Aprite il cofano di quasi qualsiasi auto venduta oggi, benzina o diesel, e l’impianto di alimentazione sotto funziona secondo lo stesso principio di base: una pompa ad alta pressione alimenta un tubo metallico condiviso — il common rail — mantenuto costantemente in pressione, dal quale iniettori elettronici spruzzano il carburante direttamente in ogni cilindro, più volte per singola fase di combustione, con tempistiche misurate in frazioni di millisecondo. Ha soppiantato l’iniezione indiretta sui motori a benzina e i sistemi meccanici a pompa per cilindro sui diesel in poco più di un decennio, perché ha risolto più problemi insieme — potenza, efficienza, raffinatezza. Ha anche creato un problema nuovo, le emissioni di particolato, che al programma di ricerca automotive della stessa UE è costato quasi un decennio per capire e risolvere fino in fondo.
Iniezione diretta: il carburante spruzzato nel cilindro, non nel condotto di aspirazione
Il vecchio sistema a iniezione indiretta (o “multipoint”) spruzza la benzina nel collettore di aspirazione, appena fuori dal cilindro, dove si miscela con l’aria in ingresso prima che si apra la valvola di aspirazione — semplice, economico, ma con il carburante che passa del tempo depositato sulle pareti calde del condotto prima della combustione, il che limita il controllo. L’iniezione diretta sposta l’iniettore direttamente nella camera di combustione, spruzzando il carburante sul cielo del pistone a pressioni che sui sistemi a benzina più recenti raggiungono i 350-500 bar, contro i circa 3-6 bar di un motore a iniezione indiretta. Quel salto fa due cose: atomizza il carburante in una nebulizzazione molto più fine, che brucia in modo più completo e prevedibile, e permette al motore di raffreddare la miscela aria-carburante per evaporazione direttamente dentro il cilindro, il che consente un rapporto di compressione più alto senza che il motore vada in detonazione — uno dei motivi principali per cui un moderno motore turbo a iniezione diretta di piccola cilindrata può eguagliare le prestazioni di uno molto più grande di una volta, la stessa logica di downsizing dietro il boom della sovralimentazione degli ultimi quindici anni.
Common rail: la stessa idea lato diesel, e da dove viene il nome
Il “common rail” è tecnicamente la versione diesel della storia, ed è la più vecchia delle due: prima del suo arrivo commerciale nel 1997 (Fiat/Bosch, montato per la prima volta sull’Alfa Romeo 156 JTD), i motori diesel usavano pompe di iniezione meccaniche che generavano pressione separatamente per ogni cilindro, in un impulso legato direttamente al regime motore — efficaci, ma rigide, rumorose, e impossibili da regolare finemente. Il common rail ha separato la generazione della pressione dall’iniezione: un’unica pompa ad alta pressione carica un unico tubo condiviso, mantenuto a pressione costante (fino a circa 2.500-2.700 bar sui sistemi attuali) indipendentemente dal regime motore, e ogni iniettore viene comandato in modo indipendente dalla centralina. Quella separazione è ciò che ha reso possibile la pre-iniezione pilota — un piccolo spruzzo di carburante appena prima dell’iniezione principale, che preriscalda la camera di combustione e ammorbidisce il picco di pressione brusco che fa “battere” un vecchio diesel — ed è il motivo singolo più importante per cui un diesel common rail moderno è nettamente più silenzioso e morbido di uno degli anni ’90, oltre a consumare sensibilmente meno per chilometro.
Più iniezioni per ciclo, non un solo spruzzo
Nessuno dei due sistemi spruzza il carburante una sola volta per ciclo. Una centralina moderna può comandare fino a cinque o più eventi di iniezione distinti all’interno di una singola fase di combustione — un piccolo spruzzo pilota per preparare la camera, l’iniezione principale che fa la maggior parte del lavoro, e una o più post-iniezioni temporizzate per finire di bruciare la fuliggine o per aiutare un catalizzatore a raggiungere la temperatura di esercizio più in fretta in un avviamento a freddo. Decidere come suddividere quel carburante, e esattamente quando far scattare ogni impulso, è uno dei compiti più impegnativi dal punto di vista computazionale che una centralina motore svolge in tempo reale, aggiustato continuamente in base a carico, regime, temperatura del liquido di raffreddamento e segnale del sensore di detonazione.
Il costo della pressione più alta: un problema di nanoparticelle che nessuno aveva mai misurato
I guadagni di efficienza dell’iniezione diretta sono arrivati con un effetto collaterale che ha colto di sorpresa l’industria: poiché il carburante viene spruzzato direttamente sul cielo del pistone e sulla parete del cilindro, relativamente freddi, invece di essere premiscelato con l’aria nel condotto di aspirazione, una parte brucia localmente in eccesso di carburante, producendo particelle di fuliggine — un problema che i diesel avevano sempre avuto e controllato con i filtri antiparticolato, ma che improvvisamente hanno condiviso anche i motori a benzina a iniezione diretta (GDI), in un intervallo dimensionale che i regolatori non avevano mai dovuto misurare prima: particelle sotto i 23 nanometri, abbastanza piccole da penetrare in profondità nel tessuto polmonare ma, fino a pochi anni fa, troppo piccole perché gli strumenti standard di omologazione potessero contarle in modo affidabile.
La risposta della ricerca UE: motori riprogettati e nuove regole di misura
Tra il 2016 e il 2019, l’UE ha finanziato un gruppo di progetti Horizon 2020, tutti sotto lo stesso bando “Green Vehicles”, per attaccare esattamente questo problema da entrambi i lati. Sul fronte motore, PaREGEn (“Particle Reduced, Efficient Gasoline Engines”, coordinato da Ricardo nel Regno Unito, €9,95M di contributo CE, 2016-2019) ha sviluppato strategie di combustione e iniezione per ridurre la formazione di particolato alla fonte nei motori a benzina di taglia media-premium, esattamente il segmento dove i motori turbo-GDI di piccola cilindrata erano diventati la norma. Sul fronte diesel, DiePeR (“Diesel efficiency improvement with Particulates and emission Reduction”, coordinato da AVL List in Austria, €7,21M di contributo CE, 2016-2019) ha spinto ulteriormente la pressione di iniezione e il controllo della combustione, per ridurre sia la CO2 sia le particelle più piccole e difficili da filtrare che la stessa pressione di iniezione più alta contribuiva a creare. Un progetto gemello dello stesso gruppo, DownToTen, ha passato gli stessi tre anni a sviluppare la vera e propria metodologia di misura — strumenti e protocolli di test in grado di contare in modo affidabile le particelle fino a 10 nanometri, sia su motori benzina che diesel a iniezione diretta, in condizioni di guida reale e non solo su ciclo di laboratorio. Insieme, i tre progetti hanno dato ai regolatori UE sia la tecnologia sia il “righello” necessari per scrivere i limiti sul numero di particelle sotto i 23nm oggi in vigore per le nuove auto omologate.
Verso dove va, mentre avanza l’elettrificazione
Iniezione diretta e common rail non spariranno finché si venderanno motori a combustione: anche un’ibrida leggera o una plug-in ha comunque bisogno che il suo motore bruci carburante nel modo più pulito ed efficiente possibile nel tempo in cui è effettivamente in funzione, e le pressioni di iniezione e il numero di eventi di iniezione sui sistemi più recenti continuano a salire, non a stabilizzarsi. Quello che sta cambiando è il contesto attorno: la stessa pressione verso l’efficienza che ha spinto così avanti la tecnologia di iniezione è oggi anche il motivo per cui gli ingegneri guardano a recuperare energia altrove nella catena cinematica, invece di spremere un’ulteriore frazione di punto percentuale dalla sola combustione.
Foto: © Car-Shooters