Capitolo 1 Introduzione

Capitolo 1 Introduzione

La Siemens VDO Automotive, azienda produttrice di iniettori, ha svilup- pato un nuovo sistema di iniezione, originariamente ideato per motori diesel e ora applicato a quelli a benzina. Tale sistema è basato sull'impiego di un attuatore piezoelettrico, da cui il nome dell'iniettore, Piezo. Sebbene il li- vello di partenza fosse di tipo prototipale, grazie allo sviluppo continuo delle tecnologie e della ricerca, si sta passando ad un design nale per arrivare alla produzione di serie. La crescente richiesta di perfetta tenuta dei sistemi di iniezione di carburante nei veicoli, comporta particolare attenzione sia alla forma geometrica che alla nitura superciale degli stessi e dei componenti ad essi associati.

Il sistema di alimentazione dei motori a benzina è in continua evoluzione, in un ottica di aumento della potenza sviluppata e riduzione dei consumi; il più aermato risulta essere il sistema ad iniezione diretta (g.1.1). Il primo sistema di iniezione diretta si è sviluppato con la wall-guided combustion, che presentava l'inconveniente di elevate emissioni di idrocarburi. Da questo siamo passati alla combustione guidata ad aria, ottenendo dei miglioramenti nel campo dell'economia di carburante ed aumento di potenza. La soluzione migliore, per la riduzione notevole delle emissioni di scarico ed il consumo di carburante, è stata ottenuta con l'introduzione del sistema di spray-guided combustion. Per tale sistema la nebulizzazione del carburante avviene du- rante la fase di iniezione; altro fattore rilevante è inoltre la possibilità di

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Figura 1.1: Sistema di iniezione diretta a benzina

ridurre la distanza tra iniettore e candela.

L'aspetto su cui si focalizza l'attenzione è la stabilità dello spray, che deve assicurare il trasporto della miscela senza colpire direttamente la candela; da ciòsi deduce quanto sia importante la qualità della miscelazione e come sia determinante la performance dell'iniettore.

Le caratteristiche principali di un sistema di combustione spray-guided sono le seguenti:

• Nuvola di miscela compatta ed omogenea

• Piccola distanza tra candela ed iniettore

• Nuvola ripetibile e stabile

• Nuvola formata solo da carburante evaporato e piccole particelle per evitare shock termici e depositi sulla candela

• Area tra gli elettrodi della candela sempre coperti dalla nuvola

Lo spray deve essere atomizzato per una migliore distribuzione nell'aria, inoltre l'angolo del cono di spray deve essere ampio e la conformazione dell'estremità dell'iniettore non deve permettere la formazione di depositi.

La spray-guided combustion avviene per pressioni di iniezione molto alte, circa 200 bar, così che l'iniettore deve garantire una certa dinamicità e preci-

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Figura 1.2: Siemens Piezo Injector

sione. Il PDI, Piezo Direct Injection (g.1.2), è stato ideato tenendo conto di tali requisiti: l'attuatore piezoelettrico agisce direttamente sull'ago dell'ini- ettore rendendolo altamente dinamico, infatti, una particolarità del Piezo è la sua capacità di aprire e chiudere parzialmente o completamente l'iniet- tore. Tale caratteristica permette la ripetizione delle iniezioni in tempi e dosi estremamente precisi, assicurando così una combustione stabile. Inoltre la buona atomizzazione del carburante permette una combustione pulita. Uno dei principali problemi arontati nel campo dell'automtive è infatti quello della riduzione delle emissioni di nox e di particolato. La buona atomiz- zazione evita inoltre tutti i problemi come il surriscaldamento del pistone, dovuti alla vaporizzazione di componenti volatili del carburante.

L'iniettore Piezo è stato concepito in un'ottica di economia dei consumi e aumento della potenza, in modo anche da rilanciare a livello commerciale i motori a benzina. Si è raggiunta infatti una riduzione dei consumi del 20%

con potenze sviluppate superiori a 60 KW a pistone. Altro fattore di cui è sta- to tenuto conto è la riduzione dei tempi di iniezione, ampiamente soddisfatta in quanto l'ago completa la sua corsa totale in soli 0.2 millisecondi.

Per quanto rigurda l'ottimizzazione della zona di spray, i requisiti richie- sti per la spray-guided combustion danno particolari direttive per il gruppo valvola dell'iniettore, che è a diretto contatto con la camera di combustione.

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Sia dal punto di vista tecnologico che progettuale la zona su cui è posta l'attenzione in questo studio, è quella con funzione di spray, che si trova nel- la parte nale della valvola, composta da Cartridge e Needle. Questi due componenti richiedono determinate caratteristiche di qualità superciale per soddisfare i requisiti del sistema di iniezione. Nell'analisi delle superci ciò che assume rilevante importanza è il processo cui sono sottoposti i compo- nenti, lo sviluppo del design della zona di spray e la funzione di tenuta. Si deve ricercare quindi una procedura adabile per misurare in modo ogget- tivo la supercie dei componenti in esame. La caratterizzazione oggettiva a cui vogliamo giungere è nalizzata alla denizione di feedback sui proces- si e previsioni sull'adabilità di un componente. Si cerca inoltre, tramite le caratteristiche superciali, di qualicare le parti rispetto alla funzione di tenuta. Ciòche andremo a fare è quindi uno studio tramite la prolome- tria bidimensonale e lo sviluppo di tecniche di analisi basate su strumenti di nuova generazione, capaci di indagare su una porzione superciale.