Iniezione di carburante nei motori a benzina. Vantaggi, svantaggi e possibili problemi

Il tipo di sistema di iniezione determina i parametri del motore ei costi di esercizio. Influisce sulla dinamica, sul consumo di carburante, sulle emissioni di scarico e sui costi di manutenzione dell'auto.

La storia dell'applicazione pratica dell'iniezione di benzina in un motore a combustione interna nei trasporti risale al periodo precedente la prima guerra mondiale. Già allora, l'aviazione era alla ricerca urgente di nuove soluzioni che potessero migliorare l'efficienza dei motori e superare i problemi di potenza in varie posizioni del velivolo. L'iniezione di carburante, apparsa per la prima volta nel motore aeronautico francese V8 del 1903, si è rivelata utile. Fu solo nel 1930 che debuttò la Mercedes 1951 SL a iniezione di carburante, ampiamente considerata un precursore nel campo. Tuttavia, nella versione sportiva, fu la prima vettura con iniezione diretta di benzina.

L'iniezione elettronica di carburante è stata utilizzata per la prima volta nella 300 in un motore Chrysler del 1958. L'iniezione di benzina multipoint iniziò ad apparire sulle auto negli anni '1981, ma fu utilizzata principalmente nei modelli di lusso. Le pompe elettriche ad alta pressione erano già in uso per garantire la corretta pressione, ma il controllo era ancora responsabilità dei meccanici, che svanì nel dimenticatoio solo nel 600 con la fine della produzione Mercedes. I sistemi di iniezione erano ancora costosi e non cambiavano in auto economiche e popolari. Ma quando negli anni XNUMX è diventato necessario installare convertitori catalitici su tutte le auto, indipendentemente dalla loro classe, è stato necessario sviluppare un tipo di iniezione più economico.

La presenza di un catalizzatore richiedeva un controllo della composizione della miscela più preciso di quello che potevano fornire i carburatori. Fu così creata l'iniezione single point, una versione esigua di "multipoint", ma sufficiente per le esigenze delle auto economiche. Dalla fine degli anni Novanta ha cominciato a scomparire dal mercato, sostituito dagli iniettori multipunto, che sono attualmente il sistema di alimentazione più diffuso nei motori automobilistici. Nel 1996, l'iniezione diretta di carburante fece il suo debutto standard sulla Mitsubishi Carisma. La nuova tecnologia necessitava di seri miglioramenti e all'inizio trovò pochi seguaci.

Tuttavia, di fronte a standard sempre più severi sui gas di scarico, che fin dall'inizio hanno avuto una forte influenza sui progressi nei sistemi di alimentazione per autoveicoli, i progettisti alla fine hanno dovuto passare all'iniezione diretta di benzina. Nelle ultime soluzioni, finora poche, combinano due tipi di iniezione di benzina: indiretta multipunto e diretta.    

Iniezione indiretta a punto singolo

Nei sistemi di iniezione a punto singolo, il motore è alimentato da un unico iniettore. È installato all'ingresso del collettore di aspirazione. Il carburante viene fornito ad una pressione di circa 1 bar. Il carburante atomizzato si miscela con l'aria davanti alle porte di aspirazione dei canali che portano ai singoli cilindri.

La miscela aria-carburante viene aspirata nei canali senza un dosaggio preciso della miscela per ciascun cilindro. A causa delle differenze di lunghezza dei canali e della qualità delle loro finiture, l'alimentazione ai cilindri non è uniforme. Ma ci sono anche vantaggi. Poiché il percorso della miscela di carburante con aria dall'ugello alla camera di combustione è lungo, il carburante può evaporare bene quando il motore si riscalda correttamente. Nella stagione fredda, il carburante non evapora, le setole condensano sulle pareti del collettore e entrano parzialmente nella camera di combustione sotto forma di gocce. In questa forma, non può esaurirsi completamente durante il ciclo di lavoro, il che porta a una bassa efficienza del motore nella fase di riscaldamento.

La conseguenza di ciò è un aumento del consumo di carburante e un'elevata tossicità dei gas di scarico. L'iniezione a punto singolo è semplice ed economica, non richiede molte parti, ugelli complessi e sistemi di controllo avanzati. I bassi costi di produzione si traducono in un prezzo del veicolo inferiore e le riparazioni con iniezione a punto singolo sono facili. Questo tipo di iniezione non viene utilizzato nei moderni motori delle autovetture. Si può trovare solo in modelli dal design arretrato, sebbene prodotti fuori dall'Europa. Un esempio è l'iraniano Samand.

benefici

– Design semplice

– Bassi costi di produzione e manutenzione

– Bassa tossicità dei gas di scarico quando il motore è caldo

difetti

– Bassa precisione di dosaggio del carburante

– Consumo di carburante relativamente elevato

– Elevata tossicità dei gas di scarico nella fase di riscaldamento del motore

– Scarse prestazioni in termini di dinamica del motore

Iniezione indiretta multipunto

Un'estensione dell'iniezione indiretta a punto singolo è l'iniezione indiretta a più punti con un iniettore in ciascuna porta di aspirazione. Il carburante viene erogato dopo l'acceleratore, appena prima della valvola di aspirazione.Gli iniettori sono più vicini ai cilindri, ma il percorso della miscela aria/carburante è ancora abbastanza lungo da consentire al carburante di vaporizzare su un motore caldo. La fase di riscaldamento ha invece una minore tendenza a condensare sulle pareti della bocca di aspirazione, in quanto la distanza tra ugello e cilindro è minore. Nei sistemi multipunto, il carburante viene fornito a una pressione da 2 a 4 bar.

Un iniettore separato per ciascun cilindro offre ai progettisti possibilità completamente nuove in termini di aumento della dinamica del motore, riduzione del consumo di carburante e riduzione delle emissioni di scarico. Inizialmente non sono stati utilizzati sistemi di controllo avanzati e tutti gli ugelli erogavano carburante contemporaneamente. Questa soluzione non era ottimale, in quanto il momento di iniezione non si verificava in ogni cilindro nel momento più vantaggioso (quando colpiva la valvola di aspirazione chiusa). Solo lo sviluppo dell'elettronica ha permesso di costruire sistemi di controllo più avanzati, grazie ai quali l'iniezione ha iniziato a funzionare in modo più accurato.

Inizialmente, gli ugelli sono stati aperti in coppia, quindi è stato sviluppato un sistema di iniezione sequenziale del carburante, in cui ogni ugello si apre separatamente, nel momento ottimale per un determinato cilindro. Questa soluzione consente di selezionare con precisione la dose di carburante per ogni corsa. Un sistema multipunto seriale è molto più complesso di un sistema a punto singolo, più costoso da produrre e più costoso da mantenere. Tuttavia, consente di aumentare notevolmente l'efficienza del motore con un minor consumo di carburante e una minore tossicità dei gas di scarico.

benefici

– Elevata precisione di dosaggio del carburante

– Basso consumo di carburante

– Molte possibilità in termini di dinamica del motore

– Bassa tossicità dei gas di scarico

difetti

- Notevole complessità progettuale

– Costi di produzione e manutenzione relativamente elevati

Iniezione diretta

In questa soluzione, l'iniettore è installato nel cilindro e inietta il carburante direttamente nella camera di combustione. Da un lato, questo è molto vantaggioso, in quanto consente di sostituire molto rapidamente la carica aria-carburante sopra il pistone. Inoltre, il carburante relativamente freddo raffredda bene il cielo del pistone e le pareti del cilindro, quindi è possibile aumentare il rapporto di compressione e ottenere una maggiore efficienza del motore senza timore di colpi di combustione avversi.

I motori a iniezione diretta sono progettati per bruciare miscele aria/carburante molto magre a bassi carichi del motore per ottenere un consumo di carburante estremamente basso. Tuttavia, si è scoperto che ciò comporta problemi con un eccesso di ossidi di azoto nei gas di scarico, per eliminarli è necessario installare opportuni sistemi di pulizia. I progettisti trattano gli ossidi di azoto in due modi: aggiungendo boost e riducendo le dimensioni, oppure installando un complesso sistema di ugelli bifase. La pratica dimostra anche che con l'iniezione diretta di carburante, il fenomeno sfavorevole dei depositi carboniosi nei condotti di aspirazione dei cilindri e sugli steli delle valvole di aspirazione (diminuzione della dinamica del motore, aumento dei consumi di carburante).

Ciò è dovuto al fatto che sia le luci di aspirazione che le valvole di aspirazione non vengono lavate con la miscela aria-carburante, come con l'iniezione indiretta. Pertanto, non vengono lavati via dalle particelle d'olio fini che entrano nel sistema di aspirazione dal sistema di ventilazione del basamento. Le impurità dell'olio si induriscono sotto l'influenza della temperatura, creando uno strato sempre più spesso di sedimenti indesiderati.

benefici

– Altissima precisione di dosaggio del carburante

– Possibilità di bruciare miscele magre

– Ottima dinamica del motore con basso consumo di carburante

difetti

- Design estremamente complesso

– Costi di produzione e manutenzione molto elevati

– Problemi con eccesso di ossidi di azoto nei gas di scarico

- Depositi carboniosi nel sistema di aspirazione

Doppia iniezione - diretta e indiretta

Il design del sistema di iniezione mista sfrutta sia l'iniezione indiretta che quella diretta. L'iniezione diretta funziona a motore freddo. La miscela aria/carburante scorre direttamente sul pistone ed è esclusa la condensa. Quando il motore è caldo e funziona sotto carico leggero (guida a velocità costante, accelerazione regolare), l'iniezione diretta smette di funzionare e l'iniezione indiretta multipunto assume il suo ruolo. Il carburante evapora meglio, gli iniettori del sistema di iniezione diretta molto costosi non funzionano e non si consumano, le valvole di aspirazione vengono lavate dalla miscela aria-carburante, quindi su di esse non si formano depositi. A carichi del motore elevati (forte accelerazioni, guida veloce), l'iniezione diretta viene riattivata, il che garantisce un riempimento molto rapido dei cilindri.

benefici

– Dosaggio del carburante molto preciso

– Erogazione ottimale del motore in tutte le condizioni

– Ottima dinamica del motore con basso consumo di carburante

– Assenza di depositi carboniosi nel sistema di aspirazione

difetti

- Enorme complessità del design

– Costi di produzione e manutenzione estremamente elevati