Capitolo 2
Iniettori per GDI
2.1 Caratteristiche degli iniettori per iniezione diretta benzina
Da quanto esposto nel capitolo precedente si intuisce come, nei sistemi di iniezione diretta, la qualità dello spray generato dall’iniettore sia di primaria importanza ai fini della bontà della fase di combustione. I moderni iniettori ad alta pressione sono alimentati da un circuito idraulico molto simile a quello utilizzato nei motori Diesel, anche se la pressione di alimentazione è notevolmente inferiore.
Fig.2.1 Circuito ad alta pressione di un sistema di iniezione diretta di benzina
La qualità dello spray generato dipende fortemente dalla geometria dell’iniettore, dalla pressione di alimentazione e dalla pressione all’interno della camera di combustione.
Gli iniettori per iniezione diretta di benzina devono:
• permettere una corretta dosatura del combustibile
• garantire una legge massa iniettata – tempo di apertura dell’iniettore il più lineare possibile
• garantire una elevata ripetibilità della legge di iniezione e della qualità dello spray generato
• avere un’alta resistenza allo sporcamento ed alle alte temperature essendo direttamente affacciati nella camera di combustione
• evitare rimbalzi dell’ago e quindi iniezioni secondarie
Per ottenere queste caratteristiche è necessario curare in maniera particolare la geometria interna dell’iniettore, inoltre il comando di apertura e chiusura deve essere gestito con molta accuratezza da una centralina elettronica in grado di decidere, tramite una serie di sensori ad essa collegati, le strategie di funzionamento migliori. Tipicamente l’alzata dello spillo si effettua tramite attuazione elettromagnetica, anche se si stanno facendo strada soluzioni con comando piezoelettrico. Anche se le pressioni di iniezione sono elevate, esse per ora non superano i 200 bar, di conseguenza non è richiesto l’utilizzo dei costosi iniettori elettro – idraulici che normalmente si usano nei sistemi di iniezione common – rail dei propulsori Diesel.
Passiamo a descrivere le principali tipologie di iniettori ad alta pressione utilizzati nei sistemi di iniezione diretta di benzina.
2.2 Iniettore Pintle
Denominato anche iniettore a pernetto e comunemente conosciuto come iniettore pintle o outward opening injector, ha come prerogativa un sistema di apertura verso l’esterno che lo rende particolarmente idoneo ad un’attuazione di tipo piezoelettrica perché richiede alzate molto piccole. In tal caso lo spillo, chiamato in gergo needle, si apre spinto da un cristallo di materiale piezoelettrico che vince il precarico di una molla di tenuta.
Fig.2.2: schema della parte terminale di un iniettore Pintle
All’apertura lo spillo forma con la sede una stretta luce anulare di passaggio che genera uno spray a forma di cono vuoto. L’ampiezza di tale luce anulare è di poche decine di micron e di conseguenza l’efflusso, nelle immediate vicinanze della zona di uscita, è costituito da un sottilissima lamina di film liquido che, ad una certa distanza dal foro di uscita, inizia a frantumarsi in gocce di piccolissime dimensioni grazie a complicati processi di breakup. La sensibilità di questa geometria ai depositi carboniosi è scarsa e la polverizzazione è buona anche se dipendente dalla interazione con l’atmosfera presente in camera. La forma dello spray generato è legata alla geometria della punta dell’iniettore, di conseguenza il cono prodotto risulta molto stabile al variare delle condizioni operative. Questa caratteristica è di fondamentale importanza per estendere il funzionamento del propulsore in stratificato e rende questa tipologia di iniettori compatibile con il metodo di stratificazione spray – guided precedentemente menzionato.
L’attuazione viene effettuata tramite strati di materiale piezoelettrico disposti a formare una colonna che, se sottoposta a tensione, si allunga di pochi micron generando una forte spinta.
I vantaggi di questa soluzione rispetto al tradizionale comando con solenoide sono molteplici:
• tempi di risposta molto bassi, nell’intorno dei 50 µs • grandi forze di spinta, superiori ai 2000 N
I bassissimi tempi di risposta permettono di effettuare iniezioni multiple molto ravvicinate e con leggi di iniezione molto strette brevissimi transitori di apertura e chiusura), mentre le grandi forze di attuazione permettono di elevare il valore della pressione di iniezione molto al disopra dei 100 bar, con conseguenze positive riguardo la polverizzazione e la stabilità dello spray generato.
Questi tipi di iniettore sono in fase avanzata di studio, ma non sono ancora applicati in serie nei motori ad iniezione diretta di benzina, mentre l’attuazione piezoelettrica è già utilizzata da qualche tempo per gli iniettori Diesel.
2.3 Iniettore Swirl
In questa soluzione, comunemente denominata swirl, il getto esce dall’iniettore con una forte componente di velocità tangenziale che assicura allo spray un’ottima polverizzazione anche con pressioni di iniezione non molto elevate.
Fig.2.3: schema della parte terminale di un iniettore Swirl
Questi tipi di iniettore, come si può notare dalla figura 2.3, hanno una camera, detta appunto camera di swirl, alimentata generalmente da condotti di passaggio di particolare conformazione grazie ai quali il fluido acquista un moto rotatorio attorno all’asse del getto.
Anche in questo caso all’uscita dell’iniettore si genera un film liquido a forma di cono vuoto che ad una certa distanza dal foro di uscita inizia a frantumarsi in gocce di piccole dimensioni. Un’altra caratteristica vantaggiosa di questa tipologia di iniettori è la possibilità di indirizzare lo spray in una direzione preferenziale, il che li rende particolarmente adatti nelle soluzioni wall - guided e air - guided precedentemente menzionate.
Un difetto di questa geometria è che il foro di uscita è soggetto ad accumulo di depositi carboniosi.
2.4 Iniettore multiforo
Si tratta di una tipologia di iniettori poco utilizzata. Lo spillo realizza la tenuta in un foro unico, allo sbocco del quale è presente un SAC volume (volume di raccolta) che possiede un certo numero di fori variabile tra 3 e 5, ognuno dei quali produce uno spray a forma di cono pieno in una certa direzione. I principali difetti dell’iniettore multiforo sono la grande sensibilità ai depositi carboniosi e la scarsa qualità dello spray generato, che risulta troppo disperso e penetrante.
2.5 Caratteristiche degli spray per iniezione diretta di benzina
Passando ad analizzare le caratteristiche principali di uno spray, esse sono:
1. polverizzazione: legata al diametro medio delle gocce che formano lo spray 2. penetrazione: legata allo spazio percorso dalle gocce in seno all’aria
3. entrainment: legato alla cattura di gas all’interno del cono 4. diffusione: legata all’estensione del getto nella camera
L’iniettore, come detto, non ha più la sola funzione di dosare il combustibile necessario per raggiungere il titolo voluto, ma riveste un ruolo di primaria importanza nei confronti della corretta stratificazione della carica e quindi nei confronti della qualità della combustione. Per ottenere un’adeguata penetrazione le gocce che compongono lo spray devono possedere una sufficiente quantità di moto, essa è data dal prodotto fra la velocità e la massa della goccia di combustibile. La massa è direttamente proporzionale al diametro della particella che, per ragioni di polverizzazione, non deve superare certi valori; di conseguenza l’unico modo per innalzare la quantità di moto delle gocce è quello di incrementarne la velocità che
notoriamente è direttamente legata, tramite la formula di Torricelli, alla differenza di pressione esistente fra iniettore ed ambiente di iniezione. Iniettando in un ambiente pressurizzato, è necessario salire con il valore della pressione di iniezione per contrastare l’azione frenante generata dalla contropressione esistente in camera; in questo modo si può garantire uno spray con caratteristiche di buona penetrazione, di buona diffusione e di buona polverizzazione. Se nei sistemi di iniezione indiretta si potevano utilizzare pressioni di 3-4 bar, nell’ambito dell’iniezione diretta non conviene scendere sotto i 100 bar. La pressione elevata migliora anche la ripetibilità della dosatura di combustibile al variare della pressione in camera; infatti il combustibile risente della differenza di pressione esistente fra il rail ed il cilindro e, se la pressione di iniezione è sufficientemente alta, la variazione della pressione nella camera risulta trascurabile. Per quanto riguarda la penetrazione dello spray è necessario distinguere fra iniezione anticipata ed iniezione ritardata. Nel primo caso lo spray deve essere ampio e disperso in modo da garantire un adeguato mescolamento con l’aria aspirata, senza però esagerare con la penetrazione per non incorrere in dannosi fenomeni di impingement sulle pareti del cilindro, che causerebbero un aumento delle emissioni di incombusti. Nel funzionamento con iniezione ritardata lo spray deve essere compatto, in modo che esso non si sparga nella camera e si concentri in prossimità degli elettrodi della candela; deve inoltre possedere una buona polverizzazione dato che in queste condizioni il tempo disponibile per l’evaporazione e la formazione della miscela è molto limitato.
2.6 Il meccanismo di breakup di un liquido
In qualsiasi tipologia di iniettore il combustibile fuoriesce sotto forma di getto liquido compatto che, frantumandosi, dà luogo ad uno spray con una determinata forma.
Il meccanismo di breakup è di primaria importanza negli spray, poiché ne regola l’evoluzione temporale e, di conseguenza, incide sulle loro principali caratteristiche. Per breakup si intende il processo di formazione di gocce da un getto liquido o da gocce già formate in precedenza.
Il distacco di gocce dal getto, in prossimità dell’interfaccia tra la fase liquida e la fase aeriforme, è dovuta alla formazione di onde generate da perturbazioni dell’equilibrio statico della superficie stessa. Una causa di tali perturbazioni sono le forze di attrito conseguenti al moto relativo tra il liquido e l’aeriforme che lo circonda. Tuttavia questa non è la sola causa. Infatti studi recenti hanno dimostrato l’esistenza di perturbazioni già dentro l’ugello dell’iniettore. Queste perturbazioni sono dovute alla turbolenza del liquido nei condotti e al fenomeno della cavitazione. Si veda a tale proposito [8, 9]. Quando si parla di breakup è
necessario distinguere tra due processi, quello interno all’iniettore, chiamato breakup primario e quello esterno, detto breakup secondario [10]. La presenza di onde superficiali non è condizione sufficiente per la formazione delle gocce: queste si generano quando tali onde raggiungono condizioni critiche, vale a dire condizioni di instabilità, quali pulsazione e lunghezza d’onda critica, per cui si formano delle creste dalle quali si staccano particelle di liquido.
Fig.2.4: schema del meccanismo di breakup del getto
In letteratura esistono molti modelli di breakup più o meno raffinati, si veda a tale proposito [11, 12]; tutti quanti cercano di simulare il fenomeno fisico di frantumazione e dispersione delle gocce in spray dovuto all’interazione aerodinamica fra combustibile iniettato ad alta velocità e atmosfera presente in camera. Le simulazioni hanno lo scopo di prevedere l’evoluzione temporale degli spray con buona attendibilità per quanto riguarda penetrazione forma e distribuzione dei diametri delle gocce. Tali simulazioni, sviluppate inizialmente per i soli motori ad accensione spontanea, sono divenute addirittura indispensabili per i motori ad accensione comandata ad iniezione diretta, per i motivi precedentemente esposti.
