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Systèmes de carburant à haute pression

Il existe deux principaux types de méthodes d'injection diesel utilisées sur les moteurs diesel BMW. Les premiers modèles tels que le M21 utilisaient la méthode d'injection indirecte (IDI) (chambre de tourbillonnement) qui injecte le carburant dans une préchambre plutôt que directement dans la chambre de combustion. Les conceptions modernes profitent de l'injection directe (DI) qui, comme son nom l'indique, injecte du carburant directement dans la chambre de combustion. L'injection indirecte (IDI) peut être décomposée en deux groupes. La conception "préchambre" et la conception de chambre "tourbillon" (ou turbulence). En ce qui concerne les véhicules BMW BMW actuels, l'injection directe sur le diesel n'est utilisée qu'avec des systèmes d'injection à rampe commune. La rampe commune a été introduite pour la première fois dans les moteurs diesel de série BMW sur les moteurs de la famille M57 pour l'année modèle 1999.

La méthode indirecte d'injection était très populaire sur les premières conceptions de moteurs tels que le M21. Les systèmes IDI offrent des avantages en matière d'émissions et de réduction du bruit du moteur. Aujourd'hui, les conceptions à injection directe ont remplacé les systèmes IDI. Cela est dû aux systèmes avancés de rail commun à haute pression actuellement disponibles. Grâce aux commandes électroniques et à l'injection haute pression, les nouveaux systèmes à rampe commune ont ouvert la voie à l'injection directe qui permet d'économiser jusqu'à 20% de carburant par rapport aux conceptions précédentes.

Maintenant, avec Digital Diesel Electronics (DDE) de BMW, les derniers systèmes à rampe commune sont capables de fournir des événements d'injection multiples. Il y a maintenant la possibilité d'événements d'injection "pré" et "post". La phase de pré-injection permet une réduction significative du bruit du moteur par rapport aux systèmes IDI antérieurs.

Type de distributeur Diesel Injection

Afin de comprendre jusqu'à quel point la technologie d'injection de carburant diesel est venu, il est important de comprendre le système de carburant qui a été utilisé dans les «premiers jours» du développement du diesel BMW. Le moteur M21 utilisait un système d'injection mécanique qui n'avait qu'une intervention électronique minimale. La principale méthode de contrôle du moteur était la pompe à carburant qui était un «type de distributeur». Cela signifiait que la pompe à carburant était responsable de la création de la haute pression nécessaire ainsi que du calage de l'injection et de la distribution du carburant sous pression à chaque cylindre. Chacun des injecteurs de carburant sur ce système était mécanique, ce qui signifie que l'ouverture de l'injecteur dépendait de la pression. Ces injecteurs s'ouvriraient à une pression d'environ 150 bars (2175 psi). Cette pression était fournie par la pompe d'injection du distributeur à un moment précis, ce moment était crucial pour le fonctionnement du moteur. Tout comme le calage de l'allumage sur un moteur à «allumage par étincelle», la synchronisation de ces événements était essentielle au bon fonctionnement du moteur.

Sur le M21, la pompe de type distributeur était mécaniquement entraînée par le moteur, via la courroie de distribution. Cette pompe a dû être ajustée mécaniquement pour assurer le bon timing des événements d'injection de carburant. Ce moteur était très efficace pour le moment, mais la législation sur les émissions et les problèmes d'économie de carburant n'ont cessé de faire progresser le développement des futurs systèmes d'injection à rampe commune.

Injection de carburant Common Rail

Le système de carburant à rampe commune est divisé en deux parties: le système basse pression et le système haute pression. Le système basse pression est responsable de l'alimentation de la pompe à carburant mécanique haute pression. La partie basse pression du système de carburant sera discutée dans les pages suivantes.

Le système haute pression est responsable de la génération de pression de carburant nécessaire pour alimenter les injecteurs de carburant via le rail commun. La dernière technologie de rampe commune est capable de générer des pressions d'injection de plus de 1600 bar (23 200 psi) et dans certains nouveaux systèmes jusqu'à 1 800 bars (26 100 psi). Le système est également capable de faire varier la pression selon les besoins, indépendamment du moment de l'injection et de la quantité d'injection.

L'utilisation d'injecteurs à commande électronique permet un contrôle plus précis des émissions d'échappement et des caractéristiques de bruit. Le bruit du moteur ou «cliquetis» qui est habituellement associé aux moteurs diesel est considérablement réduit par le système moderne d'injections de rail commun.

Les systèmes à rampe commune sont appelés «accumulateurs» en raison de l'utilisation d'une rampe d'alimentation. La rampe d'alimentation stocke le carburant sous pression pour une utilisation par les injecteurs. Ce type de système ressemble à un système moderne d'injection de carburant à essence (directe), mais fonctionne à des pressions de rail considérablement plus élevées.

Depuis la création des systèmes ferroviaires communs, des améliorations ont été apportées pour améliorer les performances et les niveaux d'émission. Les véhicules BMW actuels utilisent la «troisième génération» de systèmes ferroviaires communs. Ces systèmes comprennent des innovations telles que des injecteurs piézo-électriques, des phases d'injection multiples et une pompe CP3 (plus) à haute pression.

Système de carburant à haute pression

Le système de carburant à haute pression est essentiellement identique dans la conception et la fonction par rapport à la version européenne. Cependant, certains composants ont été adaptés aux différentes spécifications de carburant.

Ces composants sont:

• Pompe à haute pression
• Rampe d'injection
• Injecteurs de carburant.

Ces adaptations sont limitées à différents revêtements et matériaux à l'intérieur.

Composants du système de rail commun

Pompe à carburant haute pression

La pompe à carburant utilisée sur les systèmes à rampe commune est une pompe à pistons radiale à trois pistons. La pompe est entraînée mécaniquement par la chaîne de distribution du moteur. Il s'agit d'une pompe haute pression à contrôle de volume communément appelée CP3.2 + (Bosch).
Le volume de livraison pour cette conception est de 866 mm3, ce qui est supérieur à la génération précédente (CP 3.2).

Principe fonctionnel

La pompe à carburant électrique fournit du carburant à la pompe haute pression via la conduite d'alimentation (1). La pompe haute pression est composée de trois pistons qui sont soulevés par une came triple commune (7). Les ressorts pressent les pistons contre la came d'entraînement. Chaque cylindre de la pompe haute pression est équipé de vannes à boisseau sphérique pour l'entrée et la sortie du carburant.

Le volume de carburant calculé par le DDE s'écoule dans la bouteille de la pompe haute pression via la vanne de régulation du volume (2). Pendant la course descendante des pistons, le carburant s'écoule de la soupape de contrôle du volume dans les cylindres de la pompe haute pression. En raison du mouvement descendant des pistons, le carburant est délivré à haute pression dans le rail (4).

La came d'entraînement est lubrifiée par le carburant diesel. A des fins de lubrification, une quantité de carburant s'écoule de l'alimentation (1) par l'étranglement (9) et la conduite (6) vers la came d'entraînement et d'ici dans le retour (5) de la pompe haute pression.

Une soupape de décharge (3) est intégrée dans la pompe haute pression. Le carburant maintenant libéré par la soupape de contrôle du volume s'écoule par la soupape de décharge dans le retour de la pompe haute pression.

Une petite quantité de carburant peut s'échapper de la vanne de contrôle du volume fermée. Pour s'assurer que ce carburant de fuite n'atteint pas le débit de carburant principal, il est acheminé via le restricteur de distribution de zéro (8) dans le flux de retour (5).

Concept à deux actionneurs

Dans le système à rampe commune de première génération, la pression du rail est contrôlée par une soupape de régulation de pression au niveau de la pompe haute pression. Le CP fournit toujours du carburant à la vitesse maximale, quelle que soit la condition de fonctionnement du moteur. Le combustible est chauffé en raison de la haute pression produite par la pompe fonctionnant continuellement à son débit maximum. Le carburant libère l'énergie ainsi gagnée sous forme de chaleur dans un échangeur de chaleur dans la conduite de retour du carburant.

Le concept à deux actionneurs consiste en un contrôle de carburant volumétrique dans la ligne devant le CP 3.2 et un régulateur de pression de carburant en aval de la pompe, au niveau du rail.

La pression dans le rail est contrôlée par la soupape de régulation de pression uniquement pendant le démarrage et lorsque la température du liquide de refroidissement est inférieure à 19ºC. Dans ces conditions, le contrôle du carburant volumétrique est inactif.

Dans toutes les autres plages de fonctionnement, la régulation du débit volumétrique est assurée par la vanne de régulation du débit de la pompe haute pression. Le contrôle de pression par la soupape de régulation de pression est inactif.

La vanne de régulation du débit du côté admission de la pompe haute pression (CP 3.2 plus) est actionnée par l'unité de commande DDE. La soupape de régulation de débit contrôle le débit de refoulement de la pompe de telle sorte que seul le volume de carburant réellement requis est fourni à la pompe. La quantité de carburant en excès diminue en conséquence, donc beaucoup moins de chaleur est générée dans le système de carburant.

Le contrôle volumétrique du carburant présente de nombreux avantages:

• Réduction des coûts de fabrication, car il n'y a pas besoin d'un refroidisseur de carburant
• Amélioration de l'efficacité et de la consommation en raison de la faible consommation d'énergie de la pompe à rampe commune
• Combustion optimale et faibles émissions brutes

Le concept à deux actionneurs garantit ainsi une alimentation optimale en carburant dans toutes les conditions de fonctionnement.

Avantages

Il peut prendre jusqu'à 3-4 kW (4-5 HP) pour entraîner la pompe haute pression.

Cela peut entraîner une perte d'économie de carburant et de puissance du moteur.

En utilisant la méthode de contrôle du carburant à deux actionneurs, la puissance requise de la pompe haute pression peut être réduite dans la plage de charge partielle du moteur, réduisant ainsi la consommation de carburant jusqu'à 6% en fonction du point de fonctionnement du moteur. moteur.

L'échauffement plus faible du combustible associé à la génération de pression rend inutile le refroidisseur de carburant dans le compartiment moteur.

Capteur de pression de rail

Le capteur de pression de rail est situé à l'avant de la rampe d'injection.
Il mesure la pression actuelle dans le rail et envoie un signal de tension, correspondant à la pression appliquée, au DDE.
Le capteur de pression du rail et la vanne de régulation de pression sont adaptés aux plages de pression du système à rampe commune de 3e génération.

Vanne de régulation de pression

La vanne de régulation de pression est située à l'arrière du rail.
Le but de la soupape de contrôle de pression est de contrôler la pression dans le rail lors du démarrage du moteur et lorsque la température du liquide de refroidissement est inférieure à 19ºC. Il est actionné par l'unité de contrôle DDE. La soupape de commande de pression est actionnée en plus pendant le roulage pour faciliter une réduction rapide de la pression.

Accumulateur (rampe d'alimentation)

L'accumulateur (rail de carburant) est monté sur la culasse et porte le capteur de pression de rail et la soupape de contrôle de pression. Le rail de carburant est conçu pour retenir le carburant à très haute pression et stocker le volume de carburant requis pour amortir les fluctuations de pression de la pompe haute pression.

Cette disposition assure que lorsque les injecteurs s'ouvrent et se ferment, la pression du rail reste constante. Le rail de carburant fournit également des connexions pour les lignes à haute pression aux injecteurs.

Lignes de carburant à haute pression

Les conduites de carburant à haute pression assurent la connexion entre le rail d'alimentation et les injecteurs de carburant ainsi que la connexion entre la pompe haute pression et le rail d'alimentation.

Les lignes doivent pouvoir supporter les hautes pressions et les impulsions de pression continues dans le système à rampe commune.
Il est essentiel d'éviter de trop serrer les lignes, une perte de puissance du moteur pourrait résulter de la réduction du débit de carburant.

Injecteurs de carburant

La technologie piézoélectrique offre les avantages suivants:

• Le mouvement de l'aiguille de la buse est deux fois plus rapide
• Temps de commutation 5 fois plus rapide avec un temps mort très court
• Mesure plus efficace de l'injection multiple
• Précision de levage élevée
• Baisse des besoins en énergie hydraulique et électrique
• Design compact
• Masse déplacée réduite de 75%
• Poids réduit de 33%
• Possibilité d'augmenter la pression du rail à 1800 bar.

Ces avantages se traduisent par des améliorations distinctes en ce qui concerne les émissions de polluants, la consommation de carburant et l'acoustique.

Comparé à un injecteur piezo sur un moteur à essence, l'injecteur diesel fonctionne très différemment. Le concept de l'électricité piézoélectrique est le même, mais appliqué d'une manière différente.

Sur un moteur à essence, l'élément piézo est utilisé pour faire fonctionner physiquement l'aiguille de l'injecteur dans un mouvement vers l'extérieur. En raison des très hautes pressions utilisées dans un moteur diesel, l'élément piézo ne peut pas être utilisé pour actionner directement le pivot. Le pivot d'un injecteur de carburant diesel se déplace vers l'intérieur (loin de la chambre de combustion).
Au lieu de cela, l'élément piézo est utilisé pour déclencher une valve relais dans le module d'actionneur. L'injecteur est alors «déséquilibré» hydrauliquement, ce qui provoque l'ouverture de l'axe par la pression du rail de carburant.

L'élément piézoélectrique (2) est situé à l'intérieur du module d'actionnement (5). Lorsqu'il est contrôlé, il produit le mouvement nécessaire pour ouvrir la valve relais.

Circuité entre les deux éléments est le module de coupleur (6), qui fonctionne comme un élément de compensation hydraulique, par ex. pour compenser les dilatations de longueur liées à la température.
Lorsque l'injecteur de carburant est commandé, le module d'actionneur se dilate.
Ce mouvement est transféré à la soupape relais (7) par le coupleur. Lorsque la soupape relais s'ouvre, la pression dans la chambre de commande (1) diminue et l'aiguille de la buse s'ouvre.
Les avantages de l'injecteur piézo-électrique sont qu'ils offrent une réponse de contrôle considérablement plus rapide, ce qui se traduit par une plus grande précision de dosage. De plus, l'injecteur piézo-électrique est plus petit, plus léger et consomme moins d'énergie.

Principes piézo-électriques

Jusqu'à présent, l'application la plus familière de la technologie piezo dans les automobiles a été le capteur de cliquetis. Le capteur de cliquetis (KS) est constitué de cristaux piézo-électriques qui génèrent une tension lorsqu'une force est exercée. Quand un cliquetis du moteur se produit, la vibration résultante agit sur les cristaux piézo du capteur de cognement. Une tension est générée et envoyée à la gestion du moteur pour indiquer la présence de cliquetis du moteur.

Prenant ce que l'on sait des capteurs de cliquetis, l'injecteur piézo utilise la méthode "inverse". Lorsqu'une tension est appliquée au cristal piézo-électrique, le cristal se dilate d'une quantité spécifiée. En empilant les éléments piézo, la quantité de mouvement requise peut être obtenue.

La nouvelle conception de l'injecteur de carburant utilise des éléments piézo-céramiques et un convertisseur électromécanique. Cet "effet piézoélectrique inverse" est maintenant utilisé pour convertir les signaux électriques en mouvement mécanique.

Technologie piézoélectrique

Certaines des premières découvertes de la technologie piézoélectrique remontent aux années 1880. Parmi les premiers pionniers dans ce domaine, Pierre et Jacques Curie. Il a été découvert que certains cristaux naturels (tels que le quartz et le topaze) présentaient des charges de surface lorsqu'ils étaient soumis à des forces externes.

Depuis lors, de nombreux progrès ont été réalisés dans ce domaine. Les applications modernes de la technologie piézoélectrique comprennent des microphones et des aiguilles phonographiques. Diverses applications automobiles comprennent des capteurs de cognement, des capteurs de pression et des capteurs d'accélération.

Aujourd'hui, de nombreux capteurs actuels comprennent des matériaux piézo-électriques fabriqués par l'homme tels que des matériaux piézo-céramiques et piézorésistifs. La plupart des véhicules modernes utilisent une variété de dispositifs piézo-électriques dans un ou plusieurs systèmes de véhicule.

Opération d'injecteur de carburant

Circuité entre les deux éléments est le module de coupleur, qui fonctionne comme un élément de compensation hydraulique, par ex. pour compenser les dilatations de longueur liées à la température.
Lorsque l'injecteur est commandé, le module d'actionneur se dilate. Ce mouvement est transféré à la vanne de commutation par le coupleur. Lorsque la soupape de commutation s'ouvre, la pression dans la chambre de commande chute et l'aiguille de la buse s'ouvre exactement comme avec l'injecteur de l'électrovanne.

Les avantages de l'injecteur PIEZO sont qu'ils offrent une réponse de contrôle considérablement plus rapide, ce qui se traduit par une plus grande précision de dosage. De plus, l'injecteur PIEZO est plus petit, plus léger et consomme moins d'énergie. Le moteur M57D30T2 est équipé d'injecteurs PIEZO encore plus développés et encore plus compacts et légers.

Opération de l'injecteur piézo-électrique

Module coupleur

Le coupleur hydraulique est entouré de carburant diesel à une pression d'environ 10 bars. Le piézo-élément agit sur le piston supérieur (1).

Le plongeur inférieur (6) repose sur la soupape de commande (9). La force du ressort (7) et du ressort (8) est réglée de manière que, une fois fermés, l'élément piézoélectrique et la soupape de commande (9) soient reliés sans jeu par l'intermédiaire du coupleur.

Le plongeur supérieur (1) appuie contre la chambre de coupleur (5) lorsque le piézo-élément est activé.
La force de l'élément piézoélectrique est augmentée étant donné que le plongeur (1) a un diamètre plus grand que le plongeur (6). Le plongeur (6) ouvre la soupape de commande (9). Lorsque la chambre d'accouplement est sous pression pendant l'activation, une petite quantité de fuite s'échappe par le jeu dans le guide du piston dans le retour de carburant (2).

Après l'injection ou après l'arrêt de l'élément piézoélectrique, les ressorts (7 et 8) compensent le jeu créé par la quantité de fuite et le carburant est de nouveau aspiré via le jeu du guide du piston dans la chambre du coupleur. Ce processus d'équilibrage se déroule si rapidement que la chambre du coupleur est complètement remplie à nouveau par le cycle d'injection suivant.

Une pression de retour d'environ 10 bars est nécessaire à cet effet, ce qui est réalisé par le restricteur dans le retour de carburant des injecteurs de carburant. La soupape de commande n'est pas actionnée et aucun carburant n'est injecté lorsqu'aucune pression n'est appliquée dans l'alimentation en carburant.

Huile de fuite

Les injecteurs piézo-électriques nécessitent une certaine contre-pression dans le circuit de fuite pour fonctionner correctement. Ainsi, le circuit de fuite sur le rail commun de 3ème génération diffère des versions antérieures. Dans les versions précédentes (telles que les rampes communes de 1ère et 2ème génération), le circuit d'huile de fuite s'est écoulé dans la conduite de retour de carburant.

Cependant, comme les injecteurs piézo-électriques fonctionnent différemment des anciens injecteurs à électrovanne, le circuit de fuite a été repensé.

Une certaine quantité d'huile de fuite se produit dans les injecteurs de carburant diesel en raison de la conception du système. La raison en est que la soupape de relais dans l'injecteur piézo-électrique a besoin d'une certaine contre-pression pour fonctionner correctement. La vanne relais nécessite environ 10 bars dans le circuit de fuite pour éviter les dysfonctionnements de l'injecteur.
Afin de maintenir cette pression, un limiteur (11) a été installé entre le (s) injecteur (s) et l'alimentation basse pression de la pompe HP.

Restrictor

Le restricteur a un orifice de 0,2 mm qui augmente la pression dans le retour de carburant des injecteurs de carburant. La pression de service dans le circuit d'huile de fuite est d'environ 10 bars.

Le carburant s'écoulant des injecteurs piézo-électriques via le raccord de retour de carburant (1) passe d'abord par un filtre (2), à travers le restricteur (3) puis à travers un autre filtre (4) vers la connexion (5) à la pompe haute pression.

Il y a un filtre (2 et 4) de chaque côté du limiteur (3) car le limiteur n'a pas de direction d'écoulement spécifique. Les filtres garantissent que la restriction réelle (3) ne se colmate pas.

Réglage du volume de l'injecteur de carburant

Les injecteurs piézo-électriques supportent non seulement les tolérances hydrauliques mais aussi les informations concernant les caractéristiques de course de l'injecteur. Ceci est une classification séparée pour l'étalonnage de la tension de l'injecteur. Cette information est nécessaire en raison de l'exigence de tension individuelle de chaque injecteur de carburant. L'injecteur de carburant est affecté à une classe d'exigences de tension. Ceci remplace le septième chiffre de la combinaison numérique sur l'injecteur pour le réglage hydraulique.

Un injecteur piézo-électrique ne comporte donc que six caractères pour le réglage hydraulique (grâce à une fabrication plus précise des injecteurs piézo-électriques) et un septième caractère pour le réglage de la tension de l'injecteur.

Ajustement du volume

Si l'électronique diesel numérique détecte les fluctuations de la vitesse du moteur, la période d'actionnement des injecteurs de carburant est corrigée en fonction de ces fluctuations de la vitesse du moteur. Le réglage du volume adapte le volume injecté de tous les cylindres les uns par rapport aux autres.

Adaptation de volume zéro

L'adaptation au volume zéro est un processus d'apprentissage continu.
Ce processus d'apprentissage est nécessaire pour permettre une pré-injection précise pour chaque injecteur de carburant. Un dosage précis du très faible volume de pré-injection est nécessaire pour l'accomplissement des réglementations sur les émissions d'échappement.

L'adaptation au volume zéro doit être effectuée de façon continue en raison de la dérive de volume des injecteurs de carburant.

A chaque cylindre, une petite quantité de carburant est injectée pendant le mode de dépassement. Ce volume continue d'augmenter jusqu'à ce qu'une légère augmentation du régime moteur soit détectée par l'électronique diesel numérique.

Le diesel électronique digital est ainsi capable de détecter quand le cylindre respectif commence à fonctionner. Le volume de carburant injecté lors de l'adaptation au volume zéro est utilisé par l'électronique numérique diesel comme valeur pour la carte caractéristique de pré-injection.

L'adaptation du volume zéro se fait alternativement d'un cylindre à l'autre pendant la phase de dépassement à des régimes de 1500 à 2500 tr / min et avec le moteur à la température de fonctionnement.

L'adaptation au volume nul n'a aucune influence sur la consommation de carburant, car seule une très petite quantité de carburant (environ 1 mm3) est injectée dans un cylindre à la fois

Adaptation moyenne du volume

L'adaptation du volume moyen (quantité) est un processus d'apprentissage dans lequel le rapport air / carburant (valeur lambda) est corrigé par le réglage de la masse d'air ou de la recirculation des gaz d'échappement. Contrairement aux autres processus, ce processus affecte également tous les injecteurs de carburant plutôt que l'injecteur de carburant individuel.

Un volume d'injection moyen sur l'ensemble des cylindres est calculé à partir de la valeur lambda mesurée par le capteur d'oxygène et de la masse d'air mesurée par le compteur de masse d'air à film chaud. Cette valeur est comparée au volume d'injection spécifié par l'électronique numérique diesel. Si une anomalie est détectée, la masse d'air est ajustée pour correspondre au volume d'injection réel par un réglage de la soupape de recirculation des gaz d'échappement. La valeur lambda correcte est définie à tour de rôle.

L'adaptation du volume moyen n'est pas une régulation «instantanée» mais un processus d'apprentissage adaptatif. L'erreur de volume d'injection est enseignée dans une carte de caractéristiques adaptative qui est stockée de façon permanente dans l'EEPROM de l'unité de commande.

Le remplacement des composants suivants nécessitera une réinitialisation

de cette carte caractéristique d'adaptation du volume moyen:

• Mesureur de masse d'air à film chaud
• Injecteurs de carburant)
• Capteur de pression de rail

Il est possible de réinitialiser la carte de caractéristiques avec le système de diagnostic BMW.