Introduzione
II
Questa breve descrizione del funzionamento rende l’idea della complessità e
della precisione necessarie per la realizzazione degli elettroiniettori sia per l’alto
numero di componenti presenti (corpo, fondello, spillo, filtro, molla, ecc.) sia per
le loro ridotte dimensioni (dell’ordine del millimetro o addirittura decimi di
millimetro).
Una delle fasi più critiche nella realizzazione degli elettroiniettori è quella di
assemblaggio e in particolare l’operazione di inserimento del filtro all’interno del
fondello. Un basso livello di precisione di questa operazione comporta un
malfunzionamento dell’iniettore stesso e quindi del propulsore.
Scopo del presente lavoro è appunto quello di valutare la criticità della fase
di assemblaggio di un elettroiniettore, di produzione di Magneti Marelli, nonché
quello di cercare di ottimizzare il processo al fine di rendere più affidabile il
prodotto, diminuendo di conseguenza gli scarti di produzione.
Le fasi ritenute più importanti sono la giunzione mediante saldatura laser,
tra il corpo e il fondello dell’iniettore e l’inserimento del filtro che genera uno
sforzo di compressione generato. Al variare dei parametri di saldatura (ampiezza,
profondità e arco) infatti, la sollecitazione di compressione causata per inserire il
filtro può provocare deformazioni permanenti con conseguenti riduzione di corsa
dell’iniettore che determinano variazioni di portata e ripercussioni sul
funzionamento del propulsore.
A tale scopo è stato modellato l’insieme corpo-fondello-saldatura e
mediante analisi agli elementi finiti, è stata simulata la fase di assemblaggio del
filtro con l’applicazione di una pressione uniforme sulla base superiore del
fondello, per diversi valori dei parametri di saldatura.
Le analisi agli elementi finiti effettuate hanno permesso di determinare lo
stato tensionale nelle varie sezioni e le variazioni di corsa dell’iniettore al variare
dei parametri di saldatura. Al fine di valutare la sicurezza della struttura, nel caso
in cui la saldatura non venga eseguita correttamente, sono stati inoltre analizzati
valori dei parametri inferiori a quelli critici, ammessi dalla norma interna della
casa costruttrice.
Introduzione
III
La convergenza del modello è stata verificata simulando la prova di
collaudo della saldatura e confrontando i risultati ottenuti con quelli sperimentali,
forniti dal costruttore.
L’ottimizzazione del processo, quindi il miglioramento della realizzazione
del prodotto, in termini di prestazione operative e di affidabilità, è stata effettuata
avvalendosi della metodologia DOE (Design Of Experiments) o pianificazione
degli esperimenti.
Prima di procedere all’applicazione della metodologia DOE è stata
effettuata un’attenta analisi, delle fasi del processo produttivo e dei risultati di
laboratorio forniti dall’azienda. Dal momento che la pianificazione degli
esperimenti avrebbe provocato disagi al normale svolgimento delle attività di
produzione dell’azienda, causando inoltre un aggravio di costi e un impiego
aggiuntivo di manodopera per la produzione di campioni, indispensabili
all’analisi, si è ritenuto opportuno applicare tale metodologia ai risultati ottenuti
dalle diverse simulazioni agli elementi finiti.
Le variabili di processo che sono state prese in esame sono rappresentate dai
parametri di saldatura (ampiezza, profondità e arco) e ognuna di queste è stata
fatta variare su tre livelli differenti.
Una volta progettato il piano sperimentale e condotte le prove, l’analisi dei
risultati è stata eseguita tramite la metodologia ANOVA (Analysis Of Variance) o
analisi della varianza. Questa tecnica consente di valutare l’effetto dei diversi
fattori e delle loro interazioni sulla risposta del processo.
Il risultato delle diverse analisi ha permesso di definire i valori ottimali del
processo di saldatura.
4
CAPITOLO I
SISTEMI AD INIEZIONE ELETTRONICA
1.1 Aspetti generali e classificazione
L’evoluzione dei motori, oggigiorno, per via delle norme antinquinamento,
sta rapidamente procedendo verso la sostituzione totale dei vecchi meccanismi di
alimentazione a carburatore con quelli ad iniezione che meglio permettono
l'adozione dei sistemi di post-trattamento dei gas combusti (marmitte catalitiche).
L’iniezione di combustibile è un’operazione alternativa quanto diversa dalla
carburazione: la quantità di combustibile aspirata dipende, nel carburatore, dalla
depressione creata dall’aria nel condotto mentre, nei sistemi di iniezione, è
proporzionale alla quantità di aria aspirata. Nei carburatori il processo di
polverizzazione del combustibile è dovuto alla maggiore velocità dell’aria che
trascina il carburante e lo suddivide in gocce via via più piccole, mentre
nell’iniezione il combustibile ha la velocità maggiore ed esce già nebulizzato
dall’iniettore.
Un gruppo di iniezione presenta una serie di sensori che rilevano le
condizioni di funzionamento del motore e le trasmettono ad una unità di controllo
Capitolo I – Sistemi ad iniezione elettronica
5
(centralina). In base a queste informazioni tale unità di controllo fa in modo che
l’iniettore spruzzi la quantità necessaria di combustibile nella massa d’aria
aspirata.
I sistemi di iniezione possono essere classificati in diversi modi in base a dei
parametri caratteristici:
a) iniezione del carburante
- Iniezione indiretta: il carburante viene iniettato nel collettore di
aspirazione in posizione più o meno vicina alla valvola (Fig.1.1a);
- Iniezione diretta: il carburante viene iniettato direttamente nella
camera di combustione (Fig.1.1b);
Fig.1.1a) Schema di un impianto ad iniezione indiretta; b) Iniezione diretta
b) quantità di combustibile da iniettare
- Iniezione meccanica: una pompa trascinata meccanicamente dal
motore manda in pressione il carburante e dosa il volume spruzzato
attraverso un iniettore a dosatura automatica;
- Iniezione elettronica: le funzioni di dosaggio, regolazione e iniezione
sono parzialmente o totalmente pilotate da un gruppo elettronico;
c) numero degli iniettori adottati
- Sistemi single-point: vi è un solo iniettore posto generalmente
all’inizio del collettore di aspirazione;
- Sistemi multi-point: vi è un iniettore per ogni cilindro del motore;
a)
b)
Capitolo I – Sistemi ad iniezione elettronica
6
d) fasatura dell’iniezione rispetto al ciclo che si svolge nel cilindro
- Iniezione continua: il carburante è iniettato ininterrottamente in
prossimità della valvola di aspirazione; per circa tre quarti del ciclo è
accumulato, per il restante quarto entra direttamente nel cilindro
durante il processo di aspirazione;
- Iniezione intermittente: l’iniezione va da pochi gradi di manovella a
qualche centinaio di gradi. Può essere simultanea, se tutti gli iniettori
funzionano contemporaneamente, per gruppi, se ci sono gruppi di
iniettori che operano simultaneamente e sequenziale se gli iniettori
vengono azionati secondo un ordine prefissato;
e) tipo di regolazione del sistema di iniezione
- Anello aperto: la quantità di combustibile viene dosata per mantenere
il rapporto aria/combustibile ( A/F ) sui valori prefissati;
- Anello chiuso: l’A/F viene rilevato con continuità allo scarico e la
differenza tra il valore effettivo e quello desiderato è usato come
segnale di retroazione per correggere la quantità di combustibile
iniettato.
Capitolo I – Sistemi ad iniezione elettronica
7
1.1.1 Sistemi single-point
I sistemi single-point, come accennato nel paragrafo precedente, sono
caratterizzati da un unico iniettore che viene posto a monte di una valvola a
farfalla (Fig.1.2).
Fig.1.2 Sistema single-point
Tale sistema provvede alla distribuzione del combustibile in tutti i
cilindri. Questa configurazione risulta molto simile a quella dei vecchi impianti
con carburatore, sia per la presenza di un unico componente che provvede
all’alimentazione di tutti i cilindri e sia per la posizione dell’iniettore che in
precedenza era occupata dal carburatore stesso [1].
La centralina che controlla il funzionamento dell’iniettore elabora, i segnali
ricevuti dai sensori, per esempio la sonda lambda e regola gli istanti di apertura e
chiusura affinché si formi la miscela con le caratteristiche richieste dal propulsore,
cosa che i carburatori non erano in grado di fare [2].
Il sistema single-point presenta due difetti fondamentali, ovvero l’incapacità
di rifornire con bassa variabilità tutti i cilindri e l’obbligo di riscaldare i condotti
di aspirazione per evitare che goccioline di carburante si depositino sulle loro
pareti. Quest’ultimo fatto è dannoso per le prestazioni, perché riduce il
coefficiente di riempimento dei cilindri e per le emissioni inquinanti, perché
aumenta la formazione di idrocarburi incombusti HC [1].
Capitolo I – Sistemi ad iniezione elettronica
8
1.1.2 Sistemi multi-point
I sistemi multi-point, sono caratterizzati dalla presenza di tanti iniettori
quanti sono i cilindri, ciascuno dei quali fornisce la quantità di combustibile che
va ad alimentare un singolo cilindro(Fig.1.3).
Fig.1.3 Sistema multi-point
In alcuni tipi di impianti è inoltre presente un iniettore ausiliario che
aumenta la quantità di combustibile iniettata per agevolare l’accensione e il
funzionamento a freddo del propulsore [1].
Rispetto al sistema single-point, questo sistema garantisce un miglior
riempimento dei cilindri con aumenti in termini di potenza e di coppia motrice;
garantisce una distribuzione uniforme del carburante sia da cilindro a cilindro che
da ciclo a ciclo; consente rapidi tempi di risposta ai cambiamenti di posizione
della valvola a farfalla e permette un migliore controllo del rapporto A/F in
condizioni di avviamento a freddo e di rodaggio [3].
Capitolo I – Sistemi ad iniezione elettronica
9
1.1.3 Sistema di iniezione common rail
Il sistema di iniezione common rail rappresenta una delle più grandi
invenzioni in ambito motoristico degli ultimi decenni, la sua realizzazione è stata
facilitata grazie all’apporto dei moderni elettroiniettori e dei loro sistemi di
gestione.
L’idea che accompagnò lo sviluppo di questo sistema di iniezione, portato
avanti dalla Magneti Marelli e dal Centro di ricerche FIAT, era quella di rendere
la pressione di iniezione indipendente dal funzionamento del motore.
Il sistema di iniezione common rail consente di regolare elettronicamente
la quantità di combustibile iniettata, l’anticipo di iniezione e la pressione di
iniezione in funzione condizioni di funzionamento del motore, Fig.1.4.
Fig.1.4 Sistema common rail
In particolare le principali caratteristiche del sistema di iniezione common
rail sono le seguenti:
- completa flessibilità della gestione della pressione di iniezione
indipendentemente dal regime del motore e dal carico (è possibile
ottenere pressioni elevate > 1000 bar ai medi e bassi regimi motore <
1500 giri/min);
- possibilità di effettuare iniezioni multiple per ogni ciclo (è possibile
praticare una pre-iniezione o iniezione pilota, utile per la riduzione del
rumore di combustione);
Capitolo I – Sistemi ad iniezione elettronica
10
- completa flessibilità nella gestione dell’anticipo di iniezione di
ciascuna parte dell’iniezione;
- elevata precisione nel controllo della quantità iniettata, anche colpo a
colpo, quando necessario (per esempio in condizioni di transitorio);
- capacità di operare a velocità motore elevate (fino a 6000 giri/min);
- possibilità di controllare elettronicamente i principali parametri di
iniezione, ottimizzando così il funzionamento del motore senza dover
ricorrere a complessi sistemi di tipo meccanico.
Lo schema generale di un impianto common rail è riportato in Fig.1.4.
Fig.1.5 Schema generale di un impianto di iniezione common rail
Una pompa di alimentazione estrae il combustibile dal serbatoio e lo manda
alla pompa di alta pressione. Con riferimento alla Fig.1.4, la pompa di alta
pressione (detta Radialjet) porta il gasolio ad una pressione regolata, pari a quella
di iniezione (fino a 1350 bar nella versione attualmente in produzione; sino a 1800
bar nelle nuove versioni in fase di sviluppo). Una elettrovalvola a due vie spilla
dalla mandata della pompa un’adeguata quantità di combustibile al fine di
regolare la pressione al valore desiderato.
Il gasolio in pressione non viene inviato direttamente dalla pompa Radialjet
agli iniettori, ma viene accumulato in un collettore (rail) che svolge la funzione di
Capitolo I – Sistemi ad iniezione elettronica
11
contenere le oscillazioni (ripple) di pressione provocate dalla erogazione pulsante
della pompa di alta pressione e dalle improvvise estrazioni di combustibile
causate dalle aperture degli iniettori. Sul rail è montato un sensore di pressione il
cui compito è quello di fornire un segnale di retroazione al circuito di regolazione
della pressione. Più precisamente, il valore misurato da tale sensore viene
comparato con il valore previsto in sede di progetto e memorizzato nella
centralina elettronica. Se il valore misurato ed il valore previsto differiscono,
allora viene aperto o chiuso un foro di troppo pieno nel regolatore di pressione
della pompa di alta pressione. Nel caso di apertura di tale luce di efflusso, il
combustibile in eccesso viene quindi rinviato al serbatoio tramite un apposito
condotto di ricircolo. Gli iniettori sono alimentati dal rail ed il loro funzionamento
viene determinato dall’eccitazione di un veloce attuatore elettromagnetico a
solenoide (integrato nel corpo di ogni elettroiniettore). L’eccitazione del solenoide
determina l’apertura di una luce di efflusso presente in un apposito volume di
controllo che provoca uno squilibrio delle pressioni agenti sullo spillo di un
otturatore. Lo squilibrio di pressione consente il sollevamento dello spillo
otturatore e la conseguente apertura degli ugelli d’efflusso del polverizzatore. Al
controllo di tutto il sistema di iniezione è adibita una centralina elettronica, in cui
sono integrate sia l’unità di controllo (ECU) sia quella di potenza (EPU)
necessarie per il pilotaggio degli iniettori.
1.1.4 Sistema di iniezione con iniettore-pompa
E’ un sistema munito di due componenti per la movimentazione del
combustibile: una pompa di alimentazione e tante pompe a stantuffo quanti sono
gli iniettori, quindi i cilindri, vengono azionate da un albero a camme. Ciascuna
pompa a stantuffo costituisce un corpo unico con l’iniettore il quale viene aperto
dalla pressione del combustibile che fluisce al suo interno per mezzo di una
elettrovalvola. In Fig.1.6 è riportato un tipico sistema iniettore pompa.
Capitolo I – Sistemi ad iniezione elettronica
12
Questo sistema di alimentazione permette pressioni di iniezione anche
superiori a 2000 bar e tempi di iniezione ridottissimi circa 1,5 millisecondi, di
contro presenta tre difetti fondamentali:
- il suo impiego comporta la riprogettazione della testata del motore
quindi non è immediatamente applicabile ai propulsori esistenti;
- le diverse pompe a stantuffo e l’albero a camme su cui queste vengono
calettate provocano un aumento delle dimensioni del propulsore;
- la pressione di iniezione non è indipendente dal regime di rotazione
del motore al contrario del common rail.
1.2 Elettroniettori
Gli iniettori utilizzati fino a qualche anno fa, sui motori Diesel e/o su quelli a
benzina ad iniezione meccanica, non presentavano alcuna parte interna capace di
dosare la quantità di benzina o gasolio. Essi si aprivano automaticamente, ogni
volta che la pressione del combustibile superava la resistenza della molla che
spingeva sull’otturatore, questo significava dipendenza diretta tra il
Fig.1.6 Iniettore-pompa
Capitolo I – Sistemi ad iniezione elettronica
13
funzionamento del motore che trascinava la pompa del combustibile e quello
dell’iniettore.
Questi sistemi si rivelarono svantaggiosi ed obsoleti essenzialmente per due
fattori:
- l’introduzione di legislazioni più severe riguardo alle emissioni di gas
nocivi ;
- le sempre maggiori richieste del mercato in termini di potenza, bassi
consumi e rumorosità.
Tali svantaggi furono superati grazie ad un controllo elettronico preciso e
contemporaneo di più parametri, quali la pressione di iniezione, il numero di
iniezioni per ogni ciclo, la loro durata, ecc [3].
1.2.1 Elettroiniettori per motori diesel common rail
L’elettroiniettore di Fig.1.7 può essere considerato diviso in due parti:
- l’attuatore/polverizzatore, composto dall’ugello e dal complesso asta
di pressione/spina;
- l’elettrovalvola di comando costituita dal solenoide e dalla valvola.
Il volume all’interno della valvola pilota ed immediatamente al di sopra
dell’attuatore, chiamato volume di controllo, ha un ruolo essenziale per il
funzionamento dell’elettroiniettore. Esso è alimentato in modo permanente con il
combustibile tramite un foro solitamente chiamato Z (dal tedesco
Zufluss = ingresso). Lo scarico del volume di controllo è affidato ad un secondo
foro, chiamato A (Abfluss = uscita), la cui apertura è controllata dall’elettrovalvola
di comando.
Capitolo I – Sistemi ad iniezione elettronica
14
Fig.1.7 Elettroiniettore per sistemi common rail
Il combustibile contenuto nel volume di controllo esercita una pressione di
intensità modulabile che agisce sulla parte superiore dell’asta di pressione, avente
area A
c
; la forza che agisce su tale area dipende quindi dalla pressione presente
all’interno del volume di controllo.
L’ugello dell’attuatore/polverizzatore viene alimentato da gasolio in
pressione quando il complesso asta di pressione-spina è in posizione sollevata. Il
Capitolo I – Sistemi ad iniezione elettronica
15
sollevamento viene realizzato mediante uno squilibrio di forze contrapposte
persistenti su tale complesso. Come rappresentato in Fig.1.8, le forze agenti sul
sistema asta di pressione-spina sono tre:
- la forza elastica F
e
rivolta nella direzione di chiusura e dovuta alla
molla che agisce sulla spina; tale forza garantisce la tenuta del
polverizzatore quando la pressione di linea scende a zero, evitando
gocciolamenti di combustibile nel cilindro.
- la forza F
c
, che agisce anch’essa nella direzione di chiusura, dovuta
alla pressione del combustibile presente nel volume di controllo.
Agisce sull’area superiore dell’asta di pressione.
- la forza F
a
, rivolta nella direzione di apertura, dovuta alla pressione
del combustibile presente nel volume di alimentazione e che agisce
sull’area della corona circolare delimitata all’esterno dal diametro di
scorrimento della spina nell’ugello e all’interno dal diametro di tenuta
della sede conica.
L’equilibrio del complesso asta di pressione-spina dipende dal bilancio di
queste tre forze. Quando l’iniettore non è eccitato (Fig.1.8) le pressioni nei volumi
di alimentazione e di controllo sono identiche e in tali condizioni risulta essere
F
c
+F
e
> F
a
e quindi le forze di chiusura sono superiori a quelle di apertura garantendo la
tenuta del polverizzatore.
Affinché avvenga l’apertura della spina (Fig.1.9), è necessario che la
pressione nel volume di controllo diminuisca fino a che non sia verificata la
seguente disequazione
F
c
+F
e
< F
a
In tale modo si viene a creare uno squilibrio tra le forze agenti sulla spina a
favore del sollevamento della stessa.
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