Un’alternativa al common rail è il sistema iniettore-pompa (adottato dalla Volkswa- gen, figura 4.11) che integra in un solo corpo la pompa e l’iniettore.
CAPITOLO 4. L’INIEZIONE COMMON-RAIL
In questo sistema il gasolio arriva all’iniettore per effetto di una pompa alloggiata nel serbatoio che produce una prevalenza di circa 4 bar. L’idea nasce dal fatto che per poter realizzare pressioni altissime, è necessario portare la pompa vicino all’iniettore perché alle alte pressioni nascono problemi di elasticità delle tubazioni e persino di comprimibilità del liquido, con conseguenti colpi d’ariete nel gruppo iniettore-pompa. Direttamente sulla testa del cilindro, è alloggiato un gruppo pompante di tipo alter- nativo (a stantuffo) azionato meccanicamente dall’albero a camme del motore con una bilanciere. Una valvola comandata elettronicamente (elettrovalvola a solenoide) varia l’apertura della mandata, permettendo così di regolare la portata. L’iniettore è ad apertura automatica. La centralina che governa l’iniezione determina, con la valvola elettromagnetica, la quantità di gasolio per ogni pompata e riceve segnali da: pedale dell’acceleratore, velocità di rotazione del motore, velocità di rotazione del- l’albero a camme di comando degli iniettori, temperatura liquido di raffreddamento, pressione aria condotto di alimentazione. Il vantaggio del sistema iniettore-pompa rispetto al CR è la possibilità di raggiungere pressioni di iniezione più elevate; i sis- tema attualmente in commercio permettono di ottenere una pressione massima del gasolio di circa 2050 bar. Questo riduce i tempi di iniezione e migliora la polver-
Figura 4.12: Ingombro dell’iniettore-pompa
izzazione del getto, permettendo di raggiungere coppie e potenze più elevate. Gli svantaggi sono, però, diversi:
• l’iniettore-pompa è molto più ingombrante di un elettroiniettore da CR e richiede una ri-progettazione della testa del cilindro per essere alloggiato (figura 4.12);
• i pompanti degli iniettori sono trascinati e in fase con il motore e questo rende meno flessibile la strategia di iniezione;
CAPITOLO 4. L’INIEZIONE COMMON-RAIL
• è possibile per il momento soltanto una pre-iniezione di pochi mm3 di gasolio
ai bassi regimi;
• la centralina elettronica controlla solo la portata di gasolio iniettata e non gli istanti di apertura e chiusura dello spillo.
Capitolo 5
La Testata
5.1
Introduzione
Come già anticipato nel Cap. 1, l’obiettivo di questa tesi è volto alla realizzazione e all’ottimizzazione strutturale della testata di un motore alternativo a ciclo diesel ad elevata potenza per uso aeronautico. Si tratta di un motore due tempi con iniezione common-rail, la cui architettura si ispira alla tipologia del motore a stella. I pistoni sono quindi disposti secondo linee radiali, intorno all’albero motore (Cap. 1 figura 1.3) a formare più stelle accostate fra loro e sfalsate di un certo angolo. Questa soluzione consente di massimizzare il numero di pistoni che si possono collegare all’albero motore e quindi di ottenere grandi potenze pur contenendo la lunghezza complessiva del propulsore. Il regime di rotazione sarà prossimo ai 10000 rpm (da qui la scelta di un due tempi).
CAPITOLO 5. LA TESTATA
La base di partenza è stata la tesi dell’Ing. Casoli che per primo ha affrontato lo studio di un modulo-testa per il citato motore, ponendo le basi per futuri sviluppi. Egli è arrivato alla definizizione di una testata con 3 iniettori per cilindro disposti or- togonalmente al piatto-fiamma, con i condotti di scarico uscenti dalle pareti verticali della testata stessa (figura 5.1). L’alesaggio del pistone è stato assunto pari a 142 mm. La ricerca di maggior potenza ha suggerito l’adozione di un ulteriore iniettore per cilindro e l’aumento dell’alesaggio del pistone. La potenza massima raggiungibile è infatti correlata alla massima portata volumetrica consentita dall’iniettore. Sia q il consumo specifico per un dato motore:
q = 1
η · Ki
dove:
• η è il rendimento termodinamico del motore • Ki il potere calorifero inferiore del combustibile
Il consumo totale orario Q sarà pari alla potenza erogabile P per il consumo specifico q :
Q = P · q
Indicando con d il numero di detonazioni orarie, allora la quantità di combustibile da iniettare in ogni cilindro per ogni ciclo sarà pari a:
c = 1
d · ρ · nc
con
• ρ densità del combustibile • nc numero di cilindri
Combinando le relazioni sopra scritte si ottiene:
P = Q
q =
c · d · ρ · nc
q
Si conclude allora che la potenza ottenibile da un motore, è direttamente pro- porzionale alla quantità c di combustibile iniettato in camera di combustione e quindi al numero di iniettori di impiegati. Allo stato attuale dell’arte un iniettore moderno
può raggiungere i 160 mm3 di combustibile iniettato per detonazione.
CAPITOLO 5. LA TESTATA
è stato aumentato il diametro e sono state riposizionate le camere di combustione. Inoltre per aumentare la capacità di elaborazione di grandi masse d’aria, ed ottenere una corrente unidirezionale di lavaggio, è stata completatamente riconsiderata la posizione dei condotti di scarico, che sono stati accorpati in’unico grande condotto posto al centro della testa in posizione verticale rispetto al piatto-fiamma. Il lavaggio del pistone è assicurato da 10 valvole, comandate da un sistema bialbero di alberi a camme. Sono state scelte delle valvole di derivazione motociclistica, dalla massa contenuta, poichè l’elevato n.ro di giri del motore, richiede una componentistica leg- gera e reattiva. Per far posto al condotto di scarico gli iniettori sono stati collocati in posizione laterale alla testata ed inclinati di un angolo di 60◦ rispetto alla verticale passante per l’asse di simmetria della testata. Lo sviluppo della testa è stato eseguito tenendo conto dei seguenti vincoli strutturali:
• Alesaggio del pistone pari a 150 mm; • Utilizzo di quattro iniettori common-rail; • utilizzo di 10 valvole per lo scarico; • elevato n.ro di giri motore (10000 rpm)
Nel seguito verranno dettagliatamente illustrate e giustificate tutte le scelte cos- tuttive.