IT202000017767A1

IT202000017767A1 - Pompa carburante per un sistema di iniezione diretta

Info

Publication number: IT202000017767A1
Application number: IT102020000017767A
Authority: IT
Inventors: Armando Spizzirri; Michele Petrone; Stefano Petrecchia
Original assignee: Marelli Europe Spa
Priority date: 2020-07-22
Filing date: 2020-07-22
Publication date: 2022-01-22
Also published as: FR3112817B3; CN215804909U; FR3112817A3; JP3234332U; DE202021103840U1; BR102021014450A2

Description

D E S C R I Z I O N E

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

?POMPA CARBURANTE PER UN SISTEMA DI INIEZIONE DIRETTA?

SETTORE DELLA TECNICA

La presente invenzione ? relativa ad una pompa carburante per un sistema di iniezione diretta; preferibilmente, il sistema di iniezione diretta ? utilizzato in un motore a combustione interna ad accensione comandata e quindi alimentato a benzina o carburanti similari.

ARTE ANTERIORE

Un sistema di iniezione diretta comprende una pluralit? di iniettori, un canale comune (?common rail?) che alimenta il carburante in pressione agli iniettori, una pompa carburante di alta pressione, la quale alimenta il carburante al canale comune mediante un condotto di alimentazione di alta pressione ed ? provvista di un dispositivo di regolazione della portata, ed una unit? di controllo che pilota il dispositivo di regolazione della portata per mantenere la pressione del carburante all?interno del canale comune pari ad un valore desiderato generalmente variabile nel tempo in funzione delle condizioni di funzionamento del motore.

La pompa carburante di alta pressione descritta nella domanda di brevetto EP2236809A1 comprende: una camera di pompaggio all?interno della quale scorre con moto alternativo un pistone, un condotto di aspirazione regolato da una valvola di aspirazione per alimentare il carburante a bassa pressione all?interno della camera di pompaggio, ed un condotto di mandata regolato da una valvola di mandata per alimentare il carburante ad alta pressione fuori dalla camera di pompaggio e verso il canale comune.

Per guidare lo scorrimento alternativo del pistone, ? prevista una boccola di guida che ? disposta al di sotto della camera di pompaggio ed al cui interno scorre il pistone. Il foro centrale della boccola di guida (in cui ? disposto il pistone) ed il pistone devono venire lavorati con una elevata precisione in modo tale da minimizzare il gioco meccanico (ovvero la distanza) esistente tra il foro centrale della boccola di guida ed il pistone (allo scopo di limitare il trafilamento del carburante lungo il pistone) senza tuttavia arrivare ad annullare completamente tale gioco meccanico (che ? ovviamente indispensabile per permettere lo scorrimento del pistone dentro alla boccola di guida). Nelle pompe carburante di alta pressione attualmente in commercio, il gioco meccanico (ovvero la distanza) esistente tra il foro centrale della boccola di guida ed il pistone ? inferiore a 12 micron e generalmente compreso tra 7 e 10 micron; infatti tale intervallo di valori permette di limitare notevolmente il trafilamento del carburante lungo il pistone senza tuttavia compromettere la funzionalit? del pistone stesso (ovvero lo scorrimento del pistone dentro alla boccola di guida).

Recentemente, i produttori di automobili hanno iniziato a progettare nuovi motori a combustione interna alimentati a benzina che operano con pressioni di iniezione della benzina superiori a 400-500 bar (fino a 800-1000 bar) e di conseguenza hanno necessit? di pompe carburante di alta pressione in grado di pompare il carburante a tali pressioni.

Alcune simulazioni hanno messo in evidenza che la struttura descritta nella domanda di brevetto EP2236809A1 permette, ovviamente con alcuni adattamenti, di aumentare la pressione nominale del carburante fino a 800-1000 bar; tuttavia, le stesse simulazioni hanno anche mostrato come salendo molto nella pressione nominale del carburante si potrebbero verificare dei grippaggi prematuri del pistone dentro alla boccola di guida.

DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE

Scopo della presente invenzione ? di realizzare una pompa carburante per un sistema di iniezione diretta, la quale pompa carburante sia in grado di pompare il carburante ad una pressione elevata e, nello stesso tempo, sia esente da problemi di affidabilit?.

Secondo la presente invenzione viene realizzata una pompa carburante per un sistema di iniezione diretta, secondo quanto rivendicato dalle rivendicazioni allegate.

Le rivendicazioni descrivono forme di realizzazione preferite della presente invenzione formando parte integrante della presente descrizione.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

La presente invenzione verr? ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano alcuni esempi di attuazione non limitativo, in cui:

? la figura 1 ? una vista in sezione longitudinale di una pompa carburante realizzata in accordo con la presente invenzione;

? la figura 2 ? una vista in scala ingrandita di un particolare della figura 1 che illustra parzialmente una boccola di guida ed un pistone della pompa carburante;

? la figura 3 ? ulteriore vista in sezione longitudinale della pompa carburante della figura 1;

? la figura 4 ? una vista prospettica del pistone della pompa carburante della figura 1; e

? la figura 5 ? una vista in scala ingrandita del particolare della figura 2 secondo una alternativa forma di attuazione.

FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL?INVENZIONE

Nella figura 1, con il numero 1 ? indicata nel suo complesso una pompa carburante di alta pressione per un sistema di iniezione diretta di carburante di tipo common rail in un motore a combustione interna; preferibilmente, il sistema di iniezione diretta ? utilizzato in un motore a combustione interna ad accensione comandata e quindi alimentato a benzina o carburanti similari.

La pompa 1 di alta pressione comprende un corpo 2 principale che presenta un asse 3 longitudinale e definisce al suo interno una camera 4 di pompaggio di forma cilindrica. All?interno della camera 4 di pompaggio ? montato scorrevole un pistone 5 che spostandosi di moto alternativo lungo l?asse 3 longitudinale determina una ciclica variazione del volume della camera 4 di pompaggio. Una porzione inferiore del pistone 5 ? da un lato accoppiata ad una molla (non illustrata) che tende a spingere il pistone 5 verso una posizione di massimo volume della camera 4 di pompaggio e dall?altro lato ? accoppiata ad un eccentrico (non illustrato) che viene portato in rotazione da un albero motore del motore a combustione interna per spostare ciclicamente il pistone 5 verso l?alto comprimendo la molla.

Da una parete laterale della camera 4 di pompaggio si origina un condotto di aspirazione (non illustrato) che ? regolato da una valvola di aspirazione (non illustrata) disposta in corrispondenza della camera 4 di pompaggio. Da una parete laterale della camera 4 di pompaggio e dal lato opposto rispetto al condotto di aspirazione si origina un condotto di mandata (non illustrato) che ? regolato da una valvola di mandata (non illustrata) monodirezionale che ? disposta in corrispondenza della camera 4 di pompaggio e permette unicamente un flusso di carburante in uscita dalla camera 4 di pompaggio.

Nel corpo 2 principale ed al di sotto della camera 4 di pompaggio ? ricavata una sede 6 di contenimento di forma cilindrica che presenta un diametro maggiore rispetto al diametro della camera 4 di pompaggio ed alloggia una boccola 7 di guida del pistone 5; la boccola 7 di guida ha essenzialmente la funzione di guidare lo scorrimento assiale alternativo del pistone 5. La boccola 7 di guida ? realizzata con un materiale di opportuna durezza e con una finitura superficiale tale da agevolare lo scorrimento assiale del pistone 5.

La boccola 7 di guida ha una forma tubolare e presenta internamente un foro 8 centrale passante che alloggia in modo scorrevole il pistone 5; il foro 8 centrale della boccola 7 di guida (in cui ? disposto il pistone 5) ed il pistone 5 vengono lavorati con una elevata precisione in modo tale da minimizzare il gioco meccanico (ovvero la distanza) esistente tra il foro 8 centrale della boccola 7 di guida ed il pistone 5 (in modo da limitare il pi? possibile il trafilamento del carburante lungo il pistone 5) senza tuttavia arrivare ad annullare completamente tale gioco meccanico (che ? ovviamente indispensabile per permettere lo scorrimento del pistone 5 dentro alla boccola 7 di guida).

Il gioco meccanico (ovvero la distanza) esistente tra il foro 8 centrale della boccola 7 di guida ed il pistone 5 ? inferiore a 12 micron e generalmente compreso tra 7 e 10 micron; infatti tale intervallo di valori permette di limitare il trafilamento del carburante lungo il pistone 5 senza tuttavia compromettere la funzionalit? del pistone 5 stesso (ovvero lo scorrimento libero del pistone 5 dentro alla boccola 7 di guida).

Per migliorare la scorrevolezza del pistone 5 nel foro 8 centrale della boccola 7 di guida, il pistone 5 viene esternamente rivestito con uno strato esterno antiattrito (ovvero a basso attrito); preferibilmente, viene utilizzato un rivestimento antiattrito di tipo DLC (?Diamond Like Carbon?) a base carbonio. In alternativa, il rivestimento antiattrito potrebbe essere applicato solo al foro 8 centrale della boccola 7 di guida, oppure il rivestimento antiattrito potrebbe essere applicato sia al pistone 5, sia al foro 8 centrale della boccola 7 di guida.

Secondo quanto meglio illustrato nella figura 2, tra il pistone 5 ed il foro 8 centrale della boccola 7 di guida ? interposta una guarnizione 9 di tenuta che ha la funzione di limitare ulteriormente il trafilamento del carburante lungo il pistone 5. La guarnizione 9 di tenuta presenta una certa elasticit? per potersi deformare elasticamente (in particolare per comprimersi radialmente contro la superficie interna del foro 8 centrale della boccola 7 di guida). La guarnizione 9 di tenuta ? preferibilmente realizzata con un materiale a basso coefficiente di attrito; ad esempio, la guarnizione 9 di tenuta potrebbe essere realizzata con un materiale a base di PTFE (Politetrafluoroetilene, noto commercialmente anche con il nome di Teflon?) eventualmente caricato con vetro o grafite.

Secondo una preferita forma di attuazione illustrata nelle figure allegate, il pistone 5 presenta una gola 10 anulare (meglio illustrata nella figura 3) che alloggia la guarnizione 9 di tenuta; ovvero la gola 10 anulare costituisce una sede in cui viene accolta la guarnizione 9 di tenuta per evitare che la guarnizione 9 di tenuta possa compiere spostamenti assiali rispetto al pistone 5.

Ovviamente, la gola 10 anulare ? posizionata sul pistone 5 ad una quota assiale tale per cui la gola 10 anulare (e quindi la guarnizione 9 di tenuta che ? alloggiata nella gola 10 anulare) si trovi sempre all?interno del foro 8 centrale della boccola 7 di guida durante la corsa del pistone 5.

Secondo una preferita forma di attuazione illustrata nelle figure allegate, il pistone 5 comprende anche (almeno) una ulteriore gola 11 anulare che ? disposta ad una certa distanza assiale dalla gola 10 anulare che alloggia la guarnizione 9 di tenuta, ? libera (ovvero non ? impegnata da altri elementi), ed ? posizionata sul pistone 5 ad una quota assiale tale per cui la gola 11 anulare si trovi sempre all?interno del foro 8 centrale della boccola 7 di guida durante la corsa del pistone 5. Una prima funzione della gola 11 anulare ? di raccogliere al proprio interno una certa quantit? di carburante che trafila lungo il pistone 5 per creare una ?guarnizione idraulica? che ? in grado di limitare il trafilamento del carburante; in altre parole, nella gola 11 anulare si forma un anello di carburante in pressione che realizza una guarnizione idraulica? che ? in grado di limitare il trafilamento del carburante. Una ulteriore (ma non meno importante) funzione della gola 11 anulare ? di stabilizzare l'allineamento del pistone 5 nel foro 8 centrale della boccola 7 di guida in quanto aiuta a recuperare (compensare) un eventuale fuoricentro del pistone 5.

Nella forma di attuazione illustrata nelle figure allegate, la gola 10 anulare (quindi la guarnizione 9 di tenuta) ? disposta tra la camera 4 di pompaggio e la gola 11 anulare; ovvero la gola 11 anulare ? disposta pi? lontana dalla camera 4 di pompaggio rispetto alla gola 10 anulare (quindi rispetto alla guarnizione 9 di tenuta). In questa forma di attuazione, il carburante che trafila lungo il cilindro 5 incontra prima la gola 10 anulare (quindi la guarnizione 9 di tenuta) e successivamente la gola 11 anulare.

Secondo una diversa forma di attuazione non illustrata, la gola 11 anulare ? disposta tra la camera 4 di pompaggio e la gola 10 anulare (quindi la guarnizione 9 di tenuta); ovvero la gola 10 anulare (quindi la guarnizione 9 di tenuta) ? disposta pi? lontana dalla camera 4 di pompaggio rispetto alla gola 11 anulare. In questa forma di attuazione, il carburante che trafila lungo il cilindro 5 incontra prima la gola 11 anulare e successivamente la gola 10 anulare (quindi la guarnizione 9 di tenuta).

Nella forma di attuazione illustrata nelle figure 1-4, la guarnizione 9 di tenuta presenta una forma anulare chiusa su s? stessa, ovvero senza alcuna soluzione di continuit?; in altre parole la guarnizione 9 di tenuta ? un anello continuo privo di interruzioni e quindi senza un inizio e senza una fine. Questa forma di attuazione permette di ottenere una migliore tenuta idraulica dalla guarnizione 9 di tenuta, ma per contro rende molto pi? complesso il montaggio della guarnizione 9 di tenuta nella gola 10 anulare, in quanto la deformazione elastica della guarnizione 9 di tenuta per scorrere lungo il pistone 5 fino a raggiungere la gola 10 anulare richiede l?applicazione di una forza elevata (che potrebbe anche portare a danneggiare la guarnizione 9 di tenuta e/o a graffiare la superficie esterna del pistone 5).

Nella alternativa forma di attuazione illustrata nella figura 5, la guarnizione 9 di tenuta presenta una forma anulare aperta (quindi che non ? chiusa su s? stessa) a causa di una interruzione 12 della continuit?; di conseguenza, la guarnizione 9 di tenuta presenta un inizio ed una fine tra loro separati (dalla interruzione 12) ed affacciati.

Preferibilmente, ma non obbligatoriamente, l?interruzione 12 forma un angolo acuto con l?asse 3 longitudinale del pistone 5, ovvero ? inclinata e non parallela all?asse 3 longitudinale del pistone 5 (nella forma di attuazione illustrata nella figura 5, l?interruzione 12 forma un angolo di 45? con l?asse 3 longitudinale del pistone 5); l?inclinazione della interruzione 12 rispetto all?asse 3 longitudinale del pistone 5 (ovvero rispetto alla direzione di spinta della pressione del carburante) fa in modo che la pressione del carburante tenda a chiudere la guarnizione 9 di tenuta, cio? tenda a premere uno contro l?altro i due estremi affacciati della guarnizione 9 di tenuta. Questa forma di attuazione presenta una minore tenuta idraulica della guarnizione 9 di tenuta, ma ha il vantaggio di rendere molto pi? semplice il montaggio della guarnizione 9 di tenuta nella gola 10 anulare, in quanto la deformazione elastica della guarnizione 9 di tenuta per scorrere lungo il pistone 5 fino a raggiungere la gola 10 anulare richiede l?applicazione di una forza relativamente modesta.

Secondo una alternativa forma di attuazione non illustrata, il pistone 5 potrebbe comprendere due o tre guarnizioni 9 di tenuta disposte in serie ad una certa distanza una dall?altra ed alloggiate in rispettive gole 10.

Secondo una ulteriore forma di attuazione non illustrata, il pistone 5 potrebbe comprendere due o tre gole 11 anulari disposte ad una certa distanza una dall?altra; normalmente almeno una gola 11 anulare ? disposta a monte della gola 10 anulare (ovvero a monte della guarnizione 9 di tenuta) ed almeno una gola 11 anulare ? disposta a valle della gola 10 anulare (ovvero a valle della guarnizione 9 di tenuta).

Le forme di attuazione qui descritte si possono combinare tra loro senza uscire dall'ambito di protezione della presente invenzione.

La pompa 1 carburante sopra descritta presenta numerosi vantaggi.

In primo luogo, la pompa 1 carburante sopra descritta ? in grado di pompare il carburante ad una pressione nominale fino a 900-1000 bar senza alcun problema di affidabilit? (ovvero senza presentare prematuri grippaggi del pistone 5).

Questo risultato viene ottenuto combinando l?utilizzo di un gioco meccanico molto piccolo (inferiore a 12 micron) tra il foro 8 centrale della boccola 7 di guida ed il pistone 5 (in modo da limitare il pi? possibile il trafilamento del carburante lungo il pistone 5) con la presenza della guarnizione 9 di tenuta: l?azione sinergica di queste due soluzioni permette di eliminare quasi del tutto il trafilamento di carburante lungo il pistone 5 eliminando un conseguente surriscaldamento del pistone 5 che, se non eliminato, potrebbe causare un degrado termico del rivestimento antiattrito del pistone 5.

In altre parole, aumentando la pressione nominale del carburante, il trafilamento di carburante lungo il pistone 5 non ? tanto un problema di efficienza energetica (in quanto il carburante che trafila rappresenta una ?perdita di potenza?), ma ? soprattutto un problema di surriscaldamento del pistone 5 (che non danneggia il pistone 5 in acciaio, ma potrebbe danneggiare il rivestimento antiattrito del pistone 5) in quanto il carburante che trafila tra il foro 8 della boccola 7 di guida ed il pistone 5 si riscalda parecchio arrivando anche a raggiungere temperature critiche per il rivestimento antiattrito del pistone 5.

Inoltre, la pompa 1 carburante sopra descritta ? di semplice ed economica attuazione, in quanto le modifiche rispetto ad una analoga pompa carburante nota sono limitate e consistono nella aggiunta della guarnizione 9 di tenuta. ELENCO DEI NUMERI DI RIFERIMENTO DELLE FIGURE

1 pompa carburante

2 corpo principale

3 asse longitudinale

4 camera di pompaggio

5 pistone

6 sede di contenimento

7 boccola di guida

8 foro centrale

9 guarnizione di tenuta

10 gola anulare

11 gola anulare

12 interruzione

Claims

R I V E N D I C A Z I O N I

1) Pompa (1) carburante per un sistema di iniezione diretta e comprendente:

un corpo (2) principale;

una camera (4) di pompaggio definita nel corpo (12) principale;

un pistone (5) che ? montato scorrevole all?interno della camera (4) di pompaggio per variare ciclicamente il volume della camera (4) di pompaggio;

una sede (6) di contenimento che ? definita nel corpo (2) principale al di sotto della camera (4) di pompaggio; ed una boccola (7) di guida, la quale ? alloggiata nella sede (6) di contenimento ed ? provvista di un foro (8) centrale in cui ? disposto in modo scorrevole il pistone (5);

in cui un gioco meccanico esistente tra il foro (8) centrale della boccola (7) di guida ed il pistone (5) ? inferiore a 12 micron;

la pompa (4) carburante ? caratterizzata dal fatto di comprendere una guarnizione (9) di tenuta interposta tra il pistone (5) ed il foro (8) centrale della boccola (7) di guida.

2) Pompa (1) carburante secondo la rivendicazione 1, in cui la guarnizione (9) di tenuta ? montata sul pistone (5).

3) Pompa (1) carburante secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il pistone (5) presenta una prima gola (10) anulare che alloggia la guarnizione (9) di tenuta.

4) Pompa (1) carburante secondo la rivendicazione 1, 2 o 3, in cui il pistone (5) presenta una seconda gola (11) anulare che ? disposta ad una certa distanza assiale dalla guarnizione (9) di tenuta ed ? libera, ovvero non ? impegnata da altri elementi.

5) Pompa (1) carburante secondo la rivendicazione 4, in cui la guarnizione (9) di tenuta ? disposta tra la camera (4) di pompaggio e la seconda gola (11) anulare.

6) Pompa (1) carburante secondo la rivendicazione 4, in cui la seconda gola (11) anulare ? disposta tra la camera (4) di pompaggio e la guarnizione (9) di tenuta.

7) Pompa (1) carburante secondo una delle rivendicazioni da 1 a 6, in cui la guarnizione (9) di tenuta presenta una forma anulare chiusa su s? stessa, ovvero la guarnizione (9) di tenuta ? un anello continuo privo di interruzioni.

8) Pompa (1) carburante secondo una delle rivendicazioni da 1 a 6, in cui la guarnizione (9) di tenuta presenta una forma anulare aperta per effetto di una interruzione (12) della continuit? e quindi presenta un inizio ed una fine tra loro separati ed affacciati.

9) Pompa (1) carburante secondo la rivendicazione 8, in cui l?interruzione (12) forma un angolo acuto con un asse (3) longitudinale del pistone (5).

10) Pompa (1) carburante secondo una delle rivendicazioni da 1 a 9, in cui la guarnizione (9) di tenuta potrebbe ? realizzata con un materiale a base di PTFE.

11) Pompa (1) carburante secondo una delle rivendicazioni da 1 a 10, in cui il pistone (5) e/o il foro (8) centrale della boccola (7) di guida sono rivestiti mediante un rivestimento antiattrito.

12) Pompa (1) carburante secondo la rivendicazione 11, in cui il rivestimento antiattrito ? di tipo DLC a base carbonio.

13) Pompa (1) carburante secondo una delle rivendicazioni da 1 a 12, in cui il gioco meccanico esistente tra il foro (8) centrale della boccola (7) di guida ed il pistone (5) ? compreso tra 7 e 10 micron.