Un sistema di iniezione diesel impeccabile è essenziale per una preparazione ottimale del carburante, al fine di mantenere un alto livello di efficienza e quindi rendere il diesel il più economico e potente possibile. Oggi, il cosiddetto sistema common rail (CRS) è lo standard del settore grazie al suo design modulare e viene costantemente ottimizzato. Il vantaggio principale di questa tecnologia diesel risiede nella grande flessibilità della pressione e della tempistica di iniezione. La pompa ad alta pressione genera la pressione necessaria per il carburante, che è sempre disponibile per l'iniezione. Per questo motivo, si tratta di una parte di usura molto sollecitata.
La Nascita e l'Innovazione del Common Rail
Nel settore automobilistico, il common rail (ovvero in italiano, condotto comune, o collettore comune) è un sistema di alimentazione ad iniezione diretta del carburante, utilizzato su motori diesel e benzina. È costituito da un tubo (il cosiddetto "rail") contenente il carburante che viene spinto ad alta pressione tramite una pompa, e da una serie di iniettori (generalmente in numero pari a quello dei cilindri) dotati di elettrovalvole la cui apertura consente l'iniezione del carburante nei cilindri. L'iniezione ad alta pressione, che costituisce quindi la principale differenza tra i sistemi di iniezione precedenti a pressione più bassa, offre vantaggi in termini di potenza e consumo di carburante rispetto alla precedente iniezione di carburante a pressione inferiore, iniettando il carburante sotto forma di un numero maggiore di goccioline più piccole, fornendo un rapporto molto più elevato tra superficie e volume.
Inventato dal fisico barese Mario Ricco, fu ideato, sviluppato e pre-industrializzato dal Gruppo Fiat (Magneti Marelli, Centro Ricerche Fiat filiale di Bari ed Elasis) ed industrializzato da Bosch. Il lancio mondiale per le vetture di serie avvenne nel 1997 con la prima applicazione sulle Alfa Romeo 156 1.9 e 2.4 JTD. Si trattava di un sistema innovativo per il campo automobilistico, la cui evoluzione successiva, sviluppata da Bosch, ha portato a un notevole progresso nei motori diesel, con progressiva riduzione delle cilindrate e miglioramento delle prestazioni, caratteristiche che gli hanno permesso di rendere i motori diesel competitivi sul mercato motoristico per la mobilità individuale, in precedenza dominato dalle motorizzazioni a benzina.
Nonostante la storia del common rail in campo automobilistico risalga agli anni '80 e '90 del Novecento, motori con lo stesso principio del common rail erano già stati utilizzati in passato in ambito navale e ferroviario, su imbarcazioni e locomotive. Il Cooper-Bessemer GN-8 (del 1942) è un esempio di motore diesel common rail ad azionamento idraulico, conosciuto anche come common rail modificato. Il principio del motore "common rail" ad iniezione diretta fu sviluppato dai ricercatori del politecnico di Zurigo a partire dagli anni trenta ma era inapplicabile sui motori diesel per uso automobilistico.
La pre-industrializzazione del sistema "common rail" iniziò nel 1990 dalla collaborazione tra Magneti Marelli, Centro Ricerche Fiat ed Elasis. Il 27 giugno 2008 fu presentata la seconda versione del common rail: il motore Multijet. La Fiat aveva presentato, nel 1986, la prima vettura con motore a ciclo diesel con iniezione diretta, la Fiat Croma TD i.d.; fece poi seguito, nell'ottobre del 1997, l'Alfa Romeo 156 JTD equipaggiata con un motore a ciclo diesel che lavorava con il sistema d'iniezione del combustibile "common rail".
Il Funzionamento del Sistema Common Rail
La prima applicazione su autovetture avvenne nel 1997: una pompa, indipendentemente dal regime di rotazione del motore, introduce gasolio all'interno di una condotta (il "common rail" o collettore comune) e genera una pressione all'interno della stessa, che diventa così un accumulatore idraulico, cioè una riserva di combustibile in pressione pronto per essere iniettato nei cilindri. Il gasolio in eccesso (ad alta temperatura) è rimandato al serbatoio dove si miscela con il gasolio a temperatura ambiente. Nelle prime applicazioni (Alfa Romeo 156 1,9 JTD) questo ricircolo di gasolio caldo nel serbatoio causava problemi di affidabilità legati all'innalzamento della temperatura globale nel circuito carburante, con pericoli di degradazione dei componenti di plastica.
Elemento importantissimo nel sistema common rail è il filtro del gasolio, poiché gli iniettori di ultima generazione sono particolarmente sensibili alle impurità e all'acqua. Più che a problemi di infiltrazioni nel serbatoio del gasolio o in fase di rifornimento, il problema è dovuto alla condensazione notturna dell'umidità presente nell'aria a causa dell'abbassamento della temperatura nel serbatoio.
Il sistema commo-rail è composto da una pompa ad alta pressione centralizzata e da un serbatoio (il rail appunto) che distribuisce ai vari iniettori il gasolio pressurizzato attraverso le cannette metalliche; lo stesso impianto - aggiungendo o sottraendo cannette ed iniettori - può essere impiegato su motori a 4 cilindri come a 3, 5, 6 oppure 8 cilindri cambiando solo la gestione motore.
La pompa ad alta pressione mette il combustibile in pressione (generalmente pochissimi giri consentono già la generazione della pressione massima di funzionamento) e lo trasferisce al condotto comune che funge da serbatoio di accumulo della pressione. Il combustibile giunge quindi agli elettro-iniettori ed occupa due vani, uno sopra ed uno sotto l'ago polverizzatore. Le due forze contrastanti si annullano e l'ago resta in chiusura grazie a una piccola molla. Il vano superiore, detto camera di comando, ha uno sfogo regolato da una valvola a solenoide o a comando piezoelettrico. In questo modo, grazie alla grande velocità di reazione delle valvole di comando, è possibile ottenere anche più iniezioni per ogni ciclo di lavoro. Si ha quindi una preiniezione, per innalzare pressione e temperatura nella camera di combustione, una o più iniezioni principali ed anche delle postiniezioni.
L'Evoluzione delle Pressioni e degli Iniettori
Il sistema common-rail, al momento in cui scriviamo, ha raggiunto pressioni di 2500 bar, un valore ottimale che consente una nebulizzazione molto efficace del combustibile; i precedenti sistemi di iniezione non raggiungevano questi valori.
Tutti i precedenti sistemi di iniezione, siano questi con pompe distributrici, siano con moduli iniettori-pompa, avevano un vincolo dato dalla posizione dell’albero motore; sono in determinati gradi di posizione albero il sistema di iniezione poteva generare pressione di iniezione. Il sistema common-rail è l’unico in grado di tenere costante la pressione gasolio a prescindere dalla fase motore e dal suo regime di rotazione (ovviamente purché sia almeno al regime di minimo).
Gli iniettori impiegati sui sistemi common-rail possono contare su una pressione di alimentazione elevatissima, inoltre gli iniettori stessi sono estremamente precisi nel dosare la mandata gasolio e possono attuare molte iniezioni separate per ogni fase di combustione. In particolare gli iniettori a controllo piezoelettrico sono ancora più precisi degli iniettori a controllo elettromagnetico, assicurando una miscelazione ottimale di combustibile e comburente.
I sistemi common rail riescono quindi a ridurre le rumorosità e gli elevati picchi di pressione, ed ottengono una combustione più ordinata, grazie alla quale diminuiscono le emissioni di gas incombusti ed i consumi (circa il 15%) e un sensibile aumento delle prestazioni (circa il 12%). I motori più sofisticati, in alcuni casi anche grazie agli iniettori piezoelettrici, possono effettuare fino a otto iniezioni per ciclo. Appartengono a questa famiglia i motori Fiat Multijet.
Come funzionano gli iniettori piezoelettrici nel sistema di iniezione del carburante Common Rail ...
Vantaggi e Sfide della Tecnologia Common Rail
La pompa ad altissima pressione di pressurizzazione gasolio, pure essendo costruita con elementi dalle tolleranze estremamente basse e con materiale speciali, è intrinsecamente più semplice di una pompa di iniezione rotativa distributrice, di una pompa iniezione in linea e lo è ancor di più rispetto ad una pompa iniezione a pistoni radiali.
La pompa ad alta pressione crea l'alta pressione pronta per essere immessa nelle camere di combustione tramite gli iniettori. Avendo la capacità di creare la giusta pressione al momento giusto, la pompa common rail fornirà carburante alla giusta pressione pronto per essere iniettato nelle camere di combustione.
Grazie al controllo elettronico, la pompa che innalza la pressione nel rail comune e gli iniettori attivi spruzzano il carburante con una precisione impensabile prima. La riduzione dei consumi e delle emissioni, nonché la diminuzione della rumorosità, ha reso le auto Diesel più confortevoli. Tutto questo, unito al fatto che in generale le macchine a gasolio “bevono” molto meno di quelle a benzina, consentendo di macinare chilometri senza pesare troppo sul portafogli, ha dato una spinta decisiva al Diesel dal 1998 al 2015.
Le prime generazioni operano con pressioni del rail intorno ai 1.300-1.400 bar, un notevole aumento rispetto ai sistemi meccanici precedenti. Utilizzano iniettori elettromagnetici (solenoidi). La centralina elettronica (ECU) gestisce apertura e chiusura degli iniettori, consentendo di variare la quantità e la fasatura in base alle condizioni di carico e al regime del motore. Nel 2000, la pressione del rail sale a 1.600-1.800 bar: migliore atomizzazione del carburante e combustione più efficiente e con minori emissioni. Gli iniettori elettromagnetici hanno tempi di risposta più rapidi e una maggiore precisione nella dosatura del carburante. Nel 2005, pressioni tra i 2.000 e i 2.200 bar e iniettori piezoelettrici: i cristalli piezoelettrici si espandono rapidamente quando sottoposti a una tensione elettrica, consentendo tempi di risposta velocissimi e una maggiore precisione rispetto agli iniettori elettromagnetici. Nel 2010, pressione a 2.500-2.700 bar, maggiore precisione nell’iniezione, centraline elettroniche sempre più potenti e sofisticate, integrando modelli di controllo predittivi e algoritmi avanzati in base a una miriade di parametri. Il common rail è sempre più integrato con altri dispositivi: turbocompressore a geometria variabile (VGT), ricircolo dei gas di scarico (EGR) e post-trattamento dei gas di scarico (filtro antiparticolato DPF e sistema di riduzione catalitica selettiva SCR).
Le Sfide per la Tecnologia Common Rail e il Futuro
Guai a dare per spacciato o finito il Diesel, anche common rail. In Italia, è vivo e vegeto, come dimostrano i dati ufficiali delle immatricolazioni delle vetture a gasolio usate. In assenza di limitazioni, blocchi del traffico, penalizzazioni fiscali, le macchine Diesel sarebbero ancora più vendute. In particolare, nelle metropoli, abitanti e pendolari temono che le Zone a Traffico Limitato stoppino certe vetture a gasolio. Analogamente, la paura è che le Regioni del Bacino Padano diano un’altra stretta anti Diesel per (almeno nelle intenzioni) combattere lo smog. Per quanto riguarda il nuovo, le Case propongono sempre più full electric o ibride e meno Diesel, per evitare le multe UE ai costruttori che vendono veicoli troppo inquinanti: anche così si spiega la flessione dell’immatricolato a gasolio.
In realtà, i Diesel common rail sono sempre più puliti e l’industria automotive accetta la sfida imposta dall’Unione Europea: ban termico 2035 con possibilità di vendere solo macchine elettriche nuove. Le normative Euro e standard equivalenti in altre regioni del mondo diventano sempre più restrittive su emissioni di ossidi di azoto (NOx), particolato (PM) e anidride carbonica (CO2). Il common rail ha ridotto drasticamente queste emissioni. Non basta: servono sistemi di post-trattamento dei gas di scarico (come SCR con AdBlue, filtri antiparticolato di ultima generazione). È in fase avanzata lo sviluppo di combustibili alternativi a basse emissioni di carbonio: biocarburanti (dove l’Italia è forte) e carburanti sintetici (e-fuel, dove primeggia la Germania) potrebbero offrire una prospettiva per i motori a combustione interna, inclusi quelli con tecnologia common rail, rendendoli più sostenibili.
Il sistema common rail, con la sua capacità di gestire con precisione pressioni elevate e di effettuare iniezioni multiple, ha rappresentato un passo fondamentale nell'evoluzione dei motori diesel. Nonostante le sfide poste dalle normative ambientali e dalla transizione verso l'elettrificazione, la continua ricerca e sviluppo di soluzioni innovative, inclusi combustibili alternativi e sistemi di post-trattamento più efficienti, promettono di mantenere questa tecnologia rilevante nel panorama automobilistico per gli anni a venire.