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L段niezione diretta nei motori ad accensione comandata




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L段niezione diretta nei motori ad accensione comandata



1.1 La storia delliniezione

I primi sistemi di iniezione diretta per motori ad accensione comandata furono introdotti durante la seconda guerra mondiale in campo aeronautico. L誕limentazione ad iniezione si rivel molto efficace per i propulsori degli aerei perch risolveva vari problemi legati al carburatore elementare, quali il pericolo di formazione di ghiaccio nella zona della valvola a farfalla, la poco precisa regolazione del titolo della miscela al variare della quota e l段ncompatibilit con le frequenti e repentine variazioni di assetto dei velivoli militari.

Per risolvere questi problemi erano state sviluppate due soluzioni: quella americana e quella tedesca. Gli americani introdussero il carburatore ad iniezione: si trattava di un sistema di iniezione indiretta con portata regolata mediante membrane, con il quale veniva iniettato il combustibile nel collettore di aspirazione; la soluzione tedesca prevedeva invece un sistema di iniezione diretta.

Dopo la seconda guerra mondiale, l段niezione stata introdotta anche in ambito automobilistico sia sui motori a due tempi (Gutbrod, Goliarth), eliminando cos il cortocircuito di miscela carburata allo scarico, sia su quelli a quattro tempi fra i quali il primo fu il motore da competizione Mercedes-Benz W196.

Fig. 1.1: motore Mercedes W196


Questa applicazione, come illustrato nelle figure 1.1, utilizzava un sistema di iniezione diretta. Tale sistema di alimentazione, derivato da quello Bosch impiegato nei motori ad accensione

spontanea, venne anche impiegato nel modello stradale 300SL (figure 1.2 e 1.3).

Fig. 1.2: Mercedes 300 SL (1956) Fig. 1.3: motore montato sulla Mercedes 300 SL:

si noti la pompa di iniezione in linea

La Mercedes continu a sviluppare sistemi di iniezione, orientandosi per verso la soluzione indiretta a causa degli inconvenienti che presentava l段niezione diretta; in primo luogo, infatti, le alte pressioni a cui doveva essere iniettato il carburante per poter vaporizzare in breve tempo richiedevano la costruzione di pompe con giochi molto stretti per evitare trafilamenti; questo, dato che la benzina ha scarse propriet lubrificanti, comportava diversi problemi, tra i quali il grippaggio della pompa. Inoltre, a causa del fatto che la pressione di iniezione che si riusciva ad ottenere, anche in relazione a quanto detto prima, non permetteva comunque una buona nebulizzazione dello spray, si aveva un elevato 妬mpingement che sia lavava via il lubrificante dalle pareti dei cilindri (causa di elevate usure), sia faceva aumentare la produzione di idrocarburi incombusti. E necessario ricordare poi che questi fenomeni non potevano essere previsti ed analizzati all弾poca mediante simulazioni CFD, per cui non era chiaro il motivo dei malfunzionamenti indotti dall段niezione diretta. Iniettando invece nel collettore di aspirazione (iniezione indiretta), la pressione di iniezione necessaria molto pi bassa per cui si potevano avere giochi pi grandi tra pistoncino e cilindro dell弾lemento pompante, scongiurando il pericolo del grippaggio.

Solo negli ultimi due decenni tornato vivo l段nteresse, prima a livello di ricerca e poi anche a


progressi compiuti nel campo dell弾lettronica e meccatronica, per cui attualmente esistono molte grandi case costruttrici europee e giapponesi che hanno messo in produzione di serie motori con questo tipo di alimentazione.

 

 
1.2 Confronto tra iniezione diretta ed indiretta


Port Fuel

Injection (PFI)


Gasoline Direct

Injection (GDI)


Fig. 1.4: sistema di iniezione indiretta Fig. 1.5: sistema di iniezione diretta

La differenza maggiore tra i motori ad iniezione indiretta (PFI port fuel injection) e quelli ad iniezione diretta (GDI gasoline direct injection) consiste nel metodo di preparazione della miscela.

Nei motori PFI (fig. 1.4) la benzina iniettata nel condotto di aspirazione di ogni cilindro (sistemi di iniezione indiretta multipoint); l段niettore pu essere posizionato sia allinizio del condotto stesso, sia vicino alla testata (80% dei casi). Durante le partenze a freddo, a causa delle basse temperature, parte della benzina condensa sulle pareti dei condotti di aspirazione (wall wetting); risulta quindi difficile valutare con esattezza la quantit di benzina che entra nel cilindro ad ogni ciclo. Questo, associato con la scarsa evaporazione di combustibile, fa s che la quantit di benzina da iniettare per ottenere un rapporto di miscela stechiometrico in camera di combustione sia maggiore di quella richiesta. Tutto ci pu causare, nei primi cicli di funzionamento, elevate emissioni di idrocarburi incombusti.

Problemi si verificano anche nei transitori (fasi di accelerazione e di decelerazione); infatti in fase di accelerazione, l誕umento della pressione nel condotto di aspirazione, dovuto alla repentina apertura della valvola a farfalla, fa depositare sulle pareti, in fase liquida, parte della benzina che era vaporizzata in precedenza, rendendo cos necessario un arricchimento; in fase di


decelerazione la diminuzione di pressione nel collettore di aspirazione, dovuta alla rapida chiusura della farfalla, fa aumentare l弾vaporazione del film liquido presente nel condotto. In camera di combustione entra cos una miscela ricca che d luogo a idrocarburi incombusti.

Con l段niezione diretta (vedi fig. 1.5), invece, si evita il problema del wall wetting ottenendo cos una dosatura molto pi precisa della benzina che entra nei cilindri ad ogni ciclo. Questo fa anche s che il motore operi con variazioni del rapporto di miscela minori sia tra i vari cilindri sia di ciclo in ciclo.

Nei PFI, come detto sopra, l段niettore viene posto sul condotto di aspirazione e spruzza la benzina sopra le valvole di aspirazione; essendo queste molto pi calde rispetto all誕ria e alla benzina presenti nel condotto (perch si scaldano sia durante la combustione sia per conduzione con la testata), una buona parte di combustibile sottrae calore ad esse invece che all誕ria circostante. Nei motori GDI, al contrario, la benzina mette a disposizione tutto il suo calore latente di evaporazione per raffreddare l誕ria che sta entrando nel cilindro, con notevoli vantaggi nel funzionamento del motore.

Il primo vantaggio consiste in un miglior coefficiente di riempimento perch, a parit di volume, si potr introdurre nel cilindro una maggiore quantit di aria (laria pi fredda e quindi pi densa) e di conseguenza, rimanendo in condizioni di titolo stechiometrico, una maggiore quantit di benzina in ogni ciclo; il motore GDI erogher per questo motivo una maggiore potenza rispetto ad un PFI (a parit di caratteristiche tecniche).

La riduzione della temperatura della miscela comporta anche un aumento del rendimento nonch della potenza del motore perch si riduce il fenomeno della dissociazione dei prodotti della combustione ed aumenta il rapporto tra i calori specifici a pressione e volume costante.

La dissociazione causata dal fatto che, ad alta temperatura, i prodotti della combustione, come l誕nidride carbonica ed il vapore acqueo, non sono stabili ma tendono a dissociarsi mediante reazioni endotermiche che vanno a diminuire lentit del calore trasformabile in lavoro; diminuendo la temperatura media a cui si svolge il ciclo, gli equilibri di queste reazioni chimiche sono sempre pi spostate verso i reagenti e di conseguenza la perdita di rendimento associata alla dissociazione si riduce.

In figura 1.7 rappresentato l誕ndamento di Cp e Cv in funzione della temperatura (fig.1.6):

Fig. 1.6: andamento dei calori specifici in funzione della temperatura


La costante generale dei gas R=Cp-Cv pu considerarsi circa costante con l誕umento della temperatura, pertanto il rapporto k tra i due calori specifici che compare nella 1.1 tende a

diminuire con l誕umento della temperatura, con conseguente riduzione del rendimento ideale.


Q

 
η = L


= 1 1


dove:

ηt


t

i

: rendimento termico ideale;




ρ k 1


(1.1)


Qi : calore introdotto;

ρ : rapporto di compressione

k : rapporto tra i calori specifici a pressione e a volume costante

Un altro vantaggio dell段niezione diretta consiste nell誕umento della resistenza alla detonazione. Essa causata dal fatto che gli end-gas, ovvero la parte della carica fresca destinata ad essere raggiunta per ultima dal fronte di fiamma, si trovano a temperature maggiori di quella di autoaccensione per un tempo superiore al tempo di latenza; diminuendo la temperatura di inizio combustione gli end-gas si troveranno ad una temperatura pi bassa e quindi la probabilit che si raggiungano le condizioni di autoaccensione diminuisce. Diminuendo la tendenza alla detonazione si pu aumentare il rapporto di compressione e quindi per la 1.1 si ottiene un aumento del rendimento termico e, di conseguenza, della potenza del motore.

Sono stati fin qui esposti soltanto i vantaggi dei motori GDI ma vi sono, rispetto ai PFI, anche degli svantaggi e delle difficolt come:

costo dell段mpianto molto pi elevato a causa delle pressioni di iniezione necessarie decisamente pi elevate (uno-due ordini di grandezza)

si pu avere mpingement, in particolare con motore freddo: parte del combustibile va a depositarsi sulle pareti della camera condensando e, rimanendo allo stato liquido, non brucia. Si crea cos inquinamento dovuto ad idrocarburi incombusti (HC)

quando si inietta in avanzata fase di compressione (funzionamento con carica stratificata), parte del combustibile pu non riuscire ad evaporare completamente e a diffondere prima dell誕ccensione, per cui, quando il fronte di fiamma lo incontra, data l弾levata temperatura, si hanno fenomeni di 田racking con la generazione di particolato sottile


nelle condizioni di funzionamento in cui si effettua la stratificazione della carica l弾levato eccesso d誕ria non permette al catalizzatore trivalente convenzionale la riduzione degli ossidi di azoto; le emissioni di questi saranno cos pi elevate (se non si adotta un catalizzatore De-Nox)

difficolt di natura tecnologica nella realizzazione della pompa di iniezione dato che la benzina, avendo una viscosit molto bassa, non lubrifica le parti in movimento

risultano complessi la gestione ed il controllo elettronico delle varie modalit di funzionamento. L弛ttenimento ed il controllo della stratificazione della carica sono tutt誕ltro che semplici da realizzare

possibili malfunzionamenti del sistema a causa dei depositi che si formano sugli iniettori

1.3 La stratificazione della carica

Un grande vantaggio dell段niezione diretta, oltre a quelli presentati nel paragrafo precedente, che rende possibile la stratificazione della carica che consiste nell弛ttenere, nella zona degli elettrodi della candela, nell段stante di accensione, una nube di miscela aria-benzina con rapporto stechiometrico (o leggermente ricco) circondata da miscela povera o da sola aria. In questo modo possibile assicurare sia un誕ccensione sia una successiva combustione regolari anche in presenza di forti eccessi d誕ria.

E possibile realizzare la stratificazione della carica sia con miscele complessivamente stechiometriche (carica semistratificata) sia con miscele complessivamente povere (carchi bassi). La stratificazione con miscele stechiometriche si effettua con due iniezioni nello stesso ciclo: una prima iniezione durante la fase di aspirazione dove si inietta il quantitativo maggiore della benzina, mentre la seconda frazione del combustibile (15-20%) si inietta in fase di compressione in modo da avere vicino alla candela una zona ricca circondata da una miscela leggermente povera. Si ottengono cos diversi vantaggi:

diminuisce la dispersione ciclica del motore perch la combustione ha un inizio pi sicuro e stabile

la combustione pi rapida perch la sottofase iniziale di innesco pi breve grazie ad una pi favorevole cinetica chimica, quindi l段ntroduzione di calore si avvicina di pi ad un段socora (rendimento pi elevato)

diminuisce la tendenza alla detonazione per due motivi: in primo luogo perch, essendo pi breve la fase di combustione, gli 兎nd gas sono sottoposti ad una temperatura elevata per un tempo minore, quindi diminuisce la probabilit che si superi il tempo di latenza; il


secondo motivo legato al fatto che il titolo non uniforme in camera di combustione, per cui gli end gas si troveranno in una zona dove la miscela pi povera e perci saranno meno reattivi. Si potr avere, adottando questa strategia, un rapporto di compressione maggiore che si traduce in un incremento del rendimento termico

I vantaggi pi significativi in termini di rendimento si ottengono qualora si realizzi la stratificazione della carica con miscele complessivamente povere, cio concentrando nella zona della candela il combustibile, circondato da sola aria; cos facendo possibile eliminare la valvola a farfalla e regolare la potenza erogata gestendo soltanto la quantit di benzina iniettata (regolazione per qualit e non per quantit), consentendo ai motori ad accensione comandata di ottenere parte dei vantaggi dei motori ad accensione spontanea, senza per soffrire della limitazione sulla velocit di rotazione massima propria di questi ultimi. Si ottengono in questo modo tutti i vantaggi dell段niezione diretta sommati a quelli della regolazione senza farfalla, che sono:

minore lavoro perso nel ciclo di pompaggio grazie alla minore perdita di carico all誕spirazione ai bassi carichi dovuta alla farfalla. Le perdite che si hanno sono per questo motivo di entit simile a quelle del diesel e non cambiano al variare del carico

temperature di combustione pi basse grazie all弾levato eccesso d誕ria, quindi, per i motivi spiegati in precedenza, minore dissociazione, esponente dell誕diabatica k pi elevato e, di conseguenza, rendimento pi elevato

ulteriore aumento dell弾sponente k dell誕diabatica dovuto al pi basso rapporto combustibile/aria ed al fatto che in camera di combustione rimane intrappolata una quantit minore di gas residui grazie all誕ssenza della valvola a farfalla. I calori specifici del grafico di figura 1.7 variano infatti molto di pi con l誕umento della temperatura per i prodotti della combustione piuttosto che per l誕ria, in particolare variano molto quelli dell誕cqua

minori scambi termici con le pareti grazie all弾levato eccesso d誕ria che riduce la temperatura media della miscela e si interpone durante la combustione tra i gas caldi che stanno bruciando e le pareti

possibile mandare in ricircolo una maggiore quantit di gas combusti (Exhaust Gas Recirculation: EGR), con conseguente riduzione delle emissioni di NOx, grazie al fatto che, in regime di carica stratificata, la combustione si sviluppa pi rapidamente e con maggiore stabilit

regime di rotazione minimo pi basso; infatti al minimo in un motore PFI iniettando poca benzina, regolando per quantit, dovr essere immessa nella camera di combustione


anche poca aria, mentre vi sar una notevole quantit di gas combusti perch vengono richiamati dalla forte depressione che si genera dal restringimento della sezione di passaggio nel condotto. I gas combusti provocano irregolarit di funzionamento e, per avere stabilit, necessario far girare il motore pi forte. Nei GDI, dove si effettua la stratificazione della carica, la farfalla invece completamente aperta al minimo, di conseguenza vi sar un elevato rapporto gas freschi/gas residui per cui si avr una minore dispersione ciclica e di conseguenza un regime di rotazione di minimo pi basso e un minore consumo di carburante

1.4 Modalit di funzionamento dei motori GDI

I motori ad iniezione diretta sono in grado di funzionare sia in regime di carica omogenea (ai carichi elevati), come quelli ad iniezione indiretta, sia in regime di carica stratificata. Si distinguono cos tre principali modalit di funzionamento in relazione al carico che si realizza:

pieno carico

carichi medi o medio-bassi

bassi carichi

A pieno carico si effettua l段niezione anticipata: il combustibile viene iniettato gi durante la fase di aspirazione in modo da avere in camera una miscela omogenea e stechiometrica (o leggermente ricca per ottenere la massima potenza), come avviene nei motori PFI in ogni condizione di carico; come gi detto in precedenza anche a pieno carico si pu realizzare la carica semistratificata.

In condizione di carico medio-basso si realizza la carica semistratificata: in camera presente ovunque miscela aria/combustibile la quale tanto pi ricca quanto pi vicina agli elettrodi della candela; in questo modo possibile accendere una miscela con rapporto A/F anche piuttosto alto.

Ai bassi carichi si effettua liniezione ritardata. Il combustibile immesso in camera nella fase di compressione e, grazie ai campi di moto presenti nel cilindro, si realizza la stratificazione della carica: miscela stechiometrica o leggermente ricca in prossimit degli elettrodi della candela e titolo decrescente allontanandosi da essa, fino ad avere zone con sola aria. opportuno precisare che il tempo a disposizione per il completamento di tale processo di stratificazione critico. Infatti, dall段stante in cui termina l段niezione a quello dell誕ccensione, il combustibile deve essere introdotto in camera, evaporare e miscelarsi con l誕ria. La fluidodinamica interna, la geometria della camera di combustione e la tipologia di iniettore utilizzato risultano quindi determinanti ed occorrono studi accurati per raggiungere risultati soddisfacenti.

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