Con una previsione di vendita di circa 40 milioni di auto con motore a benzina a iniezione diretta, detto GDI (gasoline direct-injection), entro il 2025, può sorprendere scoprire che queste unità emettono particelle sottili più pericolose di un motore a iniezione indiretta o persino dei più recenti veicoli diesel pesanti dotati di filtro antiparticolato.
La potenziale crescita del mercato fa sì che le emissioni di particolato dei motori GDI, sebbene basse rispetto a quelle dei motori diesel senza filtro antiparticolato, stiano comunque iniziando ad essere sottoposte a esame da parte delle autorità e dei produttori.
Per ridurre queste emissioni e migliorare le prestazioni generali, gli ingegneri stanno studiando nuovi sistemi di combustione e nuovi concetti ingegneristici, compreso l’aumento della pressione del carburante, combustibili alternativi e il controllo delle emissioni di scarto.
Secondo Matti Maricq, leader nelle tecniche di ingegneria chimica e delle emissioni dopo la gestione del Ford’s Research and Innovation Center di Dearborn, iniettare il carburante direttamente nel cilindro attiva un’esplosione di combustione pulita che fa sprecare poco carburante e fornisce una potenza maggiore.
Durante questo processo la benzina viene spruzzata direttamente là dove la camera di combustione è più calda (anziché nella valvola d’aspirazione), consentendo una combustione più completa, omogenea e magra.
I motori GDI a combustione magra emettono particelle di particolato nocive.
Tuttavia, a causa della volatizzazione incompleta del combustibile, delle zone parzialmente ricche di carburante e dell’“imbevimento” del pistone e delle superfici del cilindro, i motori GDI producono particolato indesiderato. Generalmente, la maggior parte delle emissioni si verificano durante l’avviamento a freddo e le condizioni transitorie di carico elevato durante la fase di riscaldamento, ma questo può variare a seconda del carico, della fase del ciclo di guida e delle esigenze dell’automobilista.
Mentre i critici “verdi” restano scettici riguardo ai cosiddetti metodi di “gestione del motore”, considerandoli inaffidabili rispetto ai filtri di scarico, la maggior parte degli OEM e dei fornitori dei componenti ritengono che i cambiamenti ingegneristici e del sistema di combustione produrranno un’efficienza maggiore in termini di costi e, allo stesso tempo, uguale efficacia.
Gli sviluppi attuali indicano che una pressione maggiore del carburante, possibilmente attorno ai 40 MPa, insieme a dei nuovi iniettori ultra precisi, miglioreranno di molto i futuri sistemi GDI. Per ottimizzare ulteriormente il sistema, gli ingegneri continueranno inoltre a migliorare i tempi di iniezione, il targeting, il dosaggio e l’atomizzazione.
In un recente studio, pubblicato da SAE, è stato stabilito che un aumento della pressione nel sistema di alimentazione migliora l’omogeneità della miscela e riduce la fiamma diffusiva riducendo così in modo significativo le emissioni di particolato in condizioni di combustione omogenea in un motore GDI.
Inoltre, a seguito del movimento della carica di aspirazione, migliorata a pressioni del carburante comprese tra 20 MPa e 40 Mpa, un’ulteriore riduzione delle emissioni di particolato è stata raggiunta.
Come indicato dai dati di combustione, un aumento della pressione del carburante ha un impatto significativo sulla riduzione delle emissioni derivate dalla combustione, oltre a migliorare il consumo di carburante.
Tuttavia, per far sì che un sistema GDI operi in maniera ottimale, è importante che, durante le fasi di progettazione e collaudo, la pressione del carburante nel Common Rail sia misurata correttamente, così che l’unità di controllo motore, anche nota come ECU dall’inglese Engine Control Unit, possa essere mappata di conseguenza.
Misurare la pressione del carburante nel Common Rail è la chiave per ridurre le emissioni di particolato.
La pressione di iniezione diretta è misurata da sensori e sono usati i segnali per determinare la velocità della pompa e/o il volume.
La maggior parte dei sistemi a iniezione diretta utilizzano sensori di pressione piezoresistivi posizionati nella parte basse del motore. Quando viene applicata una pressione, il chip in silicio genera un voltaggio elettrico misurabile che aumenta all’aumentare della pressione.
I sensori sul lato alta pressione utilizzano solitamente una membrana metallica su un ponte resistivo. Quando viene applicata una pressione, il ponte genera un cambiamento nella resistenza creando un cambiamento nel voltaggio applicato. Il modulo di controllo elettronico del motore trasforma il voltaggio in una pressione calcolata, generalmente entro una precisione di ± 2%.
Per mantenere la giusta pressione, il modulo di controllo elettronico fa pulsare la pompa a bassa pressione. Di solito il sistema ha un regolatore e nessuna tubatura di ritorno. Alcuni sistemi hanno persino sensori di temperatura integrati nelle tubature interessate dal calcolo della densità del carburante in modo che l’assetto del carburante possa essere regolato in base alla quantità di energia del combustibile.
Per garantire un’accurata misurazione della pressione in linea è importante utilizzare trasmettitori di pressione ad altissima precisione per mappare la pressione all’interno del Common Rail in qualsiasi condizione del motore e di carico. Il minimo errore durante questo processo può causare una scorretta modulazione della pressione del Common Rail che, a sua volta, può causare serie anomalie. Tra queste può verificarsi il lavaggio del cilindro se la pressione media del Common Rail supera la pressione di iniezione prevista, nel momento in cui il rilascio del carburante aumenta ad alti carichi.
Inoltre, con l’introduzione del ciclo di guida armonizzato gli OEM saranno nuovamente sotto pressione per raggiungere gli obiettivi delle emissioni fissati dalle autorità, e i motori ad accensione comandata GDI saranno l’avanguardia di una nuova generazione di tecnologie verdi. Comunque, affinché questa tecnologia rispetti la normativa che presto entrerà in vigore, è necessario ridurre le emissioni di particolato e ciò passa in gran parte attraverso il controllo accurato della pressione del carburante nel Common Rail
