il controllo del motore diesel

[munro]

IL CONTROLLO DEL GASOLIO
Come abbiamo detto nella precedente guida i motori diesel aspiranno sempre il massimo della aria a disposizione al netto dell efficienze volumetriche.

Quindi i motori diesel non controllano la loro "presa d'aria" tramite una valvola a farfalla come i benzina ma motore deve essere controllato dal carburante iniettato.

Non ? possibile far aspirare il combustibile ad un diesel,come accade nei motori a benzina perch? il gasolio deve essere inserito quando il cilindro ha schiacciato l'aria. Cos? il gasolio viene iniettato nel cilindro.
La pressione e la temperatura d'aria nel cilindro ? molto alta (al termine dello schiacciamento) in modo che il combustibile deve essere iniettato ad alta pressione.
quindi:

L'ECU sa quanto carburante iniettare perch? sa quanta aria c'? nel cilindro.

e questa in gergo viene detta "quantit? di carburante di iniezione" (per quantit?).

precedentemente abbiamo detto che nel motore preso in esame(vw1.9 tdi pd) Il cilindro contiene 474 mg di aria.Il Diesel brucia per avere il massimo rendimento con circa 14,6 mg di aria per 1 grammo di carburante. Quindi, 474 mg di aria bruceranno in modo efficiente 32,5 mg di gasolio. (474 / 14,6)

Questo non significa che gli iniettori iniettano 32,5 mg di carburante per corsa (mg / corsa).
32,5 mg / corsa ? il massimo ideale, assumendo una alimentazione normale aria e rispettando un dato rapporto Air Fuel(aria-carburante)
Se gli iniettori iniettano pi? di 32,5 mg / corsa, parte del combustibile non bruciar? correttamente e uscir? del motore come fumo nero. (Questo ? spesso descritto come il limite di fumo).

Gli iniettori possono iniettare qualsiasi quantit? di carburante inferiore a 32,5 mg / corsa e questo ? quello che fanno.

Al minimo gli iniettori possono iniettare pi? o meno 6,0 mg / corsa di gasolio.

Per aumentare la velocit? del motore aumenter? la quantit? di iniezione gasolio

La quantit? di iniezione ? controllato da una mappa nella centralina. I driver wish per la velocit? del motore che in pi? ? controllata dal pedale dell'acceleratore.

Al minimo il pedale dell'acceleratore viene impostato a 0%, in modo che nessun iniezione EXTRA si verificher?.
Quando ? completamente premuto (a pieno gas) il pedale dell'acceleratore sar? premuto del 100%.
Quindi l'ECU riceve un segnale che varia tra 0% e 100%.

Se si preme il 30% del pedale acceleratore l'ecu consulta le mappe driver wish e controlla la quantit? necessaria di iniezione e inietta tale importo.
semplice.
Purtroppo questo non ? proprio cos? semplice, in quanto i motori diesel in realt? non misurano la quantit? di carburante che si inietta "a valle degl'iniettori.l'ecu si fa dei calcoli algoritmici "a monte" ma in realt? l'iniezione di carburante ? molto complicata,quindi questa ? una spiegazione fatta molto semplicemente.

Immaginate un iniettore di combustibile come una siringa caricata con 100 mg di carburante.
Il conducente preme il pedale dell'acceleratore per il 30%. L'ecu consulta le mappe driver wish e decide di iniettare 16 mg di carburante.abbastanza semplice...

MA...Quando si inietta il carburante? e sopratutto per quanto tempo l'iniezione deve durare?

I progettisti di motori misurarano il tempo della durata iniezione in gradi di rotazione dell'albero motore. ? per questo che si sente la gente che f? riferimento alla fasatura del motore.

Il punto ideale di iniettare il carburante ? generalmente considerato come il punto morto superiore. Questo ? il punto in cui entrambe le valvole sono generalmente chiuse e l'aria ? stato schiacciata al massimo.

TDC ? spesso definito come una "finestra temporale" in gradi in anticipo rispetto al punto morto superiore (PMS) o in gradi dopo il punto morto superiore. Entrambi sono la stessa cosa,sono solo l'opposto dell'altro.

Quindi 4? BTDC ? la stessa cosa che di -4? dal PMS. ( noi useremo solo BTDC qui)

tornando alla durata per iniettare 16mg di carburante si richieder? un certo tempo (durata apunto) e perch? il pistone sta andando su e gi?, ? necessario un punto di INIZIO DI INIEZIONE.(il quando che dicevamo prima)
Supponiamo ora che 2mg di carburante vengano iniettati in 1 grado di rotazione dell'albero motore (? gradi radiali)
Supponendo che il tempo migliore di iniezione ? a 0? al PMS e per 16mg si avr? bisogno di 8? di durata
l'iniezione sar? necessariamente anticipata a 8? prima del PMS, invece che a 0? al PMS.
Cos? l'inizio dell'iniezione (SOI) deve essere avanzata o anticipata di 8 gradi di rotazione dell'albero motore.

Cos? l'ECU per decidere deve consultare le sue mappe in funzione della

Quantit? di iniezione richiesta dalla posizione dell'acceleratore e stabilire
la durata d'iniezione ricavata con la quantit? di iniezione
e l'avvio iniezione o Soi sempre calcolato dalla quantit? di iniezione.
Cos? una precisa quantit? di carburante viene iniettato per la corretta quantit? di tempo (? GR), partendo esattamente in tempo.
La centralina pu? essere sicura di questo, perch? i sensori albero motore e albero a camme la informano con maggiore precisione delle posizioni del pistone. Queste misure finiscono sul cruscotto della velocit? del motore misurata in giri al minuto (rpm).

Se soltanto per? la vita era davvero cos? semplice l'ecu non avrebbe bisogno di calcolatori molto potenti per stabilire in base a semplici parametri cosa fare...perch? se il motore funzionasse sempre con una precisa temperatura e pressione dell'aria, le cose sarebbero molto semplici.

MA...non ? possibile ignorare le leggi della fisica.E i gas e i liquidi si comportano diversamente a diverse temperature e pressioni.
Cos? l'ECU deve contenere mappe di correzione per i cambiamenti di temperatura e pressione.
Le variazioni di pressione non riguardano la maggior parte delle persone che vivono in prossimit? del ****llo del mare.le temperature invece interessano tutti, perch? tutti i motori all'avviamento sono freddi e poi si scaldano.
In un motore freddo si inietta pi? carburante di quel che si dovrebbe per una serie di motivi.
A motore caldo,quindi l'ecu deve sapere che il motore non ? piu freddo per smettere di iniettare pi? carburante. Questo pu? apparire come un consumo di carburante maggiore e pi? fumo dallo scarico.
per questo in ecu esistono delle mappe di correzione.

[thekid]

bellisima guida molto tecnica ma anche spiegata in modo semplice cosi che anche un appassionato ma non "adetto ai lavori" possa capirla davvero complimenti munro pure io che cmq avevo molto chiaro il funzionamento di un motore diesel ecc mi ? stata illuminante sopratutto per quanto rigaurda le quantit? e i calcoli per determinare alcuni valori.

[bart]

Bravo munro!

[Team elettronica]

bella spiegazione complimenti

[munro]

ragazzi non fatemi troppi complimenti..se n? mi ci abituo....questi "scritti" provengono da un p? di info raccolte in giro che ho cercato di rendere fruibili e comprensibili per tutti...niente di che...*****unque grazie a tutti.....

[arenalu]

Ciao e complimenti per la spiegazione: vorrei ampliare la discussione sul limite di fumosit?; non sono sicuro ma credo che un diesel cominci a fumare con rapporto al di sotto di 17.. 18:1; non ho ancora capito, quale sia il limite oltre il quale non si guadagna potenza.
Cerco di fare un esempio; diciamo che per non fumare, la casa madre stabilisca un rapporto minimo (a piena potenza di 17:1); chi fa tuning , a parit? di portata aria, pu? aumentare il gasolio/cyclo per ottenere pi? potenza e qundi risulter? un rapporto inferiore (Ex. 14:1); probabilemnte la macchina fumer?;
fino a che valore di rapporto (Ex. 13:1 o 12:1 ) si otterr? un aumento di potenza?

[munro]

la trattazione di un argomento anche abbastanza complesso come il rapporto stechiometrico del diesel non pu? essere racchiusa al semplice rapporto afr in se...cio? non si pu? stabilire a priori quale sia il rapporto afr piu idoneo per un dato motore in generale ma i casi vanno analizzati da motore a motore...perche anche in due motori perfettamente identici basterebbe cambiare la temperatura o la pressione dell'aria o del gasolio per ottenere dei risultati completamente diversi tra loro....il mio consiglio e,se lo vuoi ascoltare,di cercare delle trattazioni un p? piu tecniche su questo aspetto nel motore diesel....al di l? della semplice argomentazione da me postata in questo ambito perche questa non ha la pretesa di insegnare nulla anzi il mio intento e proprio quello di cercare di spingere tutti coloro che ne sono interessati ad approfondire questi argomenti ed a dedurne le proprie conclusioni in merito...

[chicco]

Ottima guida e sopratutto ottimo modo di spiegarla, complimenti.

[munro]

comunque se volete approfondire l'argomento potete leggere queste righe estrapolate da un pdf che si trova anche in rete....e premetto come sempre che quanto scritto non ha in alcun modo la pretesa di spiegare tutto quanto c?? da sapere in merito. Vuole solo essere una introduzione per chi, appassionato di auto, di scienza e tecnica o solo curioso, ha voglia di approfondire o imparare qualcosa di nuovo.

Al fine di ottenere un buon processo di combustione del carburante all?interno della camera di combustione, le caratteristiche della carica iniettata sono di primaria importanza.
Il veloce e ?intimo? miscelamento del carburante con l?aria, come anche la capacit? di tale miscela di occupare quanto pi? volume possibile tra quello a disposizione, sono assolutamente necessari per raggiungere l?obiettivo.
Le strade percorse dai progettisti per ottenere tali effetti sono almeno due:

- La cura della fluidodinamica con lo studio dei moti di squish, tumble e swirl;
- Lo studio della formazione dello spray e le sue caratteristiche.

La formazione di finissime goccioline ? di estrema importanza. L?evaporazione ? infatti un processo superficiale, di conseguenza, la velocit? con cui lo stesso volume liquido passa allo stato vapore pu? essere aumentata aumentando la superficie liquida a disposizione. Questo permette una rapida formazione della miscela aria combustibile e una pi? completa combustione.da questo si evince che ad esempio in camera di combustione il rapporto tra aria e gasolio pu? variare da 0 all'interno di una microgoccia di carburante incombusta all'infinito in zone dove ce solo aria che non interagisce col combustibile....
Il processo di atomizzazione quindi ? molto complesso; dipende infatti dall?interazione dello spray con l?aria all?interno del cilindro, che si traduce in un bilancio di forze tra il getto liquido e l?aria. Ovviamente hanno un ruolo importante anche le caratteristiche chimico-fisiche del liquido stesso.

Lo studio di tali fenomeni non ? semplice, e i modelli matematici esistenti sono per lo pi? empirici.
Si ? ipotizzato che la formazione dello spray avviene in due fasi:

- L?atomizzazione primaria;
- L?atomizzazione secondaria.

La superficie del getto liquido uscente dall?ugello, viene messo in rapida oscillazione. Queste oscillazioni, che sono funzione anche delle caratteristiche geometriche dell?ugello, vengono amplificate dall?interazione del liquido con l?aria. Quando la loro intensit? supera un certo valore limite, avviene la frantumazione del getto, detta appunto atomizzazione primaria.
Le gocce cos? formate subiscono l?azione di diverse forze, che dipendono dalla velocit? delle gocce stesse, (che dipende a sua volta dalla pressione di alimentazione ma anche dalla viscosit? del gasolio), ma anche da altre caratteristiche del carburante (densit?, tensione superficiale). Queste forze determinano una seconda frammentazione delle gocce, fenomeno noto come atomizzazione secondaria.
Per quanto scritto si pu? dire che la formazione dello spray, oltre ad essere funzione delle caratteristiche geometriche dell?ugello (tra cui il diametro dei fori ma non solo), dipende da:

- Pressione di iniezione (aumentano la velocit? delle gocce ma anche l?intensit? delle forze aerodinamiche);
- Pressione interna dell?aria nel cilindro;
- Propriet? del combustibile;
Ma anche dalla durata dell?iniezione.

Ovviamente oltre alla formazione di particelle di piccola dimensione, va considerata come detto in precedenza, la capacit? dello spray di occupare il maggiore volume possibile.
Di ci? si tiene conto attraverso due parametri, la penetrazione dello spray e l?angolo di apertura del cono di spray.

- La penetrazione aumenta all?aumentare del diametro della goccia;
- Aumenta all?aumentare della pressione di iniezione (solo fino a un certo punto poich? ad alte pressioni si ha formazione di particelle molto piccole che evaporano facilmente);
- Al ridursi della contropressione (questo effetto ? forse pi? importante sul cono di spray).
Ma vediamo in che modo questi parametri agiscono.

Dipendenza dalla pressione:





In breve, nel grafico ? mostrato l?andamento della lunghezza di penetrazione dello spray in funzione della pressione di alimentazione e del tempo di iniezione, per un ugello di tipo VCO con fori da 200um di diametro.
Come aspettato vi ? una chiara differenza tra 60, 100 e 130MPa nelle lunghezze dello spray , come anche nel coefficiente angolare dei best-fit. Anomalo pu? invece apparire l?andamento dei dati sperimentali tra 130 e 160MPa, dove non si notano evidenti differenze.
Ci? ? probabilmente dovuto alla maggiore evaporazione delle gocce prodotte a 160MPa, che quindi non possono penetrare a lungo nel cilindro

Dipendenza dal tipo di ugelli:






Il test condotto su due tipi di ugelli (VOC e mini-sac) , con diametro dei fori variabile tra 0.1 - 0.15 e 0.2 mm, ha mostrato un minore grado di penetrazione da parte degli ugelli di tipo VOC di pari dimensione.
Ci? ? probabilmente dovuto a una maggiore capacit? nebulizzante da parte dei VOC, che si trasforma in un migliore tasso di evaporazione del gasolio.

L?analisi potrebbe andare avanti su innumerevoli parametri. La forma dello spray ? infatti dipendente anche dalla durata dell?iniezione, dalla temperatura dell?aria nel cilindro a parit? di pressione (anche se non molto) e da altri fattori quali le caratteristiche chimico fisiche del carburante.
Va ricordato che, sebbene si possano ipotizzare le condizioni di densit?, viscosit? e tensione superficiale del carburante, come valori presenti in condizioni normali (1Atm e 25?C), le condizioni cambiano alle temperature e alle pressioni di esercizio tipicamente presenti in un iniettore, compresa la densit?, che per i liquidi e comunemente considerata costante, data la tipica incomprimibilit? dei liquidi, ma che a 1600-2000 bar subisce delle variazioni.
Non volendo appesantire la trattazione, che vuole essere solo un approccio valido per tutti, si pu? in definitiva dire che, quando si effettua una modifica ai parametri di iniezione (tempi, anticipi di iniezione, pressione rail,) ma anche alla pressione turbo, tutto si pu? dire, tranne che fare una previsione su come verr? modificato lo spray.

Spero di non avere tralasciato nulla di importante nel tentare di semplificare un discorso di per se molto articolato.

[munro]

per completezza di info bisogna anche sapere che l'effettivo funzionamento di un diesel e profondamente diverso dai "cugini" a benzina e troppo spesso si tende a equiparare il motore diesel hai motori ad accensione comandata.
Il gasolio non si "accende" facilmente rispetto ad altri combustibili almeno a temperature "umane" quindi il motore diesel e di fatto concettualmente differente dal funzionamento del motore ad accensione spontanea ed ? quindi diverso pensare che la scintilla da l'accensione come in un motore a benzina.
a differenza del motore a benzina in cui si deve determinare precisamente quando deve scoccare una scintilla per tempo e nel momento preciso,in modo che si da inizio all 'accensione della miscela aria/benzina,il motore diesel si basa su un meccanismo meno preciso di accensione della carica comburente/combustibile e lo f? per compressione, ecco perch? il diesel e anche noto come motore ad auto-accensione.
Una delle quattro fasi termodinamiche del ciclo diesel, la corsa di compressione, ? dove
l'aria fresca aspirata o immessa forzatamente nel cilindro viene "schiacciata" in esso.
Quando ? compressa l'aria subisce un "trasformazione isoentropica" propio per effetto della compressione,
un termine di fantasia termodinamico che descrive quello che gi? sappiamo:l'aria si riscalda quando viene "schiacciata".
Fondamentalmente, forzando l'aria in uno spazio molto pi? piccolo questa diventer? calda...molto calda.

Questa "trasformazione isoentropica" ? calcolata da equazioni termodinamiche che prevedono l'andamento di temperatura e pressione alla fine di una compressione "semplicemente" in base al rapporto di compressione dei motori,e della temperatura di aspirazione e della pressione,prima della compressione del pistone ci sar? una "gamma" di rendimenti ? rapporti dei calori specifici e delle pressioni all'interno del cilindro per il gas che viene compresso.questo a grandi linee....

E da tenere presente comunque che la temperatura dell'aria quando viene "spremuta" nel nostro motore
ad elevato rapporto di compressione(leggasi diesel) la carica della stessa nel cilindro pu? raggiungere
temperature che vanno dai 600 a 900 gradi celsius prima che la combustione vera ? propia abbia inizio.
Dopo le temperature di combustione possono brevemente raggiungere dai 1500 ai 2600 gradi..
Tra l'altro,per? si devono calcolare le perdite di calore alle pareti del cilindro della testa del pistone ecc,e anche un p? di blow-by quindi una leggera perdita di compressione,per cui la temperatura e la pressione effettiva sar? un po'inferiore quindi il nostro motore una volta compressa la carica d'aria,e i suoi pistoni saranno vicino al punto morto superiore,l'ecu comander? l'iniezione di un "colpo" misurato con precisione di
una quantit? di nebbia di gasolio di dimensioni di pochi micron sotto straordinaria pressione.

Il gasolio liquido finemente atomizzato entra anch'esso riscaldato in camera di combustione dove abbastanza velocemente inizia ad evaporare ed e solo a questo punto che si ha luogo all'accensione vera e propia che procede in quanto diesel liquido non ? combustibile (da non confondere con"Infiammabile")quindi nel momento preciso in cui il gasolio entra in contatto con l'aria riscaldata non si ha un'immediata combustione come per la benzina ma trascorre un certo lasso di tempo che dipende anche dal tipo di accendibilit? che ha il gasolio.
Questo carburante, come ogni combustibile ha dei tratti di combustione molto specifici.
La durata della combustione varia a seconda delle caratteristiche chimiche specifiche immobili come ottano,
eptano e cetano, pi? macro-propriet? fisiche, quali la qualit? di atomizzazione e la temperatura di
vaporizzazione ecc,quindi L'evento di combustione ? estremamente complicato da cumuli di variabili
dinamiche e di condizioni e anche le temperature finali dell'aria di carica nel cilindro influiscono sulla combustione come vedremo in seguito.

Quindi avevamo detto che come il combustibile viene iniettato nel cilindro ad alta pressione, polverizza in
piccole gocce di nebbia e comincia ad evaporare come si allontana dal'iniettore.
Il rapporto carburante-aria in qualsiasi punto nel cilindro pu? variare quindi da quasi zero, in un punto senza
carburante, all'infinito, all'interno di una non-vaporizzato goccia di carburante. In generale il rapporto aria-carburante ? elevato vicino alla punta dell'iniettore e man mano che si allontana da questo cambia, ma a causa della complessit? del processo della miscelazione il rapporto aria-carburante non cambia uniformemente all'interno del cilindro.
La combustione per? pu? verificarsi solo entro un campo relativamente stretto del rapporto carburante-aria
quindi se il rapporto ? troppo basso,non c'? abbastanza carburante per alimentare la combustione o se viceversa il rapporto ? troppo alto,non c'? aria a sufficienza che si tradurr? in fumo nero allo scarico.