Capitolo 6
L’iniezione pulsata
6.1
Introduzione
L’iniezione elettronica (indiretta) di combustibile è attualmente diffusa sulla quasi to-talità dei motori ad accensione comandata a quattro tempi per la trazione veicolistica: ne restano esclusi solo veicoli destinati a mercati con normative ecologiche permissive e taluni motoveicoli.
Come descritto nel capitolo 2, un impianto di iniezione elettronica risulta composto da una molteplicità di sensori ed attuatori elettrici, che ne alzano notevolmente il co-sto rispetto ad un carburatore, precludendone di fatto l’utilizzo nel campo dei motori per applicazioni diverse, come piccole macchine per il giardinaggio e l’agricoltura o piccoli generatori elettrici. Su questi ultimi il carburatore resta quindi l’unico sistema di alimentazione adottato, per motivi di semplicità ed economia produttiva, a scapito naturalmente della precisione del titolo della miscela, precisione che può essere relati-vamente modesta, visto che per queste applicazioni le emissioni inquinanti non sono soggette a limitazioni severe. Per tali motivi, ed anche perché al motore non è richiesta elevata potenza specifica e non è essenziale una buona risposta al transitorio, si usano addirittura carburatori di tipo semplificato.
Tuttavia anche per questi motori sono previste per il futuro maggiori restrizioni sulle emissioni inquinanti (la comunità europea ha approvato la direttiva 97/68/CE) ed è comunque desiderabile ridurre il consumo di combustibile. Si giustifica, quindi, lo studio di soluzioni volte a sostituire il carburatore con un sistema d’iniezione sem-plificato, che possa coniugare sufficiente semplicità ed economia produttiva con una maggior precisione di dosatura rispetto al carburatore. Ovviamente tale sistema di iniezione deve necessitare di un numero minimo di sensori ed attuatori ed al più av-valersi di una logica di retroazione molto semplice. Per soddisfare queste esigenze è stato concepito un sistema d’iniezione indiretta innovativo, che si basa su un iniettore pilotato in frequenza.
6.2
Il principio di funzionamento del sistema
Il sistema d’iniezione innovativo utilizza, come detto, un iniettore pilotato in frequenza: la quantità di combustibile fornito in corrispondenza di ogni singola iniettata è fissa, pertanto la portata di combustibile è regolata agendo sul numero di iniettate che hanno luogo in un dato intervallo di tempo.
Un sistema di iniezione indiretta regolato in frequenza presenta delle difficoltà ri-guardo al mantenimento del valore del titolo di ciclo in ciclo. La regolazione della portata, anziché continua, risulta inevitabilmente a gradini, con l’ampiezza del gradi-no corrispondente alla massa della singola iniettata. Poiché esistogradi-no limitazioni sulla frequenza massima delle iniettate, limitazioni legate al fatto che gli iniettori tradizio-nali a solenoide (vedi capitolo 2, paragrafo 2.2) ammettono una frequenza massima di ≈ 125 Hz, per un motore che abbia una velocità massima di rotazione di 3000 gi-ri/min (motore a quattro tempi, 25 cicli/s) si possono fare al più solo 5 iniettate a ciclo e quindi tali gradini sono cospicui. Nel caso di sistema sincrono con il motore, ne discendono inaccettabili errori nel titolo della miscela dovuti al carattere discontinuo della regolazione della portata. Nel caso di sistema asincrono, invece, pur potendosi ottenere un titolo mediamente corretto, si hanno cospicue fluttuazioni del titolo tra un ciclo ed il successivo per l’inevitabile variazione di una unità nel numero delle iniettate per ciclo. Il problema si aggrava fortemente al ridursi del carico, perché la portata di combustibile si riduce (a circa un quinto passando dal massimo al minimo) e quindi si deve proporzionalmente ridurre il numero d’iniettate per ciclo. Nel caso di carico corrispondente a 1,5 iniettate per ciclo occorrerebbe alternare un ciclo a due iniettate con uno ad una sola iniettata. Nella peggiore delle ipotesi, cioè se tutto il combustibile iniettato entrasse repentinamente nel cilindro (iniettore posizionato a ridosso della val-vola d’aspirazione), si avrebbe un errore fluttuante nel titolo della miscela pari al 33,3% (alternativamente in eccesso ed in difetto rispetto allo stechiometrico), valore ben su-periore al limite del 5% che potrebbe giustificare l’adozione di un sistema d’iniezione in luogo del più semplice carburatore. Si noti che un errore di tale tipo provoca un dannoso aumento nella dispersione ciclica del motore, oltre agli inconvenienti propri di una miscela non ben dosata e, d’altra parte, il fatto che il titolo sia mediamente corretto non dà alcun vantaggio, neanche sotto il profilo delle emissioni inquinanti, a meno di non adottare un catalizzatore trivalente. Questo, infatti, potrebbe sfruttare l’eccesso di ossigeno presente nei gas emessi durante i cicli a titolo povero per comple-tare l’ossidazione della più alta quantità di CO emessa durante i cicli a titolo ricco, ma sarebbe soggetto a temperature molto alte e quindi avrebbe una breve durata, a causa dell’entità delle reazioni che avverrebbero al suo interno.
Fortunatamente l’oscillazione reale del titolo nel cilindro è inferiore a quella sopra ipotizzata, perché nel condotto di aspirazione avviene una serie di fenomeni, il cui
risultato può sintetizzarsi con l’espressione effetto polmone o effetto volano. A tal pro-posito, con il motore in condizioni di funzionamento stazionario, s’immagini che tutto il combustile iniettato si depositi inizialmente sulle pareti del condotto, formando un film liquido, e che pervenga al cilindro staccandosi successivamente da esse, in parte ancora allo stato liquido, in parte dopo essere evaporato. La quantità di combustibi-le che arriva liquida nel cilindro dipende dall’altezza del film nei pressi della valvola d’aspirazione e quella che arriva come vapore dipende dall’estensione dell’interfaccia di contatto gas-liquido. Se la quantità di combustibile presente nel condotto fosse suf-ficientemente grande, una singola iniettata farebbe variare in modo trascurabile sia tale altezza che tale estensione e quindi, in definitiva, anche il titolo della miscela nel cilindro, che pertanto rimarrebbe pressoché costante di ciclo in ciclo, pur adottando l’iniezione asincrona. In realtà un normale condotto di aspirazione non consente simili risultati perché la quantità di combustibile presente al suo interno è relativamente mo-desta e perché parte del combustibile iniettato non si deposita sulle pareti, ma giunge direttamente al cilindro sia sotto forma di spray, sia di vapore originato dallo spray. Occorrerebbe pertanto studiare un condotto con specifiche caratteristiche, tenendo al-tresì conto che non è opportuno eccedere nella quantità di combustibile trattenuto nel condotto per non pregiudicare la risposta del motore ai transitori (verrebbero esal-tati gli inconvenienti correlati con l’evaporazione e la condensazione del combustibile rispettivamente nelle fasi di chiusura e di apertura della valvola a farfalla).
In tutti i casi, un iniettore pilotato in frequenza dà luogo ad una fasatura di iniezione variabile, per motivi ovvi nel caso dell’iniezione asincrona e perché è variabile il numero di iniettate per ciclo nel caso di iniezione sincrona.
