Pillole di tecnologia: l’iniezione diretta

C’è una tecnologia che nel mondo auto sta prendendo sempre più piede. Le moto come al solito sono in ritardo, in questo caso per vari motivi, ma immaginiamo che prima o poi anche noi saremo interessati dall’arrivo dell’iniezione diretta.
Ma perché nelle auto l’iniezione diretta si sta imponendo sempre di più e invece nelle moto ancora latita? I motivi come detto sono molteplici, innanzitutto il sistema è più costoso e richiede notevoli investimenti per la messa punto. L’impianto di alimentazione benzina non può più essere a 4 bar (in Moto GP in realtà passa i 10 bar), ma deve essere ad almeno 120 bar (meglio se 200) sia perché deve vaporizzare istantaneamente la benzina che non ha tempo di miscelarsi con l’aria nel percorso lungo i condotti di aspirazione, sia perché la benzina deve essere iniettata all’interno della camera di scoppio dove già ci sono ben oltre 10 bar di pressione realizzati dal lavoro di compressione del pistone. Questa tecnologia non è giustificata dalla necessità di rispettare le normative antinquinamento Euro4 ed anche le prossime Euro5 entro i cui limiti si può rientrare anche con l’iniezione indiretta. il vero vantaggio del sistema è la riduzione dei consumi, un aspetto ancora poco sentito sulle moto che non hanno ancora limiti stringenti sull’emissione in atmosfera di quello che è considerato il grande satana del XXI secolo, ovvero l’anidride carbonica. L’iniezione diretta regala anche vantaggi in termini prestazionali, ma non ci si può aspettare che un impulso all’introduzione di questa tecnologia arrivi dalle competizioni perché esiste un regolamento abbastanza miope, che vieta l’iniezione diretta anche in MotoGP, la categoria che dovrebbe essere l’avanguardia tecnologica del settore. La motivazione è il contenimento dei costi, poco credibile quando ad esempio viene lasciata libertà di utilizzo dei costosissimi freni in carbonio la cui diffusione sulla produzione di serie è (e rimarrà) pari a zero. 

ESEMPIO F1 - In Formula 1 invece è vero il contrario, l’iniezione diretta è proprio imposta dal regolamento, con il chiaro intento di sviluppare una tecnologia capace di abbattere i consumi di carburante oltre che di aumentare le prestazioni. Basta pensare una cosa: la lotta per migliorare rendimenti ed efficienze ha fatto si che ad oggi i moderni powertrain ibridi capaci di circa 1000CV hanno rendimenti che arrivano al 48% che garantiscono consumi che sono meno della metà dei mitici turbo anni 80 che erogavano in configurazione gara circa la stessa potenza. Certo la tecnologia ha un suo costo, anche i semplici iniettori sono concentrati di tecnologia, con nozzle fino a 30 fori e pressione di alimentazione che sugli impianti Marelli arriva a 500 bar (contro i 100 bar utilizzati sugli ultimi V8 aspirati a iniezione indiretta). Qualcuno potrebbe obiettare che tutto sommato non è niente di che, se si pensa che gli iniettori per i moderni diesel superano i 2000 bar, ma il problema è che il gasolio è per sua natura un liquido “unto” cioè autolubrificante, mentre la benzina è “secca” il che pone grossi problemi di attrito sul movimento delle parti mobili che aprono e chiudono i passaggi della benzina, insomma un odierno iniettore di Formula 1 è un vero capolavoro di micro meccanica. Per vedere qualcosa di simile sulle moto immaginiamo che sia solo questione di tempo, ma dovranno esserci spinte esterne come una stretta ai consumi di carburante, un evento che da appassionati ci auguriamo si registri il più tardi possibile.     

COME FUNZIONA - Ma come funziona e cosa garantisce l’iniezione diretta rispetto a quella indiretta? Concettualmente la differenza è semplice: la benzina deve essere miscelata all’aria, un processo che tradizionalmente avveniva nel condotto di Venturi del carburatore. L’aria viene aspirata dal pistone in discesa provocando una depressione che viene moltiplicata nella zona cilindrica fra i due coni (convergente e divergente) del Venturi. In quella zona di passa pressione ed alta velocità del fluido, ci sono i getti del carburatore da cui fuoriesce lo spray di benzina che si miscela all’aria. Quando è stata introdotta l’iniezione elettronica, molto semplicemente il carburatore viene rimpiazzato dal corpo farfallato, il condotto di Venturi scompare e la benzina viene immessa tramite uno o più iniettori posizionati sopra o sotto la farfalla a seconda di una serie di parametri che esulano da questa trattazione. Il sistema di per se funziona molto bene, anzi benissimo quando il motore è a regime stazionario e può essere settato a dovere per le fasi di accelerazione a piena apertura, ma ha alcuni limiti in fase di prima accensione e nei momenti in cui varia l’angolo di farfalla, quando cioè il guidatore modula la potenza da erogare. Semplificando al massimo possiamo tentare una spiegazione: l’iniettore spruzza benzina finemente vaporizzata ma ancora allo stato liquido, nelle partenze a freddo parte della benzina si deposita sulle pareti a temperatura ambiente dei condotti e dello stelo valvola, di conseguenza bisogna iniettare più benzina di quanto servirebbe in realtà, ingrassando la miscela a tutto svantaggio dei consumi e delle emissioni. A caldo la gran parte della benzina evapora per effetto delle alte temperature dei condotti, ma comunque sia, una parte finisce sempre sulle pareti dei condotti, quando il regime è costante questo non è un problema e nemmeno in piena accelerazione perché in pochi giri di albero motore la centralina, tramite i dati della sonda lambda, ricalibra la quantità di benzina iniettata. Più complicato quello che succede in rilascio e in riapertura. A farfalla chiusa il pistone continua ad aspirare ma il passaggio d’aria è minimo, il “risucchio” è fortissimo e viene aspirata la benzina presente sulle pareti dei condotti col risultato di trovarsi con pochissima aria in camera e tanta benzina che viene letteralmente sprecata e provoca poi anche i ben noti borbottii in rilascio. Nel momento poi in cui si riapre il gas, parte della benzina iniettata torna a depositarsi sui condotti asciugati e quindi la centralina ancora una volta deve prevedere un extra iniezione. 

NESSUN PROBLEMA - Queste problematiche vengono ovviate dall’iniezione diretta: la benzina viene vaporizzata in camera di combustione, iniettata all’ultimo istante utile ed esattamente nella quantità che serve per miscelarsi in rapporto stechiometrico con l’aria aspirata, insomma le condizioni di miscela grassa si riducono enormemente. Se ne avvantaggiano le prestazioni (un buon 5%) perché una miscela troppo grassa comunque brucia male e migliorano tanto sia i consumi (anche un 15%) che le emissioni, riducendo gli incombusti che devono poi essere post bruciati nel catalizzatore. In più si riesce ad ottenere un ulteriore vantaggio che si rivela particolarmente utile ai bassi carichi, quelli a cui sono spesso sottoposti i potenti motori motociclistici quando girano erogando solo una piccola frazione della potenza disponibile. Quando è richiesta poca potenza viene spontaneo chiedersi: “perché non utilizzare una miscela molto magra così si consuma meno?” I problemi sono due: una miscela magra brucia male (come capita ad una miscela troppo grassa) si possono provocare anche i cosiddetti missfire o mancate accensioni, col motore che singhiozza e suona male e incombusti allo scarico in quantità, inoltre miscele magre provocano una impennata delle temperature col risultato di creare ossidi di azoto a dismisura, un inquinante che il catalizzatore solo in parte riesce a ridurre. Con l’iniezione diretta si crea quella condizione detta “carica stratificata”, ovvero lo spray di benzina viene iniettato in modo da diffondersi solo in prossimità della candela, creando uno strato di miscela stechiometrica, nelle zone più lontane invece c’è solo aria. La miscela quindi è globalmente magra, ma la candela trova attorno a sé uno strato di miscela stechiometrica condizione ideale per innescare la corretta combustione, si creano ovviamente ossidi di azoto, ma almeno il motore lavora bene. Per ridurre gli NOx si adotta poi un secondo artificio che si chiama EGR ovvero Exhaust Gas Ricirculation, uno stratagemma preso a prestito dai motori diesel che consiste nell’iniettare (solo ai bassi carichi) gas di scarico poveri di ossigeno in camera di combustione, in questo modo l’azoto non trova reagente con cui combinarsi e le emissioni nocive vengono ridotte sul nascere.