Capitolul I Sistem Sistemul ul de inject injectie ie de motorin motorina a cu acumul acumulato atorr rampa rampa comuna (Common Rail) Sistemul common rail este o varianta moderna a sistemului de injectie directa cu combustbil pentru motoarele diesel. Common rail se refera refera la un rezerv rezervor or de acumul acumulare are unde unde presiu presiunea nea combus combustib tibilu ilului lui răma rămane ne apro aproap apee cons consta tant ntaa si mere mereuu disp dispon onib ibililaa pent pentru ru a alim alimen enta ta injectorii electronici si astfel are loc o injectie optima de combustibil. Protejarea mediului înconjurător, nevoia de a reduce consumul de combustibil si pentru a face motoarele diesel mai silenţioase si mai perf perfor orma mant ntee sunt sunt fact factor oriiii care care au dete determ rmin inat at stud studiu iull si dezv dezvol olta tare reaa sistemului common rail. Prototipul sistemului common rail a fost dezvoltat spre sfârşitul anilor '60 de câtre Hibe din Elveţia. După aceea, Ganser de la Institutul Federal de Tehnologie concentrându-se asupra tehnologiei common rail, a avansat. La mijlocul anilor anilor '90, Dr. Shohei Itho Itho si Dr. Masohiko Miyaki, de la prod produc ucăt ător orul ul japo japone nezz de auto automo mobi bile le De Dens nsoo Co Corpo rpore retition on,, au dezvoltat sistemul common rail pentru autovehicule grele folosindu-l pe autocamionul AINO RAISING RANGER din 1995 sub denumirea de ECD - U2. Mai târziu, in 1997, producătorul german Robert Bosch GmbH a extins folosirea sa pentru maşinile de pasageri. Sistemul common rail a fost utilizat in trecut si in aplicaţii navale. Cooper Bessemer GN-8 (cca. 1942) este un exemplu de motor diesel common rail operabil hidraulic, cunoscut si ca " common rail" modificat. Odată cu creşterea preturilor la combustibil, in 1990, mai multe comp compan aniiii ( Ro Robe bert rt Bosc Boschh GmbH GmbH,, Fiat Fiat,, Volv Volvoo si MTU) MTU) au înce încerc rcat at,, separat, sa dezvolte noi motoare diesel cu emisii mai scăzute de noxe si consum de combustibil mai scăzut. La început sistemul de injectie directa common rail a fost folosit de subsidiarul Fiat, Alfa Romeo, iar tehnologia este folosita in mod obişnuit de Fiat sub marca de MultiJet. Astăzi sistemul common rail este responsabil pentru o revoluţie in tehn tehnol olog ogia ia moto motoru rulu luii dies diesel el fiin fiindd folo folosi sitt de mulţ mulţii prod produc ucăt ător orii de automobile sub diferite denumiri: - Daimler Chrysler - CDI - Grupul Fiat (Fiat, Alfa Romeo si Lancia) - JTD - Hyundai - CRDI - Ford Motor - TDCi - Renault - DCi - General Motors/Opel - CDTi - Mitsubishi - DI-D
- Peugeot Citroen – HDI - Toyota - D-4D Sistemul de injectie directa common rail permite o divizare multipla a injecţiei in preinjectii, injecţii principale si postinjectii. In common rail generarea presiunii presiunii de injectie este este separata de de injecţia in sine sine . 1 Structura sistemului rampa comuna (common-rail)
Figura 1 1- injector; 2 - chiluasa; 3 - duza; 4 -electroventil; -electroventil; 5 - intrare motorina 6 - pompa (unitara); 7 arbore cu came
In sistemele de injectie Diesel cu injectie directa, pompa produce pres presiu iune ne înal înalta ta in moto motorin rinaa de fiec fiecar aree data data când când are are loc loc inje injecţ cţia ia.. In sist sistem emul ul cu ramp rampaa comu comuna na,, înal înalta ta pres presiu iune ne se dezv dezvol olta ta in mod mod independent de ordinea de injectie si este permanent disponibila in cond conduc ucta ta de moto motorin rina. a. Cu alte alte cuvin cuvinte, te, obţin obţiner erea ea înalt înaltei ei presiu presiuni ni si injecţia injecţia au loc in mod independe independent. nt. Aceasta Aceasta tehnolo tehnologie gie face posibila posibila
satisfacerea acelor cerinţe ce afectează in mod favorabil consumul si emisiile de noxe. Presiunea este astfel disponibila chiar la turaţii reduse ale motorului. Ceaa mai Ce mai impo import rtan anta ta cond condiţiţie ie pent pentru ru aces acestt mod mod de lucr lucruu este este prezenta prezenta unui acumulator in care înalta presiune de injectie este păstrata cons consta tant nt la o valo valoar aree care care sa nu scad scadăă nici nicioodată dată sub sub 1350 1350 bari ari (gen (gener eraţ aţiiiile le noi noi sub sub 1600 1600 bari bari). ). Acea Aceast staa func funcţiţiee revi revine ne cond conduc ucte teii comune comune de motorin motorinaa (rampa). (rampa). La rampa rampa se conect conecteaz eazăă inject injectoar oarele ele (duze cu sase orificii). Începutul injecţiei si dozarea cantităţii de motorina (sfârşitul injecţiei) sunt controlate cu un singur electroventil cu viteza mare de comutare. Avantajele sistemului cu rampa comuna: - sincro sincroni nizar zarea ea si cant cantititate ateaa de moto motorin rinaa injec injecta tata ta sunt sunt cont control rolat atee printr-un singur electroventil; - libertate de alegere a presiunii de injectie in interiorul caracteristicii; - presiuni de injectie înalte la turaţii reduse; - început flexibil al injecţiei - avansare si întârziere; - regl reglaj ajee uşoa uşoare re pent pentru ru adap adapta tare re la cond condiţiţiiiile le de func funcţiţion onar aree ale ale motorului; - prin injectie pilot se asigura o creştere lina a presiunii si o ardere mai calma (vibraţii mai mici),precum si noxe de evacuare mai reduse printr-o ardere mai completa Pentru generaţiile noi, cu presiuni de injectie de 1600 bari se folo folose sesc sc in locu locull inje inject ctoa oare relo lorr elec electr troh ohid idra raul ulic icee (B (Bos osch ch)) inje inject ctoa oare re piezoelectrice (Siemens). Acestea asigura timpi de comutaţie mai rapizi. ceea ceea ce permite permite satisf satisface acerea rea condiţ condiţiilo iilorr mai stricte stricte din standa standarde rdele le privind gazele de evacuare. In plus, sistemul va deveni din ce in ce mai economic. In figura 2 se prezintă structura unui sistem de injectie commonrail, iar in figura 3 o imagine sugestiva cu amplasarea principalelor parţi componente.
Figura 2 1- rezervor carburant; 2 –pompa de alitmentare de joasa presiune; 3- conducta tur; 4 –pompa de înalta presiune 5 - rampa comuna (common-rail) 6 - senzor presiune; 7- regulator de presiune; 8 - injector; 9- unitate electronica de control; 10- conducta retur
Figura 3 I pompa de înalta presiune 2 senzor de presiune; 3 - radiator motorina; 4 - regulator de presiune; 5 - injector; 6 - rampa comuna (common-rail)
Înalta presiune este produsa de o pompa de înalta presiune cu funcţionare radiala. Pentru un anumit punct de funcţionare, presiunea din sistemul de înalta presiune este controlata de o supapa de control a presiunii. Controlul electronic al motorului reglează presiunea de injectie funcţie de turaţie si de sarcina. Informaţia de la senzorul de mişcare a arborelui cotit (turaţie si poziţie unghiulara) si de la axa cu came (poziţie - cilindrul 1 in faza de compresie) servesc unitarii de control a motorului ca baza pentru stabilirea unei valori precise a respectivei presiuni de injectie. Senzori de temperatura informează despre temperatura aerului, motorinei si motorului. Valorile lor afectează de asemenea înalta presiune din rampa. Cererea de acceleraţie de la conducătorul auto este determinata cu un senzor de acţionare a pedalei de acceleraţie (sistemul "e-gas"). Microcomputerul calculează durata de deschidere a electroinjectoarelor - si astfel cantitatea de motorina injectata - ca o variabila ce depinde de condiţiile de funcţionare sau de puterea ceruta. Când controlul închide electroinjectoarele, injecţia se opreşte imediat. Alimentarea cu combustibil prin sistemul common rail este impartita in: - circuit cu presiune scăzuta
- circuit cu presiune mare. Circuitul cu presiune scăzuta (indicat prin săgeţi negre pe schema de mai jos) este format din: - pompa electronica auxiliara cu imersiune - filtru diesel - colectorul de întoarcere - conducta de reciclare a combustibilului de la injectori Circuitul de presiune mare ( indicat prin săgeţi albe in schema de mai jos) este format din : - pompa de presiune înalta - regulatorul de presiune - rezervorul de acumulare de mare presiune ( Rail) - ţevi de conectare.
2 Pompa de înalta presiune
Construct pompei de înalta presiune este specifica sistemului si cuprinde trei pistoane radiale decalate la 120°. Pistoanele sunt comandate de un excentric printr-un pinion intermediar antrenat de cureaua de distribuţie. Pompa de înalta presiune alimentează rampa comuna, iar debitul sau este dependent de turaţia motorului. Înalta presiune este controlata de un regulator de presiune conectat la capătul rampei. In figura 4 se prezintă structura pompei de înalta presiune.
Figura 4 1 – canal de refulare; 2- împingător; 3 - excentric; 4- supapa de intrare; 5 - supapa; 6 aspiraţie; 7- supapa; 8-piston; 9-resort; 10 - supapa de ieşire
Funcţionarea pompei conform figurii 4 care prezintă un detaliu cu unul din cele trei pistoane. cuprinde faza de admisie a motorinei (ştanga) si faza de refulare (dreapta). 3 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 5):
- 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. 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 urmeaza: 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-home ) si valori fixe.
Figura5 1 - conexiune electrica; 2 circuit de evaluare: 3 - diafragma metalica cu senzor; 4 - racord de înalta presiune; 5 -filet de montare
4 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 (figura 6) este un dispozitiv mecanic ce cuprinde următoarele componente: - corp cu filet exterior pentru infiletare in rampa, - conexiune la conducta de retur spre rezervor, - piston mobil, - arc.
Figura 6 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 incot presiunea din rampa scade. 5 Limitatorul de debit
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 in discupe de undata ce cantitatea de motorina ce iese din rampa depaseste un nivel bine defnit. Proiectare si construcţie. Limitatorul de debit cuprinde un corp metalic cu filet exterior pentru infiletare in rampa (înalta presiune) si un filet exterior pentru infiletare 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). Destinaţie.
6 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. 7 Injectorul
In sistemele de injectie rampa comuna se folosesc doua tipuri de injectoare: electromagnetice si piezoelectrice. In figura 7 se prezintă structura injectorului electromagnetic. Folosirea acţionarii piezoelectrice in noile sisteme Diesel common-rail are drept rezultat motoare mai puţin zgomotoase si mai puţin poluante. Producţia de serie a fost lansata de firma Siemens in septembrie 2001. In general, înalta presiune produce o pulverizare fina a motorinei care arde mai bine si mai curat. Aceste ameliorări se regăsesc intr-un consum mai redus si performante mai bune ale motorului. In prima generaţie de sisteme common-rail, întreg volumul de motorina injectata este impartit intr-o injectie pilot de durata fixa si injecţia principala. Daca motorina poate fi impartita in mai multe parţi pe durata unui singur ciclu de combustie, procesul de ardere este mai armonios. Aceasta este raţiunea pentru care au fost dezvoltate dispozitivele de acţionare piezoelectrice. Cum aceste elemente de comutaţie funcţionează mult mai rapid decât supapele electromagnetice convenţionale, in generaţiile viitoare de sisteme common-rail va fi posibil sa se importa volumul de motorina si in cinci parţi. Strategiile de management ale motorului pot include doua pre-injecţii cu volume foarte mici de motorina, urmate de injecţia principala si doua post-injecţii mai mici. Pre-injecţia serveşte in primul rând pentru a se dezvolta o presiune uniforma in camera de ardere, ceea ce reduce zgomotul din timpul arderii. Post-injecţiile sunt prevăzute pentru post-tratamentul gazelor de evacuare, ceea ce poate reduce emisiile poluante ale motorului. Sistemele de acţionare piezoelectrice sunt elemente de comutaţie folosind comportarea specifica a cristalelor piezoelectrice. Când o sarcina electrica este conectata la un astfel de cristal, reţeaua cristalina a materialului se schimba in câteva milisecunde si se dilata. Numai când sarcina electrica este descărcata, materialul revine la dimensiunile sale originale. Aceasta proprietate poate fi folosita si la construcţia injectoarelor electromagnetice. Si alte componente ale injectorului satisfac cerinţele foarte înalte pentru injecţia Diesel. De exemplu, orificiile din duza injectorului pot avea orificii cu un diametru redus, de ordinul 0.12 mm. Toleranta permisa pentru prelucrarea acestor orificii este mai mica de 0,003 milimetri. Se poate estima ca viitorul injecţiei de motorina aparţine acţionarii
electromagnetice. Sistemele common-rail de mare viteza si precizie craza condiţiile prealabile pentru a îndeplini viitoarele reglementari, cum ar fi Euro 4 si Euro 5. Aceasta soluţie este folosita din finalul anului 2001 de automobile ale grupului PSA (Peugeot-Citroen), cu presiuni de injectie de pana la 1500 bari. Figura 7 1 - retur; 2 conector electric; 3 - bobina electromagnetica; 4- racord alimentare cu motorina; 5 supapa electromagnetica ; 6 - bila supapa: 7- canalizaţie spre supapa; 8 - derivaţie de înalta presiune; 9 –pistonul supapei 10 canaliza ie injectie;
8 Unitatea electronica de control
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.
Capitolul II
Modelarea matematica a sistemului de injectie common rail Modelul matematic propus pentru sistemul de injectie common rail ,arătat in figura 1, este format din : - pompa de alimentare de joasa presiune - pompa de înalta presiune - injectoare - rampa comuna
Figura 1 Modelul matematic al sistemului de injectie common rail
Modelul propus descrie cu precizie interacţiunea individuala si comportarea continua a componentelor sistemului de injectie,
reproducând evoluţia pulsanta a presiunii din rampa corespunzătoare intrării discontinue a debitului de combustibil de la pompa de înalta presiune si scurgerii debitului de combustibil spre injector. Ciclul de funcţionare a pompei de alimentare de joasa presiune este parametrul de intrare . Presiunea din rampa este parametrul de q
ieşire. Debitul de combustibil [mm3/sec], ce depinde de timpul de deschidere al injectorului ET[sec], este considerat drept perturbarea ce trebuie compensate. 1 Pompa de alimentare de joasa presiune Modelul matematic al pompei de joasa presiune este prezentat in figura 2 si include : - supapa PWM - dinamica bobinei de curent I [A] - relaţia dintre bobina de curent si debitul de combustibil M din pompa
Figura 2 Modelul matematic al pompei de alimentare de joasa presiune
Modelul supapei PWM are ca parametru de ieşire unda de voltaj vPWM(t) data de voltajul bateriei V bat cu ciclu de funcţionare
definit de parametrul de intrare u(t). Implementarea sa e bazata pe un generator de unde triunghiular cu perioada T 0 si ieşirea α(t), modelat ca un sistem matematic. Dinamica bobinei de curent depinde de rezistenta R si inductanţa L a bobinei. Relaţia dintre bobina de curent si debitul de combustibil M este dat de funcţia neliniara : M=m(I)
2 Pompa de mare presiune Pompa de mare presiune este formata din 3 pistoane hidraulice identice montate pe acelaşi arbore la 120 0. Cum pompa este acţionata de arborele cu came, viteza de rotaţie depinde de turaţia motorului. Randamentul pompe reduce debitul de combustibil pe piston: I = η(p,n) M unde randamentul η(p,n) depinde de presiunea din rampa si de turaţia motorului. Debitul de combustibil al pompei spre rampa q p [mm3/sec] este obţinut adunând contribuţia fiecărui piston : qp= qp1+ qp2+ qp3
Figura 3 Modelul matematic al pompei de înalta presiune
Figura 4 Randamentul pompei de mare presiune
Închiderea parţiala a supapei de reglare a debitului de combustibil produce fenomenul de cavitaţie in pompa, ce afectează atât faza de admisie cat si faza de comprimare. Pentru arii mici ale supapei de debit, reducerea presiunii intr-un piston in timpul fazei de admisie cauzează vaporizarea combustibilului.Ca o consecinţa, cantitatea de combustibil care si schimba volumul este mai mica decât capacitatea cilindrica. In prima faza a comprimării pistonul nu livrează combustibil in rampa. De fapt, la începutul fazei de comprimare , creşterea presiunii in cilindru cauzează numai condensarea combustibilului. Când combustibilul este complet in faza lichida începe sa curgă in rampa. Din acest moment, creşterea presiunii in piston produce deschiderea supapei de ieşire si intrarea combustibilului in rampa comuna. Modelul matematic al unui piston al pompei de mare presiune este prezentata in figura 5. Evoluţia sa este determinate de unghiul pistonului φi[0]. Cum turaţia arborelui cu came este primita din turaţia motorului, dinamica unghiului pistoanelor este φ i = 3n, unde n este
turaţia motorului.
Figura 5 Modelul matematic al unui piston al pompei de mare presiune
Modelul matematic conţine doua stări diferite corespunzătoare fazei de admisie si comprimare, ce au ca durata jumătate din ciclul de rotate a arborelui cu came. Ciclul de pompare începe cu startul fazei de admisie. Cum admisia durează 180 0 si cele 3 pistoane sunt montate cu un decalaj de 120 0, rezulta ca faza de admisie are pistoanele parţial suprapuse. Suprapunerea admisie are ca rezultat diferite debite de combustibil in pistoane. Suprapunerea pistoanelor este reprezentata in model prin includerea a 3 stadii diferite I 1, I2, I3.Admisia comuna cu unu din celelalte pistoane se întâmpla in prima suin ultima parte a admisiei, in I 1 si I3. In cazul admisiei comune ambele pistoane primesc jumătate din debitul I . vi = I/2 in I1 si I3
vi = I in I2 Faza de comprimare consta din doua stadii diferite : - C1, modelează condensarea combustibilului - C2, modelează livrarea combustibilului câtre rampa In timpul condensării combustibilului in stadiu C 1, combustibilul din piston rămâne constant (v i=0) si debitul de combustibil câtre rampa comuna este zero. Sistemul rămâne in stadiu C 1 pana când volumul geometric al pistonului este mai mare decât combustibilul schimbat. Când tot combustibilul este in stare lichida modelul se schimba in stadiu C2 unde, supapa de ieşire se deschide, combustibilul comprimat trece in rampa cu debitul q 1p= Vsin(φi).
3 Injectoarele La motoarele multijet, fiecare injectie este compusa dintr-o secvenţa de 3 pana la 5 injecţii distincte. Pentru a simplifica modelul vom considera cazul cu 3 injecţii. Cele trei injecţii sunt: - injecţia pilot, aplicata pentru a reduce timpul combustiei prin creşterea temperaturii si presiunii din cilindru - pre-injecţia, folosita pentru a reduce emisiile poluante prin optimizarea condiţiilor de combustie - injecţia propriuzisa, care produce momentul motor dorit Senzorul pentru momentul motor implementat in unitatea de control a motorului stabileşte cantitatea de combustibil ce va fi injectata si , in consecinţa, durata ET=(τ PIL, τPRE, τMAIN) [sec] si fazele (θPIL, θPRE, θMAIN) pentru fiecare injectie de combustibil, in funcţie de condiţiile de lucru ale motorului. Cantitatea de combustibil care vine din rampa comuna la fiecare injector este suma a trei termini diferiţi: - debitul ce intra in camera de combustie Q inj - debitul necesar pentru a tine injectorul deschis Q serv - debitul datorat pierderilor Q leak Debitul de combustibil q INJ [mm3/sec] ce iese din rampa comuna este reprezentat in modelul din figura 6 , unde q L arata debitul Qleak si qJ este suma debitelor Q inj si Qserv.
Figura 6 Modelul matematic pentru injectoare
Cele trei stadii din partea de sus a modelului reprezintă sincronizarea fazelor pentru deschiderea injectoarelor, ce sunt definite in grade prin θ[0] ce evoluează de la 0 la 180 0 . Când condiţiile de grade θ = θ PIL, θ = θPRE , θ = θ MAIN devin adevărate, tranziţia câtre stadiile corespunzătoare de jos are loc, si timpul τ este iniţiat. Debitul prin injectorul decis depinde de turaţia motorului si de presiunea din rampa: qJ= f j(n,p)= Qinj(p,n)+Qinj(p,n)
4 Rampa comuna Dinamica presiunii din rampa este obţinuta considerând echilibru dintre debitul de intrare al pompei de mare presiune si debitul de ieşire al injectoarelor. Sub accepţiunea ca rampa nu este deformabila, volumul combustibilului fiind constant, capacitatea sa depinde de presiunea si temperatura combustibilului din rampa. Evoluţia presiunii din rampa este data de : p(t)= Kbulk[qp(t)-qINJ(t)]/Vrail Rezultatele simulate obţinute cu modelul propus pentru common rail arata ca regimul pulsator al presiunii din rampa comuna este bine reprezentat datorita evoluţii discontinue a pompei de mare presiune si
a injectoarelor. Figura 7 reprezintă evoluţia tipica a presiunii din rampa alături de variaţia debitului de combustibil din injectoare si pompa de mare presiune. Când pompa introduce combustibil , presiunea creste iar când injectoarele sunt deschise presiunea scade.
Figura 7 Profilul pulsator al presiunii si debitele injectoarelor si pompei de mare presiune
5 Modelul unitarii de control Modelul propus al unitarii de control, arata in figura 8, consta in doua regulatoare: - senzorul de presiune din rampa comuna este sincronizat cu faza de admisie din pompa de mare presiune.Senzorul defineşte masa de combustibil dorita pentru a controla eroarea de presiune din rampa spre zero. - Senzorul pompei de alimentare de joasa presiune funcţionează 5 milisecunde. Sarcina sa este de a alimenta circuitul de mare presiune cu cantitatea de combustibil ceruta de celalat senzor.
Figura 8 Modelul unitarii de control
Capitolul III
Reducerea noxelor din gazele de evacuare cu ajutorul sistemului common rail Pe timpul arderii motorul Diesel determina apariţia de CO, HC, NOx si particule de funingine. Particule Diesel. In ciuda consumului redus si a poluării reduse,
motorul Diesel este adesea criticat din cauza particulelor si a fumului emis. Particulele constau din sfere microscopice din carbon cu un diametru de aproximativ 0.05 μ la care adera hidrocarburi si ulei. rezultând o structura consolidata. La suprafaţa adera apa si sulfaţi. Aceste particule măsurate in curentul gazelor de evacuare prezintă un diametru de aproximativ 0.09 μ. Aceasta valoare este independenta de tehnologia de realizare a motorului si condiţiile de funcţionare, care afectează numai numărul de particule formate. Particulele pot fi separate cu filtre având aglomerări de molecule având o dimensiune de la 0,1 la l μ. Formarea particulelor. In motorul Diesel, arderea motorinei are loc cu aprindere prin compresie a amestecului eterogen aermotorina. Calitatea arderii depinde de modul in care se formează amestecul aer-motorina. Motorul Diesel funcţionează in principiu cu aceeaşi cantitate de aer; puterea ce se doreşte a fi obţinuta este controlata prin intermediul cantitatea de motorina injectata. In anumite condiţii de funcţionare (in particular la accelerare) amestecul din camera de ardere se imbogateste intr-o anumita măsura. Astfel arderea rămâne incompleta din cauza oxigenului insuficient, ceea ce are drept efect formarea de particule. Gazele de evacuare Diesel conţin hidrocarburi aromatice policiclice, considerate a avea efect cancerigen. Funinginea este inga prezenta in mod natural, chiar daca se observa mai puţin. Aceasta se explica prin normele legislative privind poluarea cu gaze de evacuare ce sunt din ce in ce mai stricte. Astfel, după 1.1.2000 (euro 3) nu mai sunt permise particule decât 0.05 g/km. Pentru CO se impune valoarea de 0,64 g/km, pentru NOx 0,5g/km, iar (HC + NOx) limita este pana la 0,56 g/km. In tabelul de mai jos se prezintă comparativ prevederile diferitelor norme (euro) privind noxele din gazele de evacuare Diesel. In tabel s-a notat cu Dl = injecţia directa. Valorile sunt
date in g/Ttm.
CO NOx HC + NOx Particule
EEC etapa 1 EEC etapa 2 Euro 3 Euro4 pana in 1992 pana in 1996pana in 2000 din 2005 2,27 1,0 0,64 0,5 05 0 25 0,7 0.9 DI 0,56 0,3 0,19 0,08(0.101) 0,05 0,025 Poluanţii din gazele de evacuare Diesel
Componentele poluante din gazele de evacuare, problemele si modul de rezolvare sunt prezentate in cele ce urmeaza. CO si (HC + NOx). De la norma euro 2 pana la norma euro 4,
trebuie sa se realizeze o reducere de 10% pentru HC + NOx, iar la CO reducerea este de 50%. Pentru îndeplinirea acestor cerinţe se au in vedere următoarele mijloace: - oxidarea catalitica, ce scade nivelul pentru CO si HC, dar nu si pentru NOx (care trebuie redus); - control electronic pentru a se reduce temperatura din camera de ardere si astfel emisia de NOx; - folosirea injecţiei pilot, care printre altele scade nivelul de NOx si asigura un mers mai calm al motorului; - presiuni de injectie înalte, ce reduc nivelul noxelor in gazele de evacuare; - catalizator din zeolit (silicat natural complex din anumite roci vulcanice) împotriva NOx; - tehnologie cu patru supape pe cilindru, cu injector plasat central, împreuna cu o forma corespunzătoare a degajării din capul pistonului imbunatateste formarea amestecului aer-motorina, asigurându-se o ardere mai buna si nivel mai scăzut al noxelor. Particulele de funingine. Acestea apar din cauza arderii
incomplete. Hidrocarburile aromatice policiclice sunt considerate cancerigene. Reducerea impusa de norma euro 4 (2005) fata de euro 2 este de circa 40%. Filtrele de particule asigura o reducere cvasicompleta. Fumul de acceleraţie. Se poate reduce folosind turbina cu geometrie variabila pentru compresorul de supraalimentare sau compresor mecanic auxiliar si răcirea aerului admis (intercooler). Sulful. In prezent concentraţia de sulf in gazele de evacuare este de 350 pom. Sulful formează depuneri in catalizatorul cu acumulare de NOx, impunând o ardere libera. Diminuarea cantităţii de sulf asigura o funcţionare mai eficenta a filtrului de particule cu regenerare si a catalizatorului de oxidare. Ca urmare, de exemplu Volkswagen impune o valoare de 10 pom pentru sulf. Rezulta deci necesitatea reducerii cantităţii de sulf din motorina. Provocarea cea mai mare pentru aplicaţiile diesel este viitoarea legislaţie împotriva gazelor de espament pe toate pieţele din lume. Pentru a învinge aceasta provocare optimizarea sistemul total al echipamentului de injectie, al motorului si procesului de combustie, tratamentul gazelor de eşapament este obligatorie. Tendinţele legislaţiilor privind gazele de eşapament
LEV II Euro V (est) Euro IV LDT III Euro V(est) Euro III LEV I LDT III Euro IV LDT III Euro III
PM (g/Km) 0,005 0,01 0,025 0,03 0,05 0,062 0,06 0,1
NOx (g/Km) 0,5 0,1 0,27 0,2 0,5 0,61 0,38 0,78
Cele mai dure limite sunt propuse de LEV II in Statele Unite. Acestea reprezintă o provocare semnificativa pentru motorul diesel dar multe programe încearcă sa atingă aceasta cerinţa. Tendinţele pentru legislaţiile privind gazele de eşapament sunt de reducere de la an la an. In anii recenţi , atenţia a fost îndreptata pentru optimizarea combustiei si reducerea NOx si a particulelor emise. Oricum, controlul hidrocarburilor si a dioxidului de carbon emis a devenit o
ţinta importanta. Proporţia oxizilor de azot (NOx) in mod normal creste datorita masurilor de reducere a formarii particulelor si hidrocarburilor. Emanaţii reduse de azot înseamnă sa se accepte emanaţii mai ridicate ale altor constituenţi din gazele de evacuare si eventual chiar o creştere a consumului de motorina. Este deci necesar sa se găsească cel mai bun compromis posibil. Componentele implicate in procesul de ardere, cum ar fi injectoarele, cavitatea din piston,forma camelii de ardere, etc., sunt proiectate intr-o concepţie care in primul rând sa reducă noxele din evacuare. Sistemul complet de gestiune a motorului a fost adaptat in aşa fel incot sa optimizeze procesul de ardere. Mai ales punctul de începere a injecţiei si recircularea gazelor de evacuare afectează compoziţia gazelor de evacuare. Pentru a reduce proporţia de oxizi de azot din gazele de evacuare, ciclul de injectie începe puţin mai târziu decât ar fi altfel necesar sa se dezvolte putere de ieşire maxima. Aceasta provoacă o cerstere a formari particulelor si hidrocarburilor. Consumul de carburant creste cu aproximativ 4% datorita întârzierii in începerea ciclului de injectie Furnizarea gazelor de evacuare in camera de ardere reduce conţinutul de oxigen din camera de ardere. Aceasta reduce nivelul emanaţiilor de oxizi de azot, dar in anumite stări de funcţionare creste nivelul emanaţiilor de particule. Prin mare, adăugarea unei cantitatea de gaz de evacuare recirculat trebuie sa fie adaptata cu precizie.
Data Euro 3 2000/1 Euro 3 2000/1 Euro 4 2005/6 Euro 4 2005/6 Euro 5 2008 Euro 5 2008 Euro 6 20102013
Standardul ESC ETC ESC ETC ESC ETC ETC
NOx 5 5 3,5 3,5 2 2 1
HC 0,66 0,78 0,46 0,56 0,46 0,55
CO 2,1 5,46 1,5 4 1,5 4
PM 0,1 0,16 0,02 0,03 0,02 0,03 0,02
Tendinţele emisiilor poluante pentru autovehicule
In orice caz nivelul scăzut pentru NOx aşteptat pentru viitor cere o dezvoltare puternica a sistemului de combustie si sisteme sofisticate de tratament al gazelor de eşapament. Nivelul scăzut al NOx necesita radiator si emisii PM reduse beneficiind de o energie a injecţiei mai mare si o atomizare a combustibilului mai buna. Pentru aceasta sunt necesare sisteme avansate de injectie si un sistem de control electronic imbunatatit.
Cerinţele sistemului de injectie pentru reducerea NOx Evaluare cerinţelor totale ale sistemului sunt arătate in figura 1
Analizând cerinţele pentru sistemul de injectie dorit s-a constat ca unele dintre ele erau îndeplinite de sistemul de injectie common rail cum ar fi: - presiune de injectie flexibila - presiune de injectie mare - timp flexibil pentru injecţii multiple - injecţiei in cantitatea mici si stabile pentru a realiză injecţia pilot si post injecţia Cercetările ulterioare au condus la unele caracteristici noi cum ar fi: - deschiderea rapida a injectorului - debit mic de injectie la întârzierea aprinderii - creşterea puternica a debitului de injectie după startul aprinderii - debit mare de injectie maxima - viteza mare de închidere a injectorului Investigaţiile au arătat ca un debit flexibil de combustibil duce câtre performantele cerute.
Bosch a reuşit sa îndeplinească aceste cerinţe prin folosirea injectorului CRI3 .
In injectorul common rail manetele injectoare conţin mai multe sute de socluri subţiri de piezo cristal. Piezo cristalele au proprietatea de a se extinde rapid când un câmp electric este aplicat asupra lor. Intr-un injector piezoaxial maneta este construita in corpul injectorului foarte aproape de gura jiclorului. Mişcarea piezo cristalelor este transmisa fora frecare, fora folosirea vreunei parţi mecanice, câtre gurile jiclorului care se schimba rapid. Avantajele injectărilor cu piezo cristal sunt o contorizare mai precisa a cantităţii de combustibil injectata si o atomizare imbunatatita a combustibilului in camera de combustie. Constructorii diesel încearcă sa găsească o configuraţie optima a sistemului pentru fiecare clasa de vehicul pentru a atinge normele de emisie si ţintele de performanta cu un cost total minim.
