Metà della flotta di auto e camion nuovi degli Stati Uniti è ora dotata di iniezione diretta di benzina (nota anche come GDI), il che significa che il carburante viene spruzzato direttamente nella camera di combustione. Questo fa sorgere la domanda: Qual è la prossima innovazione del motore che sta per lasciare il laboratorio?
La risposta è portare il carburante al fuoco per due vie separate, e alcuni produttori stanno già dotando i loro motori sia con l’iniezione diretta che con quella ausiliaria. Toyota ha introdotto questa tecnologia, che chiama iniezione D-4S, su un V-6 più di un decennio fa e ora usa l’iniezione diretta e port sul suo 2.0 litri flat-four (che è costruito da Subaru), 3.5 litri V-6, e 5.0 litri V-8. L’Audi la usa sui suoi motori 3.0 litri V-6 e 5.2 litri V-10.
Ford è attualmente il giocatore dominante con quello che chiama l’iniezione diretta ad alta pressione (DI) a doppio carburante e l’iniezione portuale a bassa pressione (PI). Le applicazioni includono motori a benzina V-6 e V-8 turbocompressi e aspirati naturalmente, quattro in tutto, di dimensioni comprese tra 2,7 e 5,0 litri. Il pick-up volante F-150 Raptor del 2017 e la supercar GT sono entrambi alimentati da nuovi V-6 EcoBoost da 3,5 litri così equipaggiati. Anche gli F-150 a terra si affidano molto a questa tecnologia con un V-6 a doppia alimentazione di base da 3,3 litri e i V-6 EcoBoost da 2,7 e 3,5 litri opzionali. L’applicazione più recentemente annunciata da Ford è il nuovo V-8 da 5.0 litri che alimenterà la Mustang GT del 2018.
Le basi
Prima di addentrarci nei punti più fini del teaming PI con DI, un breve primer è d’obbligo. Contrariamente alle rappresentazioni di Hollywood di auto che precipitano dalle scogliere, non esiste l’accensione spontanea. Poiché la benzina liquida non brucia, preparare il carburante prelevato dal serbatoio per bruciare all’interno del motore è un processo in due fasi.
La prima fase è l’atomizzazione del liquido in goccioline sottili, ottenuta forzando la benzina pressurizzata da una pompa attraverso piccoli orifizi dell’iniettore. Uno studio degli ingegneri Hitachi ha rivelato che il carburante pressurizzato a 1000 psi e iniettato attraverso orifizi che vanno da 0,006 a 0,011 pollici di diametro ha prodotto una nebbia a 135 miglia orarie di goccioline solo 0,000003 pollici di diametro. Questo va bene.
La vaporizzazione segue l’atomizzazione. Qui, le sottili gocce di carburante passano attraverso un cambiamento di fase da liquido a gas, diventando un vapore che può essere mescolato con l’aria e acceso dalla candela.
Perché il calore viene assorbito durante questo cambiamento di fase, c’è un effetto di raffreddamento, che può essere utilizzato per migliorare l’efficienza operativa del motore. Con PI, l’aria che scorre attraverso il collettore di aspirazione viene raffreddata prima che raggiunga la camera di combustione. Con la DI, il beneficio del raffreddamento avviene all’interno della camera stessa.
Ogni strategia ha vantaggi e svantaggi. La PI è comoda per i motori ad aspirazione naturale perché il raffreddamento dell’aria in entrata ne aumenta la densità e il potenziale di produzione di potenza. È significativamente più facile collocare gli iniettori nelle porte di aspirazione, ben lontano dalle valvole e dalle candele. Questa posizione a monte fornisce il tempo necessario per una vaporizzazione completa. Uno svantaggio è che le gocce di carburante a volte si depositano sulle pareti della porta di aspirazione, sconvolgendo il rapporto aria-carburante previsto.
Con DI, la possibilità di detonazione – accensione prematura della miscela di aria e carburante – è diminuita perché l’effetto di raffreddamento a cambiamento di fase ha luogo durante la corsa di compressione appena prima dell’accensione. L’abbassamento delle temperature superficiali della camera di combustione permette un rapporto di compressione più alto e una migliore efficienza, sia che il motore sia aspirato naturalmente sia che sia potenziato. Ford ha aumentato la coppia di picco di 30 lb-ft nel suo nuovo 3,5 litri V-6 combinando la nuova strategia di doppia iniezione con una maggiore pressione di spinta.
Ci sono degli aspetti negativi per la DI. Un sistema DI è più costoso perché la pressione necessaria per spruzzare il carburante nella camera di combustione è da 50 a 100 volte più alta che con PI, e la pompa a pressione più alta impone perdite parassite. Gli iniettori diretti tendono ad essere rumorosi. I depositi di carbonio, sia sul retro delle valvole di aspirazione che sui tubi di scappamento, sono problemi di servizio per alcuni utenti DI. Poiché c’è meno tempo per la vaporizzazione, parte del combustibile sfugge dalla camera di combustione e dal convertitore catalitico come particolato o fuliggine. Queste particelle di carbonio sono simili ma di dimensioni più piccole di quelle sputate dai motori diesel.
La combinazione
L’ultima strategia è combinare entrambi i benefici PI e DI, usando ognuno per diminuire gli aspetti negativi dell’altro. Toyota, per esempio, accende entrambi gli iniettori durante le condizioni di carico e di regime medio-basso – in altre parole, durante la guida normale. Questo aumenta la densità della carica in entrata senza aumentare e lava i depositi di carbonio dalle valvole di aspirazione. Durante le circostanze di alto carico e rpm, quando è necessario il massimo raffreddamento della camera di combustione perché la detonazione è più probabile, la DI gestisce tutta l’erogazione di carburante.
Peter Dowding, ingegnere capo di Ford di sistemi a benzina powertrain, ha rivelato una strategia diversa. Ford usa il solo PI al minimo e a bassi regimi per un funzionamento del motore regolare, silenzioso ed efficiente. All’aumentare del numero di giri e del carico, l’erogazione di carburante diventa una miscela programmata di PI e DI. In contrasto con la metodologia di Toyota, il PI di Ford è sempre in funzione, responsabile di almeno il 5-10% dell’erogazione di carburante.
Dowding e il suo collega ingegnere di Ford Stephen Russ sottolineano che i depositi di carbonio sui tubi di scarico e sulle valvole di aspirazione non sono mai stati un problema nei loro motori DI. Dowding aggiunge: “Ora che ai motori elettrici vengono assegnati sempre più ruoli di propulsione, il nostro compito è quello di migliorare l’efficienza del motore ogni volta che possiamo. La tecnologia dual-fuel di Ford ha già dimostrato di essere una strategia preziosa e conveniente in questo sforzo.”
Progettare e sviluppare motori moderni è un gioco di prestigio che cerca di bilanciare potenza, emissioni, chilometraggio, durata, guidabilità e altre preoccupazioni. La strategia dual-fuel dà agli ingegneri un’ulteriore chiave da girare mentre si sforzano di liberare più energia da ogni goccia di gas. Man mano che le lezioni vengono apprese e i costi dei componenti diminuiscono, ci si aspetta che più costruttori adottino questo approccio per alimentare i loro fuochi.
