dalla Home

Tecnica

pubblicato il 6 febbraio 2006

I motori ad iniezione diretta e l'Alfa 159

I motori ad iniezione diretta e l'Alfa 159
Galleria fotografica - Il motore ad iniezione diretta e l'Alfa 159Galleria fotografica - Il motore ad iniezione diretta e l'Alfa 159
  • Iniettori benzina per applicazioni ad iniezione indiretta - anteprima 1
  • Iniettori benzina per applicazioni GDI - anteprima 2
  • Iniettore per applicazioni Diesel Common Rail - anteprima 3
  • Impianto di alimentazione per motori GDI	   - anteprima 4
  • Iniettore GDI   - anteprima 5
  • Iniettore piezo elettrico per applicazioni GDI	   - anteprima 6

La tecnica moderna sta offrendo soluzioni sempre più efficienti per ridurre i consumi e al contempo migliorare le prestazioni dei propulsori automobilistici, senza dimenticare la necessità di rispettare le norme anti-inquinamento ogni giorno più stringenti. Tra queste soluzioni, già da qualche anno, trovano ampia diffusione i sistemi ad iniezione diretta del combustibile, che, grazie ad una tecnologia finalmente matura, hanno letteralmente rivoluzionato il panorama motoristico mondiale.
Una delle vetture protagoniste di questa "rivoluzione" è stata, nel 1997, l'Alfa Romeo 156, grazie ai suoi innovativi motori diesel ad iniezione diretta. Oggi, l'Alfa Romeo, con la nuova 159 tiene fede alla grande tradizione motoristica Alfa e stabilisce un importante primato tecnico: è una delle prime auto al mondo che impiega su tutte le motorizzazioni l'iniezione diretta di combustibile, offrendo tre motori diesel Common-Rail di seconda generazione denominati JTDM - comuni a tutto il gruppo Fiat e ormai ben noti ed apprezzati - e tre motori a benzina, denominati JTS (Jet Thrust Stochiometric), sviluppati all'epoca della joint-venture Fiat-GM e prodotti nello stabilimento tedesco della Opel.
I motivi che hanno spinto i tecnici della Casa di Arese ad adottare questi motori, risiedono sicuramente in una scelta d'immagine che vuole proporre con ancora più forza il marchio Alfa Romeo come uno dei più tecnologicamente avanzati nel panorama automobilistico europeo e mondiale, ma è anche vero che tali propulsori garantiscono, in teoria, un piacere di guida superiore.

Iniziamo, quindi, in compagnia della bella Alfa 159 il viaggio nella tecnica di questa tipologia di propulsori, che, adottando entrambi l'iniezione di combustibile nel cilindro, presentano più affinità nel loro funzionamento di quanto si sia portati a credere.

L'iniezione diretta diesel
Il sistema di iniezione diretta diesel Common-Rail, che ha debuttato nel 1997 proprio sulla "mamma" della 159, la 156, è costituito da una pompa elettrica ad alta pressione (il JTD di seconda generazione arriva a 1400 bar, contro i 1350 bar del sistema precedente), da un unico condotto (da qui il nome Common-Rail) e dagli iniettori elettromeccanici, il tutto governato da una sofisticata centralina elettronica. L'elemento caratterizzante di questo sistema di iniezione è proprio il rail, il quale si comporta come un serbatoio in cui viene immagazzinato il combustibile ad alta pressione: ciò permette di avere sempre, anche ai bassi e medi giri (range in cui normalmente un motore è più utilizzato), un combustibile ben "energizzato" pronto ad essere iniettato ad altissima velocità ed in tempi brevissimi all'interno del cilindro. Ciò non era possibile con in vecchi diesel, privi di un serbatoio di accumulo, e con la pompa del combustibile azionata direttamente dal motore, quindi incapace, a bassi regimi di rotazione, di innalzare la pressione del gasolio. Inoltre gli iniettori dei sistemi Common-Rail sono completamente svincolati dagli altri organi in movimento, a differenza, ad esempio, degli iniettori-pompa che sono azionati da un camma mossa dall'albero motore, e questo, come vedremo, è un requisito fondamentale per avere una completa libertà nella gestione delle iniezioni.
Avere il combustibile ad alta pressione si traduce, come detto, in velocità di iniezione estremamente elevate e ciò consente, nel breve periodo in cui si può iniettare nel cilindro, di fare più iniezioni successive: alla sua nascita il sistema Common-Rail consentiva di effettuare due iniezioni (una iniziale, più piccola, detta "pilota" e una più grande), mentre ora si arriva ad effettuare una sequenza di 5 iniezioni successive (il Multijet dell'Alfa 159), attuabili ad ogni regime.
Le iniezioni iniziali, più piccole, si può dire che "preparano" la camera di combustione (aumentando, con la loro combustione, la temperatura e la pressione dell'aria presente) ad "accogliere" il combustibile (la maggior parte) che viene iniettato successivamente; in alcune condizioni di funzionamento, la centralina può decidere di effettuare un'ultima iniezione, anch'essa molto piccola, dopo quella maggiore, per poter bruciare quella parte di gasolio che è rimasta nel cilindro (che altrimenti andrebbe a formare il famigerato particolato). La prima piccola iniezione, detta "pre-iniezione", invece, è particolarmente importante per ridurre il rumore.
Altro vantaggio fondamentale di questo sistema, è quello di iniettare nella camera di scoppio delle goccioline di gasolio incredibilmente piccole (siamo nell'ordine dei 10 micron, 10 volte più piccole di un capello!), che possono evaporare molto più facilmente: la combustione procede così più velocemente innalzando la velocità di rotazione del motore (e la potenza). E ancora una volta dobbiamo ringraziare l' "alta pressione"!
Anche la geometria del motore ha una notevole importanza. Infatti, per velocizzare l'evaporazione delle goccioline di gasolio, è indispensabile introdurre nel cilindro l'aria ad alta velocità: ciò si ottiene disegnando i condotti di aspirazione in maniera tale da generare un moto dell'aria estremamente vorticoso, denominato "swirl", che ha l'effetto di "centrifugare" il combustibile nella camera di scoppio. Nel JTD Multijet, per ottenere questo fenomeno, i condotti di aspirazione presentano, nel tratto finale, un'originale forma a "chiocciola".
In sintesi, quello che una volta veniva iniettato tutto insieme, viene suddiviso in più fasi, ottenendo una combustione "spalmata" per una durata maggiore (evitando i picchi di pressione e temperatura che rendevano i diesel convenzionali rumorosi, lenti e inquinanti), e quindi più graduale e completa, con maggior silenziosità, emissioni inquinanti ridotte e maggiori prestazioni.
Per tutte queste caratteristiche, il sistema Common-Rail si pone ad un livello di flessibilità e gestibilità superiore a quello dell'impianto con iniettori-pompa, il quale, a fronte di pressioni massime di immissione più alte (fino a 2000 bar), non può garantire tali livelli di pressione ai regimi medio-bassi, dato che dipendono direttamente dal numero di giri del motore.

L'iniezione diretta benzina
Passiamo all'iniezione diretta di benzina, che i tecnici generalmente chiamano GDI (Gasoline Direct Injection). Anche qui è presente un serbatoio in cui viene pompata la benzina, ma abbiamo pressioni molto più basse, dell'ordine dei 100-120 bar, anche se comunque molto più alte dei motori ad iniezione indiretta (3,5 bar). Per comprendere meglio l'idea che sta dietro al concetto di GDI, è utile fare un piccolo ripasso sulla combustione nei motori a benzina, detti più correttamente "ad accensione comandata": la benzina, per poter bruciare correttamente, deve essere miscelata in maniera il più possibile omogenea ed essere in rapporto stechiometrico (i famosi 14,7 kg di aria per 1 kg di carburante, con più aria la miscela è detta "magra", altrimenti "ricca") con l'aria, e ciò in effetti si realizzava benissimo con l'iniezione indiretta, cioè spruzzando il combustibile a monte delle valvole. Ma allora perché questa complicazione? Perché con l'iniezione diretta si può percorrere la strada della "carica stratificata", cioè avere una miscela di aria e combustibile stechiometrica vicino alla candela e poi sempre più magra allontanandosi da essa: in questo modo si riesce comunque ad accendere la miscela in maniera ottimale. Quando è richiesta poca potenza, il motore funzione con la carica stratificata, garantendo consumi ridotti, mentre quando si schiaccia di più il pedale del gas il motore funziona con carica stechiometrica, fornendo tutta la potenza di cui si ha bisogno.
Per ottenere questo comportamento, però, non è sufficiente posizionare semplicemente gli iniettori all'interno del cilindro, ma servono dei pistoni di forma speciale e condotti di immissione ben posizionati per poter generare un flusso di aria verso la candela, dove, come visto, è necessario avere una miscela più ricca di benzina. Molto schematicamente, l'aria entra nel cilindro attraverso dei condotti di aspirazione molto verticali, poi viene deviata verso l'alto da una concavità presente sul cielo del pistone. Tale moto d'aria, dal caratteristico andamento dal basso verso l'alto, è denominato "tumble".
I motori GDI presentano una caratteristica tipica dei motori Diesel: possono lavorare, soprattutto ai bassi carichi, con la farfalla completamente aperta riducendo le perdite di "pompaggio", cioè la "fatica" che fa il motore ad aspirare aria, la quale può attraversare i condotti di aspirazione incontrando minori ostacoli. Inoltre non si perde carburante nei condotti di aspirazione e lo si brucia completamente nella camera di scoppio, favorendo così la guidabilità e la prontezza del motore. Anche i motori GDI possono avere più iniezioni successive: ad esempio, nell'Alfa 159, durante la fase di aspirazione si immette una miscela omogenea e magra d'aria e benzina; durante la fase di compressione una seconda fase d'iniezione genera una miscela più ricca, cosicché attorno alla candela vi siano aria e benzina in rapporto stechiometrico (da qui la denominazione JTS) pronti ad essere accesi, nonostante ai margini della camera vi sia miscela magra.
Un'ultima peculiarità dei motori GDI è l'elevato "rapporto di compressione", che favorisce il rendimento e le prestazioni del motore. I propulsori JTS dell'Alfa 159, forti anche del doppio variatore di fase, hanno valori di potenza e di coppia record fra i motori aspirati di pari cilindrata: il 1.9 ha 160 CV, il 2.2 185 CV (sono, in entrambi i casi, 84 CV/l), mentre il V6 3.2 eroga 260 CV (81 CV/l).

Il futuro in diretta
Quale futuro hanno davanti a sé questi propulsori? Per quanto riguarda i diesel Common-Rail, il traguardo dei 2000 bar è sempre più vicino, e ciò non farà che esaltare la potenza, la piacevolezza di guida e il rispetto ambientale di questi motori. Alcune Case cominciano a proporre sui loro propulsori diesel iniettori piezoelettrici (sfruttano la proprietà di speciali cristalli di quarzo di allungarsi se sottoposti a una differenza di tensione) e non più elettromeccanici, che lavorano fino a 1650 bar e garantiscono grande flessibilità con iniezioni ancora più piccole, precise e polverizzate, e hanno dimensioni più compatte. Le turbine a geometria variabile, già in via di diffusione e presenti sui Multijet più potenti, rendono questi motori più gradevoli e ricchi di coppia in un campo di funzionamento maggiore. Si può inoltre prevedere una sempre maggiore diffusione dei sistemi Common-Rail a discapito degli impianti concorrenti con iniettori-pompa, i quali, come detto, sono più adatti a fornire elevati valori massimi della pressione in condizioni di piena potenza, un campo di utilizzo però sempre più raro per i motori d'auto. C'è da sperare che questa rincorsa alle alte potenze non riduca la vita dei propulsori turbodiesel, un tempo sinonimo di longevità...
I motori GDI, invece, troveranno la loro completa maturità con l'adozione del turbocompressore o del compressore volumetrico (meglio ancora entrambi collegati in serie, vedi il VW 1.4 TSI), che potrà garantire potenze molto alte in rapporto alla cilindrata (quindi motori più piccoli e di minor peso, è il cosiddetto "downsizing"), con consumi contenuti (perlomeno finché non si schiaccia troppo il pedale del gas!). Solo l'iniezione diretta può, infatti, rimediare ai punti deboli dei turbo a benzina, consentendo di aumentare il rapporto di compressione e migliorando la curva di coppia sull'intero campo di regimi. L'altro lato della medaglia saranno motori più complessi e cari (il loro costo si avvicinerà a quello dei turbodiesel), che richiederanno riparazioni più difficili e costose.
A questo punto, per benzina e diesel, ci si pone la stessa domanda: il gioco varrà la candela?

Autore: Alessio Ciarnella

Tag: Tecnica


Top