Iniezione di benzina: tecnologie di frontiera

Dalla Turbolent Jet Ignition fino all’iniezione di acqua, passando per la combustione dell’olio. Soluzioni estreme per aumentare le prestazioni e non solo.

Lo sviluppo dei motori a combustione interna si è certamente rallentato, perché nell’ultimo decennio quasi tutte le case hanno indirizzato la maggior parte degli investimenti verso la propulsione elettrica o quella ibrida. Esistono però molti campi dove lo sviluppo continua ed è specialmente rivolto all’aumento dell’efficienza in camera di combustione e al conseguente aumento delle prestazioni. Proprio in quest’ambito si trovano alcune soluzioni interessanti sotto il profilo tecnico e a volte piuttosto curiose. La Formula 1 è come sempre uno dei migliori banchi di prova, nonché il laboratorio sperimentale più importante per le tecnologie finalizzate alla prestazione pura e, come vedremo, anche alla limitazione dei consumi, che fino a qualche anno fa era considerato un parametro secondario

Il propulsore Mercedes-Benz PU 106C Hybrid, che nel 2016 ha consentito a Mercedes la vittoria del titolo costruttori e di quello piloti.

Ma non è solo la miscela di aria e carburante a entrare in camera di combustione. Capita infatti che i motoristi, messi alle strette da condizioni estreme o da regolamenti particolarmente restrittivi, sfruttino escamotage particolari, come l’utilizzo dell’acqua o dell’olio, con finalità diverse da quelle canoniche.


 

TURBOLENT JET IGNITION

Con l’introduzione dei piccoli 1.6L V6 turbo-ibridi nel 2014, le case produttrici di motori di Formula 1 hanno progressivamente adottato la tecnologia dell’iniezione turbolenta a Jet, detta TJI (Turbolent Jet Ignition). I progettisti hanno quindi cercato soluzioni alternative alla classica iniezione diretta, per poter ottenere prestazioni elevate, senza eccedere nell’apporto di carburante. L’attuale regolamento F1 impone infatti una limitazione del consumo: è ammessa l’immissione di massimo 105 kg di benzina nel serbatoio e allo stesso tempo il flusso massimo non può superare i 100 kg/ora. Il sistema TJI, progettato e sviluppato dalla Mahle, colosso tedesco specializzato nella componentistica automotive, sostituisce in modo radicale la classica iniezione diretta dei motori alimentati a benzina. La tecnologia TJI permette di sfruttare una miscela ultra magra in camera di combustione, rispetto al rapporto stechiometrico (14,7 kg di aria ogni kg di benzina), aumentando l’efficienza, quindi le prestazioni a parità di consumi.

Un corto circuito proprio a una delle centraline che gestiscono l’iniezione ha impedito a Leclerc una storica vittoria al Gran Premio del Bahrein il 31 marzo scorso.

Il cuore del sistema TJI è composto da una piccola pre-camera, posizionata al di sopra di quella principale e direttamente collegata ad essa. All’interno della pre-camera un iniettore apporta, ad ogni ciclo, una piccolissima quantità di carburante (meno del 5% del totale richiesto), e una candela fa scoccare la scintilla per l’accensione della miscela creata. Il gas infuocato e parzialmente combusto viene quindi indirizzato, con un moto fortemente turbolento, verso la camera principale, attraverso piccoli orifizi (da 4 a 8 a seconda dell’applicazione). La camera di combustione principale è a sua volta alimentata da un iniettore convenzionale, che distribuisce il rimanente 95% della carica (cioè la miscela aria-carburante). L’iniettore principale può agire direttamente nella camera di combustione (iniezione diretta, o GDI – Gasoline Direct Injection), ma anche nel condotto di aspirazione (iniezione indiretta, o PFI – Port Fuel Injection).

Con la tecnologia Turbolent Jet Ignition, il 5% di carburante viene iniettato in una pre-camera e la miscela creata viene accesa da una candela posta a fianco dell’iniettore. La carica già in combustione passa poi tramite orifizi nella camera principale.

La differenza rispetto all’iniezione diretta convenzionale è che la carica viene accesa non più da un singolo punto (creato dalla scintilla della candela), bensì da punti multipli, creando una combustione più rapida e omogenea, con un aumento di pressione in camera repentino ma lineare. Inoltre, tale processo consente di incrementare i rapporti di compressione, nei casi più estremi fino a 4 punti, rispetto all’iniezione diretta convenzionale, grazie al massimo controllo della combustione che evita la detonazione. La migliore combustione permette una sensibile riduzione dei consumi (i test hanno dimostrato consumi specifici al di sotto dei 200 g/kWh) e una efficienza termica complessiva del propulsore che può sfiorare il 45%. Per quanto riguarda le emissioni, la riduzione è soprattutto sul fronte del particolato, se il sistema viene comparato a un’equivalente iniezione diretta. Il TJI è un sistema di ultima generazione, che molto probabilmente avrà una buona diffusione nei prossimi anni anche nelle vetture di serie, perché ha un grandissimo potenziale, non solo a livello prestazionale, ma anche sul fronte delle emissioni e dei consumi.


QUANDO IL CARBURANTE NON BASTA

Le stringenti limitazioni sui consumi di carburante in Formula 1, pare abbiano indotto i progettisti motoristi a trovare, negli stagioni passate, metodi per aggirare il regolamento, come bruciare i vapori di olio in camera di combustione, per avere una spinta aggiuntiva, un “extra boost” di potenza senza intaccare il flusso consentito di benzina. I vapori d’olio possono infatti essere ricircolati e re-immessi in camera di combustione, miscelandoli all’aria in aspirazione, oppure è possibile far trafilare l’olio da sotto il pistone, passando attraverso le fasce elastiche, grazie a un olio a bassissima viscosità. L’olio di lubrificazione è un liquido ad alto potere calorifico, in grado di bruciare e fornire energia, e quindi la sua introduzione in camera può far sì di aumentare in modo artificioso la quantità complessiva di carburante utilizzata. Dopo un turbinio di polemiche e accuse tra i vari Team nelle stagioni 2016 e 2017, la FIA è intervenuta, prima limitando il consumo di olio (1,2 litri ogni 100 km) e poi, l’anno scorso, nel 2018, negando la possibilità di effettuare qualsiasi rabbocco durante le qualifiche. Il doppio intervento della federazione sembra aver confermato questi sospetti, anche se niente di certo è mai emerso, visto che le tecnologie all’interno di un motore da Formula 1 sono sempre molto protette e confidenziali.

La tecnica di far trafilare l’olio da sotto il pistone, tramite le fasce elastiche, verso la camera di combustione. Ciò permetteva di aggirare il regolamento della F1, che esplicitamente vieta l’iniezione di olio per aumentare in modo artificiale la quantità di carburante. La FIA è in seguito intervenuta abolendo qualsiasi rabbocco di olio.

L’INIEZIONE DI ACQUA

La difficoltà di smaltire il calore generato dalla combustione, per motori ad altissima potenza specifica, ha portato al recente sviluppo, da parte di Bosch, di una soluzione tanto semplice quanto efficace, l’iniezione di acqua. L’idea non è di certo nuova, ricordiamo simili soluzioni in ambito aeronautico durante la seconda guerra mondiale oppure negli ’80 in F1 e nel mondiale Rally, ma è la prima volta che l’applicazione viene sfruttata con l’iniezione diretta di carburante e con un controllo elettronico di ultima generazione in grado di dosare in modo molto accurato la quantità di acqua. Il sistema prevede l’iniezione di acqua finemente nebulizzata a una pressione di circa 10 bar, nel condotto di aspirazione, a valle dell’intercooler, con lo scopo di raffreddare la camera di combustione e i gas di scarico. Il calore latente di vaporizzazione dell’acqua sottrae calore alla miscela che viene raffreddata, ciò permette di evitare l’insorgere della detonazione e quindi rendere possibile l’aumento del rapporto di compressione e della potenza generata. Inoltre anche la sollecitazione termica dei componenti meccanici viene ridotta e aumenta il rendimento volumetrico, perché se la carica è più fredda è anche più densa. L’aumento del rapporto di compressione e del rendimento volumetrico porta a migliorare l’efficienza complessiva e quindi a beneficiarne sono anche i consumi (Bosch afferma fino al 13% in meno). Finora, l’unica auto di serie che ha adottato questa tecnologia è la BMW M4 GTS, prodotta in soli 803 esemplari, il cui 3.0L 6 cilindri vanta circa 70 cavalli di potenza in più rispetto alla “normale” M4 (500 contro 431).

La tecnologia introdotta da Bosch nel 2016 consiste nell’iniezione di acqua nebulizzata a 10 bar nel condotto di aspirazione del motore, a valle dell’intercooler. Il calore latente di vaporizzazione consente di raffreddare la miscela, migliorando l’efficienza e diminuendo le sollecitazioni termiche.

L’auto è equipaggiata con un serbatoio di 5 litri di acqua demineralizzata, all’incirca sufficienti per percorrere 3000 km in modo regolare, oltre i quali la vettura continua a funzionare, ma in modo depotenziato, per evitare l’aumento eccessivo della temperatura. Allo sviluppo c’è anche un sistema che consente di recuperare l’acqua dalla condensa generata dal climatizzatore dell’abitacolo, facendo quindi un refill automatico del serbatoio.

Con l’iniezione di acqua nebulizzata in camera di combustione, Bosch ha permesso alla BMW M4 GTS (sopra) di raggiungere 500 cavalli di potenza, grazie al raffreddamento della carica e al conseguente miglioramento dell’efficienza. Non solo, si stima una diminuzione dei consumi fino al 13%.