Iniettori diesel: tipologie e funzionamento

Gli iniettori diesel sono il cuore del sistema di iniezione del carburante nei moderni motori diesel.

Il suo scopo principale è quello di spruzzare il gasolio ad alta pressione all'interno della camera di combustione, creando una nebbia omogenea di goccioline fini che favorisce una miscelazione efficiente con l'aria calda compressa.

Un processo di iniezione preciso e controllato aiuta a ottimizzare le prestazioni del motore, ridurre le emissioni inquinanti e migliorare il risparmio di carburante.

Esistono diverse tecnologie di iniettori diesel, ciascuna con caratteristiche uniche di progettazione, controllo e applicazione.

Principio di base di operazione

Un iniettore diesel è composto principalmente da:

Portaugello: blocco di acciaio che guida il carburante dalla linea ad alta pressione alla camera di pressione interna.

Valvola a spillo (o ago dell'iniettore): pistone conico che sigilla ermeticamente i fori di uscita dell'ugello a riposo.

Molla: forza che mantiene chiusa la valvola finché la pressione del carburante non supera la soglia necessaria per aprirla.

Ugello: pezzo perforato con uno o più fori attraverso i quali viene espulso il carburante ad altissima pressione.

Bobina o cristallo piezoelettrico: attuatore che, ricevendo un segnale elettrico, consente o impedisce l'apertura della valvola.

Raccordo di ritorno: sigilla l'iniettore ed evacua il carburante in eccesso per la lubrificazione interna e il ritorno al serbatoio.

Durante ogni ciclo motore, la pompa diesel genera pressioni che possono variare da 100 a 2.000 bar. Quando il carburante in pressione raggiunge il portaugello e supera la forza della molla, l'ago si solleva, rilasciando il carburante attraverso gli orifizi dell'ugello. Quando la pressione viene rilasciata, la molla spinge l'ago contro la sua sede sigillata, interrompendo il flusso.

Iniettori elettromagnetici (solenoidi)

Gli iniettori di I solenoidi sono i più comuni nei motori diesel più vecchi. Il loro elettromagnete è costituito da una bobina di filo di rame che genera un campo magnetico quando riceve corrente elettrica. Questo campo vince la forza della molla e solleva l'ago, avviando l'iniezione.

Caratteristiche:

Tempo di apertura/chiusura: circa 1 ms, sufficiente per una singola fase di iniezione.

Controllo: gestito dall'unità di comando (ECU) tramite impulsi elettrici a larghezza variabile (PWM).

Vantaggi: prezzo moderato, robustezza e facile integrazione in sistemi meccanici ed elettronici.

Limitazioni: risposta più lenta rispetto al piezoelettrico; controllo della pressione e della quantità meno preciso per iniezioni molto brevi.

Questi iniettori vengono solitamente utilizzati nei sistemi di iniezione common rail di prima e seconda generazione, in cui la pressione del rail è elevata, ma la centralina non richiede ancora impulsi estremamente brevi o iniezioni multiple.in un unico ciclo.

Iniettori piezoelettrici

Gli iniettori piezoelettrici rappresentano l'evoluzione più avanzata nella tecnologia di iniezione diesel. Invece di una bobina, utilizzano cristalli piezoelettrici che, quando viene applicato un impulso elettrico, si deformano istantaneamente e trasmettono la forza direttamente all'ago.

Caratteristiche:

Velocità di risposta: decimi di millisecondo, consentendo più eventi di iniezione in un singolo ciclo (pre-iniezione, principale e post-iniezione).

Precisione: estrema accuratezza nel controllo della quantità di carburante, ottimizzando la combustione e riducendo le emissioni di NOx e di particolato.

Complessità e costi: sono più costosi e richiedono circuiti elettronici specifici nella centralina e un'attenta gestione termica.

Applicazioni: motori diesel ad alta efficienza e basse emissioni (Euro 6 e superiori), turbodiesel ad alte prestazioni.

Grazie alla loro capacità di gestire sequenze di iniezione molto brevi, gli iniettori piezoelettrici rendono la combustione più fluida, riducono il rumore del motore e migliorano il comfort acustico.

Iniettori meccanici e sistemi pompa-iniettore

Prima che il Common Rail diventasse popolare, i sistemi diesel utilizzavano iniettori meccanici in combinazione con pompe distributrici o pompe unitarie:

1. Pompa rotativa (distributore): una pompa genera alta pressione e la distribuisce sequenzialmente a ciascun iniettore mediante un rotore interno.
2. Pompe invertite (iniettori-pompa): ogni cilindro ha una pompa ad alta pressione integrata direttamente sull'iniettore. La pressione viene generata localmente in ogni unità.

Caratteristiche:

• Gruppo pompa-iniettore: compatto e in grado di raggiungere pressioni moderate (fino a 900 bar).
• Vantaggio: elimina le tubazioni ad alta pressione, riduce il numero di guarnizioni e punti di perdita.
• Svantaggi: maggiore peso, complessità meccanica e rumore; controllo dell'iniezione meno versatile rispetto al common rail.

Sebbene siano ormai obsoleti nelle automobili, i sistemi pompa-iniettore continuano a essere utilizzati nelle applicazioni industriali e nei macchinari pesanti, grazie alla loro semplicità e alla tolleranza ai carburanti di bassa qualità.

Sistema Common Rail

Il Common Rail ha rivoluzionato l'iniezione diesel nei primi anni 2000. La sua architettura separa la generazione di pressione dal dosaggio del carburante:

• Common rail: tubo accumulatore che mantiene costante la pressione del carburante ad alta (fino a 2.500 bar) per tutti i cilindri.
• Pompe ad alta pressione indipendenti: aumentano la pressione al rail.
• Iniettori a solenoide o piezoelettrici: ricevono carburante pressurizzato dal rail e lo erogano sotto il controllo diretto della centralina.

Vantaggi:

• Indipendenza tra pressione di iniezione e regime del motore.
• Possibilità di più iniezioni fini per ciclo: migliora l'efficienza, riduce il rumore e le emissioni inquinanti.
• Flessibilità: adattamento automatico alle condizioni di carico e temperatura.

Il Common Rail è ormai lo standard nei motori diesel per autoveicoli, offrendo la migliore combinazione tra risparmio di carburante, prestazioni e conformità alle normative ambientali.

Manutenzione e guasti comuni

Le condizioni degli iniettori influiscono direttamente sulle prestazioni e sulla longevità del motore:

• Blocco o usura dell'ago/ugello: provoca perdita di potenza, strappi e fumo nero.
• Perdite interne o esterne: elevato consumo di carburante e difficoltà di avviamento a freddo.
• Guasti elettrici (solenoide bruciato o piezocristallo danneggiato): mancata sincronizzazione e perdita di iniezione in uno o più cilindri.
• Contaminazione del carburante: sedimenti e acqua danneggiano i componenti interni.

L'era del Common Rail (1997-oggi)

Il Common Rail separa la generazione della pressione dal dosaggio, rivoluzionando l'iniezione diesel:

• Fine anni '90: il CR raggiunge 140–160 MPa con le pompe Bosch CP1 e CP2, consentendo doppie iniezioni per ciclo.
• Seconda generazione: pressioni elevate a 180–200 MPa e strategia trifase (pre, principale e post-iniezione) per il trattamento delle emissioni di particolato e NOx.
• Terza generazione: attuatori piezoelettrici con tempi di risposta di 0,1 ms, che consentono fino a cinque iniezioni fini e un'atomizzazione superiore.
• Quarta generazione: pressioni fino a 250 MPa con sovralimentazione idraulica interna negli iniettori, controllo migliorato del picco termico ed emissioni bassissime【^10】.

Gli attuali sistemi CR sono conformi alle normative Euro 6 e future, ottimizzando il consumo di carburante, riducendo il rumore e consentendo il downsizing grazie ai turbocompressori.