Nei sistemi d’iniezione diretta a bassa pressione è essenziale terminare il prima possibile l’iniezione per permettere al combustibile di diffondersi nel modo più omogeneo possibile in tutto il volume del cilindro. Oltre a ciò è opportuno evitare che la contropressione realizzata dal moto di risalita del pistone, all’interno del cilindro, salga a valori tali da ostacolare l’afflusso di idrogeno. La finestra temporale a disposizione per l’iniezione risulta assai ristretta ed impone, a causa della bassa densità dell’idrogeno, una portata volumica molto elevata per poter garantire il giusto afflusso di idrogeno.
E’ quindi facile intuire come gli iniettori, in un sistema del genere, ricoprano un ruolo particolarmente critico. Tale criticità viene meno, grazie al principio di funzionamento dell’innovativo sistema di iniezione diretta, che suddivide l’iniezione in “due stadi” successivi:
il primo stadio è rappresentato dal dosaggio dell’idrogeno, ovvero da un’iniezione all’interno
di un piccolo serbatoio intermedio di accumulo (definibile anche col termine di precamera) posto in prossimità della testa del motore. In esso viene iniettata la quantità voluta di idrogeno
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attraverso una elettrovalvola del tipo normalmente usato per l’iniezione indiretta di combustibili gassosi (metano, ad esempio) pilotata da una centralina elettronica. La portata di tali elettrovalvole è in questo caso sufficiente in quanto la finestra temporale a disposizione è relativamente ampia, potenzialmente pari all’intero ciclo motore. La regolazione del carico è effettuata agendo sul tempo di apertura dell’elettrovalvola, attraverso il quale l’idrogeno deve poter fluire in condizioni soniche. Ciò pone un limite alla pressione massima realizzabile nella precamera: se si ipotizza di iniettare a pressione pari a circa 12 bar si potrà riempire il serbatoietto di accumulo fino a poco più di 6 bar;
il secondo stadio rappresenta il travaso vero e proprio dell’idrogeno dalla precamera al cilindro.
L’adduzione è affidata a una valvola a fungo, opportunamente sagomata e comandata meccanicamente dall’albero a camme, che mette in comunicazione il serbatoietto di accumulo e il cilindro per un breve intervallo angolare che ha inizio quando le valvole di aspirazione sono in procinto di chiudersi per evitare fenomeni di backfire. Grazie all’ampia superficie di passaggio garantita dalla valvola a fungo i tempi per l’iniezione possono essere estremamente ridotti.
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Tutti i componenti del sistema di iniezione, sono stati opportunamente progettati e successivamente collaudati, in precedenti lavori di tesi [33,34,35]. Si riporta di seguito una breve descrizione dei principali componenti.
1. Serbatoio di stoccaggio: in tale serbatoio è stoccato idrogeno gassoso compresso a ca. 200 bar. A tal proposito si ricorda che la bassa densità energetica dell’idrogeno (sia allo stato gassoso che liquido) causa problemi di stoccaggio a bordo, poiché un serbatoio di idrogeno compresso, adatto ad essere installato su un veicolo, garantisce un’autonomia ridotta. Basti pensare che 1 kg di idrogeno gassoso occupa un volume di circa 60 litri con un contenuto energetico paragonabile a circa 4 litri di benzina. Tuttavia sono in attesa di omologazione serbatoi rinforzati con materiale composito in grado di sopportare 700 bar che garantiscono autonomie maggiori a prezzo di una maggiore pericolosità.
2. Valvola di riduzione della pressione: permette di ridurre la pressione da 200 bar a poco più del doppio della pressione massima presente nella precamera, quindi circa13 bar.
3. Elettrovalvola: è l’elemento adibito al dosaggio dell’idrogeno. È costituito da una comune elettrovalvola derivata da quelle utilizzate per l’iniezione indiretta di metano e GPL. In particolare, il modello di elettrovalvola utilizzato è il modello DISTB2F prodotto da Bigas International Autogas System e attualmente impiegato in diverse configurazioni negli impianti GPL/MetanoBigas per veicoli a benzina (l’elettrovalvola deriva dal gruppo Rail SGIS 4 Cilindri Monoblocco, riportato in figura 4.2).
Figura 4.2.
È quindi un elemento affidabile, economico e di facile reperimento. Il pilotaggio viene ottenuto mediante una centralina appositamente programmata. Mantenendo un salto di pressione tra monte e valle tale da garantire l’insorgere del blocco sonico in
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corrispondenza delle sezioni di uscita dall’iniettore, la massa di idrogeno iniettata nel serbatoietto non dipende dalle condizioni fisiche presenti in esso, ma soltanto dal tempo di apertura dell’iniettore e quindi dalla durata di mantenimento del segnale di pilotaggio da parte della centralina di controllo. Si ricorda che la pressione critica pc, cioè la pressione nella sezione ristretta di un condotto interessata da efflusso sonico è data da:
(
)
( )
con p0 pressione dell’ambiente a monte. Per un gas perfetto biatomico, il coefficiente k è
pari a 1.4. Essendo l’idrogeno assimilabile con buona approssimazione ad una gas di questo genera si ha che il rapporto di pressione critico vale:
4. Precamera: è l’elemento preposto all’accumulo temporaneo della quantità necessaria di idrogeno da far affluire all’interno del cilindro. È un elemento cilindrico cavo in lega metallica collegato mediante una flangia ad un condotto solidale alla testa del motore che permette l’afflusso dell’idrogeno nel cilindro.
Figura 4.3 Serbatoio di accumulo intermedio dell’idrogeno con elettrovalvola e trasduttore di pressione.
5. Valvola a fungo: è l’elemento che effettua il secondo e ultimo stadio di iniezione. È una valvola a fungo relativamente “convenzionale” opportunamente sagomata per favorire e guidare l’efflusso dell’idrogeno accumulato nella precamera attraverso la sezione di
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passaggio. Rappresenta l’elemento critico del sistema poiché i tempi assai ristretti disponibili per l’iniezione comportano inevitabilmente l’aumento delle forza d’inerzia alle quali è soggetta.
Figura 4.4 Valvola a fungo con deflettore e spianatura.
Come è possibile vedere nella figura 4.4, la valvola è provvista di una spianatura sulla parte alta dello stelo, che ha la funzione di impedire la rotazione di quest’ultima attorno al proprio asse. Tutto ciò ha lo scopo di garantire il giusto posizionamento del deflettore posto sul piattello. Deflettore che ha lo scopo di ottenere una migliore distribuzione all’interno della camera di combustione.