Oggi giorno tutti i costruttori presentano nei loro listini vetture alimentate a gasolio e dotate di sistemi a iniezione diretta; ma a prescindere dai diversi marchi con i quali questo innovativo sistema di alimentazione si presenta, vogliamo in queste pagine spostare la nostra attenzione sui loro aspetti tecnici e funzionali. Questi sistemi, infatti, si differenziano esclusivamente per la tipologia di alcuni componenti mantenendo, comunque invariati, i principi basilari di funzionamento. Una veloce panoramica
I nuovi sistemi di iniezione diretta di gasolio, che d'ora in poi chiameremo per brevità common rail, sono caratterizzati dall'avere il sistema di generazione della pressione e quello di iniezione completamente separati. Non a caso la pressione di iniezione viene generata praticamente in modo indipendentemente dal regime di giri del propulsore e dal volume di gasolio iniettato. Il combustibile viene quindi accumulato con la pressione voluta all'interno del "rail" dal quale si diparte per venir iniettato. La centralina di controllo motore definirà quindi le quantità di gasolio da iniettare in funzione di diverse informazioni e delle mappe memorizzate al proprio interno. Tra i segnali principali che una centralina prende in considerazione abbiamo quelli provenienti dal sensore di giri dell'albero motore, dal sensore di giri dell'albero a camme, dal sensore montato sul pedale dell'acceleratore e da quello che misura la pressione di sovralimentazione (se presente un gruppo turbocompressore). Altri segnali provengono poi dal sensore che rileva la temperatura del liquido refrigerante e da quello che misura la portata d'aria (quest'ultimo è noto anche con il nome di debimetro).
Il sistema common rail presenta alcuni vantaggi indiscutibili rispetto alle vecchie pompe di iniezione: pressioni di iniezione molto alte, possibilità di eseguire un'iniezione pilota, un'iniezione principale e una post-iniezione, nonché la possibilità di adattare il funzionamento del tutto alle reali condizioni operative del motore.
Ma ciò che rende molto interessante la soluzione utilizzata nei sistemi con common rail è proprio la possibilità di disaccoppiare la generazione della pressione necessaria e la quantità di combustibile da iniettare, nonché l'istante in cui effettuare l'iniezione. Nei sistemi convenzionali questi elementi (generazione della pressione e quantità di gasolio iniettato) erano invece accoppiati in funzione del regime di giri del motore. Ciò implicava un aumento della pressione di iniezione con l'incrementarsi del regime di giri. Inoltre questo legame diretto generava, di fatto, un incremento e un decremento della pressione di iniezione in funzione proprio degli istanti di apertura e chiusura dell'iniettore. Con i sistemi common rail ciò non rappresenta più un problema, ma c'è di più; la possibilità di impostare un' iniezione pilota permette allo stesso tempo di migliorare l'efficienza di combustione. La pressione raggiunta alla fine della fase di compressione viene leggermente aumentata in seguito alla reazione pilota, mentre il ritardo dell'accensione principale viene ridotto. Si assiste inoltre a una diminuzione dei picchi di pressione generati dalla fase di combustione, a tutto vantaggio di un funzionamento più morbido e quindi più silenzioso del propulsore.
Per ottemperare poi alle severe norme di antinquinamento di questi ultimi anni, è stato introdotto anche l'uso di una fase di iniezione secondaria (che segue ovviamente la fase di iniezione principale). In questo modo, introducendo nei gas di scarico opportune quantità di combustibile fresco (utilizzato come agente riducente), viene migliorata la reazione di riduzione degli ossidi di azoto NOx in quei motori dotati di apposito convertitore catalitico. Il funzionamento di un sistema a iniezione diretta
Una pompa preleva il gasolio dal serbatoio e lo manda ad una seconda pompa (quella del circuito di alta pressione). Quest'ultima porta il gasolio a una pressione identica a quella di iniezione, ma il combustibile non viene inviato direttamente agli iniettori, ma viene accumulato in quello che potremo definire un serbatoio (il rail), che svolge la funzione di smorzare le oscillazioni di pressione causate dalle azioni di apertura e chiusura degli iniettori. La pressione nel rail è monitorata da un apposito sensore in modo tale da garantirne la costanza. Il corpo dell'iniettore è dotato di un attuatore elettromagnetico a solenoide che, a seconda dello stato di eccitazione di quest'ultimo, provoca uno squilibrio di pressione a monte e a valle dello spillo di un otturatore. Questa differenza di pressione genera il sollevamento o l'abbassamento dello spillo e la conseguente apertura o chiusura degli ugelli. Il controllo del sistema è affidato a una centralina elettronica dedicata. La pompa di bassa pressione
Si tratta di una classica pompa elettrica, alimentata con una tensione di 12V in grado di garantire una portata minima di 0,5 litri/min con una pressione di mandata di 0,5 bar circa. La pompa di alta pressione
La pompa che comprime il combustibile a pressione elevata nel rail è generalmente di tipo Radialjet, così definita in quanto la pressione cercata viene ottenuta con tre pistoncini disposti radialmente a una distanza angolare di 120°. La pompa viene trascinata dal motore, generalmente per mezzo di una cinghia dentata, a una velocità circa dimezzata; uno dei grandi vantaggi è legato proprio al fatto che tale pompa non richiede una messa in fase. L'istante di iniezione e il tempo sono infatti affidati al sistema elettronico che gestisce gli iniettori. Il movimento alternato dei tre pistoni è assicurato da una camma triangolare solidale con l'albero della pompa. Ogni elemento pompante è caratterizzato da una valvola di aspirazione e da una di mandata (la prima generalmente di tipo a piattello, la seconda di tipo a sfera). Il regolatore di pressione
Questo componente permette la regolazione della pressione del gasolio contenuto nel rail. Si tratta, sostanzialmente, di una valvola in grado di aprire e chiudere un apposito foro che mette in collegamento il rail con un percorso di ritorno verso il serbatoio. All'interno della valvola è presente solitamente una molla, che genera un precarico meccanico e un solenoide, che eccitandosi muove l'elemento otturatore che a sua volta limita, in forma più o meno accentuata, la dimensione della sezione di passaggio. Con la molla si stabilisce un valore di pressione di base in funzione del precarico stesso; con il solenoide si provvede a innalzare la pressione sino ai valori necessari. E' bene precisare come la scelta di rendere proporzionale il legame tra aumento di pressione e aumento di corrente all'interno del solenoide trovi una giustificazione prettamente pratica legata alla sicurezza del sistema. Eventuali guasti al sistema di regolazione della pressione comporterebbero il funzionamento del rail al valore minimo di pressione stabilito meccanicamente dalla caratteristica della molla. Il rail
Come abbiamo già anticipato il rail, di fatto, rappresenta il vero e proprio serbatoio all'interno del quale il gasolio raggiunge la pressione di iniezione. Riservandoci di trattare prossimamente le differenze tra un rail e l'altro (distinzione dovuta alle diverse soluzioni presentate dai costruttori impegnati su questo fronte), spieghiamo ora brevemente le caratteristiche di quest'organo fondamentale. Tra i suoi scopi fondamentali troviamo la capacità di smorzare le oscillazioni di pressione, dovute sia alle mandate consecutive generate dalla pompa, sia alle aperture periodiche degli iniettori. Il volume del rail viene quindi messo a punto in modo tale da smorzare queste oscillazioni evitando, allo stesso tempo, ritardi eccessivi (per il raggiungimento del valore di pressione necessaria) durante i transitori. Ecco quindi svilupparsi il concetto secondo cui a volumi troppo piccoli corrisponderebbero oscillazioni violente del valore di pressione, mentre con volumi troppo grandi si noterebbero risposte ritardate del sistema con conseguenze inaccettabili per il suo corretto funzionamento. L'elettroiniettore
L'elettroiniettore è dotato di una presa di alimentazione ad alta pressione; il gasolio in queste condizioni viene utilizzato per svolgere due funzioni: alimentazione del polverizzatore e comando dell'asta che regola la posizione dello spillo. Per capire il funzionamento di un elettroiniettore è necessario immaginarlo come composto da due parti ben distinte: la zona del polverizzatore, composta sostanzialmente dall'ugello e dall'asta di comando dello spillo e la zona di comando in cui è presente un solenoide e una valvola. La camera, o meglio, il volume contenuto nella zona della valvola, è definito "volume di controllo" proprio perché grazie alla sua variazione si crea lo squilibrio di pressione necessario a ottenere l'iniezione. Il gasolio affluisce a questo volume attraverso un apposito foro, fuoriuscendo da un secondo foro la cui dimensione è controllata dall'elettrovalvola. Il combustibile presente con una ben determinata pressione all'interno di questa camera esercita una forza sull'asta di comando; questa forza si somma a quella prodotta dalla molla montata coassialmente all'asta di comando. In condizioni di riposo, quindi con il solenoide non eccitato, lo spillo mantiene chiusi i fori che mettono in comunicazione la camera di combustione con la parte interna dell'iniettore. Con l'eccitazione dell'elettromagnete si aumenta la sezione del foro da cui fuoriesce il gasolio; rimanendo invece costante la dimensione del foro di ingresso si crea uno squilibrio nel flusso e la camera non riesce più a essere alimentata a sufficienza. Ciò provoca lo scarico del gasolio presente nel volume di controllo e la conseguente diminuzione della pressione esercitata sull'asta di comando. Quando la risultante delle forze è tale per cui l'equilibrio precedentemente instaurato non può più esistere, si verificano le condizioni che permettono l'apertura del polverizzatore. Diseccitando l'elettromagnete si provoca la chiusura del foro di uscita e di conseguenza una rapida risalita dei valori di pressione nel volume di controllo fino al ripristino delle condizioni iniziali. L'asta di comando scende e il polverizzatore viene chiuso. L'iniezione diretta secondo i diversi costruttori: brevi cenni
L'iniezione diretta di gasolio, molto diffusa in questi tempi, viene normalmente identificata con il common rail di produzione Bosch (si tratta di un progetto del centro ricerche Fiat, i cui diritti sono stati totalmente ceduti a Bosch); in realtà oggi giorno, sul mercato, sono presenti diversi sistemi di iniezione diretta di gasolio. In linea del tutto generale possiamo suddividere questi ultimi in tre fondamentali: quello di produzione Bosch, caratterizzato da un rail detto "flauto" (il serbatoio ad alta pressione è costituito da un cilindro da cui si dipartono i tubi che convogliano il gasolio agli iniettori), quello Delphi, che si differenzia dal precedente per il serbatoio di forma sferica (utile, secondo i tecnici della casa americana, a controllare le variazioni di pressione causate dall' apertura e dalla chiusura degli iniettori) e infine il sistema iniettore-pompa sviluppato e messo a punto da Bosch, quasi esclusivamente su indicazioni del gruppo Volkswagen.
L'ormai famoso common rail è caratterizzato, attualmente, da pressioni dell'ordine dei 1.600 bar (ma si parla di un traguardo prossimo ai 2.000 bar, grazie anche all'utilizzo delle pompe a doppio stadio). Delphi invece ha ritenuto utile costruire un serbatoio, per la distribuzione del gasolio agli iniettori, di forma sferica. Ciò ha implicato la costruzione di tubi di mandata più lunghi, scelta resasi necessaria per poter garantire un percorso di lunghezza identica tra rail e iniettori.
Fuori dalla mischia, infine, troviamo invece le vetture del gruppo Autogerma, o meglio del gruppo Volkswagen, che in questi ultimi anni sono state il punto di riferimento per le prestazioni in fatto di propulsori alimentati a gasolio. Tutti conoscono le ottime performance dei turbodiesel da 1.900 cc montati su Volkswagen Golf, Audi A3, Audi A4 ecc., che hanno raggiunto potenze massime ragguardevoli (150CV). Il sistema iniettore-pompa messo a punto da Bosch per questo costruttore è sempre stato caratterizzato dalla possibilità di ottenere pressioni di esercizio estremamente elevate (superiori ai 2.000 bar). Il rovescio della medaglia, in questo caso, è rappresentato dalla complicazione meccanica del sistema e dal suo ingombro che di fatto ha ostacolato, ad esempio, l'utilizzo delle 4 valvole per cilindro. Bisogna infatti tener conto che questo sistema di iniezione richiede, per poter funzionare, la presenza di una camma dedicata per ogni iniettore.