Engine Fuel Injection: l’importanza dell’iniezione nei motori

Generalmente nei motori ci sono diverse modalità di iniezione di combustibile (e non solo): PFI e GDI sono le principali modalità. La prima definisce un Premixed Fuel Injection, la seconda è il Gasoline Direct Injection. Entrambe hanno i loro pregi e difetti, sicuramente.

Premixed Fuel Injection:

Il Premixed garantisce efficacia di mescolamento tra combustibile e aria, in quanto l’iniezione avviene nel condotto di aspirazione stesso a valle della farfalla. L’iniettore è definito alto, proprio per questa sua disposizione nella powerunit. Una volta iniettato il combustibile, il meccanismo di iniezione, approfondito a breve, crea e trattiene una sorta di nuvola pronta per essere aspirata all’apertura delle valvole di aspirazione. L’aspetto positivo è rendere tale nuvola ad alta densità per via di un consistente raffreddamento dell’aria comburente in aspirazione.

Facendo un bilancio energetico tra due sezioni a monte delle valvole in cui avviene l’iniezione, noto come un maggiore calore sottratto al fluido per il meccanismo di iniezione, rispetto al calore sottratto per convezione tra pareti calde e fluido stesso, definisce un miglioramento del lambda_v, vale a dire del coefficiente di riempimento del motore. Tale coefficiente di riempimento è un indice di quanta aria è possibile aspirare, ed è chiaramente un processo da dover ottimizzare per spremere le prestazioni limite di un motore.

Pertanto in motori motociclistici c’è la netta esigenza di migliorare tale parametro, in quanto non esiste la sovralimentazione (generalmente) e quindi un modo per incrementare le prestazioni è necessariamente questo. Vale anche per motori di bassa cilindrata (e non solo) benzina aspirati, o come già detto prima motori motociclistici.

Ulteriori vantaggi:

Un altro vantaggio è che evitando zone ricche e magre in camera di combustione ho maggior omogeneità (anche se non sempre è un pregio per la combustione, vedasi GDi) ed evito zone di ambiente anossico (cioè a basso contenuto d’aria, quelle che si chiamano sacche ricche, con una percentuale di fuel molto maggiore dell’aria). L’ambiente anossico ad alta temperatura è il principale responsabile della creazione di precursori del SOOT (particolato carbonioso solido) che con vari fenomeni fisici e chimici accrescono e passano da fase gassosa a solida, definendo il soot vero e proprio. Riducendo il SOOT sin dal principio, cioè a monte dei sistemi after-treatment, rendo il motore sicuramente più green: Non da poco!

Gasoline Direct Injection:

Il motore GDi al contrario è maggiormente utilizzato nei casi in cui è richiesta la precisione a livello dei consumi del carburante. Motori di grossa cilindrata non possono permettersi sprechi, ovviamente.

Quello che un motore GDi può realizzare è il concetto di carica stratificata e combustione stratificata, a metà strada tra una premiscelata e diffusiva. Il meccanismo prevede di iniettare direttamente in camera il combustibile in una zona ben precisa, sotto candela ad esempio.
Si creano quindi zone in cui c’è maggior concentrazione di combustibile e zone in cui vi è la prevalenza di aria, le cosiddette zone magre.

Vantaggi?

I vantaggi sono molteplici, iniettando in una zona ben precisa e magari direzionandola in una sorta di tazza (bowl) sul pistone, si può migliorare solo localmente il mescolamento. Si accende per premiscelata tale porzione ricca con un’inerzia inferiore (fase endotermica, fornire calore per rompere le molecole dei reagenti).
Quest’energia rilasciata (fase esotermica) accende per successione i vari strati di miscela, via via più magri allontanandoci dalla candela, rendendo il processo più agevole.

I vantaggi sono molteplici, ad esempio, posso iniettare un quantitativo di combustibile inferiore perché la velocità del fronte di fiamma non crolla con il calo di combustibile, anzi è decisamente maggiore perché la porzione di miscela che accendo è molto ricca, ma concentrata in una posizione spaziale della camera ridotta: L’effetto è identico.

Inoltre c’è da considerare il fatto che avendo una concentrazione maggiore d’aria sulla canna del cilindro, creo praticamente un cuscino d’aria coibentato che riduce le dispersioni di calore e aumenta il rendimento di adiabaticità del motore. Anche il rendimento di combustione si mantiene alto.

Difetti?

Il difetto principale in questo caso è che non ottimizza al limite il coefficiente di riempimento, in quanto inietto a valvole chiuse; è la principale mentalità del sistema GDi. Non è un grosso problema se unito ad un turbo-gruppo. Ciò è da riferirsi al singolo ciclo in considerazione, in cui il calore sottratto per effetto dell’evaporazione, con conseguente miglioramento del riempimento, non influisce sull’aria aspirabile data la chiusura delle valvole: si inietta a valvole chiuse.

Chiaramente tutto ciò mantenendo un approccio teorico e focalizzandosi maggiormente sul funzionamento. Per quanto riguarda l’efficienza complessiva in generale, bisognerebbe riferirsi a valori sperimentali, tabelle e simulazioni vere e proprie. Perchè? Dato che l’efficienza dei GDI moderni rispetto ai PFI non è più di tanto marcata e definitiva. In generale si può affermare che un GDI controlla meglio i volumi e le evaporazioni, i calori sottratti in camera con corrispettivi vantaggi su fattori come l’autoaccensione superficiale o detonazione. I calori sottratti in camera abbassano le temperature medie di funzionamento, ma nulla sappiamo sulla fase di scarico e della restante parte del ciclo.

Pertanto a parità di condizioni e analizzando un singolo ciclo, si può affermare quanto detto. In caso di un GDi correttamente accordato e con una netta riduzione della temperatura media in camera rispetto ad un PFI di riferimento, la maggiore densità e il maggior riempimento sono univocamente ottenuti, il tutto osservando un arco di funzionamento del motore.

Ma non potremmo dire lo stesso di un PFI opportunamente progettato (dal punto di vista termofluidodinamico) e un GDI con dispersioni cicliche maggiori e non opportunamente progettato, in cui non è detto che la temperatura media in camera sia necessariamente inferiore. Per questo motivo, senza entrare nel dettaglio pratico, si osserva solo la fisica alla base del singolo ciclo e le considerazioni riportate sopra.

Un sistema GDi è basato sulla mentalità di migliorare la combustione, sulla base della combustione diffusiva Diesel: Inietto e brucio contemporaneamente, le due curve si accavallano. Il sistema Diesel inietta già in camera, o al limite in una precamera. La controtendenza dei motori benzina è quella di avvicinarsi sempre più al Diesel.

Creo un sistema con sacche ricche che aumentano la dimensione dell’ambiente anossico creando maggiore produzione di SOOT. E’ la stessa mentalità della pre-camera di combustione.

Aumentano anche le zone d’aria quindi, e se tali zone prevedono alte temperature si creano maggiori NOx. Per questa meccanica si legga questo articolo.

Altri meccanismi di combustione:

Ricordiamo anche l’HCCi e RCCi come meccaniche di combustione. Il primo sfrutta la perfetta omogeneità della carica, che in condizioni di carico parziale accende in maniera diffusiva, pur parlando di un motore benzina e con la possibilità di aumentare il CR (compression ratio) e quindi l’efficienza teorica del motore. Per maggiori dettagli clicca qui.

RCCi:

La seconda modalità, l’RCCi (Reactivity controlled compression ignition), sfrutta un doppio sistema di iniezione con un combustibile ad alta reattività (gasolio) e uno a bassa reattività (benzina).
Viene premiscelata la benzina con l’aria in bassa concentrazione, e successivamente avviene in camera l’iniezione di gasolio, il quale sostituendo la candela, autoaccende il tutto in maniera più efficiente e controllata dalla dosatura del gasolio stesso.

I consumi non aumentano, ma c’è un maggior contenuto di agenti inquinanti e dei costi per via di due diversi apparati di iniezione. La particolarità è migliorare l’efficienza di combustione e portarmi ad una temperatura di combustione più bassa come nei motori Diesel.
Le temperature inferiori riducono gli NOx e sicuramente evitano autoaccensioni superficiali o detonazioni.

Un altro concetto fondamentale è la dispersione ciclica, cioè lo scostamento nel funzionamento reale dal ciclo medio. Riducendolo, si ottiene maggiore affidabilità per l’unità termica.
L’RCCi è un misto tra PFI e GDI a livello di iniezione, mentre l’HCCi generalmente è un PFI in quanto deve garantire un perfetto miscelamento della carica e con temperature più basse di combustione è possibile avvicinarsi più ad una dosatura stechiometrica tra aria e fuel. La combustione diventa efficiente e perfetta in condizioni stechiometriche, generalmente.

Lo stechiometrico tuttavia non è in grado di raffreddare l’aria contenuta all’interno del cilindro, quindi? Si inietta un maggior quantitativo di combustibile per raffreddare la carica. Ecco perché il GDi! Iniettare in camera permette anche di sottrarre del calore utile e ridurre il rischio di autoaccensione. E’ sempre un trade-off quello che deve esser fatto in termini di powerunit e di condizioni di funzionamento volute.

Per concludere…

Come si sta sviluppando il GDi? Il grafico sotto parla chiaro, il GDi ruberà la scena all’attuale PFI.

Per approfondire l’evaporazione del combustibile, vi consiglio questo articolo: https://vehiclecue.it/vehicle-cueriosity-01×04-iniezione-ed-evaporazione-del-combustibile/12700/

Questa è solo una principale distinzione, tuttavia come avviene l’iniezione? Si dice iniezione o atomizzazione? Come funziona il meccanismo? Scopritelo nel prossimo articolo! Full cone & Hollow cone spray: Usi, costumi e tradizioni delle principali declinazioni strutturali presenti in commercio.