonului care de cele mai multe ori are forma secțiunii asemănătoare cu litera grecească omega.

Sistemele de injecție pentru un motor diesel

Motoarele diesel sunt caracterizate în principal de randament ridicat, în comparație cu motoarele pe benzină, ceea ce conduce la un consum mai scăzut de combustibil. Reglementările tot mai stricte în ceea ce privește emisiile poluante, zgomotul și nevoia de reducere a consumului de combustibil au făcut ca sistemele de injecție să evolueze în mod considerabil.

Sistemele de injecție de motorină, mai ales cele cu injecție directă, necesită presiuni mari ale combustibilului. Din acest motiv toate pompele de injecție trebuie să fie de tipul cu piston, deoarece numai o astfel de pompă asigură presiunea necesară pentru pulverizare.

În cazul automobilelor cu motoare diesel sunt utilizate mai multe tipuri de sisteme de injecție. Primele tipuri utilizate, începând cu anii 1930, sunt cele cu pompe de injecție cu elemente în linie. Generațiile următoare de sisteme, din anii 1970, sunt cu pompe cu distribuitor rotativ. Din 1997 sistemele de injecție cu rampă comună încep să echipeze motoarele diesel.

În tabelul de mai jos găsiți o clasificare a sistemelor de injecție produse de compania Bosch.

Sistem de injecție cu rampă comună (CR – Common Rail)

Un inconvenient al sistemelor de injecție cu pompă cu elemente în linie sau cu pompă cu distribuitor rotativ este dată de dependența presiunii de turația și sarcina motorului. Din acest motiv este destul de dificil să se optimizeze combustia pentru fiecare punct de funcționare al motorului.

Sistemele de injecție cu rampă comună înlătură acest inconvenient datorită faptului că pompa de înaltă presiune ridică presiunea și 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 injecție cu rampă comună constă în independența presiunii combustibilului față de punctul de funcționare al motorului (turație și sarcină). Această independență conferă posibilitatea optimizării injecției pentru creșterea performațelor dinamice și de consum ale motorului. De asemenea este posibilă divizarea injecției de combustibil în mai multe faze: pre-injecție, injecție principală și post-injecție.

Într-un sistem de injecție cu rampă comună ridicare presiunii combustibilului și injecția propriu-zisă sunt complet independente. Cantitatea de combustibil injectată este definită de conducătorul auto, prin poziția pedalei de accelerație, iar începutul injecție și durata injecției este controlată de calculatorul motorului. Toate sistemele de injecție cu rampă comună sunt controlate electronic și conțin următoarele elemente:

calculator de injecție (ECU – Engine Control Unit)

senzor turație motor

senzor poziție arbore cu came

senzor poziție pedală de accelerație

senzor presiune de supraalimentare

senzor presiune rampă

senzor temperatură motor

senzor debit masic de aer (debitmetru)

Viteza de rotație a motorului este determinată cu ajutorul senzorului de turație iar ordinea injecție (de exemplu 1-3-4-2 pentru un motor cu patru cilindrii) prin intermediul senzorului de poziție al arborelui cu came. Tensiunea electrică generată de potențiometrul senzorului de poziție al pedalei de accelerație informează calculatorul de injecție asupra cererii de cuplu pe care o face conducătorul auto. Masa de aer măsurată este utilizată pentru calculul cantității de combustibil ce trebuie injectată în motor astfel încât arderea să fie cât mai completă și cu emisii minime de substanțe poluante. Temperatura motorului este utilizată pentru a corecta debutul injecției și cantitate de combustibil injectată.

Astfel, cu ajutorul informațiilor citite de la senzori, calculatorul de injecție controlează momentul deschiderii și închiderii injectoarelor precum și durata injecției.

În figura de mai jos este prezentat un sistem de injecție cu rampă comună Bosch, utilizat pentru un motor diesel cu patru cilindrii.

Fig 4: Sistem de injecție diesel cu rampă comună Bosch

Sursa: Bosch

Componentele sistemului de injecție Bosch:

debitmetru de aer

calculator injecție

pompă de înaltă presiune

rampă comună (acumulator de înaltă presiune)

injectoare

senzor turație motor

senzor temperatură motor

filtru motorină

senzor poziție pedală de accelerație

Rampa comună

Principalele funcții ale rampei comune (acumulatorul de presiune) sunt cele de acumulare de combustibil la presiune înaltă precum și distribuția acestuia la injectoare. De asemenea rampa mai are rolul de filtru ale oscilațiilor de presiune produse pompă la încărcare și injectoare la descărcare.

Fig 5. Rampă comună și injectoare de la Delphi

Sursa: Delphi

Rampa (1) este prevăzută de asemenea cu un senzor de presiune (3) care informează calculatorul de injecție 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 injecție 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.

Fig 6. Sistem de injecție diesel cu rampă comună sferică de la Delphi

Sursa: Delphi

Elementele componente ale sistemului de injecție:

rampă comună

filtru de motorină

pompă de înaltă presiune

injectoare

calculator de injecție

Există sisteme de injecție la care rampa comună nu este cilindrică ci sferică. Avantajul sistemelor de injecție cu rampă comună sferică constă în gabaritul mai redus și costul scăzut. Dezavantajul însă este dat de faptul că conductele ce leagă injectoarele de rampă sunt mai lungi.

Filtrul de motorină

Impuritățile din motorină pot provoca deteriorarea componentelor sistemului de injecție: pompă, injector, supape, etc. De asemenea motorina poate conține apă, care odată ajunsă în sistemul de injecție poate conduce la griparea pieselor în mișcare sau la o corodare prematură. Din aceste motive este necesară utilizarea unui filtru care să răspundă cerințelor de filtrare ale sistemului de injecție cum ar fi: diametrul minim al particulelor filtrate, reținerea apei și fiabilitate ridicată.

Fig. 7. Filtru de motorină Delphi

Sursa: Delphi

Elementele componente ale filtrului:

racord rezervor combustibil

racord pompă joasă/înaltă presiune

retur combustibil

orificiu de eliminare a apei colectate

Cerințele unui filtru de motorină se împart în patru mari categorii:

filtrarea impurităților

gestionarea apei din motorină (separarea apei, stocarea și detecția)

încălzirea motorinei (prevăzute la filtrele motoarelor ce operează și la temperaturi scăzute)

eliminarea gazelor (aerului)

Din aceste considerente funcționarea la parametrii nominali ai unui filtru este indispensabilă unui motor diesel. Defectul total sau parțial al unui filtru de motorină poate conduce chiar și la avarierea iremediabilă a componentelor sistemului de injecție.

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 injecție common-rail, la rampa de înaltă presiune prin intermediul unui racord și a unei conducte. Acționare injectorului este electrică și se face la comanda calculatorului de injecție.

Momentan exist două soluții pentru acționarea injectoarelor: cu solenoid (electro-magnet) sau cu cristal piezoelectric. Soluția cu solenoid este mai puțin costisitoare decât cea piezoelectrică dar acționarea este mai puțin rapidă. Continental este producătorul care are toată familia de sisteme de injecție cu acționare piezoelectrică. Bosch, Delphi și Denso oferă soluții cu solenoid cât și piezoelectrice.

Fig. 8. Injector Delphi acționat cu solenoid

Sursa: Delphi

Elementele componente ale injectorului:

corpul injectorului

racord de joasă presiune (retur)

racord de înaltă presiune

conectori electrici

solenoid

supapă de comandă

acul injectorului

pulverizator

Cum funcționează? Pentru a înțelege mai bine cum funcționează injectorul Delphi acționat cu solenoid am reprezentat doar secțiunea care conține solenoidul (1), supapa de control (5) și acul injectorului (3)

Fig. 9. Injector Delphi cu acționare cu solenoid – detaliu

Sursa: Delphi

Elementele componente ale injectorului:

solenoid

arc elicoidal

acul injectorului

pulverizator

supapă de comandă

arc elicoidal

Acul injectorului (3) este ținut pe sediul, obturând orificiile pulverizatorului, datorită forțelor date de arcul elicoidal (2) și presiunii p1 ce acționează pe suprafața S1. Când se dorește injecția de combustibil calculatorul de injecție 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 injecția. În momentul în care solenoidul nu mai este alimentat de calculatorul de injecție 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 operații se realizează foarte rapid, închiderea și deschiderea injectoarelor se poate face de mai multe ori pe un ciclu (injecție multiplă). Introducerea cristalelor piezoelectrice de către Continental (fostul Siemens VDO) a condus la îmbunătățirea performanțelor sistemelor de injecție în ceea ce privește timpul de răspuns al injectoarelor și controlul cantității de combustibil injectate.

Fig. 10. Injector Continental cu acționare piezoelectrică (Siemens VDO)

Sursa: Continental

Injector Continental (Siemens VDO) cu acționare cu cristal piezoelectric:

corpul injectorului

conectori electrici

cristal piezoelectric

supapă de comandă

racord de înaltă presiune

acul injectorului

pulverizator

Sistemele de injecție evoluează continuu ca urmare a cerințelor tot mai severe în ceea ce privește emisiile poluante. Principalii producători de sisteme de injecție oferă o gamă largă de pompe de înaltă presiune, injectoare, etc. O privire de ansamblu asupra acestor sisteme este subiectul unui articol viitor.

Pompa de înaltă presiune

Legătura dintre pompa de transfer și rampa comună este realizată de pompa de înaltă presiune. Rolul pompei este a asigura o presiune ridicată a combustibilului în rampă, indiferent de condițiile de funcționare ale motorului, pe întreaga durată de viață a motorului cu ardere internă. Antrenarea pompei se face prin cuplarea acesteia la arborele cotit al motorului. Turația maximă a pompei depinde de tipul pompei. De exemplu pompele de primă generație Bosch sunt limitate la 3000 rot/min.

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

Fig. 11. Pompă de injecție diesel de înaltă presiune Bosch

Sursa: Bosch

Pompă de înaltă presiune Bosch de primă generație – elementele componente:

arbore de antrenare

electro-supapă de control a debitului

excentric

pompă de transfer (integrată în pompa de înaltă presiune)

supapă de refulare

piston

supapă de admisie

Ce trebuie să rețineți relativ la sistemele de injecție pentru motoarele diesel

sistemele de injecție cu rampă comună sunt unanim utilizate de către toți constructorii de automobile

presiunile de injecție sunt cuprinse între 1300 și 2000 de bari

injectoarele sunt acționate electric (cu solenoid sau cristal piezoelectric)

controlul injecției se face electronic prin intermediul unui calculator

Bibliografie

1897: Rudolf Diesel construiește primul prototip funcțional de motor.

1908: Prosper L'Orange împreună cu Deutz dezvoltă o pompă de injecție cu injector

1930: Primul automobil echipat cu un motor diesel construit de Cummins

1933: Citroen Rosalie – primul automobil european prototip cu motor diesel

1936: Mercedes-Benz 260D primul automobil de serie cu motor diesel

1968: Peugeot introduce primul 204 cu motor diesel montat transversal și tracțiune pe puntea față

1986: Bosch lansează EDC pe modelul BMW 524D

1994: Bosch produce sistemele de injecție pompă injector

1997: Alfa Romeo 156 – primul automobil cu sistem de injecție cu rampă comună (Common Rail)

2007: BMW lansează pe modelele de serie sisteme de injecție cu rampă comună cu presiunea de injecție maximă de 2000 bari