ITTO20000918A1 - Dispositivo di controllo della portata di una pompa ad alta pressionein un impianto di iniezione a collettore comune del combustibile di un - Google Patents

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pressure pump
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Stefano Maria Borrione
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Fiat Ricerche
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Description

D E S C R I Z I O N E
del brevetto per invenzione industriale
La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo di controllo della portata di una pompa ad alta pressione in un impianto di iniezione a collettore comune del combustibile di un motore a 'combustione interna, in cui la pompa ad alta pressione è cilindrata costante ed è alimentata di combustibile a opera di una pompa a bassa pressione del tipo a portat e pressione variabile.
Come è noto, nei moderni motori a combustione interna ad iniezione, ciascun iniettore viene alimentato mediante combustibile ad alta pressione da un collettore comune, comunemente chiamato "common rail". Il collettore è alimentato da una pompa ad alta pressione, in genere a pistoni, la quale viene alimentata con il combustibile dell'usuale serbatoio di combustibile, tramite una pompa a bassa pressione.
Normalmente la pompa a bassa pressione porta il combustibile ad una pressione dell'ordine di alcuni bar, mentre la pressione del combustibile nel collettore può raggiungere valori dell'ordine di 1500 bar. Normalmente la pompa ad alta pressione è azionata dallo stesso albero del motore a combustione interna, tramite una cinghia di trasmissione del moto o equivalenti (ingranaggi), mentre la pompa a bassa pressione è azionata da un proprio motore elettrico a corrente continua o equivalenti (motori "brushless"), per cui essa costituisce un'elettropompa.
A causa del carico variabile del motore a combustione interna nel suo funzionamento, le due pompe devono essere dimensionate per garantire sempre la quantità di combustibile richiesta dagli iniettori nelle condizioni più gravose, ossia con il motore a pieno carico e/o ad alta velocità, con perdite di combustibile per trafilamenti, ed in qualsiasi condizioni di temperatura esterna e del combustibile nel serbatoio. Il combustibile pompato in eccesso da ciascuna pompa, attraverso corrispondenti valvole di controllo della pressione e condotti di scarico, viene riportato nel serbatoio .
La pompa ad alta pressione nel suo funzionamento assorbe quindi sempre il massimo dell'energia, che deve essere fornita dal motore a combustione interna. Inoltre, a causa del riscaldamento del combustibile dovuto alla dissipazione del calore dovuto al salto di pressione nell'usuale valvola di regolazione della pressione di tale pompa, il combustibile scaricato nel serbatoio tende a far salire la temperatura del combustibile da pompare. Il combustibile diventa quindi più fluido e, a causa dei maggiori trafilamenti di combustibile, ad esempio tra pistoni e cilindri, fa diminuire il rendimento volumetrico della pompa.
Sono noti diversi tipi di dispositivi di controllo della portata della pompa ad alta pressione per impianti di iniezione a collettore comune. In un tipo noto di dispositivi di controllo, viene variata la portata della pompa, variando meccanicamente la cilindrata della pompa mediante variazione della corsa dei pistoni, ad esempio la corsa di aspirazione. I meccanismi per variare tale corsa risultano però di funzionamento molto complicato e di fabbricazione costosa. Inoltre, la limitazione della corsa di aspirazione dei pistoni, nella corsa di compressione, provoca degli urti della camma di azionamento contro i pistoni, per cui la pompa è soggetta a frequenti guasti o rotture.
Sono anche noti dei dispositivi di controllo della portata di una pompa ad alta pressione a cilindrata costante, in cui viene variata la quantità di combustibile inviata a tale pompa di alta pressione. In un dispositivo noto, tale quantità dì combustibile viene variata tramite una valvola di regolazione, disposta sulla mandata della pompa a bassa pressione, in modo da variare la sezione di passaggio del combustibile.
Questi dispositivi noti di controllo presentano l'inconveniente di risultare di costruzione costosa e di funzionamento poco affidabile. Infatti, sia i diaframmi che la valvola richiedono costi aggiuntivi sia per la fabbricazione che per i relativi controlli in uso. Inoltre, in questi dispositivi, specie nel funzionamento al minimo del motore, non può essere garantita un'alimentazione di combustibile uguale per tutti pistoni della pompa ad alta pressione. Pertanto il funzionamento della pompa risulta squilibrato, e la pompa è soggetta a rapido deterioramento.
Scopo dell'invenzione è quello di realizzare un dispositivo di controllo della portata della pompa ad alta pressione, che sia della massima semplicità ed economicità, e garantisca la massima efficienza e sicurezza di funzionamento, eliminando gli inconvenienti sopra elencati per i dispositivi noti.
Secondo l'invenzione, questo scopo viene raggiunto da un dispositivo dì controllo della portata dì una pompa ad alta pressione in uri impianto di iniezione a collettore comune del combustibile di un motore a combustione interna, in cui detta pompa ad alta pressione è a cilindrata costante ed è alimentata di combustibile ad opera di una pompa a bassa pressione del tipo a portata e pressione variabile, caratterizzato dal fatto di comprendere una strozzatura disposta sul lato di aspirazione di detta pompa ad alta pressione, e mezzi per controllare detta pompa a bassa pressione per variare la pressione del combustibile a monte di detta strozzatura tra un valore massimo previsto ed un valore minimo previsto e tale da modulare a sua volta la portata del combustibile aspirato da detta pompa ad alta pressione in un intervallo prestabilito.
In particolare, detta pompa a bassa pressione è un'elettropompa, e detti mezzi comprendono un'unità di controllo elettronico atta a ricevere segnali indicativi delle condizioni di funzionamento del motore, detta unità di controllo essendo atta a controllare detta elettropompa in funzione di detti segnali.
Per una migliore comprensione dell'invenzione viene qui descritta una forma preferita di realizzazione, fatta a titolo esemplificativo con l'ausilio degli annessi disegni, in cui:
- la figura 1 è uno schema di un impianto di iniezione a collettore comune, incorporante il dispositivo di controllo della portata della pompa ad alta pressione secondo l'invenzione;
- la figura 2 è uno schema di una pompa ad alta pressione dell'impianto di iniezione; e
-- la figura 3 è un diagramma della variazione di portata della pompa a bassa pressione.
Con riferimento alla figura 1, con 1 è genericamente indicato un impianto di iniezione del tipo a collettore comune, ossia del tipo a "common rail", per un motore a combustione interna 2, ad esempio a ciclo diesel. Il motore 2 comprende una pluralità di cilindri 3 ed un albero motore 4, indicato con linee a tratto e punto in figura 1. L'impianto di iniezione 1 comprende una pluralità di iniettori 5.a comando elettromagnetico, associati ai cilindri 3 ed atti ad iniettare in essi il combustibile ad alta pressione.
Gli iniettori 5 sono collegati ad un contenitore 6 costituente il collettore comune, il quale è alimentato con combustibile ad alta pressione da una pompa ad alta pressione 7 del tipo meccanico a cilindrata costante, tramite un condotto di mandata 8. A sua volta, la pompa ad alta pressione 7 è alimentata da una pompa a bassa pressione 11 azionata da un motore elettrico a corrente continua, per cui essa sarà in seguito chiamata elettropompa. Tra l'elettropompa 11 e la pompa ad alta pressione 7 è disposto un condotto di mandata 12 dell'elettropompa 11 ed un filtro 13 del combustibile. L’elettropompa 11 è collegata all'usuale serbatoio 15 del combustibile, tramite un condotto schematicamente indicato con 14. In realtà l'elettropompa 11 è disposta nel serbatoio 15, immersa nel combustibile. Nel serbatoio 15 sbocca un condotto di scarico 16, che convoglia il combustibile in eccesso scaricato dall'elettropompa 11 attraverso .una valvola di sovrapressione 17.
Una parte del combustibile del condotto mandata 12, attraverso dei condotti di lubrificazione, schematicamente indicati con 20, lubrifica i meccanismi della pompa ad alta pressione 7 e si scarica nel condotto di scarico 16. Inoltre, tra il condotto dr mandata 8 ed il condotto di scarico 16, è disposto un regolatore di pressione 19, il quale viene controllato come sarà visto in seguito, e scarica l'eventuale combustibile in eccesso pure nel condotto di scarico 16. Il condotto 16 convoglia inoltre il combustibile di scarico utilizzato dagli iniettori 5 e, attraverso una valvola di sicurezza 21 di limitazione della pressione, l'eventuale combustibile in eccesso accumulato nel collettore 6 in caso di avaria del sistema di controllo e regolazione della pressione.
La pompa ad alta pressione 7 comprende una serie di elementi .pompanti, ciascuno formato da un pistone 22 mobile di moto alterno in un corrispondente cilindro 23. Ad esempio, la pompa 7 può essere del tipo noto a tre cilindri 23 radiali (figura 2), ciascuno in comunicazione, attraverso un proprio condotto di ingresso 24 ed una corrispondente valvola di non ritorno 25, con un distributore 26 in comunicazione col condotto di mandata 12 dell'elettropompa 11. Costruttivamente il distributore 26 è in genere costituito da una scanalatura anulare predisposta tra due parti del corpo della pompa 7.
Inoltre, ciascun cilindro 23 è munito di una valvola di mandata 27, attraverso cui invia il combustibile ad alta pressione al condotto di mandata 8 verso il collettore 6. I pistoni 22 sono azionati da un eccentrico comune 28 portato da un albero 29, il quale viene ruotato dall'albero motore 4 (figura 1) in modo noto, tramite ingranaggi di trasmissione e/o riduzione del moto o equivalenti (cinghie).
Nel serbatoio 15, il combustibile è alla pressione atmosferica. In uso, l'elettropompa 11 comprime il combustibile a bassa pressione, ad esempio dell'ordine di 2-5 bar. A sua volta, la pompa-ad alta pressione 7 comprime il combustibile in modo da portare il combustibile nel collettore comune 6 fino ad una pressione,dell'ordine di 1500 bar.
A loro volta, gli iniettori 5 sono controllati da un'unità 31 di controllo elettronico, la quale può essere rappresentata dall'usuale centralina a microprocessore di controllo del motore 2. L'unità di controllo 31 è atta a ricevere dei segnali indicativi delle condizioni di funzionamento del motore 2, quali la posizione del pedale dell'acceleratore 32 rilevata da un sensore 33, il numero di giri del motore 2 rilevata da un sensore 34 di una ruota fonica 36 dell'albero.motore 4, la pressione del combustibile nel collettore comune 6 rilevata da un sensore di pressione 37, ecc. Elaborando i segnali ricevuti in base ad un apposito programma, l'unità di controllo 31 controlla l'istante e la durata dell'azionamento dei singoli iniettori 5, nonché il regolatore di pressione 19.
Secondo l'invenzione, il dispositivo di controllo comprende una strozzatura 41 disposta sul lato di aspirazione della pompa ad alta pressione 7, e mezzi per controllare la pompa a bassa pressione 11 per variare la pressione del combustibile a monte della strozzatura 41 tra un valore massimo previsto ed un valore minimo previsto e tale da modulare a sua volta la portata del combustibile aspirato dalla pompa ad alta pressione 7 in un intervallo prestabilito.
In particolare, la strozzatura 41 è disposta sul condotto di mandata 12, ossia all'ingresso della pompa ad alta pressione 7, ma a valle della derivazione dei condotti di lubrificazione 20. I mezzi di controllo della pompa a bassa pressione 11 comprendono l'unità di controllo 31 la quale è atta a controllare la pressione del combustibile di mandata dell'elettropompa 11 in funzione di suddetti segnali, in modo da variare la portata di combustibile nel condotto 12 in ingresso della pompa ad alta pressione 7. In tal modo la pompa ad alta pressione 7 lavora a portata variabile,. senza generare alcuna sovrapressione e sostanzialmente senza generare alcuno scarico di combustibile in eccesso verso il serbatoio 15.
La pressione del combustibile di mandata dell 'elettropompa 11 viene regolata in modo da tenere sostanzialmente costante la pressione del combustibile all'ingresso della pompa ad alta pressione 7. A tale scopo, l'unità di controllo 31, tramite una linea 38, invia all'elettropompa 11 un segnale atto a controllare la corrente di alimentazione del relativo motore elettrico, variando così direttamente la pressione del combustibile di ingresso nella pompa ad alta pressione 7.
In alternativa, l'unità di controllo 31 può inviare all'elettropompa 11 un segnale atto a controllare la tensione di alimentazione dell'elettropompa 11, che come è noto è di più facile realizzazione. In tal modo viene variata la portata del combustibile di ingresso nella pompa ad alta pressione 7, e quindi la pressione a monte della strozzatura 41.
Poiché il campo di regolazione richiesto per la portata della pompa ad alta pressione 7 nel funzionamento del motore 2 è molto vasto, ad esempio in un rapporto da 1 a 10, la regolazione dell'elettropompa di bassa pressione 11 dovrebbe avvenire in un campo corrispondentemente vasto. Per ridurre il campo di regolazione dell'elettropompa 11, è stata fissata la portata massima prevista di combustibile per alimentare la pompa ad alta pressione 7. Indi è stata fissata una portata minima di tale combustibile, pari ad una predeterminata frazione della portata massima. Vantaggiosamente la portata massima del combustibile è stata scelta dell'ordine di 80 litri/ora, e la portata minima del combustibile è stata scelta pari alla metà del valore massimo, ossia dell'ordine di 40 litri/ora.
Inoltre, sul lato di aspirazione della pompa ad alta pressione 7, a monte della stessa o al suo interno, è disposta una strozzatura 41 dimensionata in modo tale da richiedere un aumento di pressione a monte della strozzatura 41 stessa per modulare la portata del combustibile all'ingresso della pompa ad alta pressione 7. In particolare la strozzatura 41 può essere disposta sul condotto di mandata 12 dell'elettropompa 11, tra il filtro 13 e la pompa ad alta pressione 7.
Si è constatato che, al variare della portata entro i limiti sopra indicati, la pressione assoluta a monte della strozzatura 41 è proporzionale alla portata stessa, come indicato in figura 3. In particolare, la pressione assoluta del combustibile di mandata è compresa tra un valore massimo, quando la portata di combustibile è quella massima prevista, ed un valore minimo quando tale portata è la minima prevista. Sulla base dei risultati di accurate sperimentazioni·,<: >i-1 diametro della strozzatura 41 può essere scelto in modo da richiedere, per la portata di 80 litri/ora di combustibile, una pressione assoluta di 2,5 bar, e per la portata minima di 40 litri/ora di combustibile, una pressione assoluta di 0,6 bar.
La pressione assoluta del combustibile nel condotto 12 viene rilevata da un sensore di pressione 39 disposto sul condotto 12 a monte della strozzatura 41 e monitorata dall'unità di controllo 31, per cui il controllo dell'elettropompa 11 da parte dell'unità 31 può essere fatto semplicemente a retroazione.
In .base alle portate ed alle corrispondenti pressioni assolute sopraindicate, si può calcolare, e verificare sperimentalmente in modo noto e quindi non descritto in dettaglio, che, per tenere la pressione di ingresso della pompa ad alta pressione ad un valore dell'ordine di alcuni bar (2-3 bar), il diametro del condotto 12 può essere scelto pari a, o maggiore di, 3 mm, mentre il diametro della strozzatura 41 può essere scelto pari a circa 0,9 mm.
Poiché la pompa ad alta pressione 7 (figura 2) è munita di tre cilindri 23, quando la portata di combustibile richiesta è piccola, l’alimentazione del combustibile ai singoli cilindri 23 potrebbe risultare squilibrata. Secondo una variante dell'invenzione, al posto dell'unica strozzatura 41 disposta sul condotto 12 a monte del distributore 26, in ciascun condotto 24 dei cilindri può essere predisposta una strozzatura 42 (figura 2) tale da garantire in modo uniforme l'alimentazione di ciascun cilindro 23 con una pressione di alimentazione costante, variando la portata del combustibile con una variazione della pressione di mandata dell'elettropompa 11, come visto prima.
Da quanto visto sopra risultano evidenti i vantaggi del dispositivo di controllo dell'invenzione rispetto ai dispositivi noti. Innanzitutto, la portata variabile della pompa ad alta pressione viene ottenuta agendo solo sulla pompa di bassa pressione, praticamente senza aggiunta di meccanismi. Inoltre, tale regolazione si effettua regolando semplicemente l'energia elettrica di alimentazione del motore elettrico della pompa di bassa pressione. Infine, grazie alla strozzatura 41, o alle strozzature 42, viene ridotto il campo di regolazione dell'elettropompa 11.
Si intende che al dispositivo di controllo descritto possono essere apportate varie modifiche e perfezionamenti senza uscire dall'ambito . delle rivendicazioni. Ad esempio, il dispositivo di controllo dell'impianto di iniezione può essere controllato da un'unità di controllo elettronico separata dalla centralina di controllo del motore. Inoltre, può essere soppresso il regolatore di pressione 19 della pompa ad alta pressione 7. Infine, la pompa ad alta pressione può essere di tipo diverso di quella di figura 2.

Claims (16)

  1. R IV EN D ICA Z ION I 1. Dispositivo di controllo della portata di una pompa ad alta pressione in un impianto di iniezione (1) a collettore comune del combustibile di un motore a combustione interna (2), in cui detta pompa ad alta pressione (7) è a cilindrata costante ed è alimentata di combustibile ad opera di una pompa a bassa pressione (11) del tipo a portata e pressione variabile, caratterizzato dal fatto di comprendere una strozzatura (41, 42) disposta sul lato di aspirazione di detta pompa ad alta pressione (7), e mezzi (31) per controllare detta pompa a bassa pressione (11) per variare la pressione del combustibile a monte di detta strozzatura (41, 42) tra un valore massimo previsto ed un valore minimo previsto e tale da modulare a sua volta la portata del combustibile aspirato da detta pompa ad alta pressione (7) in un intervallo prestabilito.
  2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui detta pompa a bassa pressione è un'elettropompa (11), caratterizzato dal fatto che detti mezzi comprendono un'unità di controllo elettronico (31) atta a ricevere segnali indicativi delle condizioni di funzionamento del motore (2), detta unità di controllo (31) essendo atta a controllare detta elettropompa (11) in funzione di detti segnali.
  3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detta unità di controllo (31) è atta a ricevere dei segnali indicativi della pressione del combustibile a monte di detta strozzatura (41, 42) ed a controllare detta elettropompa (11) a retroazione.
  4. 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 2 o 3, caratterizzato dal fatto che detta unità di controllo (31) è atta a controllare la corrente di alimentazione di detta elettropompa (11), per variare direttamente la pressione del combustibile a monte di detta strozzatura (41, 42).
  5. 5. Dispositivo secondo la rivendicazione 2 o 3, caratterizzato dal fatto che detta unità di controllo (31) è atta a controllare la tensione di alimentazione di detta elettropompa (11), per variare la portata di mandata del combustibile verso detta strozzatura (41, 42) in modo da far variare la pressione del combustibile a monte di detta strozzatura (41, 42).
  6. 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detta unità elettronica (31) è atta a controllare detta elettropompa (11) tra una portata massima prevista ed una portata minima prevista, mediante una variazione di pressione a monte di detta strozzatura (41, 42) tra detto valore massimo, quando detta portata è quella massima prevista, e detto valore minimo, quando detta portata è la minima prevista.
  7. 7. Dispositivo secondo una -delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta strozzatura (41, 42) è disposta a monte di detta pompa ad alta pressione (7) o dentro detta pompa ad alta pressione (7).
  8. 8. Dispositivo secondo la rivendicazione 7, in cui tra detta elettropompa (11) e detta pompa ad alta pressione (7) è disposto un condotto di mandata (12) di detta elettropompa (11), caratterizzato dal fatto che detta strozzatura (41) è disposta su detto condotto di mandata (12) .
  9. 9. Dispositivo secondo la rivendicazione 7, in cui detta pompa ad alta pressione (7) è munita di un numero di elementi pompanti (22, 23), e comprende un numero di condotti di ingresso (24) di detti elementi pompanti (22, 23) in comunicazione con un condotto di mandata (12) di detta elettropompa (11), caratterizzato dal fatto che detta strozzatura (42) è disposta su ciascuno di detti condotti di ingresso (24).
  10. 10. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 6 a 9, caratterizzato dal fatto che detta portata minima viene scelta pari ad una frazione di detta portata massima.
  11. 11. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 6 a 10, caratterizzato dal fatto che detta portata minima viene scelta pari alla metà di detta portata massima.
  12. 12. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 6 a 11, caratterizzato dal fatto che detta portata di combustibile in detto condotto di mandata (12) varia tra 80 e 40 litri/ora.
  13. 13. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 6 a 12, caratterizzato dal fatto la variazione di portata di combustibile in detto condotto di mandata (12) è sostanzialmente proporzionale alla variazione di pressione a monte di detta strozzatura (41, 42).
  14. 14. Dispositivo secondo la rivendicazione 12 o 13, caratterizzato dal fatto che detto valore massimo di pressione a monte di detta strozzatura (41, 42) è dell'ordine di 2,5 bar, e detto valore minimo di detta pressione è dell'ordine di 0,6 bar.
  15. 15. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 12 a 14, caratterizzato dal fatto che il diametro di detta strozzatura (41) è di circa 0,9 mm.
  16. 16. Dispositivo di regolazione della portata di una pompa ad alta pressione in un impianto di iniezione a collettore comune del combustibile per un motore a combustione interna, sostanzialmente come descritto con riferimento agli annessi disegni.
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