Sistema di iniezione elettronica diesel Common Rail

Apriamo una serie di post sull'ingegneria motoristica di base,la BioDiesel100 con questi post cercherà di far capire i principi di funzionamento senza scendere nei dettagli, alcuni aspetti molto importanti ,indispensabili per capire sia il funzionamento dei motori che la dinamica di combustione,approfondendo negli ultimi post le caratteristiche dei carburanti in particolar modo i bio carburanti elencando tutti gli aspetti coinvolti nella combustione nei motori endotermici in questione,valutandone sia gli aspetti positivi che negativi.
Questo post è dedicato all'iniezione common rail.

 

 

Sistema di iniezione elettronica diesel Common Rail

Letteralmente, common rail, vuol dire "collettore comune".

Questo vuol dire che con l'introduzione di questo impianto nasce l'iniezione elettronica per diesel basata sugli stessi principi dei sistemi benzina.

Ma facciamo un piccolo passo indietro.

Il motore diesel si basa su un principio semplice: iniettando del gasolio in un ambiente contenente aria ad alta pressione e temperatura, questo brucerà producendo un vigoroso incremento di pressione.

La teoria, appunto, è semplice, l'applicazione pratica tutt'altro.

Robert Bosch riuscì per primo a creare un dispositivo meccanico in grado di realizzarlo praticamente, ma solo molti decenni dopo la nascita del motore a scoppio: una pompa di iniezione in grado di far aprire a pressione una serie di polverizzatori (valvole meccaniche di iniezione) che iniettano il gasolio all'interno dei cilindri del motore.

Fino a circa 10 anni fa, l'unico modo di far andare un motore diesel era quello di adottare una pompa di iniezione meccanica del tutto analoga a quella inventata decenni or sono da Robert Bosch, dotata di sistemi di regolazione elettronica, miglioramenti di vario tipo, ma pur sempre una pompa meccanica.

Questo è stato un limite del diesel fino alla nascita del Common Rail.

Ma perché ciò che è stato facile realizzare per i motori benzina è stato invece molto difficile per quelli diesel?

Il motivo è presto detto: la benzina viene spruzzata nel collettore di aspirazione, prima che l'aria (divenuta ormai miscela) venga aspirata nei cilindri, quindi è tecnicamente piuttosto semplice creare delle valvole elettriche (elettroiniettori) in grado di realizzarla. Il gasolio invece deve essere iniettato direttamente dentro i cilindri durante la fase di massima compressione, proprio quando è più difficile. Le pompe di iniezione meccanica realizzano pressioni di iniezione del gasolio comprese tra i 150 e i 300 Bar di pressione per riuscire a spingere il gasolio nella camera di scoppio (volume del cilindro durante la massima compressione).

Il common rail (creato nel centro ricerche FIAT) realizza qualcosa di eccezionale per chi abbia studiato il motore diesel: un sistema di iniezione del gasolio completamente elettronico.

Il common rail è quindi dotato di un collettore comune mantenuto in pressione da cui si diramano 4 o 5 tubazioni (una per ogni cilindro) in corrispondenza di altrettanti elettroiniettori. Gli elettroiniettori si aprono quando ricevono un opportuno comando elettrico dalla centralina elettronica di gestione.

Ricordiamo che, essendo ad accensione spontanea, il motore diesel non è dotato di sistema di accensione, l'istante di iniezione coincide con quello di accensione, quindi nel motore diesel l'anticipo di accensione equivale all'anticipo di iniezione.

Diamo uno sguardo ai componenti che fanno parte del sistema Common Rail nella figura che segue.

Figura 1 - Composizione del Common Rail

1. Elettropompa combustibile
2. Compressore condizionatore
3. Modulatore per valvola E.G.R.
4. Contagiri
5. Elettroventole
6. Centralina preriscaldo candelette
7. Potenziometro pedale acceleratore
8. Interruttore pedale freno –frizione
9. Sensore pressione combustibile
10. Debimetro
11. Sensore temperatura liquido di raffreddamento
12. Sensore temperatura combustibile
13. Sensore di sovrapressione
14. Sensore di fase
15. Sensore dl giri
16.   Tachimetro
17. Alfa Romeo CODE
18. Batteria
19. Presa per diagnosi
20. Regolatore di pressione
21. Elettroiniettori
22. Candelette di preriscaldo
23. Spia preriscaldo candelette
24. Spia check Engine

Si noti che perché il sistema possa funzionare sono indispensabili i segnali del sensore di giri (15) per consentire di mantenere la sincronia tra motore e centralina e eseguire i calcoli necessari, il sensore di fase, che consente alla centralina di "prendere il tempo" riconoscendo l'esatta posizione del motore all'avviamento, il potenziometro pedale acceleratore (7) che consente alla centralina di ricevere le richieste di potenza del conducente (senza questo segnale il motore resta praticamente al minimo), inoltre per il corretto funzionamento il sistema riceve i segnali del sensore pressione carburante (9) che consente alla centralina di regolare la pressione del gasolio, i sensori di temperatura motore, aria e gasolio per le varie correzioni necessarie, il sensore di pressione collettore aspirazione (13) per il controllo della pressione turbina e gli interruttori freno e frizione che consentono alla centralina di svolgere varie funzioni.

Per eseguire le proprie regolazioni la centralina controlla in primo luogo gli elettroiniettori (21) comandati non solo in fase con il motore, ma anche con il corretto anticipo di iniezione calcolato in base alle necessità istantanee del motore, quindi il regolatore di pressione (20), la pompa carburante, le ventole , le candele di preriscaldo e vari altri sistemi secondari (A/C, EGR, ecc.).

Funzionamento

Una delle principali differenze tra il motore diesel e quello a benzina da punto di vista costruttivo è l'assenza della farfalla.

È noto che nel motore benzina la farfalla è la valvola che dosa la miscela destinata a entrare nel motore e quindi, di fatto, la potenza erogata.

Il diesel ha una caratteristica che rende superflua, se non dannosa, la presenza di una farfalla: lavora in sovrabbondanza di ossigeno.

Mentre, cioè, nel motore benzina l'aria e la benzina devono rispettare una specifica proporzione chimica per ottenere la combustione (il cosiddetto rapporto stechiometrico) nel motore diesel il gasolio brucia meglio se la quantità d'aria è notevolmente superiore a quella normalmente necessaria a far bruciare il gasolio iniettato.

Questo porta a una considerazione fondamentale: la potenza erogata dipende esclusivamente dal gasolio iniettato nei cilindri.

Fatte queste considerazioni e tenuto conto che qui non si vuole spiegare la teoria del motore diesel, passiamo direttamente al funzionamento del sistema.

Impianto alimentazione combustibile

Figura 2 - Impianto di alimentazione

1. Serbatoio combustibile
2. Complessivo pompa immersa completa di comando indicatore di livello
3.   Tubo introduzione combustibile
4. Valvola plurifunzioni
5. Cartuccia filtro gasolio
6. Pompa di pressione
7. Tubazioni alta pressione
8. Collettore di ripartizione (common rail)
9. Elettroiniettori
10. Ricircolo elettroiniettori
11. Collettore di ritorno (bassa pressione)
12. Regolatore di pressione
13. Sensore temperatura combustibile
14. Sensore pressione combustibile
15. Riscaldatore gasolio
16. Interruttore termico

Il gasolio, spinto dalla pompa elettrica, giunge alla pompa di alta pressione ad una pressione mantenuta sui 2Bar da un regolatore di pressione posto sul filtro del carburante.

Questa pressione è necessaria per alimentare la pompa di alta pressione in quanto questa pompa non è in grado di aspirare.

Il gasolio ad alta pressione giunge al common rail cui sono collegati gli elettroiniettori. L'alta pressione è regolata dalla centralina attraverso una elettrovalvola posta solitamente sulla pompa di alta pressione, mentre la centralina stessa controlla l'alta pressione attraverso un sensore di pressione posto sul common rail.

Con il motore al minimo la pressione nel common rail rimane a 300Bar, in fase di accelerazione e in funzione della potenza richiesta al motore, la pressione viene fatta aumentare fino a valori che possono raggiungere i 1450Bar. Per chi non se ne rendesse conto, sono pressioni paragonabili a quelle che spingono un proiettile fuori dalla canna di un fucile.

Ma diamo uno sguardo anche al circuito dell'aria.

Impianto alimentazione aria

Figura 3 - Impianto alimentazione aria

1. Filtro aria completo
2. Debimetro
3. Manicotto
4. Turbocompressore
5. Scambiatore calore aria-aria {intercooler)
6. Cassoncino di aspirazione

L'aria viene aspirata attraverso un filtro (1) e quindi passa attraverso il Misuratore Massa Aria (detto impropriamente debimetro) e quindi arriva alla turbina.

Dalla turbina l'aria compressa passa dallo scambiatore aria-aria che la raffredda (intercooler) e quindi giunge al collettore di aspirazione.

Si noti l'assenza di qualsiasi farfalla acceleratore.

Gli iniettori

Ritorniamo ora al funzionamento del sistema.

Oltre alle grandi doti meccaniche del common rail che resiste a pressioni elevatissime senza neanche entrare in risonanza (si consideri in proposito che la pompa di alta pressione lavora a "pompate" dando quindi delle martellate periodiche al common rail), anche gli iniettori rappresentano una grande soluzione tecnica.

Infatti, mentre in un motore benzina il gioco è presto fatto in quanto il piccolo elettromagnete presente negli iniettori è sufficiente ad aprirli dato che devono vincere una pressione di soli 3 Bar, qui bisogna aprire l'iniettore con pressioni dell'ordine del migliaio di Bar, e non è certo la stessa cosa.

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Figura 4 - Elettroiniettore

1. Asta di pressione
2. Spina
3. Ugello
4. Bobina
5. Valvola pilota
6. Otturatore a sfera
7. Area di controllo
8. Volume di alimentazione
9. Volume di controllo
10. Ritorno combustibile -bassa pressione
11. Condotto di controllo
12. Condotto di alimento
13. Connessione elettrica
14. Raccordo entrata combustibile alta pressione
15. Molla

Per risolvere questo problema è stato creato un iniettore che sfrutta la forza dell'avversario, per così dire.

In pratica l'ugello (3) è tenuto chiuso dalla spina (2) la quale è spinta dall'asta di pressione (1). L'asta di pressione, quando l'iniettore è a riposo, si trova ad avere sulla testa un volume con gasolio in pressione (7) che quindi mantiene chiuso l'iniettore.

Questo volume è alimentato attraverso una strozzatura.

Quando la centralina invia il comando alla bobina (4), l'otturatore a sfera (6) si apre causando l'immediato svuotamento del volume di controllo (9) e quindi dell'area di controllo (7). A questo punto l'asta di pressione non ha più nulla che la spinga verso il basso, al contrario il volume di alimentazione (8), pur agendo su un'area molto piccola (in pratica solo sullo spigolo della spina), prevale spingendo verso l'alto l'intero gruppo mobile e provocando l'apertura dell'iniettore.

Quando l'impulso elettrico cessa, il volume si riempie nuovamente attraverso la strozzatura ripristinando la prevalenza della pressione superiore e provocando la chiusura dell'iniettore.

Nonostante questo geniale gioco di pressioni, è necessario un forte impulso elettrico per aprire l'iniettore, per questo la centralina è dotata internamente di un innalzatore di tensione e di condensatori in grado di creare la scarica di 80V necessari per pilotare gli iniettori.

Figura 5 - Schema gestione elettronica motore

1. Elettropompa combustibile ausiliaria
2. Centralina di preriscaldo candelette
3.   Tachimetro
4. Contagiri
5. Spia preriscaldo candelette
6. Spia Check Engine
7. Modulatore valvola E.G.R.
8. Regolatore di pressione
9. Sensore di sovrapressione
10. Sensore temperatura combustibile
11. Sensore pressione combustibile
12. Teleruttore
13. Centralina di iniezione
14. Elettroiniettori
15. Candelette di preriscaldo
16. Sensore di giri
17. Sensore temperatura acqua
18. Connettore collegamento climatizzazione
19. Connettore collegamento diagnosi
20. Connettore collegamento Alfa Romeo CODE
21. Debimetro
22. Sensore di fase
23. Potenziometro pedale acceleratore
24. Interruttore pedale frizione
25. Interruttore pedale freno

 di: Davide la Mantia                www.biodiesel100x100.net