Comportamento del sistema di iniezione nei motori a combustione interna

Nei motori a combustione interna un aspetto molto importante viene dato dal comportamento del sistema di iniezione. Studiando la rottura dello spray in prossimità della punta del nozzle e le caratteristiche che intervengono all’interno del flusso, è possibile determinare i parametri che sono necessari per un’ottimizzazione su tutto il campo di funzionamento di un generico sistema di iniezione, come ad esempio turbolenza, cavitazione e il profilo di velocità.

Il sistema di iniezione

L’iniettore assume un ruolo di primaria importanza su tutto il campo di funzionamento di un generico motore.
Il meccanismo di un iniettore, dal punto di vista elettronico, è dettato da una centralina (ECU) che ha il compito di stabilire il tempo di iniezione e la qualità e la quantità del carburante da iniettare. Questo particolare funzionamento dipende da differenti criteri, primo fra tutti la concentrazione dell’aria entro il condotto di aspirazione che, a volte, viene gestita da una sonda lambda, necessaria per il rilevamento della presenza di ossigeno all’interno dei gas di scarico e per il controllo del rapporto aria/combustibile all’interno del range richiesto ed, inoltre, deve sostenere la centralina per un controllo migliore relativo all’ammontare di carburante disponibile.

Componenti del sistema di iniezione e suo comportamento

Il corpo dell’iniettore viene usualmente distinto in due ambienti:

• ambiente ad alta pressione: si cerca di conservare il carburante per mezzo di una semplice pompa che pressurizza il rail , ovvero un serbatoio da dove si diramano i condotti di alimentazione di tutti gli iniettori;
• ambiente a bassa pressione: ha il compito di controllare lo scarico del carburante.

Uno dei maggiori componenti, se non il più importante, appartenente al corpo dell’iniettore è lo spillo, il quale, attraverso l’impiego di un solenoide comandato dalla centralina, si sposta consentendo che il carburante venga iniettato correttamente da appositi fori. Lo spillo viene spostato mediante un semplice impulso elettrico grazie all’impiego del solenoide.

Il sistema di iniezione presenta generalmente differenti parti meccaniche, oltre a quelle già menzionate, tra cui il polverizzatore, composto da un corpo contenente dei canali per l’entrata del combustibile e dallo spillo (premuto contro la sua sede da una molla), che ne regola il fenomeno di iniezione internamente al cilindro, e il portapolverizzatore, il quale garantisce il bloccaggio del polverizzatore a monte del motore.

Evoluzione e parametri dello spray di combustibile

Il funzionamento che assume maggiore importanza riguardante il sistema di iniezione è quello basato nell’iniettare uno spray necessario al fine di garantire la corretta formazione di un processo di combustione.
La stragrande maggioranza degli iniettori presentano un numero di fori che va dai 4 ai 6 con un diametro molto piccolo, approssimativamente 0.12 – 0.20 mm, così da produrre uno spray composto da finissime goccioline.

Il combustibile ad alta pressione, che è iniettato in camera di combustione, raggiunge altissime velocità (100- 400 m/s) attraverso i piccoli fori dell’iniettore e, quando esso fuoriesce dall’iniettore, si suddivide in particelle separate tra loro e che si allontanano ad intervalli regolari, facendo in modo che il getto presenti una particolare forma simile a quella di un cono. Successivamente avviene il processo di atomizzazione, dove si ha la frammentazione del liquido.

Il processo di atomizzazione risulta essere molto articolato ed è controllato accuratamente dal legame che sussiste tra spray e gas. Inoltre, le particelle di liquido, durante il loro moto all’interno della camera di combustione, modificano la loro forma per mezzo delle forze aerodinamiche, rompendosi dunque in numerosissime goccioline che, con il trascorrere del tempo, diventano sempre più piccole. Si parla dunque di atomizzazione primaria o “breakup” primario.

La rottura iniziale del getto in piccolissime gocce è provocata dalla sua interazione aerodinamica con il gas, la quale dipende da numerosi aspetti, come ad esempio dalla velocità propria del getto rispetto all’aria, da parametri superficiali e dalla struttura fisica connessa alla carica all’interno della camera di combustione nel momento in cui avviene il processo di iniezione.

La teoria di Weber

Un tale, di nome Weber, ideò una teoria riguardante la frammentazione del getto a bassa velocità e, dopo numerosi studi di natura fisici e scientifici, presentò l’entità di una lunghezza d’onda più soddisfacente, necessaria per la rottura del getto. Studiando la presenza di alcune forze e la loro interazione in seguito al processo di atomizzazione, Weber affermò che la ragione fondamentale per la disintegrazione delle gocce risiede essenzialmente, da una parte nell’attrito tra la forza aerodinamica e il liquido stesso e, dall’altra nell’inerzia del flusso ad elevata velocità.

Vi è un momento in cui la resistenza aerodinamica risulta essere più alta rispetto alla tensione superficiale, ed è proprio in questo arco di tempo, che il fluido si propaga e il film di liquido comincia a precipitare

Weber

Conclusioni

L’iniettore, con l’introduzione della tecnologia elettronica, ha visto notevoli cambiamenti in termini di ottimizzazione, sviluppo e miglioramento delle prestazioni.
Appare chiaro che per perfezionare il controllo esercitato dal sistema di iniezione sulle caratteristiche dello spray è di fondamentale importanza migliorare il comportamento dinamico dell’iniettore, consentendo, inoltre, di ridurre il consumo di combustibile e ottimizzare il controllo delle emissioni.