CAPITOLO 2

CAPITOLO 2

Sviluppo dei motori due tempi

Nel corso di questi ultimi anni la ricerca si è nuovamente dedicata allo sviluppo dei motori a due tempi; si cerca qui di seguito di capirne le motivazioni.

2.1 Vantaggi dei motori a due tempi

Come già esposto nel paragrafo 1.1, il principale vantaggio del motore a due tempi risiede nella maggior semplicità costruttiva. Diversamente dai motori a quattro tempi possono infatti non essere presenti le valvole di aspirazione e scarico o componenti simili, con conseguente diminuzione dei costi di realizzo.

Dal punto di vista energetico, se non esistessero i problemi della perdita di combustibile allo scarico e delle cattive combustioni in presenza di forti parzializzazioni, il motore a due tempi godrebbe di un’economia di consumi superiore rispetto al quattro tempi, specialmente in condizioni di carico parzializzato. Infatti, in un motore a due tempi, il valore delle perdite di pompaggio diminuisce leggermente al diminuire del carico (come vedremo meglio nel Capitolo 5) mentre, in un motore a quattro tempi, tale valore cresce notevolmente al ridursi del carico (fig. 2.1).

Figura 2.1 - Perdite per pompaggio

La ragione di ciò risiede nel fatto che in un motore a quattro tempi le fasi di ricambio della carica vengono “forzate” dal moto dello stantuffo e quindi per ridurre la portata del fluido motore è necessario adottare una cospicua laminazione in aspirazione, alla quale si accompagna un’altrettanto sensibile dissipazione di energia a carico del propulsore. In un due tempi invece, grazie all’ampio volume del carter-pompa, le perdite in aspirazione dovute alla laminazione sono compensate dal minor lavoro richiesto per la compressione della carica. Un ulteriore elemento a favore dell’efficienza del motore a due tempi è la minore entità delle perdite per attrito, dovuta sia allo schema meccanico semplificato che lo caratterizza (assenza di valvole), sia al fatto che un ciclo è compiuto in un solo giro; tutto ciò permette di avere delle pressioni medie effettive più alte rispetto a un quattro tempi, a parità di pressioni medie indicate, e quindi un rendimento meccanico teoricamente maggiore (nel campo dei piccoli motori a quattro tempi, il trascinamento dell’apparato di distribuzione e della pompa dell’olio incide in maniera sensibile). Tale vantaggio nel rendimento rimane, sia pur ristretto, anche nella realtà, pur considerando la più bassa pmi del 2T.

Altro vantaggio del motore a 2T ad A.C. è la sua intrinseca bassa formazione di NOx a causa

dell’elevata percentuale di gas combusti (in confronto con i 4T) che rimangono nel cilindro a fine fase di lavaggio (EGR interno) e che quindi funzionano da inerti per la combustione del ciclo successivo, limitando le temperature di combustione e quindi la formazione di NOx.

I motori a 4T ad A.C., invece, funzionando nell’intorno del rapporto di miscela stechiometrico, per il quale si ottiene il miglior compromesso tra consumi e massima potenza con la massima efficienza del catalizzatore (fig. 2.2), presentano il massimo valore nella produzione degli NOx a causa dell’elevata temperatura di combustione, (fig. 2.3).

Figure 2.2 Efficienza di conversione degli inquinanti di un catalizzatore trivalente in funzione del rapporto di miscela

Figura 2.3 - Andamento emissioni inquinanti in funzione del rapporto di miscela

Sempre l’alta temperatura, per ragioni chimico-fisiche genera reazioni incomplete:

2 2 2 1 O CO CO ↔ + 2 2 2O CO H CO H + ↔ +

Tutto ciò, unito alla semplicità costruttiva ed alla coppia più uniforme rispetto al quattro tempi, ci fa capire come i due tempi, una volta risolti i problemi legati alle emissioni e all’alto consum ospecifico, rappresentino la migliore soluzione nel campo dei piccoli motori.

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2.2 Iniezione diretta e stratificazione della carica sui motori a due tempi

Per rientrare nei limiti è necessario che durante il lavaggio non vengano perse quantità di combustibile, poiché queste incrementerebbero in maniera drastica le emissioni. Da quanto detto si comprende come un’efficace riduzione dei consumi e delle emissioni in un motore a due tempi debba essere attuata agendo contemporaneamente sulla perdita di combustibile, conseguente al processo di lavaggio, e sul miglioramento della combustione ai bassi carichi. Per quanto riguarda il problema delle perdite di combustibile durante il processo di sostituzione della carica, questo può essere risolto in modo radicale facendo si che il carburante non venga coinvolto nel processo di lavaggio. Per ottenere questo risultato il combustibile deve pervenire all’interno del cilindro in modo indipendente dall’aria solo dopo che la luce di scarico sia stata chiusa o sia in procinto di chiudersi. In questo modo l’inevitabile cortocircuito interesserà solo l’aria, mentre per il carburante si avrà il completo intrappolamento. La soluzione tecnica naturale è quindi l’iniezione diretta di combustibile nel cilindro.

L’iniezione diretta nei motori a due tempi risulta però più difficile rispetto a un quattro tempi a causa dei ridotti tempi a disposizione. In un quattro tempi, l’intervallo angolare a disposizione per l’iniezione potrebbe ricoprire completamente la fase di aspirazione e parte di quella di compressione per un’ampiezza angolare maggiore di 180° di rotazione dell’albero motore, mentre in un due tempi l’intervallo angolare può essere solo quello corrispondente a parte delle fasi di scarico pulsato e compressione, che risulta solitamente minore di 100° di rotazione del manovellismo. Considerando inoltre che il regime di rotazione massimo di un due tempi è superiore a quello di un quattro tempi, si comprende quanto limitati siano i tempi a disposizione per effettuare l’iniezione. A tal proposito si consideri che, a 6000 giri/min, il tempo a disposizione per l’iniezione, l’evaporazione e il mescolamento, eventi non sovrapponibili, è di circa 2,5 ms.

A fronte di suddetti inconvenienti, l’iniezione diretta presenta però diversi vantaggi; quali: Completo intrappolamento del combustibile; ciò permetterebbe quindi di conoscere con esattezza la quantità presente nel cilindro e di dosarla a nostro piacimento.

Possibilità di aumentare il rapporto di compressione, in quanto l’eventualità della detonazione risulta più remota dato che il combustibile, venendo addotto direttamente in camera di combustione, evapora e sottrae calore alla massa d’aria presente nel cilindro.

Migliore risposta nei transitori; infatti, nei sistemi con alimentazione indiretta avviene che in accelerazione parte della benzina si deposita in fase liquida nei condotti a causa dell’aumento di pressione, creando così una miscela più magra; viceversa, in decelerazione, parte della benzina evapora a causa della diminuzione di pressione dando luogo ad una miscela più ricca.

Possibilità di effettuare la stratificazione della carica.

La “stratificazioine della carica” è una particolare distribuzione del combustibile che serve a migliorare la combustione ai bassi carichi. A seconda che si tratti di motori a carica premiscelata o ad iniezione diretta si possono avere due diverse tipologie di stratificazione della carica.

Nel primo caso, all’interno della camera di combustione, si devono introdurre campi di moto in modo tale che in prossimità della candela si trovi la carica fresca, ed i gas combusti restino confinati nelle zone più lontane, senza pregiudicare l’evoluzione della combustione.

Nel secondo caso, invece, dopo aver effettuato il lavaggio, atto a ridurre il più possibile la presenza dei gas combusti in camera di combustione, viene realizzata, con opportune strategie, la miscela aria-combustibile stechiometrica solo in prossimità della candela, mentre nel resto della camera di combustione si avrà una miscela povera o addirittura solo aria, oltre ad una certa percentuale di gas combusti.

In questo modo viene facilitato l’innesco della combustione oltre che il suo progredire fino al coinvolgimento di tutto il combustibile presente in camera di combustione.

Considerando i motori ad iniezione diretta, la strategia per l’ottenimento della stratificazione è quella di operare un’iniezione ritardata (late injection), quindi i tempi sono ancora più ristretti di quelli considerati in precedenza (anche se la stratificazione si effettua a regimi medio bassi). Inoltre, per l’ottenimento di un grado di microomogeneità accettabile, occorre una pressione d’iniezione assai elevata dato anche che si inietta in un ambiente a pressioni sino a 5 bar. Il bassissimo tempo a disposizione per la combustione costituisce quindi il maggiore vincolo, poiché se al momento dell’innesco sono presenti ancora parti di carburante non 15

completamente evaporato o non miscelato con l’aria, questo brucia più lentamente dando origine a notevoli emissioni di particolato, CO e HC.

Un ulteriore vantaggio della stratificazione della carica è la possibilità di alimentare il motore con una miscela complessivamente povera, ottenendo così delle temperature di combustione minori, rispetto a quella con carica omogenea, e quindi una produzione minore di NOx.

L’abbassamento delle temperature medie riduce anche il calore dissipato per cessione alle pareti e limita i fenomeni di dissociazione che accompagnano la reazione di ossidazione. Si consideri inoltre l’espressione del rendimento termodinamico di un ciclo Otto teorico:

1 1 1− ₋ = _γ ρ η (1.1)

dove ρ è il rapporto di compressione, γ il rapporto tra i calori specifici a pressione costante ed a volume costante del fluido evoluente.

In presenza di eccesso d’aria, il rendimento subisce un duplice incremento: infatti γ assume valori più alti per l’aria rispetto alla miscela stechiometrica aria-carburante ed inoltre cresce al calare della temperatura.

La presenza di un consistente eccesso d’aria potrebbe però avere risvolti negativi a bassi carichi, poiché la temperatura dei gas di scarico potrebbe divenire insufficiente per il corretto funzionamento di un eventuale catalizzatore ossidante. Fondamentale, per questo problema, è la temperatura di innesco del catalizzatore (light-off), che, una volta raggiunta, permette un’efficienza dello stesso pari al 50%.

2.3 Sviluppi dell’iniezione diretta nei motori a 2T

Il carburatore ha rappresentato sino ad oggi la soluzione universalmente adottata per piccoli motori 2T, grazie alla semplicità con cui riesce a fornire una carica pressoché omogenea e con il giusto dosaggio di combustibile. Questa soluzione garantisce inoltre un basso costo di realizzo.

Il principio di funzionamento, come noto, si basa sul cosiddetto effetto Venturi, consistente in una trasformazione da energia di pressione in energia cinetica indotta da un opportuno restringimento della sezione del condotto (fig. 2.4).

Figura 2.4 - Carburatore elementare

Il carburatore, perciò, non è in grado né di dare un dosaggio sufficientemente affidabile per le nuove stringenti normative. Il ricorso ai sistemi di iniezione è stato quindi un'inevitabile necessità e la spinta verso questi innovativi sistemi di formazione della miscela è stata notevolmente incrementata dalla forte pressione legislativa di numerosi Governi (Stati Uniti, ed in particolare la California, Comunità Europea, Giappone), i quali, a cadenze continue e prestabilite, hanno dimezzano i valori limiti consentiti per i principali inquinanti allo scarico dei motori.

In questi ultimi anni si è avuto quindi un fortissimo impulso alla messa a punto di sistemi di formazione della miscela sempre più sofisticati, e la conseguenza di ciò è stato il raggiungimento di risultati che fino a poco tempo fa potevano sembrare impensabili (fig. 2.5). I risultati motoristici raggiunti sono molto incoraggianti. I moderni sistemi di iniezione permettono,infatti, evidenti riduzioni sia dei consumi che degli inquinanti e un sostanziale miglioramento nelle prestazioni.

Figura 2.5 - Progresso tecnologico subito

Come ricordato in precedenza, l’applicazione di sistemi ad iniezione diretta ad un motore a 2T ad A.C. incontra, a parità di condizioni, maggiori difficoltà rispetto ad un 4T in quanto si deve operare con una frequenza di iniezione doppia. In figura 2.6 è rappresentato uno schema classico di un motore a carburazione, mentre in figura 2.7 è rappresentato uno schema di un motore a iniezione diretta.

Figura 2.6 - Motore convenzionale con carburatore

Figura 2.7 - Motore 2T ad iniezione diretta

Un grande impulso alla diffusione di sistemi di iniezione diretta è stato dato dall’introduzione di sofisticati sistemi di controllo elettronico a basso costo, che permettono di utilizzare circuiti e mappature molto complesse, in grado di seguire in modo ottimale le mutevoli esigenze del motore.

Il problema del ridotto tempo a disposizione per preparare una miscela dalle caratteristiche adeguate viene risolto utilizzando un iniettore ad alta pressione (≥100 bar) in grado di generare uno spray finemente polverizzato e tale da garantire un'accettabile omogeneizzazione della carica, almeno nella zona intorno alla candela. Anche l’angolo di uscita dello spray e la sua penetrazione risultano essere determinante in quanto si deve controllare attentamente che il getto non raggiunga la parete del cilindro, o il cielo del pistone, con un nucleo liquido di dimensioni troppo elevate (ricordiamo, inoltre, che penetrazione e polverizzazione hanno andamenti generalmente opposti e quindi deve essere trovato un compromesso tra le due esigenze).

Riassumendo, le caratteristiche dello spray dipendono da numerosi fattori, di cui i principali sono:

caratteristiche geometriche dell'iniettore (generalmente decisive per avere una buona iniezione);

parametri del sistema di iniezione (pressione, alzata dello spillo);

condizioni fluidodinamiche e termodinamiche dell'aria all'interno della camera di combustione (grado di turbolenza, densità, …);

caratteristiche geometriche della camera di combustione.

Particolare attenzione deve essere rivolta all’ultimo fattore indicato, in quanto risulta decisivo per ottenere una corretta stratificazione a vari regimi di rotazione. Si deve inoltre posizionare l'iniettore in punti strategici con un’opportuna direzione dell'asse dello spray, soprattutto quando si vuole sfruttare la possibilità offerta, dall'iniezione diretta, di stratificare la carica. Già da molti anni è noto che, se la combustione viene avviata in modo normale dalla scintilla della candela, la fiamma si può propagare regolarmente anche se la carica successivamente incontrata smagrisce gradualmente verso la periferia; si deve però fare attenzione ai carichi molto bassi dove vi è il rischio di quenching. I benefici di questo fenomeno sono stati evidenti per tanto tempo, ma per sfruttarli adeguatamente è stata innanzitutto necessaria l'introduzione dell'iniezione diretta.

Nell’ottica della risoluzione delle problematiche prima esposte, è necessario un attento studio sperimentale e computazionale dell'interazione aria-spray, che tenga conto delle notevoli variazioni delle condizioni all'interno della camera, ad esempio con la velocità di rotazione del motore, con il carico o con la temperatura in camera di combustione.

2.3.1 Sistemi di iniezione diretta applicati ai due tempi ad accensione

comandata

Numerose soluzioni sono state finora proposte da diverse aziende e, tra queste, si può operare una prima distinzione di base:

-sistemi air-assisted, che prevedono l'iniezione diretta di una miscela aria/combustibile molto ricca, poiché si è visto che iniettando un'emulsione di aria e benzina si migliora la polverizzazione del combustibile aumentando la velocità di vaporizzazione. In questo modo si hanno minori problemi di deposito di combustibile in corrispondenza dell'apertura dell'iniettore, anche se tale miglioramento comporta in realtà una maggiore complicazione del sistema. Sistemi di questo tipo sono stati proposti da Piaggio, IAPAC, Orbital, Punpless; hanno il vantaggio di una elevata velocità del getto d’iniezione (legata all’energia cinetica), ma vi è una grossa difficoltà nell’effettuare la stratificazione poiché lavorano a basse pressioni di iniezione.

-sistemi single-fluid, che praticamente prevedono l’iniezione di solo combustibile. E'

sicuramente il modo più naturale e concettualmente più semplice per operare un'iniezione, ma si deve comunque far fronte al tempo limitato a disposizione per creare la giusta miscelazione 20

tra aria e combustibile. Necessita inoltre di alte pressioni di iniezione e presenta rischi di depositi carboniosi sulla testa dell’iniettore. Tra i sistemi proposti i più interessanti sono: Ficht e Ram Tuned.

Si ritiene utile dare una breve descrizione delle principali applicazioni dei sistemi d'iniezione appena menzionati:

1) Piaggio Fast. Nel sistema Fast (fig. 2.8) la pressione di iniezione (3-4 bar) è generata da un

compressore a stantuffo collocato sulla testa del cilindro ed azionato dall’albero motore tramite una cinghia di trasmissione [2, 3].

Il combustibile proveniente dal carburatore entra nel compressore dove si forma una miscela ricca. Il vantaggio della soluzione proposta risiede nella possibilità di far pervenire al cilindro il combustibile con un ritardo adeguato a dar luogo alla stratificazione della carica; infatti quando la differenza di pressione tra cilindro e cilindretto del compressore supera i 3 bar, una valvola si apre automaticamente determinando il passaggio della miscela ricca dal compressore a stantuffo al cilindro. Purtroppo questo motore non è mai stato sviluppato per poter realizzare la stratificazione, ma per permettere il funzionamento in carica omogenea con gli inconvenienti di cattive combustioni ai bassi carichi, tipiche dei due tempi tradizionali. Inoltre la soluzione Piaggio Fast risulta costruttivamente complessa e costosa.

Figura 2.8 - Sistema Piaggio FAST

2) Il motore a carica stratificata dell’Institut Francais du Pétrole [IAPAC].

L'IFP ha sviluppato un sistema che sfrutta l'aria compressa dal carter-pompa per "assistere" l'iniezione del combustibile. Tale sistema, denominato IAPAC (dal francese Injection Assistee Par Air Comprimé) [4, 5] è schematizzato nella figura 2.9.

Da questa si può facilmente comprendere il principio di funzionamento: il carter riempie un serbatoio di accumulo con aria compressa grazie ad una valvola a lamelle; da qui l’aria fluisce nel cilindro attraverso una valvola a fungo. Un iniettore a bassa pressione inietta una data quantità di combustibile, che va a depositarsi sul fungo della valvola; in questo modo il combustibile ha un determinato tempo di residenza che permette una parziale evaporazione prima dell'apertura della valvola e quindi dell’iniezione vera e propria nel cilindro.

La qualità del getto aria-benzina è ulteriormente migliorata dalla forma a tubo di Venturi della sede valvola. La restante parte di benzina non evaporata avrà tutto il tempo necessario per miscelarsi con l’aria pompata attraverso le classiche luci di lavaggio. Da notare, anche in questo caso, l’estrema importanza della posizione della valvola-iniettore: sufficientemente lontana dalla luce di scarico, in modo da ridurre al massimo i pericoli di cortocircuito, e strategicamente collocata in modo tale da facilitare, con l’interazione dei flussi interni al cilindro, la formazione di una miscela stratificata a partire dalla posizione della candela.

Figura 2.9 - Motore IAPAC

I risultati al banco prova, ottenuti con un motore monocilindrico di 250 cm , non sono stati molto significativi. La potenza massima raggiunta è di 11 kW a 4500 giri/min, da cui si ricava una potenza specifica di 44 kW/litro, mentre, per quanto riguarda il consumo specifico, in

figura 2.10 si può vedere che ha un minimo intorno a 250 g/kWh.

Figura 2.10 – BSFC motore IAPAC

In sostanza il motore ideato dalla IFP non è in grado di soddisfare le leggi sulle emissioni di inquinanti.

Gli svantaggi di questo sistema di iniezione sono:

Motore costruttivamente complicato e quindi costoso.

Non si ha la possibilità di ottenere una buona stratificazione, poiché si deve iniettare piuttosto in anticipo rispetto al PMS. Dato che all’interno del serbatoio di accumulo non si raggiungono pressioni elevate.

3) Sistema di iniezione diretta ORBITAL

Il cuore di questo sistema è un iniettore comandato da un solenoide che inietta una miscela aria-combustibile finemente polverizzata direttamente nella camera di combustione (la figura

2.11 illustra il gruppo d'iniezione).

L’iniettore del combustibile, dapprima invia una quantità controllata di combustibile nella camera ad aria nella quale si raggiunge una pressione di 6 bar in corrispondenza dell'iniettore ad aria, questo ultimo inietta la miscela di aria e benzina sotto forma di una nuvola finemente 23

polverizzata. Le piccole dimensioni delle particelle che si possono ottenere con questo sistema a bassa pressione permettono un'evaporazione molto veloce del combustibile, minimizzando il tempo per la preparazione della miscela all'interno del cilindro [6, 7].

Questo sistema, in combinazione con un'adeguata forma della testata e del cielo del pistone, entro certi limiti, permette il processo di stratificazione della carica.

Figura 2.11 - Gruppo di iniezione ORBITAL e sequenza di iniezione

L'aria compressa richiesta per il processo d'iniezione è fornita generalmente da un piccolo compressore a stantuffo azionato da una camma posta sull'albero motore come mostrato in

figura 2.12.

Il combustibile è invece fornito da una pompa convenzionale operante ad una pressione compresa tra 6,2 e 7,2 bar (fig. 2.13); il sistema è dotato anche di un dispositivo in grado di rilevare la pressione dell'aria in modo tale da garantire sempre una certa differenza di pressione.

I risultati ottenuti da questo sistema sono notevoli: bassi consumi specifici (si può raggiungere un’economia fino al 20% rispetto a motori 2T convenzionali, con valori minimi che si aggirano su 300 g/kWh), riduzione drastica delle emissioni di HC e CO.

Questo sistema è stato adottato da Aprilia (Di-Tech) e successivamente da Piaggio (Pure-Jet).

Figura 2.12 - Compressore ORBITAL

Figura 2.13 - Pompa della benzina del sistema ORBITAL

Molteplici comunque anche gli inconvenienti di questo sistema, tra i quali si ricorda:

1) la pressione di iniezione si aggira attorno ai 6 bar, quindi non è possibile ritardare molto la fase di iniezione, poiché la pressione all’interno del cilindro sale bruscamente dopo la chiusura dello scarico; del resto, innalzare la pressione di iniezione comporterebbe uno spreco di lavoro eccessivo ai bassi carichi.

2) L’iniettore tende a sporcarsi poiché, per mantenere un minimo di stratificazione e non potendo iniettare molto in ritardo, si deve accendere quando l’iniettore è ancora aperto, questo implica che parte dei gas combusti entrano all’interno dell’iniettore stesso, formando depositi carboniosi; inoltre una accensione anticipata pregiudica il rendimento del motore.

3) Il sistema risulta estremamente sensibile alle occlusioni allo scarico, poiché queste causano un aumento della pressione più veloce all’interno del cilindro.

4) L’intero sistema risulta complesso e costoso.

5) Pumpless. Un sistema di iniezione a bassa pressione senza pompa di iniezione è stato sviluppato dal Dipartimento di Energetica dell’Università di Pisa [35] e [36]. In questo sistema l’aria d’iniezione fornita dal carter pompa attraverso una valvola rotante (pressione assoluta massima pari a 140 kPa) è mescolato a alla benzina fornita da un normale elettroiniettore per iniezione indiretta formando così una miscela ricca. In fine questa miscela viene iniettata nel cilindro attraverso una valvola rotante situata sulla parete del cilindro. Sostituendo la valvola rotante del carter pompa con una a lamelle è possibile chiudere il passaggio dal carter pompa al condotto che porta all’iniettore indipendentemente dalla posizione del pistone. In questa maniera quando la pressione nel carter pompa comincia a scendere la valvola si chiude mantenendo alta la pressione nel condotto. In questa maniera è possibile svincolare completamente l’iniezione dalla pressione nel carter pompa. Questo sistema è semplice ed efficiente ma la pressione di iniezione è molto bassa e non consente un’iniezione molto ritardata impedendo così la stratificazione della carica. In figura 2.14 è rappresentato lo schema di funzionamento di questo motore sia con la valvola rotativa che con la valvola a lamelle.

Figura 2.14 - Sistema pumpless a) con valvola rotante al carter pompa b) con a lamelle al carter pompa. 1) valvola rotante d’ingresso 2-a) valvola rotante tra carter pompa e condotto

a)

b)

dell’aria 2-b) valvola a lamelle tra carter pompa e condotto dell’aria 3) condotto dell’aria 4) elettroiniettore 5) valvola rotante di iniezione 6) luce di iniezione

5) Sistema d

nche questo dispositivo permette di iniettare all'interno della camera di combustione solo viene fornita pressione al fluido è abbastanza semplice ed

istiche dello spray, tali da garantire elevata efficienza e bassi consumi.

Figura 2.16 - Vista dell'iniettore FICHT

i iniezione FICHT.

A

combustibile. La modalità con cui

intuitiva: tenendo presente le due figure 2.15 e 2.16, il combustibile viene dapprima pompato all'interno del piccolo cilindro dell'iniettore mentre lo stantuffo pompa si porta al punto morto per poi essere accelerato dal solenoide sempre mantenendo la valvola 3 aperta. Lo stantuffo nel suo moto chiude la valvola 3, la pressione del combustibile si innalza causando l’inizio dell’iniezione [8].

Il sistema ha il pregio di raggiungere il completamento dell’iniezione in breve tempo, oltre ad avere buone caratter

Figura 2.15 - Schema dell'iniettore FICHT

Complessivamente il sistema risulta composto da pochi elementi di piccolo ingombro e di

articolarmente adatte ad un

totalmente controllato elettronicamente, poiché è meccanicamente

ei motori

esto sistema sono:

dinamica molto variabile del sistema. vole.

a forma allungata che si adatta perfettamente all'alloggiamento in una piccola testata di un motore. Occorre sottolineare che questo dispositivo ha un principio di funzionamento uguale a quello del sistema Ram Tuned (successivamente descritto), nel senso che viene sfruttato in entrambi il fenomeno del “colpo d'ariete”, ma, mentre nel Ram Tuned è il fluido che accelera per poi arrestarsi improvvisamente alla chiusura di una valvola, nel sistema Ficht è un pistone che va ad impattare contro il fluido, mandandolo in pressione. In entrambi i casi comunque si ha una trasformazione di energia cinetica in energia di pressione.

Le caratteristiche di questo sistema d'iniezione risultano essere p

motore a due tempi. La curva di pressione, e quindi la qualità dello spray di combustibile, è indipendente dalla quantità di combustibile iniettata e dalla velocità del motore, essendo molto breve, il picco di pressione (0.5-1.5 ms ; 25-65 bar) permette all'iniettore di aprirsi e chiudersi velocemente, consentendo così una buona polverizzazione del combustibile. In tali circostanze possono essere iniettate sia piccole che grandi quantità di combustibile (<1 mm3

fino a circa 50 mm3). Il sistema può essere

disaccoppiato dal motore (adoperando quindi le correzioni necessarie ad un buon funzionamento nelle varie condizioni di carico, velocità, temperatura, ecc.); sono possibili velocità di rotazione del motore molto elevate (>10000 giri/min), grazie al breve tempo necessario all'iniezione e all’inerzia elettro-magnetomeccanica relativamente bassa.

Il sistema d'iniezione Ficht ha già trovato applicazioni commerciali, in particolare n

marini fuori bordo MERCURY, dimostrando prestazioni interessanti: consumi ed emissioni comparabili con quelli dei motori quattro tempi, con notevoli vantaggi però per quanto riguarda la complessità e gli ingombri (caratteristiche che si riflettono in minori costi e minori problemi di manutenzione).

Gli svantaggi principali di qu

¾ Non linearità del controllo, causata dalla

¾ Se la valvola in testa all’iniettore si snerva, la portata può variare in misura note ¾ L’iniezione non avviene a pressione costante, questo ha come conseguenza un

dispersione del diametro medio delle gocce e quindi una diversa penetrazione e velocità del getto, il che penalizza la stratificazione della carica.

6) Sistema di iniezione diretta Ram Tuned.

inizialmente per motori Diesel, si basa sul ben

nzialmente tre. In una prima fase, la

ido passerà soltanto lungo il circuito primario (filtro-pompa-regolatore di

secondario,

uono all'interno delle Il principio di funzionamento del sistema, nato

noto fenomeno detto comunemente “colpo d'ariete”: un fluido generico, in movimento e arrestato improvvisamente, dà luogo ad un aumento di pressione. Un'analisi del fenomeno dal punto di vista teorico è piuttosto complicata, in quanto risulta fondamentale la descrizione della risposta elastica all'impulso del sistema, intendendo con sistema non solo il fluido in questione ma anche le pareti che lo contengono. L'unico modo per analizzare quantitativamente il colpo d'ariete per poi sfruttarlo in un sistema d'iniezione è la sperimentazione diretta, da cui si ottengono risultati sull'effettiva risposta alle aspettative. Lo schema del sistema Ram Tuned è mostrato in figura 2.17 ed è composto da elementi abbastanza comuni e facilmente reperibili sul mercato.

Le fasi in cui si svolge il ciclo d’iniezione sono sosta

valvola a solenoide è inizialmente chiusa, impedendo cosi il passaggio di combustibile nel circuito secondario (filtro-pompa-regolatore di pressione-accumulatore di pressione-valvola di smorzamento-tubo di accelerazione-linea di ritorno, e cioè il circuito segnato in blu nella

figura 2.17).

Quindi, il flu

pressione-linea di riversamento, cioè circuito in rosso della figura 2.17), grazie all'azione di una pompa che fornisce un valore di pressione generalmente fissato tra 4 e 6 bar, ritornando poi direttamente al serbatoio. La seconda fase prende inizio nel momento in cui viene aperta la valvola a solenoide grazie al comandato generato da una centralina elettronica.

A questo punto il combustibile è libero di muoversi attraverso il circuito

accelerando fino al momento in cui viene chiusa di nuovo la valvola solenoide. La terza ed ultima fase inizia con l'impatto del fluido in movimento con la valvola, seguito da una crescita immediata della pressione fino a valori massimi prossimi ai 50-60 bar.

Il segnale di pressione si propaga come un'onda alla velocità del s

tubazioni, raggiungendo in particolare l'iniettore; la pressione vince la forza di opposizione generata da una molla opportunamente tarata, si ha quindi lo spostamento dello spillo e l’inizio dell’iniezione. L'onda generata si propaga anche in direzione opposta della corrente fluida, raggiungendo un dispositivo di smorzamento in grado di assorbire parte dell'energia trasportata: in tal modo si evita che i picchi di pressione riflessi possano portare ad aperture indesiderate dell'iniettore. Una volta finito l'effetto del colpo d'ariete in breve tempo il sistema si ristabilizza ritornando alle condizioni iniziali [9].

Figura 2.17 - Schema del sistema Ram Tuned

problema da risolvere è ora come iniettare la desiderata quantità di combustibile, ovvero

è verificato che le caratteristiche dell'onda di pressione sono indipendenti dalla frequenza di funzionamento (in una gamma piuttosto ampia che va da 1 Hz Il

come regolare il sistema in funzione delle diverse esigenze di carico. Sperimentalmente, si è notato che, all'aumentare della velocità del fluido prima della chiusura della valvola, si ottiene un aumento del valore massimo dell'onda di pressione mantenendo però una durata pressoché costante del picco. Questo ovviamente si traduce in un maggiore volume di iniezione in quanto, aumentando il salto di pressione tra combustibile iniettato ed aria nella camera di combustione, aumenta la portata iniettata. L’aumento della velocità del fluido si ottiene anticipando l'apertura della valvola solenoide. Tutto questo viene gestito da una centralina elettronica, da cui partono i segnali di apertura e chiusura della valvola solenoide, segnale con il quale si può gestire completamente il sistema di iniezione (sia per quanto riguarda l'istante in cui effettuare l'iniezione, dipendente tra gli altri dalla velocità di rotazione del motore, sia per quanto riguarda la quantità di combustibile da iniettare, dipendente dal carico che vogliamo impartire al motore).

Attraverso prove sperimentali si

fino a 200 Hz). Inoltre le elevate pressioni raggiunte scongiurano il rischio di accumulo di combustibile nell'ultima fase d'iniezione in corrispondenza dell'iniettore, problema che porta alla presenza di HC nelle emissioni allo scarico.

Allo spray, di forma conica con angolo di apertura dipendente dalla geometria del complesso spillo-sede, viene impartita anche una componente rotatoria di swirl in modo tale che l'energia posseduta dal combustibile iniettato porti ad una buona polverizzazione ma non ad un'elevata penetrazione (i motori a cui facciamo riferimento sono di piccola cilindrata). In questo modo, quindi, una parte dell'energia del getto di combustibile viene fornita sotto forma rotazionale, ottenendo basse penetrazioni, senza ridurre però l'intensità delle interazioni aerodinamiche, che portano alla atomizzazione del flusso liquido e alla sua successiva evaporazione. Non dimentichiamo inoltre che sulla scelta dell'iniettore va considerato il fatto che si deve operare sempre con cariche stratificate e quindi va fatta un'attenta valutazione non solo della geometria dell'iniettore ma anche della sua posizione e del orientamento, in accordo con un'opportuna geometria della camera di combustione [10].

Concludendo questo sistema ha gli stessi svantaggi del sistema FICHT ma aggravati dall’alta sensibilità alle eventuali bolle d’aria nei condotti.