Iniezione diesel: più pressione, risultati migliori

Fonte: Automotive Review, 29 maggio 2003.


Iniezione diesel con maggiore pressione, per favore!

Il sistema di iniezione Common Rail è suscettibile di miglioramenti. La pressione di 1350 o 1600 bar spesso non è più presente all'iniettore. Tuttavia, per ridurre le emissioni, è necessaria la massima pressione possibile all'iniettore. Gli iniettori con controllo piezoelettrico apportano progressi. Il nuovo sistema è stato presentato al Wiener Motorensymposium.
Nel 1997, quando Daimler Chrysler e Fiat presentarono i primi sistemi di iniezione common rail di Bosch per motori diesel, le pompe ad alta pressione già fornivano pressioni superiori. Nel 1999, Siemens seguì con il sistema common rail e, al posto delle valvole magnetiche, offrì i primi attuatori piezoelettrici, ai quali nel 2000 seguì già la seconda fase di sviluppo. Ora arriva la terza generazione, con cui si prevede inizialmente di raggiungere pressioni massime fino a 1800 bar, e successivamente anche superiori a 2000 bar.
Le prime pompe common rail della serie VP 37 di Bosch, con cui Audi e VW hanno inaugurato l'era dell'iniezione diretta nei piccoli motori diesel per autovetture, raggiungevano una pressione massima di poco superiore a 1000 bar. La pompa distributrice a pistoni radiali VP 44, utilizzata per la prima volta da Opel nel 1996 e successivamente anche da BMW e Audi, partiva con una pressione di 1550 bar.

CONCORSI DI STAMPA.
In quel periodo, a Wolfsburg, erano già in uso motori dotati di tecnologia "pompa-iniettore" che fornivano una pressione di 2050 bar prima dell'iniettore. Oggi, la VP 44 nell'Audi V6 TDI offre addirittura 2000 bar, mentre per il sistema common rail del 1997, la pressione massima indicata era di 1350 bar. Ad oggi, non sappiamo quale sia stata la perdita di pressione fino all'uscita dell'iniettore. Questo vale anche per le attuali tecnologie di Bosch e Siemens, che operano con una pressione fino a 1600 bar (solo nel collettore, il "rail"?). Anche per Delphi e Denso, la pressione effettiva all'iniettore non è nota.
Ora, Bosch e Siemens stanno introducendo sistemi di produzione progettati per pressioni fino a 1800 bar, che dovrebbero raggiungere anche i 2000 bar, e che utilizzano attuatori piezoelettrici. Per Bosch, che ha presentato la sua nuova tecnologia alcuni mesi fa, questo segna l'ingresso nell'era dei piezoelettrici, mentre Siemens può già fare affidamento su una notevole esperienza in questo campo. In entrambi gli iniettori, gli elementi piezoelettrici sono alloggiati all'interno del corpo dell'ugello. Rispetto alle prime versioni di Siemens, questi elementi sono diventati più piccoli in diametro. Per compensare, sono stati impilati un numero significativamente maggiore di dischi ceramici per ottenere percorsi delle valvole più lunghi. Questo non influisce sui tempi di apertura e chiusura, che sono estremamente brevi in entrambi i sistemi piezoelettrici.

SIEMENS COMMON RAIL.
Durante il convegno viennese sui motori di quest'anno, l'ingegnere Hellmut Freudenberg di Siemens ha presentato le ultime novità sviluppate dalla sua azienda. Queste sono caratterizzate principalmente da nuovi materiali ad alta resistenza per tutti i componenti soggetti a pressione, che non si deteriorano nel tempo, ma allo stesso tempo consentono dimensioni dei componenti ridotte. Lo stesso trend si è verificato nelle pompe a stantuffo. Ad esempio, Bosch produce le custodie degli ultimi elementi pompa-iniettore in acciaio per cuscinetti 100Cr6. Siemens sta seguendo lo stesso approccio, utilizzando lo stesso acciaio.
Tutte le guarnizioni hanno dovuto essere notevolmente migliorate per garantire la tenuta nel tempo. Nella fase successiva, è stato necessario ridurre al minimo le perdite dei sistemi precedenti, che altrimenti avrebbero impedito un aumento della pressione. Mentre nel sistema precedente, il modello M 1600, le perdite ammontavano al 100%, nella terza fase di sviluppo, queste sono state ridotte al 40% e mantenute fino a 1800 bar.
Una perdita del 100% indica che la pressione aumenta a malapena, anche se la pompa viene azionata a doppia velocità. Tuttavia, con la drastica riduzione delle perdite nella pompa e negli iniettori, diminuisce significativamente anche il fabbisogno di potenza, che nei sistemi precedenti era sempre superiore a quello della pompa-iniettore. Siemens afferma che, con lo stesso fabbisogno di potenza di prima, la nuova pompa può ora alimentare un motore a sei cilindri invece di un motore a quattro cilindri. Ulteriori vantaggi includono la possibilità di eliminare il radiatore del carburante e la riduzione dei costi del sistema.
Come in precedenza, la pompa ad alta pressione funziona con tre pistoni. È stata installata una pompa di pre-caricamento con una valvola di regolazione a bassa pressione. Inoltre, è presente una valvola di regolazione del flusso volumetrico, in modo che non eroghi più fluido di quanto necessario. Quando funziona a piena capacità, la pompa opera con un'efficienza fino al 90% in tutto l'intervallo di pressione.

INIETTATORE SLIM.
Esteticamente, rispetto agli iniettori precedenti, sono state apportate diverse modifiche. L'alloggiamento a forma di cilindro ha ora un diametro di soli 19 mm e una connessione centrale per la pressione nella parte superiore. Circa la metà della lunghezza dell'alloggiamento è occupata dall'elemento piezoelettrico, che agisce su un convertitore idraulico. Quest'ultimo gestisce le funzioni di trasmissione del movimento alla valvola servocomando, l'inversione del movimento, la compensazione della temperatura e dell'usura, nonché la compensazione delle tolleranze. Successivamente, troviamo un modulo di controllo e, all'estremità, l'ugello vero e proprio.
Come di consueto, l'ago dell'iniettore viene sollevato dalla pressione del carburante contro la forza della molla, liberando così i fori di iniezione. La molla lo riporta nella sua posizione, quando la valvola servocomando si chiude e la pressione del carburante diminuisce. Rispetto ai concetti precedenti, la velocità di apertura dell'ago dell'iniettore è stata notevolmente aumentata, in modo che, anche con tempi di iniezione molto brevi, come nel caso della pre-iniezione, la massima quantità possibile di pressione del carburante nel collettore sia disponibile per la preparazione della miscela all'ugello. Per le iniezioni multiple, la rapida apertura dell'ago dell'iniettore è un requisito fondamentale, altrimenti solo una piccola quantità di carburante con una pressione troppo bassa fluirebbe nel cilindro, causando una combustione pessima con un'elevata quantità di emissioni inquinanti.
Il sistema Common Rail sta ora iniziando a manifestare parte di quel potenziale di cui i reparti marketing parlano da sei anni. L'unico vantaggio finora offerto dai sistemi Common Rail era l'iniezione preliminare, che permetteva di ridurre il rumore al minimo rispetto alle pompe a pistoni.

VIBRAZIONI
Bosch ha sfruttato le vibrazioni di pressione nelle pompe di iniezione a distributore in modo tale che la pressione prima dell'iniettore fosse, in alcuni casi, significativamente superiore a quella generata dalla pompa. Anche i sistemi common rail sono soggetti a picchi di pressione, ma in questo caso, i progettisti li evitano come la peste. Ogni volta che un iniettore si apre durante il funzionamento del motore, la pressione nel tubo di collegamento al rail diminuisce, generando un'onda di pressione. Quando la valvola di iniezione si chiude, l'onda di pressione si scontra con il meccanismo di chiusura e l'onda ritorna nel rail. Quando più valvole di iniezione sono alimentate da un singolo rail, come nel caso di un motore a quattro cilindri, si creano intense vibrazioni nel rail, con sovrapressioni, aumenti e diminuzioni di pressione.
Questo ha un impatto devastante sulla pressione del carburante nell'iniettore, poiché la pressione nel sistema fluttua costantemente. Le pompe a stantuffo hanno un compito molto più semplice in questo caso, in particolare la tecnologia "iniezione pompa", con i suoi percorsi di carburante estremamente brevi. Questo è un punto fondamentale per cui la Volkswagen non solo rimane fedele alla tecnologia "iniezione pompa", ma, insieme a Siemens, sta costruendo persino un impianto a Stollberg, in Sassonia, per la produzione di sistemi "iniezione pompa".
Finora, i produttori sono stati molto riservati riguardo alle dichiarazioni sulle vibrazioni nei sistemi common rail. Ora, Hellmut Freudenberg ha riferito per la prima volta che, nei sistemi precedenti, le vibrazioni nel sistema hanno causato variazioni di pressione e, di conseguenza, differenze di quantità di iniezione tra gli iniettori di un motore.
Queste deviazioni indesiderate causano una perdita di prestazioni e un aumento delle emissioni inquinanti nei gas di scarico. Questo è uno dei motivi per cui, sebbene Audi e VW siano riuscite a rispettare i limiti di emissione della normativa Euro 4 grazie ai sistemi a pompa-iniettore, gli utilizzatori di sistemi common rail hanno finora faticato enormemente a raggiungere gli stessi standard.
Ci sono solide ragioni per cui Siemens, nel suo sistema più recente, utilizza la forza di molle anziché l'idraulica per chiudere gli iniettori. In questo modo, è possibile attenuare parte delle fastidiose vibrazioni che finora hanno reso le iniezioni multiple poco efficaci. Inoltre, nel nuovo sistema, anche il controllo del motore contribuisce ad aumentare la stabilità idraulica dell'intero sistema.
Durante i test al banco prova, confrontando un sistema precedente con iniezione doppia e un PCR.3 (Piezo Common Rail di terza generazione) con iniezione quintupla, la quantità di particolato nei gas di scarico è diminuita di circa un terzo, mentre il consumo è diminuito di circa il 10%.

Cresciuto.
Gradualmente, quindi, il sistema Common Rail sta maturando. Sebbene le pompe a pistoni radiali abbiano ancora un vantaggio significativo, il Common Rail sta recuperando terreno. Alcuni produttori hanno continuato a utilizzare le pompe a pistoni radiali, ma questo non è dovuto a ragioni ideologiche, bensì a motivi puramente tecnici.
Se il sistema Common Rail dovesse raggiungere una pressione massima di 2000 bar entro il 2005 (introduzione dei limiti di emissione Euro 4) – come suggerito da Siemens, affermando che ciò sarebbe possibile – e garantisse una distribuzione uniforme del carburante ai cilindri, allora diventerebbe gradualmente anche accettabile per Wolfsburg.
Forse, in questo modo, Peugeot riuscirà a evitare di utilizzare costosi filtri per catturare le particelle, ma impedirà che queste si formino all'interno del motore, riducendo al contempo tutti gli altri inquinanti.

Ciao,

Ecco alcune osservazioni sul testo:

Ho trovato questo testo così com'è e l'ho riprodotto al 100%. Non sono né parente né conoscente dell'autore.

È stato sorprendente per me scoprire che le pressioni raggiunte nella pompa VP44 sono già paragonabili a quelle del sistema PD.
Anche nel sistema CR non tutto è "tranquillità, gioia e serenità". Sembra che anche il sistema CR non sia ancora maturo né privo di problemi (contrariamente alle promesse di alcuni addetti al marketing). Questo testo, in alcuni punti, lascia addirittura intendere che ci siano più problemi con il sistema CR che con il sistema PD.

Ciao.
In realtà, gli elementi PD sono l'unica cosa che conta.
Avvicina la pompa e l'ugello il più possibile.
Certo, è frustrante quando, ad esempio, solo un iniettore è danneggiato e bisogna sostituire l'intero componente, ma almeno è possibile sostituire singole 'pompe e iniettori'.
È come con i processori.
L'aumento significativo delle prestazioni è stato reso possibile solo dalla drastica riduzione delle dimensioni dei componenti.
Saluti.

@Bertil:

Hai fatto un'ottima sintesi degli sviluppi recenti nei sistemi di iniezione diesel.

Citazione:

Una perdita del 100% significa che la pressione aumenta a malapena, anche se la pompa viene azionata a doppia velocità.

Purtroppo, non riesco proprio a capire cosa significhi questa affermazione.
Da dove proviene esattamente questa definizione? Lavoro nel settore dell'idraulica. In quel settore, per le pompe, esiste una cosiddetta efficienza volumetrica, che indica il rapporto tra la portata effettiva e la portata teorica (geometrica) della pompa.
Inoltre, l'efficienza volumetrica tiene conto della compressibilità del fluido, poiché la portata viene sempre misurata sotto pressione. Ciò significa che anche una pompa apparentemente perfetta, con una densità del 100%, non può raggiungere mai un'efficienza volumetrica del 100%.
In questo caso, una perdita del 100% significherebbe che la pompa avrebbe un rendimento volumetrico dello 0%, ovvero che la portata esterna si ridurrebbe a zero e la perdita interna sarebbe uguale alla portata teorica.
La pompa CR, nel limite di pressione da te indicato, non è più in grado di erogare volume perché tutta la portata viene persa a causa di perdite interne?

Citazione:

Durante i test al banco prova, confrontando un sistema precedente con doppia iniezione e un PCR.3 (Piezo Common Rail di terza generazione) con quintupla iniezione, la quantità di particolato nei gas di scarico è diminuita di circa un terzo, mentre il consumo è diminuito di circa il 10%.

Beh, siamo tornati a uno dei miei argomenti preferiti: l'efficienza del motore. A quanto ne so, Fiat utilizza un sistema Common Rail (CR), credo prodotto da Delphi, che funziona con un sistema di iniezione tripla. Tuttavia, questo sistema viene utilizzato solo in condizioni di carico parziale. A pieno carico, viene effettuata solo un'iniezione principale per raggiungere un'elevata efficienza.
Una riduzione delle emissioni di particolato si ottiene principalmente attraverso una buona nebulizzazione del carburante, ovvero con una pressione elevata. Tuttavia, l'iniezione supplementare come metodo per "combustire ulteriormente il particolato" è una tecnologia consolidata, ma peggiora nuovamente l'efficienza.
La riduzione delle emissioni di particolato e la contemporanea diminuzione dei consumi sono principalmente dovute all'aumento della pressione del carburante, e non a una migliore risoluzione temporale dell'iniezione, suddivisa in 5 intervalli. Credo che questa scelta sia fatta per controllare meglio l'andamento della temperatura durante la combustione, al fine di ridurre le emissioni di NOx.

Per concludere, ecco un piccolo spunto di riflessione sul tema del bilancio energetico dei sistemi di iniezione. Se si immagina che la pompa ad alta pressione sia costantemente sottoposta alla pressione del rail, allora si verifica sempre una perdita di pressione nella pompa.
In tutti gli altri sistemi, l'alta pressione del sistema viene generata solo localmente e per un breve periodo (durante il periodo di iniezione), il che comporta un flusso di olio di ritorno complessivamente molto più piccolo. L'energia convertita in calore attraverso la strozzatura non è così piccola e, in ultima analisi, deve essere fornita dal motore come potenza meccanica, tenendo conto dell'efficienza (scarsa) del motore.
Anche il riscaldamento del carburante non è trascurabile e spesso rende necessarie misure secondarie come il raffreddamento del carburante.

Saluti.
Alex.

Su richiesta, eliminato.

Ciao,

donalexo ha scritto:

@Bertil: Hai fatto un'ottima sintesi degli sviluppi recenti nei sistemi di iniezione diesel.

Ho trovato l'articolo molto interessante.

Citazione:

... In questo caso, una perdita del 100% significherebbe che la pompa avrebbe un rendimento volumetrico dello 0%, ovvero che la portata esterna si ridurrebbe a zero e la perdita interna sarebbe uguale alla portata teorica. La pompa CR, nel limite di pressione da te indicato, non riesce più a erogare volume perché l'intera portata viene persa a causa di perdite interne?

Così è probabilmente inteso.

Citazione:

Beh, siamo tornati a uno dei miei argomenti preferiti, l'efficienza del motore. Per quanto ne so, Fiat utilizza un sistema CR (credo di Delphi) che funziona con iniezione multipla. ...

Il sistema di Alfa/Fiat proviene da Siemens VDO e può addirittura funzionare con l'iniezione a cinque tempi. SVA è l'unica azienda che attualmente può realizzare iniezioni multiple prima e dopo l'iniezione principale. Il motivo è l'utilizzo di elementi piezoelettrici ad alta velocità. Tuttavia, Bosch ha annunciato l'ingresso nella tecnologia piezoelettrica, e sicuramente non ci vorrà molto perché ciò si concretizzi.

Ciao,
specialmente a @Rainer

Anche se il post originale non fornisce tutti i dettagli, lo trovo abbastanza informativo e suggerirei di pubblicarlo nella nuova sezione dedicata agli articoli specializzati, almeno fino a quando gli sviluppi descritti non saranno superati.

Ci sono obiezioni di natura legale o di altro tipo?

È stato sorprendente per me scoprire che, nel VP44, le pressioni raggiungono valori elevati paragonabili a quelli del sistema PD.



Non lo sapevi? Qui sta succedendo la stessa cosa che con la VP37.

Pressione elementare: 950 bar -> Pressione dell'ugello: 1250 bar.

VP44

Pressione dell'elemento: 1400 - 1600 bar. Pressione dell'ugello: 1800 - 2000 bar.


Ciao Gremlin.

Ciao Ulf,

ulf ha scritto:

...Ci sono obiezioni di naturaCopyright o di altro tipo?

... non posso dirtelo con certezza, ma ti posso indicare la fonte. Potresti contattarla direttamente se necessario.

@Gremlin

Non ho ancora studiato a fondo la VP44, quindi non conosco bene i suoi dettagli tecnici.