Capitolo 1
L' iniezione diretta e il progetto PDI-Piezo Direct Injection
Il lavoro di tesi presentato si inserisce all'interno dello sviluppo del progetto del Piezo
Direct Injector, prodotto riconducibile alla famiglia dell'iniezione diretta.
Scopo di questo capitolo è descrivere i punti fondamentali del funzionamento del motore ad iniezione diretta in modo da introdurre le caratteristiche dell'iniettore in questione.
1.1 Carburazione e iniezione
1.1.1 Carburatore
Nei motori tradizionali, che sono stati impiegati sulle automobili a benzina fino all'inizio degli anni '80, un aspetto essenziale è costituito dalla carburazione: essa consiste nell'introduzione all'interno della camera di scoppio di una miscela costituita da aria e benzina in un rapporto di solito pari a 15:1 in massa. L'organo deputato allo svolgimento di tale operazione prende il nome di carburatore ed è mostrato in forma schematica in figura 1.1.
Fig.1.1 Schema carburatore
Facendo riferimento alla figura si spiega il principio di funzionamento: una pompa spinge la benzina verso la vaschetta di livello (1) e da essa il carburante fluisce in un tubo che va a terminare in un foro (4) posizionato al centro della strozzatura di un tubo opportunamente sagomato, definito tubo di Venturi (5). Esso si collega da un lato alla luce
di aspirazione dei cilindri mentre dall'altro entra l'aria aspirata dal bocchettone. In fase di aspirazione l'aria entra nel tubo di Venturi ed in prossimità della strozzatura, per il teorema di Bernoulli, aumenta la propria velocità diminuendo al contempo la pressione. In questo modo dal tubicino si ha la fuoriuscita del carburante che vaporizza permettendo così la formazione della miscela (7). La quantità della stessa è determinata dall'apertura della valvola a farfalla (6) mentre il rapporto aria carburante dipende dalla conformazione del tubo di Venturi e dello spruzzatore. Affinché tutto funzioni correttamente è indispensabile che il livello di carburante nella vaschetta sia lo stesso dello spruzzatore e ciò è garantito dal sistema formato dal galleggiante (2) e dalla valvola a spillo (3) a condizione di posizioni ben determinate della vaschetta e del motore stesso in fase di progetto.
1.1.2 Primi sistemi di alimentazione ad iniezione
Sebbene il motore tradizionale sia un sistema relativamente semplice ed economico, presenta anche una serie di inconvenienti tra i quali possiamo ricordare l'eccessiva ricchezza della miscela ai regimi alti (quindi consumi elevati), la formazione di ghiaccio all'interno del tubo di Venturi e le emissioni altamente inquinanti. Da qui la necessità di creare sistemi più ottimizzati che possano ovviare agli inconvenienti della carburazione tradizionale.
In questo quadro si inserisce l'introduzione dell'iniezione diretta nel motore benzina che ricalca l'esperienza acquisita nell'ambito dei motori Diesel.
I vantaggi principali del sistema di iniezione rispetto alla carburazione tradizionale sono: • Migliore potenza specifica del motore, come conseguenza di un più elevato
riempimento del cilindro.
• Dosaggio preciso e ripetibile della quantità di combustibile necessaria dunque miglior controllo del rapporto aria/combustibile in tutte le condizioni di funzionamento e maggiore uniformità nella distribuzione della miscela fra i vari cilindri, con gli evidenti effetti benefici sul consumo, sulle prestazioni e sui gas di scarico.
• Più elevato coefficiente di riempimento, come conseguenza di minori perdite di carico e più contenuto riscaldamento nel condotto di aspirazione.
Inizialmente il sistema di alimentazione per iniezione si è sviluppato nei motori aeronautici prendendo ispirazione agli analoghi Diesel caratterizzati da un’iniezione direttamente nel cilindro. Successivamente si è trovata più conveniente l’iniezione diretta nel collettore di aspirazione perché garantisce una migliore omogeneizzazione della carica, sottopone l’iniettore a minori carichi termici e pericoli di sporcamente, permettendo di usare pressioni di iniezioni più basse.
1.1.3 Iniezione a punti multipli
Durante gli anni '80 è stato possibile introdurre, grazie all'ausilio dell'elettronica, il sistema d'alimentazione indiretta a punti multipli (MPI – Multi Point Injection) che prevede l’iniezione di combustibile nel collettore d’aspirazione: questo sistema ha permesso un notevole miglioramento nella riduzione degli inquinanti e dei consumi. In figura è riportato un esempio di questo sistema, basato sulla misura diretta della portata d’aria aspirata in modo da compensare ogni variazione dele caratteristiche del motore che si manifestano col passare del tempo e da permettere la ricircolazione dei gas di scarico in aspirazione per abbassare la temperatura massima di combustione.
Facendo riferimento alla figura 1.2 si spiega il principio di funzionamento: l’elettropompa (2) assicura l’alimentazione del carburante a partire dal serbatoio (1). Il combustibile passa attraverso un filtro fine (3) ed arriva al distributore (4), da cui partono i condotti degli elettroiniettori (7). Il regolatore di pressione (5) mantiene nel circuito del liquido una differenza di pressione costante rispetto al collettore d’aspirazione. In questo modo, la portata degli elettroiniettori non dipende che dal tempo di apertura del loro spillo, che viene stabilito dalla centralina di controllo principalmente sulla base dei segnali di portata d’aria (12) e di numero di giri (17). La massa d’aria introdotta in un cilindro per ciclo è infatti direttamente proporzionale alla portata in massa aspirata divisa per il numero di giri. Il sensore di temperatura del motore (15), l’interruttore termico a tempo (16) e l’iniettore per l’avviamento a freddo (8) forniscono i segnali necessari per l’arricchimento della miscela all’avviamento a freddo e durante la fase di riscaldamento del motore. L’interruttore (10) della farfalla (11) e la valvola d’aria supplementare (18) assicurano l’arricchimento a piena potenza e la stabilizzazione del motore al minimo.
La tecnologia Multi Point non permette però di ottimizzare i consumi e difficilmente riuscirà a soddisfare i limiti di emissione degli inquinanti (soprattutto CO e HC) imposti dalle normative e che sono in costante e progressivo restringimento.
1.1.4 L’iniezione diretta
Tra le soluzioni di maggior interesse da adottare nei motori a benzina per ottenere performance migliori (su consumo, prestazioni e livello d'inquinamento) vi è quella costituita dall'iniezione diretta (GDI – Gasoline Direct Injection). Questo metodo d'alimentazione prevede l'iniezione della benzina direttamente in camera di combustione, evitando le inefficienze di miscelazione e le sfasature dei tempi d'iniezione caratteristiche di sistemi MPI.
Organo centrale del sistema di alimentazione ad iniezione diretta è l’elettroiniettore, schematizzato in figura 1.3.
Fig.1.3 Schema elettroiniettore
Essenzialmente un iniettore è costituito da un tubo (2) in cui da un'estremità entra il carburante mantenuto sotto pressione da una pompa. L'altra estremità termina in un foro molto stretto che ha la funzione di nebulizzare la benzina. Di solito si trova una valvola a spillo (1) che apre e chiude il foro di uscita e che viene comandata da un comando esterno (3) sia esso elettrico, meccanico o pneumatico. Come già accennato, il carburante viene inserito all'interno della camera di scoppio permettendo di ottenere numerosi vantaggi: la vaporizzazione risulta migliore con la conseguente formazione di miscele più finemente omogenee; il carburante viene dosato meglio grazie ad un monitoraggio effettuato da centraline elettroniche e questo permette di ottenere miscele più o meno ricche a seconda delle necessità, consentendo di ridurre gli sprechi (ottimizzando di fatto i consumi) e di automatizzare completamente le fasi di riscaldamento del motore evitando i classici malfunzionamenti tipici della carburazione tradizionale. Non trascurabile, inoltre, è l'impatto ambientale: la diminuzione dei consumi porta ad un conseguente decremento delle emissioni inquinanti, aspetto sempre più importante in una società attenta alla necessità di uno sviluppo sostenibile.
Con il passare degli anni sono stati introdotti controlli sempre più ricercati mediante l'uso di microcalcolatori elettronici che hanno permesso un'ottimizzazione delle prestazioni: si pensi ad esempio alla possibilità di arricchire la miscela in caso di necessità di una brusca accelerazione oppure a quella di azzerare l'apporto di carburante qualora il conducente stia utilizzando il motore solo come freno. In tutti i tipi di iniezione è inoltre presente un controllo economico che, in virtù del monitoraggio di alcuni parametri, quali controllo della temperatura dell'aria e del motore e numero di giri, determina l'istante e la durata dell'iniezione.
Con il sistema ad iniezione diretta è possibile inoltre realizzare una combustione magra (Lean Burn) attraverso la realizzazione della "carica stratificata". Questa è realizzata tramite l'iniezione di benzina durante la fase di compressione, concentrata nell'area intorno
alla candela, dove si vengono a trovare le condizioni stechiometriche per permettere l'innesco della combustione e la propagazione del fronte di fiamma. Il rapporto delle masse di aria e benzina per un motore ad iniezione diretta è molto superiore a quello di un sistema MPI (30:1 contro il valore stechiometrico 14,7:1).
Altri vantaggi che si possono ottenere attraverso l'iniezione diretta sono:
• Il sistema di regolazione. Il rapporto aria/benzina è regolato attraverso l'opportuna dosatura della benzina per mezzo dell'iniettore; l'aria immessa nel cilindro, quindi, non è regolata attraverso la valvola a farfalla, come avviene nei motori ad iniezione indiretta, evitando le perdite di carico relative e semplificando il sistema.
• Minori perdite energetiche. La carica stratificata, infatti, localizza la zona di combustione nell'area intorno agli elettrodi della candela, riducendo sensibilmente il calore propagato per conduzione attraverso le pareti del cilindro e migliorando, in definitiva, il rendimento della combustione.
• Aumento di potenza per motori sovralimentati. La regolazione d'aria per iniezione diretta, contrariamente a quanto succede nel controllo con la valvola a farfalla, rende particolarmente idoneo questo sistema per la sovralimentazione attraverso un migliore coefficiente di riempimento del cilindro che permette il raggiungimento di maggiori potenze a parità di cilindrata. Questa strategia è una delle più promettenti e su cui stanno puntando vari costruttori.
I principali elementi con i quali è possibile realizzare un sistema GDI sono:
• Appropriato design della camera di combustione (dimensioni, forma, posizionamento di candela e valvola, localizzazione dell'iniettore).
• Appropriato design della testa del pistone. • Pompa benzina ad alta pressione.
• Iniettore benzina ad alta pressione.
• Adeguata strategia di gestione del motore e del controllo elettronico.
Gli iniettori benzina ad alta pressione in commercio sono del tipo elettromagnetico: la forza necessaria per aprire la valvola è di tipo magnetico ed è generata da un solenoide percorso da una determinata corrente. Questa tecnologia, ampiamente utilizzata per i sistemi MPI, riscontra notevoli problemi nell'applicazione GDI.
• Campo di linearità: il rapporto tra la massima portata e la minima portata in campo lineare.
• Caratteristiche di atomizzazione e forma dello spray. • Pressione massima d'alimentazione.
Il progetto in esame si propone di risolvere i problemi legati all'iniettore a solenoide per poter ottenere migliori prestazioni e dare maggior impulso all'utilizzo dei sistemi GDI nei motori a benzina.
Tutte le più grandi case automobilistiche presenti in Europa hanno già intrapreso la strada del sistema GDI. Siemens e le sue concorrenti (Bosch, Magneti Marelli, Delphi ecc…) stanno sinergicamente supportando questo sforzo di ricerca, nonostante i problemi tecnici e di costo che tendono a far ritardare l'espansione sul mercato.
A tutt'oggi Siemens è il primo fornitore ad aver introdotto sul mercato europeo un sistema d'alimentazione ad alta pressione che utilizza iniettori a solenoide. Le prestazioni, in termini di consumi, sono migliori rispetto a quelle dei sistemi MPI ma sono sempre al di sotto delle aspettative teoriche, fondamentalmente per problemi legati agli iniettori. Da qui l'impegno nella ricerca di un iniettore di nuova concezione che permetta di ottimizzare la combustione magra nei motori benzina creando le premesse per un nuovo e fondamentale impulso allo sviluppo del mercato automobilistico.
1.2 Il Piezo Injector
Il progetto PDI (Piezo Direct Injection) di Siemens VDO Automotive rientra nell'ambito dell'iniezione diretta tracciato nel precedente paragrafo. Lo sviluppo di questo nuovo sistema, del tutto innovativo per motori a benzina, si basa sull'esperienza acquisita dall'azienda nella tecnologia piezoelettrica applicata a motori Diesel.
Il progetto consiste nello sviluppo di un elettroiniettore di seconda generazione per iniezione diretta di benzina ad alta pressione in camera di combustione, funzionante con sistema di attuazione piezoelettrico.
La ricerca è stata mirata alla risoluzione dei seguenti problemi, caratteristici degli iniettori a solenoide:
1. Esigenza di ampliare il campo lineare dell'iniettore in modo da allargare il range di funzionamento del motore in condizioni "lean burn": per ottenere questo risultato occorre ridurre i tempi di apertura e chiusura della valvola.
2. Ottimizzazione delle caratteristiche dello spray di benzina da iniettare (atomizzazione, angolo del cono, penetrazione) in modo da ottenere la carica stratificata all'interno della camera di combustione. Occorre progettare, quindi, un iniettore capace di lavorare a pressioni più elevate e con una geometria adeguata dell'ugello di uscita.
Il prodotto innovativo deve comunque garantire il rispetto delle seguenti caratteristiche: 1. Affidabilità: l'iniettore deve essere capace di mantenere le caratteristiche funzionali
anche dopo un lungo periodo di funzionamento in condizioni ambientali variabili (temperatura, vibrazioni, pulsazioni di pressione, umdità ecc…).
2. Producibilità: il nuovo iniettore deve essere producibile con un processo industriale che permetta un'adeguata capacità, una buona resa produttiva e che abbia un costo contenuto.
Negli iniettori presenti sul mercato la forza necessaria ad aprire la valvola è di tipo elettromagnetico ed è tipicamente generata da un solenoide. Questo comporta alcuni significativi svantaggi tra i quali si possono ricordare problemi di non linearità legati all'utilizzo della forza magnetica oltre ad un notevole dispendio di potenza. L'idea alla base della ricerca nell'ambito piezoelettrico è stata quella di sostituire il solenoide con un
sistema atto a garantire tempi di attuazione più rapidi e più precisi. A tal fine è stato progettato un iniettore che sfrutti l'effetto piezoelettrico.
I materiali piezoelettrici, se sottoposti ad una differenza di potenziale, danno luogo ad una deformazione che risulta proporzionale alla tensione imposta.
Una volta concentrate le forze su questo tipo di soluzione si possono elencare i vantaggi rispetto agli iniettori a bobina:
• tempi di risposta molto rapidi (nell'ordine dei 50 μs);
• maggiore forza di apertura (possibilità di lavorare a pressioni più elevate); • proporzionalità diretta fra tensione e allungamento;
• alta efficienza energetica (non esistono infatti rilevanti dispersioni di calore). La ricerca per lo sviluppo del nuovo iniettore è avvenuta presso i laboratori dello stabilimento Siemens VDO di San Piero a Grado (PI) tra il Gennaio 2001 e il Dicembre 2003. Lo schema di massima dell'iniettore piezoelettrico realizzato è riportato in figura 1.4 nella quale è possibile andare ad individuare i principali sottocomponenti con le loro funzioni.
Fig.1.4 Schema iniettore piezoelettrico
Un sottocomponente fondamentale è, ovviamente, il gruppo piezoelettrico: deve garantire un'elongazione ben determinata, in modo da aprire opportunamente la valvola ad ago garantendo la corretta portata di carburante. L'allungamento è comandato dalla centralina
elettronica dell'automobile che può quindi calibrare l'iniezione a seconda delle esigenze del veicolo. Tale gruppo deve inoltre essere ottimizzato dal punto di vista dei costi, cercando dei materiali che, pur essendo economici, garantiscano le prestazioni richieste anche in condizioni ambientali difficili come quelle di un motore d'auto.
In base alle richieste di funzionamento si è deciso di adottare un gruppo basato su una barretta di materiale piezoelettrico di forma cilindrica denominata piezostack, costituita da un materiale ceramico a base di piombo, zirconio e titanio.
Altro sottogruppo fondamentale è costituito dalla molla di richiamo e dal sistema ago-ugello. La molla di richiamo serve per garantire il ritorno dell'ago alla posizione iniziale una volta interrotta l'alimentazione al gruppo piezoelettrico. L'ugello deve avere una forma opportuna in modo da creare un getto di carburante appropriato alle specifiche richieste. Proseguendo nella descrizione si trova la cosiddetta tenuta dinamica. Questo aspetto dell'iniettore è molto importante: infatti l'idea su cui si basa il nuovo prodotto è il contatto fra il gruppo piezoelettrico e la parte deputata all'attuazione meccanica dell'iniezione (essenzialmente la valvola ad ago).
Il materiale piezoelettrico è contattato elettricamente in modo da ricevere impulsi esterni ed è garantito l’isolamento con il carburante presente invece nella zona dell'ago. E’ quindi necessario avere una tenuta stagna fra le due zone, e tale tenuta deve essere, appunto, dinamica ovvero in grado di assorbire le deformazioni prodotte durante il funzionamento dall'attuatore senza modificare le proprie capacità di isolamento.
Il tutto è contenuto all'interno di un alloggiamento meccanico, che dia la possibilità di fissare l'iniettore all'interno del motore mediante un opportuno supporto, e che sia idoneo a sopportare le condizioni ambientali estremamente difficili nelle quali il Piezo Injector dovrà lavorare. Inoltre tale alloggiamento deve prevedere un interfaccia per l'ingresso del carburante e dei connettori elettrici necessari ad alimentare con i segnali della centralina l'attuatore piezoelettrico.
Fig.1.5 Modello di iniettore piezoelettrico
Le caratteristiche funzionali principali di un iniettore ad alta pressione sono:
• Portata statica: è la portata massima di benzina che un iniettore eroga durante il funzionamento statico sotto l'azione di una pressione definita. Questa è funzione della pressione e della geometria dell'iniettore.
• Portata dinamica: è la portata massima di benzina che l'iniettore riesce ad erogare durante il funzionamento dinamico, per una pulsazione di durata prestabilita sotto l'azione di una pressione definita. Questa è funzione della portata statica, del tempo d'attuazione, della tensione applicata, del tipo di scheda di pilotaggio e delle caratteristiche magnetiche dell'iniettore.
• Tenuta esterna: è la capacità di evitare perdite di carburante verso l'ambiente esterno. Questo è un aspetto molto importante legato alla sicurezza dell'iniettore.
• Tenuta dell'ugello: è la capacità di evitare fuoriuscite di combustibile attraverso l'ugello mentre la valvola è chiusa.
• Atomizzazione del getto: viene misurata attraverso un sistema "phase doppler" con il quale si può misurare il valore medio pesato del diametro delle gocce di combustibile (SMD: Sauter Mean Diameter). E' un fattore estremamente importante per una corretta e completa combustione.
• Penetrazione del getto: è la distanza relativa alla punta dell'iniettore alla quale il getto comincia ad atomizzare.
• Angolo del cono del getto: l'ugello deve essere progettato in modo da garantire l'angolo ottimo per le dimensioni e la forma della camera di combustione. Sia l'angolo che la penetrazione devono essere il più possibile costanti al variare della contropressione presente in camera di combustione.
• Pressione massima di alimentazione: è la pressione massima alla quale l'iniettore riesce ad aprirsi e a garantire un funzionamento corretto.
• Linear Flow Range (LFR): è il rapporto tra la portata dinamica massima e quella minima in campo lineare. Il comportamento lineare viene rappresentato tramite la retta d'interpolazione delle portate dinamiche misurate ai vari tempi d'iniezione: si considera l'iniettore lineare dove lo scostamento del valore misurato è minore del ±5% rispetto a quello indicato dalla retta.
• Tempi d'apertura e chiusura: l'iniettore deve avere il più possibile un comportamento lineare. Gli scostamenti dal comportamento lineare sono dovuti ai tempi di apertura e chiusura della valvola, perciò le deviazioni dalla linearità maggiori saranno date per tempi di attuazione prossimi allo zero e alla durata del periodo di pilotaggio. Risulta fondamentale accorciare i tempi di apertura e chiusura per migliorare la linearità dell'iniettore.
• Tensione di pilotaggio: è la differenza di potenziale con la quale si deve comandare l'iniettore. E' molto importante per definire la deformazione del gruppo piezoelettrico e quindi la corsa dell'iniettore che influenza le portate e l'atomizzazione.
L'iniettore deve garantire le prestazioni funzionali anche nelle condizioni più critiche, definite nelle specifiche dei costruttori automobilistici, quali:
• Capacità di poter lavorare con diversi carburanti, anche contenenti alcolici • Resistenza alle alte e basse temperature e agli shock termici
• Resistenza ai cicli di pressione • Resistenza ad ambienti aggressivi • Resistenza all'umidità
• Resistenza alle vibrazioni e agli shock meccanici
• Affidabilità: mantenimento delle caratteristiche dopo lunghi periodi di funzionamento I requisiti funzionali precedentemente descritti sono oggetto dei test di verifica e validazione a cui vengono sottoposti i prodotti nel processo di sviluppo.
