Ce rol are pompa de injectie ? Ce este pompa de injectie ?

Funcţionarea motorului diesel se bazează pe auto-aprinderea combustibilului injectat şi pulverizat în cilindrii motorului în momentul în care aerul respirat anterior atinge, prin comprimarea de către pistonul cilindrului, o temperatura suficienta pentru a se produce auto-aprinderea.

Echipamentul de injecţie are rolul de a alimenta camera de ardere a motorului cu combustibil, astfel încât arderea să corespundă în orice moment regimului de funcţionare al motorului, determinat la rândul său de sarcina exterioară a acestuia.

Pentru ca funcţionarea motorului să fie corectă şi economică în acelaşi timp, echipamentul de injecţie trebuie să îndeplinească o serie de cerinţe, dintre care cele mai importante sunt următoarele:

• să ridice presiunea combustibilului la o valoare determinată şi să îl pulverizeze în camera de ardere, astfel încât amestecul de aer şi combustibil să fie cât mai bun, iar arderea să fie cât mai completă;

• să înceapă injectarea combustibilului la un anumit moment şi să o termine într-un timp bine stabilit;

• injectarea combustibilului să fie făcută corespunzător cu procedeul de ardere al motorului în ceea ce priveşte poziţia şi forma jetului;

• să injecteze o cantitate de combustibil corespunzătoare în orice moment cu sarcina motorului.

Deoarece injecţia combustibilului trebuie făcută cu mare precizie, atât cantitativ, cât şi în timp, şi la presiuni foarte ridicate, se impune ca jocurile dintre piesele în mişcare care se află în circuitul de pompare să fie foarte mici (1–3 microni). Aceasta conduce la necesitatea execuţiei elementului de pompare, supapei de refulare şi mai ales a pulverizatorului, cu o precizie dintre cele mai înalte întâlnite în construcţia de maşini.

Ca urmare, abaterile dimensiunilor, precum şi cele ale formei şi poziţiei reciproce a suprafeţelor de lucru ale acestor piese se prescriu şi se execută în limite foarte strânse, iar rugozităţile aceloraşi suprafeţe sunt foarte mici rezultă că echipamentul de injecţie este fabricat de înaltă precizie, care necesită o atenţie specială din partea exploatării şi unităţilor de reparaţii.

Echipamentul de injecţie al combustibilului este compus, în ordinea în care îl parcurge combustibilul, din următoarele: rezervorul de combustibil, pompa de alimentare, conductele de joasă presiune, bateria de filtrare (filtru pentru curăţare prealabilă şi filtru final), pompa de injecţie cu regulator, conductele de înaltă presiune, injectoare şi pulverizatoare .

Condiţii impuse

Cantitatea de combustibil injectată în fiecare cilindru trebuie să fie constantă şi aceeaşi pentru toţi cilindrii, nefiind admis ca aceste cantităţi să varieze în timp sau de la cilindru la cilindru, pentru aceeaşi turaţie şi sarcină de asemenea comprimă blocul de resoarte montat excentric faţă de axa de rotaţie şi roteşte pârghia de sprijin.

Ca urmare extremitatea inferioară a pârghiei de reglare care este în legătură cinematică cu pârghia de sprijin se roteşte în mod corespunzător în jurul punctului C (punctul de articulaţie dintre pârghia de reglare şi pârghia dublă).

Cât timp turaţia motorului este încă mare, din cauza forţei centrifuge mari punctul C este menţinut fix. Capătul superior al pârghiei de reglare rotindu-se, deplasează cremaliera în poziţia STOP (debit nul). Pompa de injecţie nu mai debitează combustibil şi motorul se opreşte; la valori mai mici ale turaţiei forţa centrifugă devenind neînsemnată.

Sistemele de injecţie pentru un motor diesel

    Motoarele diesel sunt caracterizate în principal de randament ridicat, în comparaţie cu motoarele pe benzină, ceea ce conduce la un consum mai scăzut de combustibil. Reglementările tot mai stricte în ceea ce priveşte emisiile poluante, zgomotul şi nevoia de reducere a consumului de combustibil au făcut ca sistemele de injecţie să evolueze în mod considerabil.
    Sistemele de injecţie de motorină, mai ales cele cu injecţie directă, necesită presiuni mari ale combustibilului. Din acest motiv toate pompele de injecţie trebuie să fie de tipul cu piston, deoarece numai o astfel de pompă asigură presiunea necesară pentru pulverizare.
    În cazul automobilelor cu motoare diesel sunt utilizate mai multe tipuri de sisteme de injecţie. Primele tipuri utilizate, începând cu anii 1930, sunt cele cu pompe de injecţie cu elemente în linie. Generaţiile următoare de sisteme, din anii 1970, sunt cu pompe cu distribuitor rotativ. Din 1997 sistemele de injecţie cu rampă comună încep să echipeze motoarele diesel.
    În tabelul de mai jos găsiţi o clasificare a sistemelor de injecţie produse de compania Bosch.

Tipul de sistem de injecţie	Presiunea maximă de lucru [bar]	Tipul controlului	Injecţie în cilindru	Numărul de cilindrii al motorului
M (pompă cu elemente în linie)	550	mecanic electronic	indirectă	4...6
MW (pompă cu elemente în linie)	1100	mecanic	directă	4...8
VE (pompă cu distribuitor rotativ şi piston axial)	1400	mecanic electronic	indirectă directă	3...6
VR (pompă cu distribuitor rotativ şi piston radial)	1700	electronic	directă	4...6
UIS (pompă - injector)	2000	electronic	directă	4...6
CR (rampă comună)	2000	electronic	directă	3...16

Sistem de injecţie cu pompă cu elemente în linie
    Primele tipuri de sisteme de injecţie sunt reprezentate de cele cu pompe cu elemente în linie.

Foto: Pompă de injecţie diesel Bosch cu elemente în linie M - varianta cu control mecanic
Sursa: Bosch
    Elementele componente ale pompei:

1. cremalieră de comandă
2. arbore cu came de antrenare
3. racorduri injectoare

    Caracteristicile principale ale pompei cu elemente în linie:

• pentru fiecare injector pompa este prevăzută cu un element de pompare (piston)
• pistoanele sunt acţionate prin intermediul unui arbore cu came conectat la arborele cotit al motorului
• cantitate de combustibil injectată este reglată cu ajutorul unei cremaliere comandată de pedala de acceleraţie
• fiecare element de pompare este conectat la injector prin intermediul unor conducte de înaltă presiune

Foto: Sistem de injecţie diesel cu pompă cu elemente în linie
Sursa: Bosch
    În figura alăturată este prezentată o pompă de injecţie cu elemente în linie împreună cu restul pieselor ce compun sistemul de injecţie. Combustibilul este aspirat din rezervor cu ajutorul unei pompe de transfer, numită şi pompă de joasă presiune, şi transferat către filtru de motorină. După filtrare combustibilul este introdus în pompa de înaltă presiune, cu elemente în linie, comprimat şi transferat către injectoare prin intermediul conductelor de legătură.

Foto: Pompă de injecţie diesel cu elemente în linie pentru un motor de 12 cilindrii
Foto: Wikipedia Commons
    Aceste tipuri de pompe de injecţie pot ridica presiunea de injecţie până la 1200 bari. Motoarele diesel moderne nu mai folosesc pompele de injecţie cu elemente în linie datorită controlului rudimentar al presiunii de injecţie precum şi a cantităţii de combustibil injectată. De asemenea un inconvenient este dat de faptul că dimensiunile pompei şi numărul de elemente de pompare depinde de numărul de cilindrii al motorului. Aplicaţiile pe care se utilizează aceste pompe, cu mai mult de 6 pistoane, sunt în general vehiculele de transport, autobuzele, utilajele agricole precum şi motoarele staţionare.
    În filmul de mai jos puteţi observa modul de funcţionare al unei pompe de injecţie cu elemente în linie utilizată pe un motor staţionar cu trei cilindrii.
Video - pompă de injecţie cu elemente în linie

0:09 – antrenarea arborelui cu came
0:16 – arborele cu came antrenând pistoanele
2:00 – injectoarele
2:47 – controlul debitului de combustibil injectat prin intermediul cremelierei
4:28 – sistemul de distribuţie al motorului
Sisteme de injecţie cu pompă cu distribuitor rotativ
    Soluţia de pompă de injecţie cu elemente de refulare pentru fiecare cilindru (pompa cu elemente în linie) este costisitoare deoarece utilizează un număr mare de piese identice, de mare precizie, costul fabricaţiei cât şi a întreţinerii fiind ridicat. De asemenea reglajul este complicat iar probabilitatea de a avea caracteristici de injecţie diferite între cilindrii este mare datorită posibilelor diferenţe de geometrie.

Foto: Pompă de injecţie diesel cu distribuitor rotativ şi control electronic - Bosch VP44
Sursa: Bosch
    Elementele componente ale pompei:

1. arbore de antrenare
2. modulul electronic de comandă al pompei
3. conector pentru calculatorul de injecţie
4. electro-supapă de control a presiunii
5. racorduri de legătură cu injectoarele

    O altă soluţie este pompa de injecţie cu element unic de refulare numită pompă de injecţie cu distribuitor rotativ şi pistoane radiale. Particularitatea pompei cu distribuitor rotativ constă în faptul că sistemul de ridicare a presiunii este independent de numărul de cilindrii. Astfel, cu mici modificări, acelaşi tip de pompă se poate utiliza pentru motoare cu patru sau şase cilindrii.
    Filmele de mai jos sunt utile pentru a înţelege mai bine componentele pompei de injecţie cu distribuitor rotativ:
Video - demontarea modulului electronic de comandă

Sistem de injecţie cu rampă comună (CR – Common Rail)

    Un inconvenient al sistemelor de injecţie cu pompă cu elemente în linie sau cu pompă cu distribuitor rotativ este dată de dependenţa presiunii de turaţia şi sarcina motorului. Din acest motiv este destul de dificil să se optimizeze combustia pentru fiecare punct de funcţionare al motorului.
    Sistemele de injecţie cu rampă comună înlătură acest inconvenient datorită faptului că pompa de înaltă presiune ridică presiunea şi o stochează într-un acumulator numit rampă comună. Injectoarele nu mai sunt conectate direct la pompă ci sunt alimentate la rampă.
    Principalul avantaj al sistemelor de injecţie cu rampă comună constă în independenţa presiunii combustibilului faţă de punctul de funcţionare al motorului (turaţie şi sarcină). Această independenţă conferă posibilitatea optimizării injecţiei pentru creşterea performaţelor dinamice şi de consum ale motorului. De asemenea este posibilă divizarea injecţiei de combustibil în mai multe faze: pre-injecţie, injecţie principală şi post-injecţie.
    Într-un sistem de injecţie cu rampă comună ridicare presiunii combustibilului şi injecţia propriu-zisă sunt complet independente. Cantitatea de combustibil injectată este definită de conducătorul auto, prin poziţia pedalei de acceleraţie, iar începutul injecţie şi durata injecţiei este controlată de calculatorul motorului. Toate sistemele de injecţie cu rampă comună sunt controlate electronic şi conţin următoarele elemente:

• calculator de injecţie (ECU – Engine Control Unit)
• senzor turaţie motor
• senzor poziţie arbore cu came
• senzor poziţie pedală de acceleraţie
• senzor presiune de supraalimentare
• senzor presiune rampă
• senzor temperatură motor
• senzor debit masic de aer (debitmetru)

    Viteza de rotaţie a motorului este determinată cu ajutorul senzorului de turaţie iar ordinea injecţie (de exemplu 1-3-4-2 pentru un motor cu patru cilindrii) prin intermediul senzorului de poziţie al arborelui cu came. Tensiunea electrică generată de potenţiometrul senzorului de poziţie al pedalei de acceleraţie informează calculatorul de injecţie asupra cererii de cuplu pe care o face conducătorul auto. Masa de aer măsurată este utilizată pentru calculul cantităţii de combustibil ce trebuie injectată în motor astfel încât arderea să fie cât mai completă şi cu emisii minime de substanţe poluante. Temperatura motorului este utilizată pentru a corecta debutul injecţiei şi cantitate de combustibil injectată.
    Astfel, cu ajutorul informaţiilor citite de la senzori, calculatorul de injecţie controlează momentul deschiderii şi închiderii injectoarelor precum şi durata injecţiei.
    În figura de mai jos este prezentat un sistem de injecţie cu rampă comună Bosch, utilizat pentru un motor diesel cu patru cilindrii.

Foto: Sistem de injecţie diesel cu rampă comună Bosch
Sursa: Bosch
    Componentele sistemului de injecţie Bosch:

1. debitmetru de aer
2. calculator injecţie
3. pompă de înaltă presiune
4. rampă comună (acumulator de înaltă presiune)
5. injectoare
6. senzor turaţie motor
7. senzor temperatură motor
8. filtru motorină
9. senzor poziţie pedală de acceleraţie

Rampa comună
    Principalele funcţii ale rampei comune (acumulatorul de presiune) sunt cele de acumulare de combustibil la presiune înaltă precum şi distribuţia acestuia la injectoare. De asemenea rampa mai are rolul de filtru ale oscilaţiilor de presiune produse pompă la încărcare şi injectoare la descărcare.

Foto: Rampă comună şi injectoare de la Delphi
Sursa: Delphi
    Rampa (1) este prevăzută de asemenea cu un senzor de presiune (3) care informează calculatorul de injecţie nivelul presiunii pentru injectoare (6). Controlul presiunii din rampă se face cu ajutorul unui electro-supape care are rol de regulator de presiune (2). Electro-supapa este comandată de către calculatorul de injecţie iar când se deschide refulează combustibilul prin intermediul racordului (4). Alimentarea rampei cu combustibil sub presiune se face prin racordul (5) care este conectat la pompa de înaltă presiune.

Foto: Sistem de injecţie diesel cu rampă comună sferică de la Delphi
Sursa: Delphi
    Elementele componente ale sistemului de injecţie:

1. rampă comună
2. filtru de motorină
3. pompă de înaltă presiune
4. injectoare
5. calculator de injecţie

    Există sisteme de injecţie la care rampa comună nu este cilindrică ci sferică. Avantajul sistemelor de injecţie cu rampă comună sferică constă în gabaritul mai redus şi costul scăzut. Dezavantajul însă este dat de faptul că conductele ce leagă injectoarele de rampă sunt mai lungi.
Filtrul de motorină
    Impurităţile din motorină pot provoca deteriorarea componentelor sistemului de injecţie: pompă, injector, supape, etc. De asemenea motorina poate conţine apă, care odată ajunsă în sistemul de injecţie poate conduce la griparea pieselor în mişcare sau la o corodare prematură. Din aceste motive este necesară utilizarea unui filtru care să răspundă cerinţelor de filtrare ale sistemului de injecţie cum ar fi: diametrul minim al particulelor filtrate, reţinerea apei şi fiabilitate ridicată.
    Elementele componente ale filtrului:

1. racord rezervor combustibil
2. racord pompă joasă/înaltă presiune
3. retur combustibil
4. orificiu de eliminare a apei colectate

    Cerinţele unui filtru de motorină se împart în patru mari categorii:

• filtrarea impurităţilor
• gestionarea apei din motorină (separarea apei, stocarea şi detecţia)
• încălzirea motorinei (prevăzute la filtrele motoarelor ce operează şi la temperaturi scăzute)
• eliminarea gazelor (aerului)

    Din aceste considerente funcţionarea la parametrii nominali ai unui filtru este indispensabilă unui motor diesel. Defectul total sau parţial al unui filtru de motorină poate conduce chiar şi la avarierea iremediabilă a componentelor sistemului de injecţie.
Injector cu comandă electrică
    Introducerea combustibilului în cilindru se face prin intermediul injectoarelor. Prin durata deschiderii injectoarelor se controlează cantitatea de combustibil injectată. Injectorul este conectat, în cazul sistemelor de injecţie common-rail, la rampa de înaltă presiune prin intermediul unui racord şi a unei conducte. Acţionare injectorului este electrică şi se face la comanda calculatorului de injecţie.
    Momentan exist două soluţii pentru acţionarea injectoarelor: cu solenoid (electro-magnet) sau cu cristal piezoelectric. Soluţia cu solenoid este mai puţin costisitoare decât cea piezoelectrică dar acţionarea este mai puţin rapidă. Continental este producătorul care are toată familia de sisteme de injecţie cu acţionare piezoelectrică. Bosch, Delphi şi Denso oferă soluţii cu solenoid cât şi piezoelectrice.

Foto: Injector Delphi acţionat cu solenoid
Sursa: Delphi
    Elementele componente ale injectorului:

1. corpul injectorului
2. racord de joasă presiune (retur)
3. racord de înaltă presiune
4. conectori electrici
5. solenoid
6. supapă de comandă
7. acul injectorului
8. pulverizator

    Cum funcţionează? Pentru a înţelege mai bine cum funcţionează injectorul Delphi acţionat cu solenoid am reprezentat doar secţiunea care conţine solenoidul (1), supapa de control (5) şi acul injectorului (3)

Foto: Injector Delphi cu acţionare cu solenoid - detaliu
Sursa: Delphi
    Elementele componente ale injectorului:

1. solenoid
2. arc elicoidal
3. acul injectorului
4. pulverizator
5. supapă de comandă
6. arc elicoidal

    Acul injectorului (3) este ţinut pe sediul, obturând orificiile pulverizatorului, datorită forţelor date de arcul elicoidal (2) şi presiunii p1 ce acţionează pe suprafaţa S1. Când se doreşte injecţia de combustibil calculatorul de injecţie comandă solenoidul (1) care deschide supapa (5). Datorită deschiderii supapei de comandă presiunea p1 scade (p1 < p2) iar acul injectorului este deplasat comprimând arcul (2) astfel realizându-se injecţia. În momentul în care solenoidul nu mai este alimentat de calculatorul de injecţie supapa de comandă este închisă de către arcul (6). Se realizează echilibrul de presiuni (p1 = p2) iar acul injectorului revine pe sediu.
    Această succesiune de operaţii se realizează foarte rapid, închiderea şi deschiderea injectoarelor se poate face de mai multe ori pe un ciclu (injecţie multiplă). Introducerea cristalelor piezoelectrice de către Continental (fostul Siemens VDO) a condus la îmbunătăţirea performanţelor sistemelor de injecţie în ceea ce priveşte timpul de răspuns al injectoarelor şi controlul cantităţii de combustibil injectate.

Foto: Injector Continental cu acţionare piezoelectrică (Siemens VDO)
Sursa: Continental
    Injector Continental (Siemens VDO) cu acţionare cu cristal piezoelectric:

1. corpul injectorului
2. conectori electrici
3. cristal piezoelectric
4. supapă de comandă
5. racord de înaltă presiune
6. acul injectorului
7. pulverizator

    Modul de funcţionare a unui injector piezoelectric este prezentat în animaţia de mai jos:
Video - injector piezoelectric

    Sistemele de injecţie evoluează continuu ca urmare a cerinţelor tot mai severe în ceea ce priveşte emisiile poluante. Principalii producători de sisteme de injecţie oferă o gamă largă de pompe de înaltă presiune, injectoare, etc. O privire de ansamblu asupra acestor sisteme este subiectul unui articol viitor.
Pompa de înaltă presiune
    Legătura dintre pompa de transfer şi rampa comună este realizată de pompa de înaltă presiune. Rolul pompei este a asigura o presiune ridicată a combustibilului în rampă, indiferent de condiţiile de funcţionare ale motorului, pe întreaga durată de viaţă a motorului cu ardere internă. Antrenarea pompei se face prin cuplarea acesteia la arborele cotit al motorului. Turaţia maximă a pompei depinde de tipul pompei. De exemplu pompele de primă generaţie Bosch sunt limitate la 3000 rot/min.
    Principalele elemente componente ale unei pompe de înaltă presiune pentru sistemele de injecţie cu rampă comună sunt prezentate în figura de mai jos. Pompa prezentată este Bosch de primă generaţie cu trei pistoane dispuse la 120 °C.

Foto: Pompă de injecţie diesel de înaltă presiune Bosch
Sursa: Bosch
    Pompă de înaltă presiune Bosch de primă generaţie - elementele componente:

1. arbore de antrenare
2. electro-supapă de control a debitului
3. excentric
4. pompă de transfer (integrată în pompa de înaltă presiune)
5. supapă de refulare
6. piston
7. supapă de admisie

    Modul de funcţionare al pompei de injecţie Bosch CP1 este descris în detaliu în clipul de mai jos.
Video - pompă de injecţie de înaltă presiune.

Ce trebuie să reţineţi relativ la sistemele de injecţie pentru motoarele diesel

• sistemele de injecţie cu rampă comună sunt unanim utilizate de către toţi constructorii de automobile
• presiunile de injecţie sunt cuprinse între 1300 şi 2000 de bari
• injectoarele sunt acţionate electric (cu solenoid sau cristal piezoelectric)
• controlul injecţiei se face electronic prin intermediul unui calculator 

 Sursa pentru o buna parte din acest articol este: http://www.e-automobile.ro/categorie-motor/19-diesel/25-motor-diesel-injectie-directa.html