Ccmai- Proiect 1.docx

CONSTRUCȚIA ȘI CALCULUL MOTOARELOR CU ARDERE INTERNĂ I

–

PROIECT–

ÎNDRUMĂTOR: șef. Lucr. Dr. Ing Levente Kocsis STUDENT: Cărăușan Horațiu SPECIALIZARE: Autovehicule Rutiere AN: IV

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

Cuprins 1.

Introducere .................................................................................................................................. 3

2.

Memoriu tehnic ........................................................................................................................... 4 2.1. Prezentare generală.................................................................................................................. 4 2.2. Clasificare................................................................................................................................ 9 2.3. Caracteristici.......................................................................................................................... 10

3.

Prezentarea soluției alese… ..................................................................................................... 11

4.

Soluții concurente ..................................................................................................................... 25 4.1 Soluția 1...............................................................................................................................25 4.2 Soluția 2...............................................................................................................................29 4.3 Soluția 3...............................................................................................................................33

5.

Memoriu de calcul .................................................................................................................... 36

6.

Parte grafică .................................................................................................................................. 6.1 Desen de ansamblu 6.2 Desene de execuție

Bibliografie...........................................................................................................................................40

Cărăușan Horațiu

Pag. 2 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

1. Introducere În ultimele decenii s-au făcut reale progrese în ceea ce privește modul în care funcționează precum și efectul pe care îl are un autovehicul asupra mediului. S-au adus îmbunătățiri diverselor subsisteme ce echipează aceste vehicule, printre care se numără și sistemul de injecție. Modul în care combustibilul ajunge în camera de ardere a unui MAI are o importanță deosebită în ceea ce privește performanțele motorului, emisiile dar și regimul de funcționare. Pe parcursul evoluției acestor sisteme s-au traversat mai multe etape ce au avut ca scop determinarea unei forme de introducere cât mai eficiente a combustibilului în camera de ardere si de realizare a unui amestec cât mai omogen al combustibilului cu aerul. Omogenitatea a fost atinsă prin intermediul trecerii de la carburație la sistemele clasice de injecție ce au produs presiuni din ce în ce mai mari, rezultând pulverizări din ce în ce mai fine și amestecuri din ce în ce mai omogene. Toate aceste progrese au avut ca principal efect creșterea performanțelor, reducerea emisiilor, îmbunătățirea responsivității autovehiculelor dar și a experienței de condus în general. În cele ce urmează am să prezint un scurt istoric al acestei evoluții amintite anterior, câteva dintre cele mai des întâlnite sisteme de injecție de generație Common Rail, realizate de unele dintre cele mai mari companii din industrie precum Bosch, Continental, Denso și Delphi. Am să realizez o analiză mai amănunțită a sistemului Delphi DFS adoptat de mai mulți producători de autovehicule dintre care cel mai răspândit este Renault care a echipat atât modelele proprii (Megane, Clio) dar și modele ale firmelor satelit precum Dacia (Logan, Dokker) dar și a firmelor concurente ca și Mercedes (A Klasse, B Klasse). Am să abordez atât aspecte de construcție cât și de funcționare, caracteristici dar și clasarea acestui sistem pe piața actuală. În final urmează și realizarea unui desen de ansamblu dar și a unor desene de execuție precum și realizarea unor calcule de dimensionare.

Cărăușan Horațiu

Pag. 3 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

2. Memoriu tehnic 2.1.

Prezentare generală Injecția reprezintă procesul prin care în camera de ardere se introduce combustibilul necesar

arderii. În general, toate motoarele diesel folosesc sisteme de injecție a combustibilului. În cazul motoarelor pe benzină, putem întâlni atât sisteme de injecție directă (combustibilul este introdus direct în camera de ardere), cât și sisteme de injecție indirectă (vaporii de combustibil sunt amestecați cu aerul înainte de a fi introduși în interiorul cilindrului). Sistemele de injecție cu combustibil au evoluat până la stadiul în care au înlocuit în cele din urmă la motoarele cu aprindere prin scânteie, carburatoarele. Principala diferență între carburatoare și sistemele de injecție, este reprezentată de faptul că în cazul injecției, combustibilul este vaporizat prin intermediul presiunii realizate de o pompă de injecție, în duzele unor organe speciale numite injectoare, pe când în cazul carburației, combustibilul ajunge în camera de ardere prin intermediul unui tub Venturi, și a forței de vacuum creată de piston. Sistemul de injecție a fost proiectat in jurul unor obiective fundamentale ce urmăresc creșterea puterii efective a motorului, eficiența consumului de combustibil, emisii reduse, posibilitatea utilizării combustibililor alternativi, creșterea fiabilității, o mai bună experiență la volan și o mai bună operabilitate a autovehiculului, costuri reduse, posibilitatea diagnosticării sistemului precum și realizarea unor optimizări. Sistemele electronice de injecție reușesc în mare parte să îndeplinească aceste obiective în mod eficient și constant astfel reușind să fie net superioare carburatoarelor. Dezvoltarea sistemului de injecție a fost un proces lung și sinuos însă avantajele acestor sisteme sunt multiple și au avut un efect imens asupra motoarelor cu ardere internă și implicit asupra industriei auto permițând vehiculelor să parcurgă distanțe mari cu un consum mic de combustibil, crescând astfel caracteristicile de maniabilitate ale autovehiculelor. Acest sistem a avut un impact imens și asupra celorlalte tipuri de transport precum și în aplicații industriale.

Figura 1 - Sistem de injecție clasic

Cărăușan Horațiu

Pag. 4 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

Avantaje: Un mai bun răspuns la accelerare , pornire mai ușoară la rece, regim la relanti mai stabil, nevoie scăzută de întreținere, consum mai mic. La MAS, sistemul de injecție directă oferă avantajul de a introduce stratificat combustibilul în camera de ardere având ca rezultat reducerea pierderilor prin pompaj, îmbunătățirea randamentului termic, scăderea emisiilor și a consumului. Totodată, motoarele cu injecție pot funcționa indiferent de înclinare, pe când cele cu carburator nu funcționează în regim optim în pantă sau în rampă. Pe lângă aceste avantaje mai amintim și emisiile mai reduse în cazul celor cu injecție. Istoric: Herbert Akroyd Stuart a fost primul care a dezvoltat primul sistem de injecție asemănător cu unul modern, utilizând o pompă pentru a ghida ulei sub presiune printr-un injector. Acest sistem a fost preluat, adaptat și îmbunătățit de către Bosch și Cummins fiind regăsite mai apoi pe motoare diesel începând cu anul 1920. O utilizare timpurie a sistemului de injecție indirectă se poate regăsi pe un motor Antoinette V8 cu aprindere prin scânteie, montat de către inginerul francez Leon Levavasseur pe diverse aparate de zbor. O altă utilizare apare pe motorul lui Hesselman inventat în 1925, caracterizat de faptul că injecția are rost spre sfârșitul compresiei, iar amestecul era aprins cu ajutorul unei bujii. [1] Primele progrese în domeniul injecției directe au apărut în timpul celui de-al Doilea Război Mondial în domeniul aviației. Printre cele mai moderne aplicații ale acestor sisteme se află motorul Junkers Jumo 210 care echipa faimosul avion Stuka, Daimler-Benz DB 601, BMW 801 și Shvestov ASh-82FN. Motoarele germane cu injecție directă utilizau sisteme Bosch perfecționate pe motoare diesel. Versiuni mai noi ale acestor motoare utilizau primele iterații ale injecției monopunct.[2] Alfa Romeo a fost prima firmă care a adoptat primul sistem de injecție electronică (CaproniFuscaldo) care echipa Alfa Romeo 6C. Acest motor avea 6 injectoare controlate electronic și alimentate de o pompă de presiune medie.

Figura 2 – Alfa Romeo 6C [4]

Cărăușan Horațiu

Pag. 5 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

În cazul motoarelor cu aprindere prin comprimare, sistemele de injecție au fost prezente încă din fazele inițiale și sunt unul din sistemele de bază în jurul căruia se proiectează până și cele mai noi motoare diesel. În cazul acestor motoare, injecția are un efect major asupra emisiilor poluante, astfel încât, injecția electronică a dus la salturi majore în lupta pentru reducerea acestora. Eliminarea carburației: În secolul trecut s-au înăsprit legile anti poluare la nivel global, ceea ce a împins producătorii să adopte sisteme de injecție pe toate tipurile de vehicule aflate în utilizare pe șosele. Reacția inițială a producătorilor de autovehicule a fost de a încerca să modernizeze carburatoarele în scopul atingerii acestor standarde. Rezultatele au fost extrem de complexe și costisitoare, fapt ce a dus la adoptarea sistemelor de injecție. Injecția mecanică: La motoarele cu aprindere prin scânteie, dezvoltarea sistemelor de injecție a trecut prin mai multe etape principale. Am amintit mai sus motorul V8 a lui Leon Levavasseur care a dus la dezvoltarea primului motor V16 care dezvolta 100CP și echipa un monoplan Antoinette VII. Prima utilizare a injecției după Primul Război Mondial a fost pe motorul lui Hasselman (amintit mai sus). În timpul celui de-al Doilea Război Mondial injecția mecanică a fost aplicată tuturor motoarelor ce dezvoltau puteri mari și echipau aparate de zbor de mare viteză. Sistmele de injecție directă utilizate de către germani erau Bosch, sisteme ce urmau mai apoi să deschidă căi în industria auto. Imediat după război, americanul Stuart Hillborn a devoltat sisteme de injecție directă pe mașini de curse ce concurau la Bonneville Salt Flats și stabileau noi recorduri de viteză. Caracteristica acestui sistem Hillborn era un grup de conducte verticale ce ajutau la crearea unor presiuni mari ce introduceau amestecul în camera de ardere. [3]

Figura 3 - Sistem Hillborn [4]

Primul sistem dezvoltat în exclusivitate pentru autovehicule a fost introdus de Bosch pe Goliath si Gutbrod în 1952. În principiu, combustibilul era antrenat de pompă de presiune variabilă ce conducea combustibilul spre injectoare cu presiuni diferite variind în funcție regimul de funcționare.

Cărăușan Horațiu

Pag. 6 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

În 1954 Mercedes Benz au fost primii care au utilizat injecția mecanică în domeniul motorsportului pe Mercedes Benz W196 Formula 1, stabilind un regim de dominație în urma căruia au decis să echipeze și mașinile de serie cu un asemenea sistem de injecție. În 1955 au echipat primul autovehicul de serie cu injecție Figura 4 – Mercedes Benz W196

directă și anume Mercedes Benz 300SL.

În Statele Unite, Chevrolet introduce ca opțiune sistemul de injecție directă pe motorul de 283 inch cubi V8. Acest sistem avea un traseu complicat de conducte ce se întâlneau într-un nod, din care mergeau către fiecare cilindru. În nod era așezată o piesă cu formă de lingură ce pivota către fiecare conductă, sistemul neavând un regim de funcționare pulsatoriu, ci mai degrabă unul continuu în care combustibilul era distribuit constant către cilindrii care aveau nevoie de el. Acesta a fost primul echipat cu o supapă de reglare a presiunii și prima iterație a unei pompe de înaltă presiune antrenată de un cablu de către distribuitor. Acest sistem cu alimentare continuă a fost utilizat în diverse motorsporturi americane precum cursele în ovale și curse în linie dreaptă unde Progresele în acest domeniu s-au realizat în anii ce au urmat pe mașini de curse. În 1956 Lucas a dezvoltat un sistem de injecție fiabil ce a fost preluat de Jaguar și pe care Jaguar le-a utilizat în faimoasa cursă de la LeMans. Între anii 1959 și 1973 mai multe echipe de Formula 1 au adoptat acest sistem printre care ii amintim pe Cooper, BRM, Lotus, Brabham, Matra. Tot aceste sisteme au ajuns și pe mașini de serie Maserati, Aston Martin și Triumph între 1963 și 1975. În 1967 Daihatsu introduce la rândul lor sistemul mecanic de injecție astfel cimentându-se superioritatea globală a sistemului de injecție. Trecerea de la sistemul de injecție mecanică, la cel de injecție electronică a fost făcută tot de către Bosch, pioneri în acest domeniu, purtând numele de Jetronic și care echipa o multitudine de autovehicule europene printre care amintim Porsche 911, Carrera 3.0, 911 RSR, mai multe modele de Audi, BMW 2000/2002, Volkswagen, Peugeot 404/504 și Lancia Fulvia. Un sistem similar cu cel de la Bosch a fost construit de către SPICA pentru Alfa Romeo. Acest sistem a operat între anii 1969 și 1981 și a fost proiectat pentru ca motoarele să întâlnească standardele de emisii elaborate de către SUA, fără a necesita un consum mai mare de combustibil și fără a reduce performanțele motoarelor pe care le echipa.

Cărăușan Horațiu

Pag. 7 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

Injecția electronică: Sistemele mecanice, cu toate că erau mai performante decât carburatoarele, ofereau un nivel limitat de reglaj și optimizare rezultând astfel un nivel mai mare de dificultate în obținerea amestecului optim în cilindru indiferent de regimul de funcționare al motorului (indiferent de altitudine, turație, sarcină, presiune atmosferică, temperatura motorului și la pornire). Așadar, pentru a combate toate aceste dezavantaje, a fost creat un nou sistem numit EFI( Electronic Fuel Injection), sistem care se baza pe o multitudine de senzori și actuatori. Când lucrează împreună, aceste componente electronice pot sesiza anumite schimbări în funcționarea motorului și împreună cu calculatoarele care conțin o hartă, să corecteze injecția în așa fel ca motorul sa funcționeze în condiții optime. Primul sistem EFI comercializat a fost Electrojector, dezvoltat de Bendix Corporation și adoptat de American Motors Corporation în 1957. A fost un sistem extrem de complicat și plin de probleme, însă a reprezentat primul pas în evoluția acestor sisteme. În 1958 Chrysler a adoptat Electrojector-ul și a ales să echipeze câteva modele consacrate din gama sa și anume: 300C, DeSoto, Plymouth Fury: Aceste modele au fost însă bântuite de probleme așadar, Chrysler a luat decizia de a reveni la carburație și de a vinde brevetele la Bosch. Bosch a dezvoltat un nou sistem revoluționar numit D-Jetronic ce echipa automobilul Volkswagen 1600TL/E în 1967. Acesta a fost un sistem ce acționa pe principiul Speed/Density ( se utiliza turația motorului și densitatea de aer din galeria de admisie pentru a se calcula masa de aer necesară a fi introdusă în motor pentru o ardere optimă). Acest sistem a fost mai apoi adoptat de VW, Mercedes-Benz, Porsche, Saab, Volvo. Bosch a urmat acest sistem cu alte două sisteme performante numite K-Jetronic și L-Jetronic.

Figura 4 – Sistem Bosch K-Jetronic

Cărăușan Horațiu

Figura 5 – Sistem Bosch L-Jetronic

Pag. 8 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

2.2.

Clasificare

În funcție de schema constructivă a acestor sisteme de injecție, distingem mai multe soluții și anume: 1. Injecția mono-punct Întâlnim un singur injector aflat după clapeta de accelerație. A fost introdus in 1940 în motoarele mari de avioane iar în 1980 în industria auto de către GM. Ca avantaje amintim faptul că a avut un cost redus de producție și o formă relativ asemănătoare cu cea a sistemului de carburație. 2. Injecția continuă În acest tip de sistem, combustibilul se află într-o mișcare continuă, dar cu un debit variabil. Principala diferență între acest tip de injecție și celelalte variante constructive, este faptul că acest sistem poate fi atât mono- punct cât și multi-punct, dar nu poate fi directă. 3. Injecția multi-punct În această soluție constructivă, combustibilul este introdus pe traseul fiecărei supape de admisie. Acestea pot fi:  Secvențiale – Injecția se face pe rând în fiecare cilindru  

Grupate: - Injecția se face grupat, pe cilindrii care se află la faza de compresie Simultane: - Injecția se face simultan în fiecare cilindru

4. Injecția directă Combustibilul este introdus direct în camera de ardere prin intermediul unui injector, combustibilul fiind antrenat de o pompă de înaltă presiune. Acest tip de injecție a trecut prin mai multe stagii evoluționare , ultimul stagiu fiind cel al injecției Common Rail și al injectoarelor piezoelectrice și a pompelor de înaltă presiune capabile să dezvolte presiuni de 1800-2000 bar în instalația de injecție.

Cărăușan Horațiu

Pag. 9 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

2.3.

Caracteristici

Orice sistem de injecție are în vedere determinarea cantității optime de combustibil necesar arderii și al momentului în care trebuie injectată acea cantitate de combustibil în camera de ardere. Așadar, se pun două probleme fundamentale: 

Cât combustibil este necesar pentru a avea o ardere optimă Sistemul calculează prin diferite procedee cantitatea masică de aer necesară arderii, raportat la sarcina și turația la care operează motorul.



Alimentarea motorului cu acea cantitate de combustibil Combustibilul este luat din rezervor de o pompă de combustibil după care este presurizat prin intermediul unei pompe de înalte și livrat mai apoi prin intermediul unei rampe de alimentare către injectoare.

Principalele componente ale sistemelor de injecție electronice: 

Injectoare

 

Pompă de înaltă presiune Regulator de presiune în rampă

  

Unitate de control și comandă Cablaj Diverși senzori: o Senzori de poziție – Arbore cotit și ax(axe) cu came cu efect Hall o Senzori de oxigen o Senzori de curgere al aerului- MAF ( Mass Air Flow)

Figura 6 – Componentele unui sistem de injecție Common Rail [5]

Cărăușan Horațiu

Pag. 10 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

3. Prezentarea soluției alese Soluția aleasă de mine este cea a producătorului Delphi. Acesta este un sistem întâlnit pe mai multe game de autovehicule dintre care amintim PSA și Renault. Echiparea Delphi se regăsește și pe cunoscutul model Dacia Logan dotat cu motorizarea 1.5 DCi de la Renault. Sistemul Common Rail Delphi a fost proiectat având ca principale obiective :

3.1.

 

Reducerea emisiilor poluante Reducerea consumului de combustibil



Reducerea zgomotului în funcționare



Creșterea performanțelor

Reducerea emisiilor poluante

În comparație cu un motor cu aprindere prin scânteie, amestecul de aer/combustibil într-un motor Diesel, este mult mai puțin omogen. La motoarele cu aprindere prin comprimare, injecția se realizează cu puțin timp înaintea aprinderii amestecului. În principiu, MAC-urile operează cu un exces de aer. Dacă cantitatea de aer admisă în camera de ardere este prea mică, apare o creștere a emisiilor poluante. Pentru a observa influența amestecului asupra emisiilor, este suficient să observăm coeficientul lambda al amestecului aer/combustibil λ . Valorile amestecului pot fi:   

λ < 1 – Deficit de aer, amestec bogat λ = 1 – Amestec de aer stoichiometric (14.7/1) λ < 1 – Exces de aer, amestec sărac [6]

Figura 7 – Influența λ asupra poluanților

Cărăușan Horațiu

Pag. 11 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

Unele motoare diesel sunt echipate cu dispozitive de monitorizare a coeficientului λ , în principal pentru a corecta orice abatere a corecțiilor injectoarelor pe toată durata de viață a motorului Normele anti poluare urmăresc în principal controlul următorilor poluanți:  

Oxizii de azot (NOx) Particule (Pm)



Monoxidul de carbon (CO)



Hidrocarburi nearse (HC)

Figura 8 – Cantitatea de poluanți în funcție de normele de poluare

3.2.

Reducerea consumului de combustibil

În cadrul acestui sistem, reducerea consumului se realizează prin îmbunătățirea controlului combustiei. Acest lucru se materializează prin modificarea coeficientului de aer, cantitatea injectată, avansul la injecție și presiunea de injecție în strânsă corelație cu regimul de funcționare a motorului. În comparație cu sistemele convenționale de injecție, sistemul Common Rail permite ajustarea precisă a parametrilor amintiți mai sus, motorul reușind astfel să se adapteze în parametri optimi cerințelor impuse.[6] Tipul injecției DPC DPC-N EPIC COMMON RAIL

Cărăușan Horațiu

Momentul injecției Stabilit mecanic Controlat electronic Controlat electronic Controlat electronic

Cantitatea injectată Stabilită mecanic Stabilită mecanic Controlată electronic Controlată electronic

Numărul injecțiilor 1 1 1 5

Pag. 12 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

În concluzie injecția directă reușește astfel să crească randamentul motorului prin intermediul reducerii căldurii prin pereții cilindrilor.[6]

Figura 9 – Diferențe constructive între injecția indirectă (stânga) și cea directă (dreapta)

3.3.

Reducerea zgomotului

În timpul combustiei, datorită creșterii extrem de rapide a presiunii în cilindru , ia naștere un zgomot specific. Această presiune se datorează aprinderii rapide și violente a combustibilului. Zgomotul este cel mai pronunțat la turația de relanti și în situația în care motorul este supus unor sarcini ușoare. În cazul motoarelor diesel, aprinderea amestecului nu are loc imediat ce combustibilul a fost injectat în camera de ardere. Acest interval de timp se numește întârziere la aprindere. Creșterea de presiune din interiorul cilindrului cauzează la rândul ei un anumit zgomot care depinde de cantitatea injectată. Așadar, pentru a reduce zgomotul produs de motor, este necesară reducerea întârzierii la autoaprindere prin intermediul creșterii temperaturii și presiunii în interiorul cilindrului astfel: 

Reducerea cantității injectate

 

Preîncălzirea amestecului Recircularea gazelor



Adăugarea injecțiilor secundare - specifice sistemelor Common Rail [6]

Cărăușan Horațiu

Pag. 13 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

3.4.

Creșterea performanțelor

Creșterea cuplului la turații reduse presupune injectarea unei cantități mari de combustibil. Cantitatea injectată este proporțională cu timpul de injecție și presiunea de injecție. În concluzie, presiunea de injecție trebuie ridicată pentru a îmbunătăți pulverizarea combustibilului întrucât timpul de injecție este limitat.

Figura 10 – Influența injecției directe asupra performanțelor motorului

Cărăușan Horațiu

Pag. 14 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

Construcția sistemului

3.5.

Sistemul Common Rail Delphi este alcătuit din: 1. Pompa de transfer – Integrată în carcasa pompei de înaltă presiune 2. Pompa de înaltă presiune – Alimentată de pompa de transfer , presurizând combustibilul 3. Actuator de joasă presiune (IMV- Inlet Metering Valve) – Controlează cantitatea de combustibil transmisă către pompa de înaltă presiune ținând cont de cerințele motorului. 4. Rampă - creează o rezervă de combustibil aflat sub înaltă presiune 5. Injectoare – pulverizează combustibilul în cilindru 6. DCU (Diesel Control Unit) – unitate electronică de control și comandă 7. Actuator de înaltă presiune – monitorizează presiunea înaltă din rampă 8. Senzori  

De presiune în rampă De temperatură a combustibilului

  

De temperatură a aerului Senzor de pedală Accelerometru

 

Senzor de poziție a arborelui cotit Senzor de poziție a axelor cu came

Mai există și alte tipuri de senzori (în cazul sistemelor supraalimentate), însă nu sunt esențiale funcționării sistemelor Common Rail. Pe următoarea pagină am inserat o imagine cu elementele componente ale sistemului Common Rail Delphi. În tabelul de mai jos am scris numele componentelor și indicatorul lor de pe desen.

Cărăușan Horațiu

Pag. 15 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

Figura 11 – Elementele componente ale sistemului de injecție Common Rail

1 2 3 4 5

Supapă de joasă presiune Senzor de temperatură a combustibilului Pompă de înaltă presiune Senzor de presiune în rampă Injector

Cărăușan Horațiu

6 7 8 9

Tub Venturi Senzor de presiune în rampă Rampă Filtru de combustibil

Pag. 16 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

Pompa de injecție Delphi DFP1

3.6.

Pentru a explica principiul de operare al acestei pompe, este necesară precizarea părților componente:  Pompa de transfer  

Pompa de înaltă presiune Actuator de joasă presiune



Supapă limitatoare de presiune

1. Pompa de transfer

Figura 12 – Caracteristica de turație a pompei DFP1

a) Descriere Pompa de transfer preia combustibilul din rezervor, acesta fiind trecut printr-un filtru către pompa de înalte la o presiune de 6 bari. Tehnologia utilizată are următoarele componente: 

Un rotor antrenat de axul pompei de înalte. Momentul este transmis prin canelurile arborelui.



O placă excentrică montată în interiorul carcasei, pe care se găsesc două ghidaje.

 

Un element cu două orificii practicate: una pentru tur și una pentru retur. Patru pale dispuse la 90 de grade, presate de resorturi de suprafața plăcii excentrice. b) Principiu de funcționare Atunci când camera se află în poziția 1, volumul este minim. Variația volumului în raport cu mișcarea unghiulară a rotorului este neglijabilă. Rotorul realizează un sfert de rotație în direcție anti-orară. Camera precedată este acum în poziția 4. Orificiul de intrare este descoperit. Volumul camerei crește rapid iar presiunea scade abrupt, combustibilul pătrunzând în incinta pompei. Rotorul își continuă mișcarea până ajunge în poziția 3. Orificiile de intrare și ieșire sunt complet acoperite. Volumul în incintă, este acum maxim. Rotorul își continuă mișcarea până în poziția 2 în care orificiul de ieșire este descoperit, volumul scade rapid iar presiunea crește iar combustibilul este evacuat sub presiune.[6]

Figura 13 – Componentele pompei de transfer

Cărăușan Horațiu

Pag. 17 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

c) Caracteristicile pompei de transfer

Regulatorul de presiune de transfer controlează mecanic presiunea de transfer prin intermediul unui ansamblu piston/arc care acoperă și descoperă succesiv orificiile de curgere a combustibilului.

Figura 14 – Regulatorul de presiune

Parametru Presiunea de lucru Volumul de combustibil procesat

Valoare Unitate de măsură 6 Bar 90 l/h la 300 RPM

Volum aspirat

650 5.6

Capacitate de aspirație

65

l/h la 2500 RPM cm3 /rotație mBar la 100 RPM

Figura 15 – Pompa de transfer și regulatorul de presiune

Cărăușan Horațiu

Pag. 18 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

2. Pompa de înaltă presiune DFP1 Pompa de înaltă presiune utilizează principiul camei și a pistonului radial. Mecanismul de antrenare al pompei este format din camă și arbore care alcătuiesc un corp comun. Acest subansamblu este pus în mișcare fie de un lanț, fie de o transmisie prin curea, mișcarea de rotație realizându-se într-un corp hidraulic fix. Această soluție constructivă elimină etanșarea dinamică din moment ce presiunea înaltă este realizată în partea fixă a pompei. Lubrifierea este realizată de combustibil.

Figura 16 – Pompa de înaltă presiune DFP1

În cazul motoarelor ce necesită un volum mai mare de combustibil, pompa este echipată cu două camere separate dispuse la 45 de grade. Această dispunere reduce valorile maxime de moment la axul pompei și vibrațiile la valoarea maximă a presiunii. Cama utilizată în această soluție constructivă are 4 lobi, model convențional adoptat de Delphi. Este esențial să specific că în acest caz, pompa nu determină procesul de injecție, așadar, este posibil ca faza de pompare să fie extinsă pentru a reduce momentele, vibrațiile și zgomotul în timpul funcționării pompei. [6] 1 Supapă de joasă presiune 6 Role 2 Pompă de înaltă presiune 7 Pompă de transfer 3 Piston 8 Senzor te temperatură a combustibilului 4 Arbore de antrenare 9 Ieșire de înaltă presiune 5 Camă

Figura 17 – Pompa de înaltă presiune DFP1 secțiune

Cărăușan Horațiu

Pag. 19 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

Principiul de pompare

În timpul fazei de umplere, două arcuri elicoidale, unul pe fiecare piston, mențin contactul între role și camă. Transferul de presiune dintre cele două organe este suficient pentru a deschide supapa de admisie și de a depărta cele două pistoane. În acest mod, spațiul dintre pistoane se va umple cu un volum de combustibil. Atunci când cama apasă rolele cu profilul înalt, pistoanele se apropie, dând naștere unor presiuni mari.

Figura 18 – Faza de umplere

Figura 19 – Supapa de golire

Figura 20 – Supapa de umplere

Atunci când presiunea crește peste valoarea presiunii de transfer (6 bar), supapa de admisie se închide. Când presiunea atinge o valoare peste cea a presiunii nominale în rampă, supapa de evacuare se deschide iar combustibilul este trimis către rampă.

Figura 21 – Faza de golire

Cărăușan Horațiu

Pag. 20 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

3.7.

Injector DFI 1

Injectoarele ce echipează acest sistem au fost construite cu scopul de a reduce atât poluarea, cât și de a ridica performanțele motoarelor pe care le echipează. Acestea fiind spuse, injectoarele trebuie să îndeplinească următoarele condiții: 

Să fie capabile de injecții multiple ( până la 5 pe ciclu)



Să fie capabile să injecteze cantități mici (0,5 mg)

 Să fie capabile să injecteze la presiuni mari (1800 Bar)  Să distribuie combustibilul omogen în camera de ardere. În funcție de generația injectorului, presiunea maximă de injecție ajunge până la valori de 1800 de bari de unde rezultă faptul că pentru a ridica acul injectorului, este nevoie de o forță imensă ce nu poate fi generată prin actuatoare electromagnetice fără un consum imens de energie electrică. Așadar, s-a ales varianta în care o supapă situată deasupra acului regulează presiunea în cameră. Atunci când acul trebuie să se ridice, supapa se deschide permițând presiunii din cameră să ridice acul. Atunci când acul trebuie să coboare, supapa se închide iar depresiunea trage acul în jos. [6] 1. Alcătuire Injectorul este format din:  Un corp prevăzut cu tur (cavitație) și retur.   

O duză și un ac injector O bobină integrată în corpul injectorului Un conector aflat în partea superioară

 

O cameră de control cu orificii calibrate O supapă



O piuliță

Figura 23 – Cap injector

Figura 24 – Vârf injector

Cărăușan Horațiu

Figura 22 – Injectorul

Pag. 21 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

2. Principiul de funcționare Combustibilul sub presiune trece prin corpul injectorului inundând mai întâi camera de comandă ce regulează urcarea și coborârea acului injector, apoi acesta trece în spațiul de acumulare a combustibilului iar în cele din urmă ajunge la supapa regulatoare.

Figura 25 – Injecția propriu-zisă Roșu – Înaltă presiune (rampă)

Numărul injectorului 1 2 3 4 5

Verde- Joasă presiune

Poziția supapei Închisă În curs de deschidere Deschisă În curs de închidere Închisă

Portocaliu – Presiune de injecție

Poziția acului Închis Închis În curs de deschidere Deschis Închis

Starea injecției Fără injecție Fără injecție Începutul injecției Sfârșitul injecției Fără injecție

1 Injecție pilot 2 Injecție principală Ia Curent la început Im Curent de menținere T0 Durata curentului la început T1 Durata curentului la menținere Figura 26 – Curentul la injecție

Cărăușan Horațiu

Pag. 22 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

3.8.

Vedere de ansamblu asupra sistemului. Circuitul hidraulic și alte elemente

Figura 27 – Circuitul hidraulic

Cărăușan Horațiu

Pag. 23 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

Figura 28 – Rampă

Figura 29 – Senzor de presiune în rampă 1 – Combustibil sub presiune 2 - Membrană

Figura 30 – Supapă de înaltă presiune

Figura 31 – Unitate de control DCU

Cărăușan Horațiu

Pag. 24 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

4. Soluții concurente 4.1.

Soluția 1 – Sistemul de injecție Continental

Am ales ca primă soluție concurentă sistemul Continental ce echipează modelele Golf, Jetta cu motorizările diesel 1.6l CAYC. Aceste sisteme sunt asemănătoare ca și construcție dar diferă la partea de injecție a combustibilului , cel Continental, bazându-se pe principiul piezo-electric.[7]

Figura 32 – Sistemul de injecție Continental

Cărăușan Horațiu

Pag. 25 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

1. Pompa de înaltă presiune - are o arhitectură asemănătoare cu cea a sistemului Delphi:

Figura 33 – Pompa de înaltă presiune Continental

Figura 35 – Supapă regulatoare

Figura 34 – Pompa de înaltă presiune Continental (secțiune)

Cărăușan Horațiu

Pag. 26 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

2. Injectorul

Figura 36 – Injector piezo Continental

NEACTIVAT: Combustibilul ajunge în camera de comandă și în cea de înaltă presiune prin intermediul conductei de tur aflate sub presiune. Forța F1 care acționează asupra pistonului de control este mai mare decât forța F2 care acționează asupra acului injector. Duzele sunt obturate. Arcul închide returul cu ajutorul pistonului de control pentru a preveni combustibilul să iasă din injector atunci când motorul nu funcționează. ACTIVAT: Actuatorul piezo este activat și se dilată. Supapa coboară și apasă pe arc, conectând camera de control cu cea de retur. Acest lucru reduce presiunea în camera de comandă. Forța hidraulică F2 la duze este acum mai mare decât forța F1 aplicată de pistonul de control. Acul injector se ridică iar combustibilul este injectat în camera de ardere.[7]

Figura 37 – Identificare injectoarelor

Cărăușan Horațiu

Pag. 27 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

3. Alte elemente

Figura 38 – Rampă de combustibil

Figura 39 – Supapă regulatoare de presiune

Figura 40 – Unitate de comandă

Cărăușan Horațiu

Pag. 28 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

4.2.

Soluția 2 – Sistemul Bosch

Sistemul Bosch echipează vehicule de toate tipurile, însă sistemul prezentat va fi cel EDC 16 întâlnit pe mașinile premium din grupul VAG dar și pe mașini low cost precum cele construite de Ford din care amintim Focus și Mondeo. [5] 1. Pompa de injecție Pompa ce echipează sistemul EDC 16 este pompa BOSCH CP3, cu cea mai mare răspândire în industria auto.

Figura 41 – Bosch CP3

Pompa CP a trecut prin mai multe generații, însă cea mai eficientă și răspândită este CP3. Ce diferă în principal între aceste generații este presiunea de injecție: Generația Generația 1 Generația 2 Generația 3

Cărăușan Horațiu

Presiunea de injecție Până la 1350 Bar Până la 1600 Bar Până la 2000 Bar

Pag. 29 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

Figura 42 – Bosch CP3 și CP1

Diferența principală dintre pompa de transfer BOSCH și cele prezentate anterior, este arhitectura acesteia, principiul de pompare fiind cel de angrenare a două roți dințate:

Figura 43 – Pompa de transfer BOSCH CP3

Cărăușan Horațiu

Pag. 30 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

2. Injectorul Injectoarele pot fi acționate fie prin solenoid, fie prin efect piezo- electric

NR

Componenta

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Arc Spațiu distribuit pentru supapă Restrictor retur Armătură Retur Conexiune electrică Solenoid Tur (de la rampă) Sfera supapei Restrictor tur Pistonul supapei Cale de admisie duze Volumul camerei Acul injector

Ca funcționare, injectorul BOSCH seamănă cu cel Denso, singurul lucru ce le deosebește fiind arhitectura lor și dimensiunile diferite.

Figura 44 – Injector BOSCH

Cărăușan Horațiu

Pag. 31 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

3. Alte elemente

Figura 45 – Sistemul de injecție BOSCH

Cărăușan Horațiu

Pag. 32 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

4.3.

Soluția 3 – Sistemul de injecție Denso

Sistemul Common Rail DENSO a fost primul CR dezvoltat vreodată. Patentul acestui sistem a fost achiziționat de către Alfa Romeo care au fost primii care au echipat un autovehicul cu un asemenea sistem. În ziua de azi, DENSO produce sisteme CR pentru brand-uri japoneze precum Mazda, Toyota, Nissan.[8]

Figura 46 – Sistemul de injecție DENSO

Cărăușan Horațiu

Pag. 33 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

1. Pompa de injecție – HP3, HP4

Figura 47 – Pompa de injecție DENSO

Figura 48 – Pompa de transfer DENSO

Cărăușan Horațiu

Pag. 34 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

2. injectorul Injectoarele ce însoțesc sistemele de injecție DENSO sunt de mai multe feluri:

Figura 49 – Injector de tip X1

Figura 50 – Injector de tip X2

Cărăușan Horațiu

Pag. 35 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

5. Memoriu de calcul

Cărăușan Horațiu

Pag. 36 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

Cărăușan Horațiu

Pag. 37 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

Cărăușan Horațiu

Pag. 38 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

[9] [10]

Cărăușan Horațiu

Pag. 39 | 40

UNI VERSI TATEA TEHNI CA FACULTATEA DE MECANI CA DEPARTAMENTUL AUTOVEHI CULE RUTI ERE SI TRANSPORTURI

Bibliografie [1] Hartmann G -"Les moteurs et aéroplanes Antoinette" [2] Welshans T. , "A Brief History of Aircraft Carburetors and Fuel Systems" enginehistory.org. ,US: Aircraft Engine Historical Society. [3] Ingraham, Joseph C. -"Automobiles: Races; Everybody Manages to Win Something At the Daytona Beach Contests" [4] http://hilborninjection.com/product/331-chrysler-fuel-injector/ [5] http://www.yildiz.edu.tr/~sandalci/dersnotu/AKTraining.pdf [6] http://www.fordiag.cz/docs/tdci/45713112-common-rail-manual.pdf [7] https://www.pdfcoke.com/document/342366359/SSP-442-1-6L-TDI-Engine-With-Common-RailInjection-System [8] http://www.denso-am.com/products/automotive-aftermarket/diesel-components/common-railcomponents/ [9] Turcoiu T. , "Echipamente de injectie pentru motoarele cu ardere interna" [10] Bobescu Gh. ,Cofaru C. , "Motoare pentru automobile si tractoare"

Cărăușan Horațiu

Pag. 40 | 40