TDI: Principi fondamentali della tecnologia (Articoli)

L'idea alla base del TDI era quella di ottimizzare i motori diesel per autovetture, tradizionalmente dotati di pompe di iniezione a distributore, attraverso l'aggiunta di sistemi di controllo elettronici per migliorare le prestazioni, il consumo e le emissioni.
Da sono nate inizialmente le famiglie di motori TDI, a partire dal modello VP 37, che si basa sulle collaudate pompe di iniezione meccaniche.

Nel motore VP 37, il cavo dell'acceleratore, la leva di selezione della velocità, il regolatore centrifugo, l'accelerazione per avviamento a freddo, il limitatore di potenza dipendente dalla pressione di sovralimentazione e tutte le altre meccaniche utilizzate per muovere lo slider di controllo sono stati sostituiti da un sistema elettronico controllato dalla centralina motore (MSG) e da un dispositivo di regolazione della quantità. Per maggiori dettagli, consultare https://community.dieselschrauber.org/it/viewtopic.php?t=3066.
La regolazione dell'iniezione, dipendente dalla pressione interna della pompa, viene finemente tarata tramite una valvola di regolazione dell'iniezione elettrica, consentendo anche l'avvio dell'iniezione in funzione della quantità. Per maggiori dettagli a riguardo, si veda il principio TDI TDI-Prinzip.

L'elettronica permette persino di realizzare una compensazione della temperatura del gasolio: più caldo è il gasolio, minore è la sua densità, e questo, a parità di volume di iniezione, porterebbe a una perdita di potenza.
Tramite un sensore di temperatura del gasolio installato nella pompa (o, nel caso dei sistemi common rail, nel circuito di ritorno al serbatoio), il cui segnale viene elaborato dalla centralina motore, le variazioni delle prestazioni dovute a problemi di tenuta vengono compensate mediante una regolazione appropriata della durata dell'iniezione.

Sul lato degli iniettori, il sistema a iniezione diretta (a differenza dei motori diesel a precamera) richiede una pre-iniezione di una piccola quantità di gasolio, in modo che la quantità principale possa bruciare con un rumore accettabile e una buona fluidità. Questo viene realizzato attraverso una nuova concezione degli iniettori, le cosiddette combinazioni di supporti per iniettori a doppia molla.

Poiché l'unità di controllo motore (MSG) necessita di informazioni precise sulla velocità e la posizione istantanea dell'albero motore per le sue funzioni di regolazione, un sensore induttivo rileva una ruota dentata appositamente predisposta sull'albero motore. Con queste informazioni, il MSG, insieme all'attuatore di dosaggio, simula un sistema di controllo centrifugo più sofisticato e realizza, ad esempio, la limitazione della potenza tipica dei motori diesel al di sopra di circa 4000 giri/min.

La misurazione della velocità di rotazione è così precisa da consentire la rilevazione anche delle accelerazioni durante le fasi operative e dei rallentamenti causati dalle compressioni.
In questo modo è possibile rilevare le differenze di velocità tra i cicli di lavoro dei singoli cilindri. I risultati vengono utilizzati dai componenti software responsabili della regolazione del minimo nel modulo di controllo motore (MSG) per dosare la quantità di iniezione per ciascun cilindro, in modo da ottenere il massimo equilibrio nella rotazione del motore.

Oltre alla quantità di iniezione, il modulo motore (MSG) regola/controlla/gestisce l'inizio dell'iniezione, il ricircolo dei gas di scarico (per maggiori dettagli, vedere https://community.dieselschrauber.org/it/viewtopic.php?t=3095),).
la pressione di sovralimentazione (per maggiori dettagli, vedere https://community.dieselschrauber.org/it/viewtopic.php?t=3101) e, a seconda del tipo di motore, ulteriori elementi di controllo intorno al motore, come la valvola di intercettazione, il ventilatore del radiatore con funzionamento prolungato, ecc.).

Durante il funzionamento, il sensore elettronico dell'acceleratore trasmette al modulo di controllo del motore (MSG) la richiesta di quantità di iniezione del conducente. Quest'ultimo determina, sulla base della mappa predefinita della pressione di sovralimentazione, quale pressione di sovralimentazione è necessaria per bruciare la quantità desiderata "in modo pulito" nel rispetto delle normative sulle emissioni e inizia a regolare la pressione di sovralimentazione al valore corrispondente.

Contemporaneamente, il sistema di gestione del motore (MSG) calcola, sulla base del segnale proveniente dal sensore di massa d'aria (LMM), della velocità di rotazione e di altri parametri correttivi, la quantità effettiva di aria fresca che riempie i cilindri.
La cosiddetta curva di soglia determina, per ogni regime di giri e quantità d'aria aspirata, la massima quantità di carburante che può essere bruciata senza superare i limiti di emissione previsti (questa quantità massima è anche definita come limite di formazione della fuliggine).

In alcuni motori TDI, la riduzione delle emissioni di particolato viene calcolata in base alla pressione di sovralimentazione attuale (anziché al segnale del sensore di massa d'aria).

In ogni caso, il sistema di gestione del motore (MSG) confronta questo limite di emissioni di fuliggine con i parametri di carico del conducente e con il limitatore di coppia (che definisce la quantità massima di iniezione per ogni regime di giri, al di sotto della quale non si verificano sollecitazioni meccaniche eccessive del sistema di trasmissione) e determina quindi la quantità effettivamente da iniettare sulla base del valore più basso tra le tre limitazioni.

Quando il sistema di limitazione delle emissioni di particolato è attivo, l'afflusso di aria fresca nei cilindri risulta insufficiente per consentire la combustione senza produzione di fuliggine della quantità di carburante iniettata desiderata dal conducente (o della quantità massima prevista dalla limitazione del momento torcente).
Le cause più frequenti di questa condizione operativa sono una pressione di sovralimentazione insufficiente (a bassi regimi o durante la fase di accelerazione verso il valore desiderato) oppure un sensore di massa d'aria (MAF) difettoso, che segnala una quantità di aria insufficiente nonostante un riempimento dei cilindri adeguato. Per maggiori dettagli a riguardo, consultare https://community.dieselschrauber.org/it/viewtopic.php?t=3347 - ad eccezione del caso in cui la limitazione delle emissioni di particolato viene calcolata sulla base della pressione di sovralimentazione.

A volte, il valore di riferimento della massa d'aria nel blocco dei dati misurati per il sistema EGR può causare confusione.
Di solito, a regimi elevati, la quantità di iniezione è di circa 850 mg per ciclo, ma questo valore non viene sempre raggiunto, soprattutto nei motori TDI con turbocompressore, nelle fasce di giri più alte.
Possibile reazione: "Oh, il mio sensore di massa d'aria è difettoso!". Si prevede che la sostituzione del sensore di massa d'aria comporti un aumento delle prestazioni, ma spesso non si nota alcun cambiamento perché il sistema di controllo delle emissioni di particolato era ancora attivo, nonostante una quantità di aria apparentemente insufficiente, superando così il limite di coppia.
Al contrario, nei motori con elevata cilindrata (ad esempio, ARL: 150 CV / 1,9 l), anche con una quantità di 850 mg per ciclo, la funzione di limitazione del particolato potrebbe essere ancora attiva, il che significa che il motore non funziona correttamente, nonostante il valore desiderato della massa d'aria sia raggiunto nel sistema di controllo.
Pertanto, dal raggiungimento o meno del valore desiderato della massa d'aria nel modulo di controllo del ricircolo dei gas di scarico (AGR), non si può generalmente dedurre se il motore stia ancora erogando la sua piena potenza!https://community.dieselschrauber.org/it/viewtopic.php?t=6529)

Se il limite di fuliggine viene calcolato a partire dal segnale della portata d'aria, allora, in caso di una segnalazione di massa d'aria troppo bassa, un aumento della pressione di sovralimentazione spesso risolverebbe il problema, ma ciò potrebbe causare il surriscaldamento e il guasto del turbocompressore, semplicemente perché...
- che il misuratore di portata massica sia difettoso,
- il liquido di raffreddamento è visibilmente sporco, oppure...
- Durante l'estate torrida, un motore TDI deve trainare una roulotte attraverso un passo alpino e l'aria di raffreddamento del turbocompressore diventa troppo calda a causa della mancanza di flusso d'aria.
Pertanto, in caso di segnalazione di mancanza d'aria, la pressione di sovralimentazione non viene aumentata!
Al contrario, anche in presenza di un'enorme quantità di aria aspirata (ad esempio, a temperature artiche), la pressione di sovralimentazione non viene ridotta al di sotto del valore desiderato definito dalla curva di sovralimentazione.
Per proteggere il turbocompressore da regimi di rotazione eccessivi, in condizioni di bassa pressione ambientale (ad esempio, in alta montagna), la pressione di sovralimentazione viene ridotta. A tale scopo, viene elaborato il segnale di un sensore di pressione ambientale situato nel modulo MSG.
Il sensore di pressione del sistema di sovralimentazione, necessario per il controllo effettivo della pressione, è posizionato, a seconda del tipo di veicolo, nell'unità di controllo del motore (MSG), in una posizione separata dal collettore di aspirazione all'interno del vano motore, oppure direttamente nel collettore di aspirazione o all'uscita dell'intercooler.

L'architettura del software, con le funzioni di richiesta del guidatore, limitazione della coppia e riduzione delle emissioni di particolato, ha motivazioni tecniche di sistema. In realtà, il conducente può quasi sempre richiedere una quantità di iniezione maggiore rispetto a quella consentita dalla limitazione della coppia. In tal caso, la parte superiore alla soglia di coppia viene semplicemente ignorata.

I motori TDI sono progettati in modo tale che, in condizioni normali e con una pressione di sovralimentazione correttamente regolata, il limite di emissione di particolato sia superiore alla richiesta del guidatore o al limite di coppia.
(Altrimenti, il limite di fuliggine e la regolazione della pressione di sovralimentazione potrebbero interagire negativamente. Per maggiori dettagli a riguardo, consultare https://community.dieselschrauber.org/it/viewtopic.php?t=3253.

Pertanto, un semplice aumento della pressione di sovralimentazione in un motore TDI perfettamente funzionante non produce un aumento significativo delle prestazioni: il sistema di riduzione delle emissioni di particolato aumenterebbe (entro i limiti del sensore di massa d'aria), ma la limitazione della coppia è al minimo quando si utilizza l'acceleratore al massimo e rimane anche al valore originale, che non è influenzato dalla massa dell'aria. Per maggiori dettagli a riguardo, vedere https://community.dieselschrauber.org/it/viewtopic.php?t=3095.
L'aumento del limite di coppia (ovvero della effettiva limitazione della potenza nei motori TDI) è possibile solo tramite la rimappatura della centralina.

Per la regolazione della ricircolo dei gas di scarico, per ogni quantità di iniezione e regime di giri, viene letto dal campo caratteristico dell'EGR la corrispondente massa d'aria desiderata per ciclo di aspirazione. Se la massa d'aria rilevata dal sensore di massa (nel campo di carico inferiore) supera questo valore, a seconda del motore, la valvola EGR e il corpo farfallato vengono azionati in modo tale che il valore del sensore di massa si riduca al valore desiderato. Per maggiori dettagli, consultare .

Nel motore common rail, i tubi e il volume dell'iniettore tra il pistone distributore e l'iniettore causano notevoli ritardi tra l'inizio dell'iniezione ad alta pressione e l'effettivo inizio dello spruzzo, a causa del tempo di percorrenza dell'onda di pressione, delle dilatazioni elastiche dei tubi, ecc.
Pertanto, l'inizio dell'iniezione (un parametro fondamentale per il consumo, le emissioni, ecc.) viene monitorato nel sistema VP 37 tramite un segnale proveniente da un sensore induttivo che rileva il movimento di un iniettore. La sua angolazione rispetto al punto morto superiore del motore viene confrontata dal modulo di controllo (MSG) con il valore desiderato corrente, secondo la curva di inizio iniezione, e tradotta in un comando tramite una valvola di regolazione dell'iniezione nella pompa di iniezione.



L'architettura software dei motori PD è in gran parte simile a quella dei motori VP 37, tuttavia, a differenza di questi ultimi, il sistema di controllo MSG non gestisce un dispositivo di regolazione della quantità di carburante, ma controlla direttamente le unità pompa-iniettore (PDE).

Questi vengono riempiti e lavati con gasolio tramite la valvola magnetica aperta, che viene azionata dalla pompa di pre-alimentazione (una "sezione" della pompa tandem alimentata dall'albero a camme, che genera anche il vuoto necessario per l'attuazione pneumatica).
Quando si desidera avviare l'iniezione, il modulo di controllo del motore (MSG) attiva il flusso dell'aria per il particolare iniettore pompa common rail (PDE). La valvola magnetica si chiude, bloccando così l'immissione di gasolio nel PDE. Il pistone della pompa, azionato dal bilanciere oscillante, mette il gasolio sotto pressione, causando l'apertura dell'iniettore. Iniziano quindi la pre-iniezione e l'iniezione principale.
La quantità di carburante iniettata viene determinata dalla durata di apertura degli iniettori o dalla durata di funzionamento del flusso di iniezione.

Quando la quantità di carburante desiderata è stata iniettata, il modulo di controllo del motore (MSG) interrompe l'alimentazione alla valvola, e l'elettrovalvola si riapre. L'alta pressione nel collettore di alta pressione (PDE) viene scaricata verso la linea di alimentazione del carburante, e la molla dell'iniettore chiude l'ugello. Il volume rimanente della corsa della pompa viene anch'esso reimmesso nella linea di alimentazione del carburante.

Durante l'iniezione, il gasolio viene compresso a pressioni superiori a 2000 bar(!), riducendo il suo volume di diverse percentuali, e cede calore al corpo dell'iniettore (PDE) secondo il principio di una pompa per biciclette.
Per evitare il surriscaldamento degli iniettori common rail, questi vengono raffreddati e puliti tra le iniezioni tramite un circuito di lubrificazione con gasolio alimentato da una pompa tandem.
Nella zona di Pmax, il gasolio che ritorna al serbatoio può raggiungere temperature così elevate da danneggiare il serbatoio stesso. Per questo motivo, i veicoli elettrici hanno un radiatore per il gasolio nel circuito di ritorno: o un radiatore aria-acqua con una propria pompa elettrica (che viene controllata dal sistema di gestione del motore in base alla temperatura di ritorno), oppure un radiatore aria-gasolio non regolato posizionato nella parte inferiore del veicolo, simile a un enorme dissipatore per l'elettronica di potenza.

Nei pompe a pistoni (PD), il volume ad alta pressione tra i pistoni e gli iniettori è così piccolo che si verifica solo un ritardo minimo (e sufficientemente preciso da calcolare) tra l'inizio dell'accumulo di pressione e l'inizio dell'iniezione. Pertanto, non hanno un sensore di movimento dell'ago, e invece di rilevare l'inizio dell'iniezione, nelle pompe a pistoni si utilizza l'inizio della fase di erogazione. Questo avviene nel momento in cui il monitoraggio del flusso elettrico della valvola magnetica segnala il punto di arresto dell'ago e inizia la generazione di alta pressione.
Tra l'attivazione della corrente del PDE e il momento in cui l'ago della valvola si chiude, intercorre inevitabilmente un breve intervallo di tempo, paragonabile al tempo di attivazione di un relè. Pertanto, la corrente della valvola deve essere attivata leggermente prima dell'inizio della pompaggio ad alta pressione.
Il tempo di risposta della valvola magnetica viene misurato per ogni singolo processo e utilizzato per anticipare il momento di attivazione del flusso, in modo da raggiungere teoricamente l'inizio desiderato della portata.

Inoltre, il tempo di attivazione viene utilizzato per monitorare il funzionamento di ciascun dispositivo di protezione dalle sovratensioni (SPD): se il tempo di attivazione si trova al di fuori di un intervallo predefinito, viene registrato un errore relativo allo SPD specifico.
Un'indicazione di errore non implica necessariamente un guasto al PDE, ma può anche essere causata da fattori banali come la presenza di aria nella valvola magnetica (che provoca una durata più breve del ciclo di iniezione) o dall'utilizzo di biocarburanti ad alta viscosità (che, a causa dell'ostruzione dell'ago della valvola, provoca una durata più lunga del ciclo di iniezione).
Di conseguenza, le normali variazioni nei tempi di processo, dovute a fattori legati alla produzione, spesso causano il superamento del valore desiderato solo per una o alcune equazioni differenziali parziali (PDE), e viene registrato un errore solo per queste PDE.


Il lato negativo dei motori PD è la loro forte dipendenza della pressione di iniezione dalla velocità: poiché, dopo l'apertura degli iniettori, viene forzata attraverso i fori degli iniettori solo la quantità di carburante specifica per ogni iniettore e dipendente dalla velocità, i circa 2000 bar generalmente noti vengono raggiunti solo nell'intervallo intorno ai 4000 giri/min, mentre la pressione diminuisce drasticamente con la riduzione della velocità.
Nei motori a pompa-iniettore (VP), il volume di pompaggio viene precaricato nel grande volume ad alta pressione delle ugelli fino al momento in cui queste si aprono, e durante l'iniezione viene ulteriormente utilizzato. Questo non solo comporta pressioni di iniezione più elevate rispetto alla portata della pompa, ma nelle motori a pompa-iniettore, la pressione di iniezione è anche significativamente meno dipendente dal regime di giri rispetto ai motori a iniettore-pompa (PD).
Questi ultimi sono ottimizzati per alte pressioni di iniezione nel processo di combustione e, pertanto, mostrano una maggiore flessibilità ai bassi regimi rispetto ai motori a valvole a punteria meccanica (VP). Un possibile compromesso attraverso maggiori quantità di iniezione peggiorerebbe i valori delle emissioni dei motori a distribuzione fasata (PD) in modo inaccettabile.

Un aumento della pressione di iniezione (e quindi della coppia) ai bassi regimi è stato ottenuto grazie a un'evoluzione degli iniettori pompa common rail controllati da elettrovalvola. Questa generazione 1.1, tuttavia, è installata solo su alcuni motori: il 74 kW AXR e il più recente motore 1.9 litri da 77 kW TDI, mentre l'AXR offre effettivamente una migliore accelerazione ai bassi regimi rispetto al suo predecessore ATD, che aveva la stessa potenza massima.
I nuovi motori TDI a 16 valvole, con sistemi di iniezione diretta parzialmente riprogettati, si basano sulla tecnologia dei sistemi di iniezione diretta common rail (PDE) della serie 1.1.


Grazie a Bertil per il suo supporto .

Diagnosi di veicoli con motori TDI:
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