Marelli, unione tra la giapponese Calsonic Kansei e l’italiana Magneti Marelli, e la Mazda Motor Corporation nel 2019 sono riusciti a realizzare un sistema di iniezione di benzina ad altissima efficienza, che può funzionare a una pressione del carburante di 700 bar, con piccolissime quantità iniettate, fino a 1 mm3, senza soluzione di continuità, per ridurre drasticamente le emissioni inquinanti in atmosfera. Una tecnologia coperta da ben sette brevetti internazionali. Il componente cardine di questa tecnologia rivoluzionare è ovviamente l’iniettore IVHP, chiamato a lavorare con pressioni di 700 bar e tempi ridottissimi tra un’apertura e l’altra, di soli 200 µs (microsecondi, cioè un milionesimo di secondo).
IL NUOVO INIETTORE IVHP MARELLI
Per far fronte alla richiesta di Mazda di avere una maggiore pressione, riducendo al minimo i costi di produzione e le dimensioni esterne, Marelli ha sviluppato una nuova soluzione con azionamento diretto del solenoide, senza utilizzare la servo-valvola, tipica delle applicazioni nei motori diesel. La caratteristica distintiva di tutti gli iniettori Marelli è lo spillo con l’àncora monolitica. Marelli utilizza questo design sin dalla prima generazione di iniettori GDI (gasoline direct injection), chiamati IHP1, perché garantisce un eccellente controllo del flusso, specialmente nelle strategie di iniezioni multiple. Ma l’innovazione che caratterizza il nuovo iniettore IVHP (Very High Pressure Injectior) è l’utilizzo di una valvola a spillo con doppia àncora. Lo spillo è realizzato con materiali speciali come la lega Cobalto-Cromo-ferro per le due ancore e per le due espansioni polari, per garantire il corretto equilibrio tra la resistenza alla corrosione e le caratteristiche magnetiche. La sfera presente sulla sommità della valvola a spillo, che va a contatto con la sede per aprire e chiudere il passaggio del carburante, è rivestita in DLC (Diamond Like Carbon), un rivestimento al carbonio che garantisce basso attrito, elevata durezza e alta resistenza alla corrosione. Il corpo dell’iniettore è invece realizzato in acciaio inossidabile di grado aeronautico, che rappresenta il miglior compromesso tra affidabilità meccanica e prestazioni magnetiche.
Il design garantisce ottime prestazioni in termini di rumorosità e vibrazioni (NVH), minimizzando l’energia di impatto tra la lo spillo e la sua sede e tra le ancore e le espansioni polari. Un altro vantaggio del nuovo iniettore è il fatto che conservi le stesse dimensioni esterne e quindi non vada ad intaccare le dimensioni del proprio alloggiamento nella testa del motore. L’incremento di peso della valvola a spillo è inoltre molto limitato, se comparato all’aumento di pressione rispetto alla versione a 350 bar.
Un’altra innovazione riguarda la scelta di adottare l’iniettore di un doppio avvolgimento sul corpo dell’iniettore, che garantisce una maggiore compattezza dei singoli avvolgimenti e un’alta efficienza magnetica nel generare l’elevata forza richiesta per vincere le forze generate dall’alta pressione di esercizio. È inoltre assicurata un’alta resistenza meccanica del corpo dell’iniettore, grazie a un ottimale smaltimento del calore, asportato dalla benzina stessa che transita all’interno, permettendo di effettuare iniettate molto ravvicinate, risolvendo i problemi di surriscaldamento che tale strategia comporta.
ACCURATE QUANTITY DEVICE (AQD)
La fase di iniezione si divide in tre momenti distinti, che nel piano cartesiano che mette in relazione il tempo con la quantità iniettata di carburante si chiamano regioni o aree.
La regione più critica nell’iniezione è quella detta balistica, ed è quando la valvola a spillo è appena stata aperta e la forza idraulica che la teneva chiusa diminuisce in modo repentino. A causa di questa caduta di pressione, la fase balistica è caratterizzata da una forte instabilità, che provoca innumerevoli problematiche, tra cui una scarsa ripetibilità dell’iniezione e un difficile controllo della quantità iniettata. In questa zona la correlazione tra il tempo di eccitazione della bobina e la quantità di carburante iniettato diventa altamente non lineare. Successivamente, c’è la zona di transizione, dove la valvola a spillo è quasi completamente aperta, ma può incorrere in un rimbalzo nel momento in cui le superfici dell’àncora e del polo magnetico fisso vanno a contatto. Nella zona lineare invece, la valvola a spillo è completamente aperta e l’àncora magnetica mobile è a contatto con il polo fisso.
Per risolvere i problemi tipici della fase balistica, accentuati quando si aumenta la pressione di iniezione, Marelli ha sviluppato e brevettato l’Accurate Quantity Device (AQD), costituito da un disco con fori di passaggio benzina calibrati, installato sull’àncora. L’AQD, durante l’apertura dello spillo, genera una piccola differenza di pressione (meno di 15 bar), che contrasta l’accelerazione dello spillo, rendendo la sua apertura più controllata. In questo modo, l’iniettore IVHP di Marelli può funzionare correttamente anche nella regione balistica e non solo in quella lineare quando è completamente aperto. Inoltre, garantisce un passaggio più morbido tra la zona balistica e quella lineare.
Un ulteriore vantaggio dell’AQD è la riduzione del tempo di chiusura dell’iniettore, grazie alla maggiore forza idraulica che agisce sullo spillo quando l’iniettore è aperto e la conseguente diminuzione del flusso minimo iniettato nella regione lineare. Vi è inoltre il miglioramento della precisione delle quantità di iniezione, che è più ripetibile, e la riduzione del Dwell Time (DT, tempo logico tra le iniezioni), che scende a soli 200 µs. Tali caratteristiche sono uniche al mondo. Questi risultati sono ottenuti senza aumentare il carico della molla meccanica che mantiene in sede la valvola a spillo, modifica che comporterebbe un ulteriore aumento della forza magnetica per aprire l’iniettore.
CORREZIONE SOFTWARE ED ECU
Oltre all’hardware, cioè all’iniettore, Marelli ha sviluppato una nuova strategia di compensazione software denominata DRE (Dynamic Range Extension), al fine di ridurre la variazione del flusso iniettore-iniettore dovuta alle tolleranze di produzione. Dopo una breve fase di apprendimento, che viene effettuata alla fine del processo di assemblaggio del veicolo, il software calcola il comportamento di ogni iniettore montato sul motore e applica la giusta compensazione software. La strategia di correzione è applicata anche durante la vita del veicolo, per mantenere le stesse prestazioni anche dopo numerosi chilometri percorsi.
Un’altra importante correzione sviluppata da Marelli è quella che riguarda la strategia multi-iniezione, chiamata ECIC (Eddy Current Injector Compensation). In questo caso, il software adatta la durata di ogni iniezione ogni volta che viene eseguita una modalità di iniezione multipla, variando il tempo di attuazione delle iniettate successive alla prima, per ridurre al minimo la differenza di quantità iniettata tra ciascuna iniezione. La strategia di compensazione è stata collaudata con uno specifico banco prova di laboratorio, riproducendo le reali condizioni di lavoro del motore.
Marelli sta oggi lavorando anche per sviluppare la propria ECU. La ECU Marelli presenterà caratteristiche ottimizzate sulla potenza di azionamento degli iniettori, grazie alla gestione combinata di software e hardware. Grazie alla propria centralina, Marelli sarà in grado di rimuovere le barriere che oggi limitano l’utilizzo di questa nuova tecnologia di iniezione, in modo da poter raggiungere il pieno potenziale, come i 1000 bar di iniezione, mantenendo al tempo stesso sotto controllo i costi totali del sistema.
