UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI BOLOGNA
FACOLTA’ DI INGEGNERIA
Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica
Disegno Tecnico Industriale
STUDIO DI MASSIMA DI UN BANCO PROVA PER
INIETTORI DIESEL COMMON RAIL
Tesi
Tesi di
di laurea
laurea di:
di:
Relatore:
Relatore:
MARCO
MARCO BARNABÈ
BARNABÈ
Prof.
Prof. Ing.
Ing. LUCA
LUCA PIANCASTELLI
PIANCASTELLI
Correlatori:
Correlatori:
Prof.
Prof. Ing.
Ing. GIANNI
GIANNI CALIGIANA
CALIGIANA
Prof.
Prof. Ing.
Ing. ALFREDO
ALFREDO LIVERANI
LIVERANI
ANNO
ANNO ACCADEMICO
ACCADEMICO 2002-2003
2002-2003
OBIETTIVI DELLA TESI:
• Progettazione di un banco prova
per iniettori Diesel common rail
• Realizzazione del banco prova
VINCOLI:
• Maggiore economicità di
realizzazione possibile
• Compattezza e semplicità
UTILITÀ DEL PROGETTO
Lo studio in oggetto costituisce la base di un progetto di
ricerca che utilizzerà il banco realizzato per test ed
ottimizzazioni dell’iniezione common rail
Il banco sarà interfacciato a un PC
tramite schede hardware della National
e pilotato tramite il software Labview
• Estrema versatilità grazie al
controllo tramite PC
• Bassissimo costo
ELETTROINIETTORE
Alimentazione ad altissima pressione 1400 bar. Elettriniettore servoassistito idraulicamente:
c’è una valvola pilota che, indirettamente, comanda l’apertura dello spillo.
Le forze in gioco e la loro crescita devono essere così forti da compensare tutte le forze
meccaniche resistenti ⇒ DRIVER costosi, materiali magnetici particolari, esenti da
correnti parassite.
ATTUAZIONE INIETTORE
13 A
20 A
Livelli tipici di corrente:
Corrente media di picco (bypass): Ib = 20A
Ripple sulla corrente di picco (bypass): ∆Ib = 3A
Corrente media di mantenimento (hold): Ih = 13A
Ripple sulla corrente di mantenimento (hold): ∆Ih = 4A
∆Ib
Tempi tipici di attuazione:
∆ Ih
Ib
Ih
Profili di corrente variabili con
elevata dinamica, alti valori della
corrente di attuazione.
Tonh
Tonb
Toff 1
Tperb
Tboost
Tbypass
Energizing Time: ET = 160µs ÷ 2ms
Tempo di lancio (boost): Tboost = 82µs
Tempo di picco (bypass): Tbypass = 80µs ÷ 350µs
Tempo di decadimento corrente picco / manten.: Toff1 = 11µs
Tempo di manten. (hold): Thold = ET – Tboost – Tbypass – Toff1
Tempo di decadimento corrente dal valore di manten.: Toff2 ≅ 45µs
Tperh
Toff 2
Thold
ET
L’ elettroiniettore common rail richiede quindi:
• Complesso circuito di alimentazione carburante ad alta pressione
• Complesso apparato elettronico di comando
BANCHI PROVA COMMERCIALI
STRUTTURA
FUNZIONALE:
• Unità di ottenimento
dell’ alta pressione e
gestione dei flussi di
carburante
• Unità elettronica di
simulazione e
generazione segnali e di
rilevazione delle
grandezze di interesse
BANCHI PROVA COMMERCIALI
• Funzioni integrate in
un’ unica complessa
ma versatile macchina
• Sistema composto da
più unità distinte
acquistabili
separatamente
COSTI MOLTO ELEVATI:
Da 70000 € per le soluzioni più semplici fino
a 130000 € per i banchi prova di punta
PROGETTAZIONE
• Unità di ottenimento dell’alta pressione e gestione flussi di
carburante progettata attorno ai componenti del sistema
d’iniezione del motore Fiat 1.9 JTD common rail
• Unità elettronica provvisoria, per testare il funzionamento del
banco, costituita dalla centralina automobilistica e dal numero
minimo di sensori che essa richiede per funzionare.
Unità
meccanica
(circuito
carburante e
trasmissione)
Unità
elettronica
PROGETTAZIONE
Il nostro banco ricalcherà il circuito di alimentazione
carburante del motore 1.9 JTD Fiat, in modo da
sfruttare I componenti a disposizione in laboratorio
Alta pressione
• Circuito di bassa
pressione (2,5 bar)
alimentato da una
elettropompa
• Circuito di alta
pressione (1400 bar)
alimentato dalla
pompa CP1
• Alimentazione slegata
dall’iniezione,
presenza di ricircoli di
carburante
Bassa pressione
PROGETTAZIONE
L’elettronica da noi utilizzata è ridotta al minimo
indispensabile
• Sensore di pressione rail e
regolatore di pressione. Queste
due unità collegate con la
centralina forniscono un loop di
regolazione della pressione nel
rail.
• Sensore del numero di giri e
sensore di fase. Questi due
sensori forniscono alla centralina
le informazioni necessarie per
decidere in che cilindri iniettare e
la durata di iniezione.
La mancanza di tutti gli altri sensori non consente l’ottimizzazione
dell’iniezione, per il nostro scopo ciò non crea alcun problema.
COMPONENTI A DISPOSIZIONE
•
•
•
•
•
•
Pompa di alta pressione CP1
Rail
Iniettori
Pulegge della trasmissione
Ruota fonica dell’albero motore
Sensore di fase dell’albero a camme
PROGETTAZIONE
La pompa CP1 richiede all’albero motore 4Kw nelle
condizioni di massima velocità e pressione.
Un motore elettrico di tale potenza
dotato di inverter ha un costo molto
elevato
Azioniamo il banco col tornio,
che offre:
• Potenza e regolazione di velocità sufficienti
• Facile prelevamento del moto dal mandrino
• Montaggio sicuro e posizionamento regolabile del
banco sul carro del tornio.
PROGETTAZIONE SUPPORTO
Struttura di alluminio ad L che ospita i componenti del
sistema di iniezione e li collega alla base del tornio
• Progettato rispettando il layout originario dei componenti del
motore Fiat JTD.
• Affinamento per revisioni successive mirate a contenere i costi,
ridurre gli ingombri e perfezionare la funzionalità.
Pompa CP1
Puleggia motrice
540 x 470 x 400 mm
350 x 460 x 400 mm
300 x 200 x 380 mm
TRASMISSIONE
Puleggia n.1
condotta calettata
sull’albero della
pompa CP1
1
3
Puleggia n.3
motrice montata
direttamente sul
mandrino del
tornio
2
Puleggia n.2
dell’albero a camme
folle, inclusa nella
trasmissione per
prelevare il segnale del
sensore di fase
CALCOLO DELLE FORZE
Condizioni di massimo assorbimento della pompa:
4 Kw a 4000 rpm albero motore.
T=
P
4000
=
= 303,3N
r • ω 0,0315 • 418,6
F1 = T
M1 = T • r1 = 16,3Nm
F2 = 2 • T • cos 25° = 549,7 N
σ max = 27 MPa
Comune lega di alluminio:
Rm = 280 Mpa
Rp0,2 = 180 Mpa
Non ci sono problemi di
resistenza
MONTAGGIO RUOTE
La puleggia motrice con i
relativi accessori sarà montata
sul mandrino del tornio
La ruota fonica è necessaria
per la misura della velocità
Ruota fonica
Puleggia motrice
MONTAGGIO RUOTE
Montaggio della puleggia folle tramite singolo
cuscinetto sere 3202 a doppia corona di sfere.
• Ralla esterna fissata con un coperchio
in uno scasso realizzato sulla piastra
• Ralla interna fissata all’albero della
ruota stretta su uno spallamento da
una vite M6.
REALIZZAZIONE
•
•
•
•
Le piastre costituenti il supporto sono state modellate tramite Cad 3D
I cicli di lavorazione sono stati pianificati tramite software Cam.
Le lavorazioni sono state effettuate automaticamente con una fresa Cnc.
Verificati gli accoppiamenti le piastre sono state saldate.
Dimensioni supporto: 300 x 200 x 380 mm
REALIZZAZIONE
I componenti assial simmetrici sono stati realizzati al tornio
Albero della
puleggia 2
Puleggia motrice
con accessori
Cuscinetto
Puleggia 2
Le staffe di supporto del rail, del sensore di ruota fonica e il
supporto delle bottiglie graduate sono stati realizzati al momento
del montaggio con materiale reperito in laboratorio.
ALLESTIMENTO
Circuito di alta pressione - trasmissione
La pompa CP1, i componenti della trasmissione, il rail e gli iniettori
sono stati montati nelle sedi predisposte
Iniettori
Pompa CP1
Trasmissione
Contenitori graduati
Rail
Contestualmente è stato realizzato il piano di supporto per i contenitori graduati
ALLESTIMENTO
Fissaggio sul tornio
•
•
•
•
Albero motore stretto sul mandrino
Supporto fissato alla base del tornio tramite blocchetti e bulloni M8
Registrazione tensione cinghia agendo sui volantini del tornio
Sensori di ruota fonica e di albero a camme accuratamente fasati
Sensore albero a camme
Sensore numero giri
ALLESTIMENTO
Circuito di bassa pressione
Il circuito di bassa pressione è
costituito per lo più da componenti
commerciali
Valvole di non ritorno
Pompa di bassa con
serbatoio provvisorio
Filtro
• Il serbatoio e costituito da un
contenitore metallico
• La pompa di bassa pressione
originale Fiat ci è stata fornita
dal centro Diesel di lugo.
• Il filtro è stato trovato presso un
ricambista locale, non necessita
di supporto filtro, è stato
adattato all’utilizzo su un
sistema common rail.
ALLESTIMENTO
Circuito di bassa pressione
Ritorno al serbatoio
• Ricircolo dopo il filtro
attraverso una valvola di non
ritorno da 2,5 bar
• Ricircolo in mandata della
pompa CP1 (regolatore di
pressione)
• Ricircolo degli iniettori
(trafilamento e quantità di
comando)
• Tutti i ricircoli convergono ad
un piccolo collettore e
convogliati al serbatoio
Mandata
ALLESTIMENTO
Elettronica
Batteria
Cablaggio
Centralina
Schemi
impianto
• Il cablaggio è stato
collegato a sensori,
attuatori e centralina
• L’impianto è
alimentato da una
batteria a 12V
• Il cablaggio è stato
decifrato grazie al
complicato schema
elettrico
• Sono stati collegati
all’alimentazione i
contatti
corrispondenti al
primo giro di chiave
PROVA DEL BANCO
La prova del banco ha
dimostrato:
• Una perfetta funzionalità della trasmissione meccanica
• Una perfetta funzionalità del circuito di carburante
• Impianto elettrico non funzionante a causa del sistema
antifurto immobilizer
CONCLUSIONI
Gli obiettivi della tesi sono pienamente raggiunti col
funzionamento della parte meccanica ed idraulica del sistema.
Purtroppo lo sviluppo del progetto di controllo tramite PC
della costruzione meccanica oggetto della mia tesi può
proseguire con una solo parziale validazione sperimentale.
Possibili soluzioni del problema riscontrato:
• Completare il cablaggio con un blocco chiave e relativi
accessori
• Utilizzare un sistema elettronico commerciale di controllo
degli iniettori per validare il banco prova realizzato
