Parte prima - Introduzione
Capitolo 1
Stratificazione della carica
1.1 – Introduzione
La stratificazione della carica consiste nel concentrare la nuvola di combustibile nella zona della candela. Questo permette, ai carichi parziali, di ottenere in camera di combustione, al momento dell’accensione, una miscela povera a livello globale (rapporto tra massa d’aria e massa di combustibile circa 40:1), ma pressoché stechiometrica nella zona circostante gli elettrodi; in tal modo è possibile assicurare una buona combustione anche in presenza di forti eccessi d’aria. Mentre per motori 4T la stratificazione ha solamente lo scopo di ridurre i consumi, per i 2T, caratterizzati da un elevato rapporto tra gas combusti e gas freschi, risulta indispensabile per l’ottenimento di una combustione ottimale.
Il raggiungimento di un buon livello di stratificazione è stato possibile solo negli ultimi anni, mentre era impensabile ai tempi degli esordi dell’iniezione diretta. Infatti, per ottenere una corretta stratificazione, è necessario prevedere correttamente il campo di moto della fase gassosa all’interno del cilindro, nonché l’evoluzione temporale dello spray, per poter indirizzare la carica nell’intorno della candela.
Le soluzioni per il convogliamento della carica, verso la candela, sono le seguenti:
1. wall-guided: si sfrutta la geometria della camera di combustione
2. air-guided: si sfrutta il campo di moto dell’aria in camera di combustione 3. spray-guided: si sfrutta la sola evoluzione dello spray
Fig. 1.1 - Esempi di metodi di stratificazione della carica
1.2 - Soluzioni wall – guided
La soluzione 1 di Fig. 1.1, per guidare lo spray nella zona desiderata, sfrutta un posizionamento opportuno della candela e dell’iniettore, uniti alla geometria del cielo del pistone. Il principio di funzionamento è semplice, ma la sua realizzazione prevede una speciale geometria del propulsore a cominciare dallo stantuffo, che deve avere una conformazione a cucchiaio, per arrivare al condotto di aspirazione anch’esso caratterizzato da forma ed orientamento particolari.
Riportiamo alcuni esempi di motori funzionanti con questa soluzione:
• sistema GDI di Mitsubishi
Fig. 1.3 - Combustione della carica nel sistema GDI mitsubishi
La casa costruttrice giapponese è stata la prima a produrre un motore ad iniezione diretta di benzina di moderna concezione. Dalle immagini è chiara la strategia per ottenere la stratificazione della carica: si sfrutta il pistone a cucchiaio per indirizzare la carica verso la candela disposta al centro della camera di combustione ed il condotto di aspirazione verticale per favorire il confinamento del combustibile [1, 2].
• Sistema HPI del gruppo PSA
Fig. 1.4 - Stratificazione della carica nel sistema HPI del gruppo PSA Peugeot e Citroen
Il principio di funzionamento è praticamente lo stesso del sistema Mitsubishi: pistone a cucchiaio e condotto di aspirazione ad asse parallelo al cilindro. Ai carichi medio bassi ed iniezione fortemente ritardata la forma del pistone ed il moto di tumble rovescio indirizzano lo spray verso la candela [3].
• Sistema IDE Renault
Fig. 1.5 - Schema del sistema IDE di Renault
Questo sistema differisce dai precedenti per quanto riguarda la posizione dell’iniettore, che si trova in prossimità della candela, e per quanto riguarda la strategia di funzionamento del motore. I tecnici francesi hanno infatti deciso di rinunciare alla combustione di miscele magre, per risolvere il problema delle emissioni di NOx, concentrandosi solo sulla
diminuzione della quantità di CO2 allo scarico. È importante ricordare che questo propulsore è
stato uno dei primi esempi di applicazione commerciale dell’iniezione diretta in Europa, dove sono in commercio benzine con elevata concentrazione di zolfo.
La strategia di funzionamento adottata è la seguente: si fa un’iniezione anticipata di una buona percentuale del combustibile necessario, nel cilindro si forma una miscela omogenea con titolo magro, in seguito si inietta la restante quantità di combustibile in ritardo durante la fase di compressione; in questo modo il titolo della miscela è globalmente stechiometrico, mentre nell’intorno della candela risulta ricco. La particolare disposizione dell’iniettore e della candela, che si trovano in una nicchia ricavata nella testata, unita al pozzetto ricavato sul cielo dello stantuffo, provvedono ad un buon confinamento della carica nella zona degli elettrodi [4].
• Sistema Alfa Romeo JTS
Fig. 1.8 - Sistema Alfa Romeo JTS Fig. 1.9 - Pistone del sistema JTS
I tecnici Alfa hanno interpretato l’iniezione diretta in chiave puramente prestazionale, come è tradizione della casa costruttrice. Infatti il sistema JTS prevede un funzionamento con carica povera solo fino al regime di 1500 giri/min mentre, per numeri di giri superiori, la centralina passa al funzionamento con titolo stechiometrico. Questa strategia si rende necessaria per poter arginare il problema delle emissioni di NOx, che affligge i propulsori funzionanti con
miscele povere. Per la stratificazione, si sfrutta la particolare geometria del cielo del pistone per indirizzare la carica verso gli elettrodi della candela, attuando un’iniezione ritardata [5]. Come si può notare dalla Fig. 1.9, la geometria dello stantuffo è più simile a quella convenzionale di quanto accada invece nei motori di Mitsubishi e del gruppo PSA.
1.3 - Soluzioni air – guided
La soluzione 2 di Fig. 1.1, denominata air – guided, prevede l’iniezione del combustibile in una corrente d’aria che convoglia lo spray verso gli elettrodi della candela. In questo caso si riesce a diminuire l’impingement dello spray sulle pareti dello stantuffo, con effetti benefici per quanto riguarda i problemi di incombusti, soprattutto nelle partenze a freddo.
Si riportano alcuni esempi di motori che adottano tale soluzione:
• Sistema FSI Volkswagen Audi
Fig. 1.10 - Sistema Volkswagen Audi FSI
Il sistema FSI prevede, come il sistema JTS di Alfa Romeo, l’impianto di iniezione diretta di benzina BOSH MED riportato in Fig. 1.11, ma, a differenza della soluzione italiana, adotta una valvola parzializzatrice del condotto di aspirazione che varia la geometria in funzione del numero di giri del motore. Questo sistema, grazie anche alla conformazione del cielo dello stantuffo, è in grado di generare, durante la fase di aspirazione, dei moti dell’aria favorevoli alla stratificazione della carica, che viene attuata anche ai carichi medi. Di conseguenza il sistema FSI, a differenza del sistema JTS, ha bisogno di un catalizzatore specifico per la conversione degli ossidi di azoto; infatti la concentrazione di tali inquinanti ai carichi medi è tale da rendere insufficiente la sola adozione della tecnica EGR [6].
Fig. 1.11 - Schema dell’impianto di iniezione e scarico del sistema BOSH MED
• Sistema Toyota
Fig. 1.12 - Schema del sistema di iniezione diretta di Toyota
La soluzione adottata da Toyota presenta analogie con quella precedentemente descritta ed adottata dal gruppo Volkswagen. Il condotto di aspirazione destro alloggia una valvola parzializzatrice, mentre quello di sinistra ha una forma ad elica. In questo modo, durante la
fase di aspirazione, il sistema è in grado di generare moti dell’aria favorevoli alla stratificazione della carica con l’ausilio della forma dello stantuffo.
1.4 – Considerazioni sulle soluzioni wall – guided ed air – guided
In realtà la divisione tra le soluzioni wall-guided ed air guided non è così netta come sembra; osservando gli esempi precedenti, relativi alle tecniche wall-guided, si nota che comunque una certa attenzione è stata rivolta anche alla disposizione dei condotti di aspirazione in quanto i moti dell’aria favoriscono il confinamento del combustibile nella zona della candela. Il grosso difetto di questi sistemi è costituito dall’inpingement del combustibile sullo stantuffo con successivo pericolo di quencing e maggior produzione di idrocarburi incombusti e di particolato.
1.5 - Soluzione spray - guided
La soluzione 3 di Fig. 1.1, denominata spray-guided, come suggerito dalla denominazione stessa, sfrutta solamente l’evoluzione dello spray che, grazie alle caratteristiche dell’iniettore ed alla sua posizione, si guida da solo verso la zona della candela. Per ottenere questo obbiettivo, l’iniettore deve essere in grado di garantire uno spray poco penetrante, molto stabile e soprattutto ripetibile al variare delle condizioni di funzionamento del propulsore. Questa soluzione è sicuramente di più difficile messa a punto, infatti, l’efficacia della stratificazione dipende da molti fattori che solo un attento studio dei moti nel cilindro e dell’evoluzione temporale dello spray può individuare e prevedere. Soluzioni di questo tipo, oltre a consentire l’utilizzo di camere di combustione più semplici, consentono inoltre di evitare, o quanto meno di limitare, il fenomeno dell’inpingement.
Non esistono ancora in commercio esempi di propulsori, ma motori e sistemi di iniezione, che sfruttano questa soluzione, sono in fase di studio avanzato [7].
