IL MOTORE DIESEL

INIETTORE

Lo sviluppo degli iniettori è stato uno dei principali fattori che hanno portato al successo del motore Diesel negli ultimi 25 anni.

Originariamente, gli iniettori erano completamente meccanici

Anche allora, erano formati da un corpo in acciaio che all’estremità inferiore presentava uno o più fori, tenuti chiusi da un’asta a punta conica e da una molla opportunamente tarata.

Il suo funzionamento si basava sulla pressione del gasolio che giungeva fino alla strozzatura ad anello, vinceva la resistenza della molla costringendo la punta conica a sollevarsi ed a lasciar passare il gasolio in pressione.
Subito dopo l’iniezione, diminuendo la pressione nella condotta proveniente dalla pompa, l’asta tornava al suo posto chiudendo i fori di passaggio, e da li il ciclo ricominciava.

Il gasolio veniva iniettato in una precamera, che serviva a ridurre il ritardo di accensione del gasolio – che non ha la stessa velocità di accensione e propagazione di fiamma della benzina – e grazie alla presenza di una candeletta ad incandescenza, ne facilitava anche le partenze a freddo.

Parliamo quindi di una vera e propria iniezione indiretta, in quanto il gasolio non veniva nebulizzato direttamente nel cilindro

Anche in questo caso, l’innovazione tecnologica spinta dalla necessità di minori consumi e quindi dalla diminuzione delle emissioni in atmosfera ha portato ad evoluzioni significative.

Oggigiorno, anche grazie all’adozione di iniettori comandati elettronicamente, si è passati all’iniezione diretta.

Il motore diesel a iniezione diretta è nato negli anni Venti, progettato dalla MAN per i veicoli commerciali e industriali.
Nel settore automobilistico è salito alla ribalta nel 1988, grazie alla Fiat Croma che è stata la prima vettura di serie a montarlo (subito dopo, nel 1989, arrivò la Land Rover 200 Tdi). 

In questo tipo di motore il gasolio viene spruzzato direttamente nella camera di combustione, che è ricavata nel cielo del pistone.
Proprio questa novità ha creato dei problemi nelle prime applicazioni.
I pistoni non erano ancora abbastanza resistenti e spesso il cielo cedeva oppure si bucava con effetti disastrosi.
In mancanza della precamera, la turbolenza deve crearsi nella camera di combustione, per cui occorre una migliore polverizzazione del gasolio.
È il motivo per il quale la pressione d’iniezione deve essere più alta, partendo da almeno 500 bar per arrivare fino a oltre 2000 bar.
Anche i condotti di aspirazione sono disegnati in maniera diversa per generare turbolenze specifiche (swirl).

La maggiore efficienza di un motore diesel a iniezione diretta è data quindi, da minori perdite termiche, maggiore pressione in camera di scoppio e percorso più diretto dei gas di scarico.
Appare quindi chiaro, che le migliori performance di questa soluzione sono dovute all’innalzamento delle pressioni in camera di scoppio.
Il rovescio della medaglia, però, sta tutto in quell’arco di giri in cui la pressione non è sufficiente, tipicamente dal minimo e fin quando la turbina non inizia a girare.
In questa fase il motore risulta rumoroso, pigro e tende ad accumulare fumosità.
E qui entrano in gioco evoluzioni quali lo svilluppo degli INIETTORI A COMANDO ELETTRONICO, che permettono iniezioni multiple ed il sistema COMMON RAIL.

INIETTORI A COMANDO ELETTRONICO

Gli iniettori a comando elettronico, non si basano più sulla taratura di una molla per azionare l’asta, ma su un solenoide che azionato da un segnale elettrico proveniente dalla centralina provvede all’azionamento dell’asta/spillo conico.

Un ulteriore step evolutivo, è stato la realizzazione degli elettroiniettori PIEZOELETTRICI.

Il solenoide che aziona lo spillo, è stato in questo caso sostituito da una “pila” di circa 300 lastre sottilissime in ceramica.
Quando viene applicato il segnale elettrico, le piastre si espandono e agiscono sull'ugello dell'iniettore, che apre l'ugello dell'ago e inietta il carburante nel cilindro.

Il tutto in un tempo inferiore rispetto al comando al solenoide.
Di contro, questi iniettori sono più costosi e più difficoltosi da revisionare rispetto agli iniettori a bobina/solenoide.

La centralina motore riceve i dati da una serie di sensori e li utilizza per calibrare, secondo tabelle, dette anche mappe o strategie, ossia dei softwares memorizzati al suo interno, la quantità di gasolio da iniettare e soprattutto il momento esatto di immissione, in modo da ottenere sempre il valore ottimale o il più vicino a questo, per quel determinato regime di rotazione.

Così facendo, si massimizza il rendimento del motore e se ne abbassano le emissioni.
In questo caso il tempo, misurato in gradi angolari di rotazione, assume un'importanza critica in quanto sia un ritardo che un anticipo rispetto al momento ottimale comportano dei problemi.
Infatti se si anticipa troppo si ritroveranno nei gas di scarico valori rilevanti di ossidi di azoto (NOx) anche se il motore raggiunge un'efficienza maggiore dato che la combustione avviene ad una pressione più alta.
Un ritardo invece, a causa della combustione incompleta, produce particolato/polveri sottili, ossia fumosità nera allo scarico.
Non esiste un valore ottimale valido per tutti i motori ma ogni motore ne ha uno proprio, studiato dal costruttore.

LA POMPA ALTA PRESSIONE

Un altro componente fondamentale del sistema Common Rail è la POMPA DI ALTA PRESSIONE

E’ costituita da tre pompanti radiali disposti a 120° l’uno dall’altro che ruotano (da qui il nome pompa radiale) prendendo il moto dalla cinghia di distribuzione.
Essa fornisce continuamente combustibile alla pressione desiderata all’accumulatore/Rail.
Ogni gruppo pompante è composto da un pistone, il cui movimento è determinato dalla rotazione di un eccentrico di forma triangolare solidale all’albero della pompa.
Tale eccentrico/camma determina il movimento in successione dei tre pistoni mediante lo spostamento di una punteria frapposta tra l’eccentrico stesso ed il piede dello stantuffo.
Il contatto tra l’eccentrico ed ogni singola punteria viene assicurato mediante una molla.
Ogni gruppo pompante è dotato di una valvola di aspirazione a piattello e di una valvola di mandata a sfera.
Tutte e tre le mandate degli elementi pompanti sono riunite internamente alla pompa ed inviano il combustibile al collettore comune per mezzo di un unico condotto.
La pompa viene raffreddata e lubrificata mediante lo stesso gasolio che la attraversa e che viene reinviato al serbatoio a pressione atmosferica.
La regolazione di pressione è effettuata tramite un elettrovalvola che regola il grado di apertura dell’ingresso nel condotto di ritorno.
Il regolatore di pressione è costituito, infatti, da un otturatore sferico mantenuto sulla sua sede da un'asta caricata da una molla e dalla forza generata da un solenoide .
Quando il suddetto solenoide non è eccitato la pressione dipende unicamente dalla molla che fornisce un valore minimo di pressione (circa 150 bar a 1000 giri/min pompa);
il precarico può essere regolato agendo sugli appositi spessori di registro.
Variando l’apertura della luce di ritorno varia la pressione dal minimo a un massimo di 1600/1800 bar nei sistemi Common Rail attualmente montati.
La pressione di iniezione è quindi regolata indipendentemente dal regime di rotazione.

Il valore della pressione è misurato nel rail e il segnale corrispondente è usato per il circuito di retroazione. Il valore misurato dal sensore di pressione viene comparato con il valore previsto in sede di progetto e memorizzato nella centralina elettronica.
Se il valore misurato ed il valore previsto differiscono, allora viene aperto o chiuso un foro di troppo pieno nel regolatore di pressione della pompa di alta pressione.
Nel caso di apertura di tale luce di efflusso, il combustibile in eccesso viene quindi rinviato al serbatoio tramite un apposito condotto di ricircolo.
La pompa alta pressione è anche dotata di una valvola elettromagnetica di tipo on-off, installata sulla mandata di uno degli elementi pompanti, che permette di disattivare lo stesso elemento pompante durante le condizioni di funzionamento per le quali sia richiesta una portata di combustibile inferiore ai 2/3 della portata massima della pompa.
In questo modo è possibile limitare l’assorbimento della pompa in tali condizioni operative.

Come detto, Il gasolio in pressione non viene inviato direttamente dalla pompa agli iniettori, ma viene accumulato in un collettore comune, il Rail,  che ha la funzione di smorzare le oscillazioni di pressione dovute all’alimentazione pulsante della pompa di alta pressione e alle aperture intermittenti dei vari iniettori.

Il rail è un parallelepidedo in acciaio con una cavitá interna di forma cilindrica; Il suo volume (40 cm3 circa per un motore 2 litri a 4 cilindri ), risulta dal compromesso di avere piccole oscillazioni di pressione e rapide risposte alla variazione della pressione di iniezione.
Il rail alloggia il sensore di pressione che fornire il segnale di retroazione per la regolazione della pressione e, in alcuni casi, un sensore di temperatura necessario per calcolare la densità del combustibile.