I motori a combustione interna sono il cuore pulsante di innumerevoli veicoli, e la loro efficienza e performance dipendono da componenti precisi e ben progettati. Tra questi, gli iniettori giocano un ruolo fondamentale, specialmente nei moderni motori a benzina a 4 cilindri. Comprendere il loro numero, la loro funzione e il loro funzionamento è essenziale per apprezzare la complessità e l'ingegneria dietro la propulsione automobilistica.
La Configurazione del Motore a 4 Cilindri in Linea
La stragrande maggioranza dei motori a quattro cilindri automobilistici utilizza un layout a quattro cilindri in linea, una configurazione molto comune anche nelle motociclette e in altri macchinari. Questo design presenta i cilindri disposti uno accanto all'altro in una singola fila. Un motore a quattro tempi a quattro cilindri in linea ha sempre un cilindro sulla sua corsa di potenza, a differenza dei motori con meno cilindri in cui non si verifica una corsa di potenza in determinati momenti.
Nonostante la sua popolarità, il layout a quattro cilindri in linea presenta delle sfide intrinseche. Questi motori hanno lacune nell'erogazione di potenza, poiché ogni cilindro completa la sua corsa di potenza prima che il pistone successivo inizi una nuova corsa di potenza. A volte viene utilizzato un sistema di equilibratura per ridurre le vibrazioni create da un motore a quattro cilindri in linea, più spesso nei motori con cilindrate maggiori. Tuttavia, non tutti i motori quattro cilindri in linea di grande cilindrata hanno utilizzato alberi di bilanciamento. Esempi di motori relativamente grandi senza alberi di equilibratura sono il motore Citroën DS da 2,4 litri, il motore Austin-Healey 100 da 2,6 litri, il motore Ford Modello A (1927) da 3,3 litri e il motore GM Iron Duke da 2,5 litri.
I motori a quattro cilindri in linea hanno anche uno squilibrio secondario. Ciò è causato dall'accelerazione/decelerazione dei pistoni durante la metà superiore della rotazione dell'albero motore che è maggiore di quella dei pistoni nella metà inferiore della rotazione dell'albero motore (perché le bielle non sono infinitamente lunghe). Di conseguenza, due pistoni accelerano sempre più velocemente in una direzione, mentre gli altri due accelerano più lentamente nell'altra direzione, il che porta a uno squilibrio dinamico secondario che provoca una vibrazione su e giù a velocità doppia dell'albero motore. La forza di questo squilibrio è determinata dalla massa alternata, dal rapporto tra la lunghezza della biella e la corsa e dalla velocità di picco del pistone. Pertanto, i motori di piccola cilindrata con pistoni leggeri mostrano scarso effetto, mentre i motori da corsa che utilizzano bielle lunghe sentono maggiormente l'effetto.
La maggior parte dei moderni motori a quattro cilindri in linea utilizzati nelle automobili ha una cilindrata di 1,5-2,5 litri.
Il Ruolo degli Iniettori nei Motori a Benzina
Gli iniettori sono componenti fondamentali dei sistemi di alimentazione dei motori a combustione interna, sia a benzina che Diesel. L’iniezione avviene in momenti specifici del ciclo di lavoro del motore per garantire una combustione efficiente e ridurre le emissioni inquinanti. Sulle moderne vetture è elettronica, mentre la versione precedente viene definita meccanica.
In un tipico motore a benzina a 4 cilindri, ogni cilindro è equipaggiato con un proprio iniettore. Questo significa che un motore a 4 cilindri avrà quattro iniettori. Questo approccio garantisce che ogni cilindro riceva la quantità precisa di carburante necessaria per una combustione ottimale, indipendentemente dalle condizioni operative del motore.
Un iniettore è costituito da diversi componenti chiave:
- Corpo dell’iniettore: è il corpo principale e ospita gli altri componenti interni.
- Bobina solenoide: nella maggior parte dei sistemi di iniezione elettronica, il controllo è affidato a una bobina solenoide.
- Ago dell’iniettore: è un componente mobile che si muove all’interno del sedile dell’iniettore.
- Sedile dell’iniettore: è una superficie di tenuta all’interno del corpo dell’iniettore dove l’ago si posiziona quando è chiuso.
- Filtro per il carburante: alcuni iniettori sono dotati di un filtro per il carburante integrato per prevenire l’ingresso di impurità nel sistema di alimentazione del motore.
- Orifizio di iniezione: è il punto attraverso cui il carburante viene spruzzato nella camera di combustione del motore.
- Connettore elettrico: è il punto di connessione elettrica tra l’iniettore e l’ECU (Engine Control Unit) del motore.
Il Funzionamento dell'Iniezione Elettronica
Il processo di iniezione elettronica nei motori a benzina a 4 cilindri è un sistema sofisticato gestito dalla centralina elettronica del motore (ECU). Il processo inizia con il rilevamento di varie condizioni operative del motore da parte di sensori dedicati. Questi ultimi includono il sensore di posizione dell’albero a camme, quello di posizione della valvola farfalla, quello di temperatura del motore, il sensore di pressione del collettore e altri.
Basandosi sui segnali provenienti dai sensori del motore, l’ECU calcola la quantità di carburante necessaria per ottenere la prestazione desiderata e rispettare le normative sulle emissioni. Una volta fatto ciò, la centralina controlla gli iniettori utilizzando una bobina solenoide attivata elettromagneticamente in base al segnale inviato dall’ECU. Quando la bobina è attivata, l’ago dell’iniettore si solleva, consentendo al carburante di fluire attraverso l’orifizio, finendo in camera di combustione. Il carburante iniettato viene atomizzato in piccole goccioline durante il processo di iniezione, favorendo una combustione più completa e efficiente.
Il sistema di iniezione elettronica è in grado di adattarsi dinamicamente alle variazioni delle condizioni di guida e dell’ambiente, garantendo prestazioni ottimali e riducendo al minimo le emissioni inquinanti.
Come funziona il sistema carburante nei motori Diesel? (Common Rail)
Storia e Evoluzione dell'Iniezione
L'iniezione meccanica era un sistema più tradizionale che aveva lo stesso scopo di quella elettronica attualmente in uso. Tuttavia, il funzionamento era completamente differente. Il processo iniziava con una pompa di iniezione meccanica, collegata direttamente al motore e azionata meccanicamente da un albero a camme o da un altro meccanismo collegato al gruppo propulsore. Il controllo del momento e della quantità di iniezione del carburante era principalmente basato su componenti meccanici, come camme, valvole di controllo e sistemi di collegamento meccanico. Essi regolavano manualmente il flusso di carburante in base alla posizione e al regime di rotazione. La pompa di iniezione era collegata a un distributore, che suddivideva il flusso di carburante in diverse linee di alimentazione per ciascun cilindro del motore. Gli iniettori erano azionati meccanicamente da un pistone. Quando veniva applicata la pressione corretta, l’iniettore si apriva, consentendo al carburante di fluire attraverso l’orifizio nella camera di combustione. Il tempo di iniezione del carburante era determinato principalmente dalla geometria delle camme sull’albero a camme, che regolavano l’apertura e la chiusura degli iniettori in sincronia con il ciclo di lavoro del motore. Questo tempo era generalmente preimpostato e non poteva essere facilmente modificato durante il funzionamento del gruppo propulsore. Trattandosi di un sistema meccanico, era meno preciso degli attuali sistemi elettronici.
In meccanica l'iniettore è un componente che ha il compito di immettere un fluido in un modo diverso dal semplice travaso. Il tipo oggi più diffuso di iniettore è quello a comando elettronico-digitale. Il funzionamento di questo tipo di iniettore è gestito elettronicamente da una centralina, la quale decide il tempo di iniezione ovvero il tempo per il quale l'iniettore deve rimanere aperto e quindi il carburante da immettere, a seconda di diversi parametri quali la concentrazione dell'aria all'interno del condotto di aspirazione e può essere aiutata anche da una sonda lambda, che aiuta la centralina a regolare la quantità di carburante, grazie alla concentrazione d'ossigeno nei gas di scarico.
L'iniettore è costituito da due ambienti, uno nel quale viene mantenuto in pressione il carburante mediante un'apposita pompa ad alta pressione che pressurizza il rail cioè serbatoio dal quale partono i condotti di alimentazione di ogni iniettore (i moderni rail arrivano a pressioni di circa 2200 bar). L'altro ambiente detto "di bassa pressione" è deputato allo scarico del carburante verso il serbatoio dell'auto. Parte fondamentale dell'iniettore è lo spillo, che sollevandosi per mezzo di un solenoide comandato dalla ecu, scopre i fori dal quale viene spruzzato il carburante. Date le alte pressioni in gioco è impensabile far sollevare lo spillo per mezzo di un semplice impulso elettrico, infatti viene sfruttata la stessa pressione del carburante e una molla di richiamo che in condizioni stazionarie occlude il condotto di alimentazione. Un semplice impulso elettrico dato dal solenoide basta appena per far sollevare lo spillo e aprire la luce di alimentazione.
Un altro difetto dell'iniezione elettronica (rispetto a certi sistemi precedenti o alternativi) è il costo molto più elevato e per ultimo il problema di essere dipendente dai sensori che possono essere influenzati dai disturbi elettromagnetici.
Applicazioni Storiche e Moderne
Molte delle prime auto da corsa utilizzavano motori a quattro cilindri in linea, tuttavia il motore Peugeot che vinse la 500 Miglia di Indianapolis del 1913 fu un motore molto influente. Tra i motori ispirati al design Peugeot c'era il motore Miller, che fu un motore da corsa di successo negli anni '20 e all'inizio degli anni '30. Molte auto prodotte per la categoria del Gran Premio delle gare automobilistiche prima della seconda guerra mondiale utilizzavano motori a quattro cilindri in linea. Motori sovralimentati da 1,5 litri si fecero strada in auto come la Maserati 4CL e vari modelli di automobili da corsa inglesi (ERA). Un altro motore che ha avuto un ruolo importante nella storia delle corse è il motore Ferrari a quattro cilindri in linea progettato da Aurelio Lampredi. Nella Formula 1, gli anni '80 sono stati dominati dai motori da 1.500 cm³ con turbocompressore. Il motore BMW M12/13 era noto all'epoca per le sue elevate pressioni di spinta e prestazioni. Il blocco in ghisa era basato su un blocco stradale standard e alimentava le vetture della F1 di Brabham, Arrows e Benetton e vinse il campionato del mondo nel 1983.
I motori diesel sono stati prodotti in cilindrate maggiori, come il motore Mitsubishi 3200 cm³ turbo (usato per i SUV Pajero / Shogun / Montero) e un motore Toyota 3000 cm³. La cilindrata può anche essere molto piccola, come si trova nelle K-car vendute in Giappone. Il sistema iniettore pompa equipaggiava fino alla metà del 2008 tutti i motori diesel del gruppo Volkswagen (Audi, Volkswagen, Skoda e Seat) fino a 2.000 cm³ di cilindrata compreso il 5.0 TDI. Il sistema è noto come PD (Pumpe-Düse). Attualmente il gruppo VW sta progressivamente sostituendo molti di questi motori iniettore-pompa con motori diesel common-rail, per far fronte alla normativa antinquinamento Euro 5, non più rispettabile con la tecnologia iniettore-pompa. Il sistema iniettore pompa, tuttavia, vista la scarsa diffusione (attualmente il sistema PDE è sviluppato e utilizzato solo dal gruppo Volkswagen, che concede i suoi motori anche a Mitsubishi e Dodge), la maggiore complessità tecnica rispetto al common rail, e i conseguenti maggiori costi di produzione e sviluppo (soprattutto per quanto riguarda il rispetto della normativa Euro 5 sulle emissioni), verrà progressivamente abbandonato del tutto entro il 2009 con l'entrata in vigore della nuova normativa Euro 5 per far spazio ai nuovi motori TDI, stavolta dotati di common rail, rendendo così questa tecnologia l'unica usata dai diesel attuali. Un altro esempio di iniettore è il polverizzatore (simile all'emulsionatore del carburatore) per il motore diesel, destinato all'estinzione nell'autotrazione ma ancora di largo uso in campo navale. Nel caso dei motori a vapore il compito dell'iniettore è immettere acqua in caldaia vincendo la pressione del vapore in essa contenuta. In questo iniettore il vapore, prelevato dalla caldaia, viene fatto passare attraverso degli ugelli conici, all'uscita dei quali trascina ed accelera l'acqua da immettere nella caldaia.
La FN Herstal, produttore di armi belga che produceva motociclette dal 1901, iniziò a produrre le prime motociclette con quattro cilindri in linea nel 1905. La FN Four aveva il motore montato in posizione verticale con l'albero motore longitudinale. La prima motocicletta a 4 cilindri a tutto telaio era la Gilera 500 Rondine da corsa del 1939, aveva anche alberi a camme a doppia testa, compressore a induzione forzata ed era raffreddata ad'acqua. I moderni motori per motociclette a quattro cilindri in linea divennero popolari per la prima volta con il SOHC CB750 Honda introdotto nel 1969, e altri seguirono negli anni '70. Da allora, il quattro cilindri in linea è diventato una delle configurazioni del motore più comuni nelle moto da strada. Al di fuori della categoria degli incrociatori, il quattro cilindri in linea è la configurazione più comune grazie al suo rapporto prestazioni/costo relativamente elevato. Tutti i principali produttori di motociclette giapponesi offrono motociclette con quattro cilindri in linea, così come MV Agusta e BMW. I primi motori a quattro cilindri in linea per motociclette della BMW erano montati orizzontalmente lungo il telaio, ma tutte le attuali motociclette BMW a quattro cilindri hanno motori trasversali. La Yamaha R1 del 2009 ha un motore a quattro cilindri in linea che non si accende a intervalli pari di 180°, ma utilizza un albero motore crossplane che impedisce ai pistoni di raggiungere contemporaneamente il punto morto superiore. I motori a quattro cilindri in linea sono utilizzati anche in MotoGP dai team Suzuki (dal 2015) e Yamaha (dal 2002). Nel 2010, quando è stata introdotta la classe Moto2 a quattro tempi, i motori per la classe erano un motore da 600 cm³ a quattro cilindri in linea prodotto da Honda, basato sulla CBR600RR con una potenza massima di 110 kW (152 CV).