UNIVERSITAUNIVERSITA’’ DEGLI STUDI DI BOLOGNADEGLI STUDI DI BOLOGNA

FACOLTAFACOLTA’’ DI INGEGNERIADI INGEGNERIA

Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica

Disegno Tecnico Industriale

STUDIO DI MASSIMA DI UN BANCO PROVA PER INIETTORI DIESEL COMMON RAIL

Tesi di laurea di: Relatore:

MARCO BARNABÈ Prof. Ing. LUCA PIANCASTELLI

Correlatori:

Prof. Ing. GIANNI CALIGIANA

Prof. Ing. ALFREDO LIVERANI

ANNO ACCADEMICO 2002-2003

STUDIO DI MASSIMA DI UN BANCO PROVA PER INIETTORI DIESEL COMMON RAIL

Tesi di laurea di: Relatore:

MARCO BARNABÈ Prof. Ing. LUCA PIANCASTELLI

Correlatori:

Prof. Ing. GIANNI CALIGIANA

Prof. Ing. ALFREDO LIVERANI

ANNO ACCADEMICO 2002-2003

OBIETTIVI DELLA TESI: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

UTILITUTILITÀÀ DEL PROGETTODEL PROGETTOLo studio in oggetto costituisce la base di un progetto di Lo studio in oggetto costituisce la base di un progetto di

ricerca che utilizzerricerca che utilizzeràà il banco realizzato per test ed il banco realizzato per test ed

ottimizzazioni dellottimizzazioni dell’’iniezione common iniezione common railrail

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

Alimentazione ad altissima pressione 1400 bar. Alimentazione ad altissima pressione 1400 bar. Elettriniettore servoassistito idraulicamenteElettriniettore servoassistito idraulicamente: : cc’è’è una valvola pilota che, indirettamente, comanda luna valvola pilota che, indirettamente, comanda l’’apertura dello spillo.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.

ELETTROINIETTOREELETTROINIETTORE

ATTUAZIONE INIETTOREATTUAZIONE INIETTORE

ET

TboostTbypass

Tperb

Thold

Tperh

Tonb

Toff 1Toff 2

Tonh

Ib

Ih

∆Ib

∆ Ih

Livelli tipici di corrente: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

Tempi tipici di attuazione:Tempi tipici di attuazione: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

Profili di corrente variabili con elevata dinamica, alti valori della corrente di attuazione.

• Complesso circuito di alimentazione carburante ad alta pressione• Complesso apparato elettronico di comando

L’ elettroiniettore common rail richiede quindi:

20 A20 A 13 A13 A

BANCHI PROVA COMMERCIALIBANCHI PROVA COMMERCIALI

• 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

STRUTTURA STRUTTURA

FUNZIONALE:FUNZIONALE:

BANCHI PROVA COMMERCIALIBANCHI PROVA COMMERCIALI

•• Funzioni integrate in Funzioni integrate in

unun’’ unica complessa unica complessa

ma versatile macchinama versatile macchina

•• Sistema composto da Sistema composto da

pipiùù unitunitàà distinte distinte

acquistabili acquistabili

separatamenteseparatamente

COSTI MOLTO ELEVATI:COSTI MOLTO ELEVATI:

Da 70000 € per le soluzioni più semplici fino a 130000 € per i banchi prova di punta

PROGETTAZIONEPROGETTAZIONE•• UnitUnitàà di ottenimento delldi ottenimento dell’’alta pressione e gestione flussi di alta pressione e gestione flussi di

carburante progettata attorno ai componenti del sistema carburante progettata attorno ai componenti del sistema

dd’’iniezione del motore Fiat 1.9 JTD common iniezione del motore Fiat 1.9 JTD common railrail

•• UnitUnitàà elettronica provvisoria, per testare il funzionamento del elettronica provvisoria, per testare il funzionamento del

banco, costituita dalla centralina automobilistica e dal numero banco, costituita dalla centralina automobilistica e dal numero

minimo di sensori che essa richiede per funzionare.minimo di sensori che essa richiede per funzionare.

UnitUnitàà

elettronicaelettronica

UnitUnitàà

meccanicameccanica(circuito (circuito

carburante e carburante e

trasmissione)trasmissione)

PROGETTAZIONEPROGETTAZIONE

• 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

Il nostro banco ricalcherIl nostro banco ricalcheràà il circuito di alimentazione il circuito di alimentazione

carburante del motore 1.9 JTD Fiat, in modo da carburante del motore 1.9 JTD Fiat, in modo da

sfruttare I componenti a disposizione in laboratoriosfruttare I componenti a disposizione in laboratorio

Alta pressioneAlta pressione

Bassa pressioneBassa pressione

PROGETTAZIONEPROGETTAZIONE

•• Sensore di pressione Sensore di pressione rail rail e e regolatore di pressione.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 del numero di giri e sensore di fase.sensore di fase. Questi due sensori forniscono alla centralina le informazioni necessarie per decidere in che cilindri iniettare e la durata di iniezione.

LL’’elettronica da noi utilizzata elettronica da noi utilizzata èè ridotta al minimo ridotta al minimo indispensabileindispensabile

La mancanza di tutti gli altri sensori non consente l’ottimizzazione dell’iniezione, per il nostro scopo ciò non crea alcun problema.

COMPONENTI A DISPOSIZIONECOMPONENTI A DISPOSIZIONE

• Pompa di alta pressione CP1

• Rail

• Iniettori

• Pulegge della trasmissione

• Ruota fonica dell’albero motore

• Sensore di fase dell’albero a camme

PROGETTAZIONEPROGETTAZIONELa pompa CP1 richiede allLa pompa CP1 richiede all’’albero motore 4Kw nelle albero motore 4Kw nelle

condizioni di massima velocitcondizioni di massima velocitàà e pressione.e pressione.

Un motore elettrico di tale potenza Un motore elettrico di tale potenza

dotato di dotato di inverter inverter ha un costo molto ha un costo molto

elevatoelevato

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 SUPPORTOPROGETTAZIONE SUPPORTO

• 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.

Struttura di alluminio ad L che ospita i componenti del Struttura di alluminio ad L che ospita i componenti del sistema di iniezione e li collega alla base del torniosistema di iniezione e li collega alla base del tornio

540 x 470 x 400 mm

350 x 460 x 400 mm 300 x 200 x 380 mm

Puleggia motricePuleggia motrice

Pompa CP1Pompa CP1

TRASMISSIONETRASMISSIONE

3

12

Puleggia n.1 condotta calettata sull’albero della

pompa CP1

Puleggia n.3 motrice montata direttamente sul

mandrino del tornio

Puleggia n.2 dell’albero a camme

folle, inclusa nella trasmissione per

prelevare il segnale del sensore di fase

CALCOLO DELLE FORZECALCOLO DELLE FORZECondizioni di massimo assorbimento della pompa:

4 Kw a 4000 rpm albero motore.

Nr

PT 3,303

6,4180315,0

4000=

•=

•=

ω

NmrTM 3,1611 =•=TF =1

NTF 7,54925cos22 =°••=

MPa27max =σ

Comune lega di alluminio:

Rm = 280 Mpa

Rp0,2 = 180 Mpa

Non ci sono problemi di

resistenza

MONTAGGIO RUOTEMONTAGGIO 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 fonicaRuota fonica Puleggia motricePuleggia motrice

MONTAGGIO RUOTEMONTAGGIO RUOTE

• 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.

Montaggio della puleggia folle tramite singolo cuscinetto sere 3202 a doppia corona di sfere.

REALIZZAZIONEREALIZZAZIONE• 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:Dimensioni supporto: 300 x 200 x 380 300 x 200 x 380 mmmm

REALIZZAZIONEREALIZZAZIONE

I componenti assial simmetrici sono stati realizzati al tornio

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.

Albero della

puleggia 2Puleggia motrice

con accessori

Cuscinetto

Puleggia 2

ALLESTIMENTOALLESTIMENTO

La pompa CP1, i componenti della trasmissione, il rail e gli iniettori

sono stati montati nelle sedi predisposte

Contestualmente è stato realizzato il piano di supporto per i contenitori graduati

Circuito di alta pressione - trasmissione

Pompa CP1Pompa CP1

RailRail

IniettoriIniettoriTrasmissioneTrasmissione

Contenitori graduatiContenitori graduati

ALLESTIMENTOALLESTIMENTOFissaggio 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 cammeSensore albero a camme

Sensore numero giriSensore numero giri

ALLESTIMENTOALLESTIMENTO

• 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.

Il circuito di bassa pressione è

costituito per lo più da componenti

commerciali

Circuito di bassa pressione

Pompa di bassa con Pompa di bassa con

serbatoio provvisorioserbatoio provvisorio FiltroFiltro

Valvole di non ritornoValvole di non ritorno

ALLESTIMENTOALLESTIMENTO

• 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

Circuito di bassa pressione

MandataMandataRitorno al serbatoioRitorno al serbatoio

ALLESTIMENTOALLESTIMENTOElettronica

• Il cablaggio è stato collegato a sensori, attuatori e centralina

• L’impianto èalimentato 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

BatteriaBatteria

CablaggioCablaggio

CentralinaCentralina

SchemiSchemi

impiantoimpianto

PROVA DEL BANCOPROVA DEL BANCO

• Una perfetta funzionalità della trasmissione meccanica

• Una perfetta funzionalità del circuito di carburante

• Impianto elettrico non funzionante a causa del sistema antifurto immobilizer

La prova del banco ha

dimostrato:

CONCLUSIONICONCLUSIONI

• 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

Gli obiettivi della tesi sono pienamente raggiunti col Gli obiettivi della tesi sono pienamente raggiunti col

funzionamento della parte meccanica ed idraulica del sistema. funzionamento della parte meccanica ed idraulica del sistema.

Purtroppo lo sviluppo del progetto di controllo tramite PC Purtroppo lo sviluppo del progetto di controllo tramite PC

della costruzione meccanica oggetto della mia tesi può della costruzione meccanica oggetto della mia tesi può

proseguire con una solo parzialeproseguire con una solo parziale validazionevalidazione sperimentale.sperimentale.

Possibili soluzioni del problema riscontrato: