Analisi multifase-euleriana di un iniettore multiforo per motori GDI

Introduzione 
Introduzione 
Il mercato dell’automobile si divide in due grandi categorie per quanto riguarda la tipologia 
dei motori adottati: da una parte i motori ad accensione per compressione (o ad accensione 
spontanea, AC) e dall’altra i motori ad accensione a scintilla (o ad accensione comandata, 
AS). 
Negli ultimi anni i primi sono stati soggetti a numerosi sviluppi che si sono conclusi con 
l’adozione dell’iniezione diretta tramite sistemi common-rail: grazie a questo e ad altri 
miglioramenti, grazie all’assenza della valvola a farfalla e grazie ad un più elevato rapporto di 
compressione, i motori diesel hanno incrementato il loro rendimento distaccando 
ulteriormente il rivale a ciclo otto. 
In compenso, la recente disponibilità di raffinati sistemi di iniezione benzina a basso costo ha 
rinnovato l’interesse, da parte di molte case automobilistiche, verso l’adozione dell’iniezione 
diretta nei motori ad accensione comandata (GDI, Gasoline Direct Injecton). 
Il principale obiettivo che si vuole raggiungere adottando il sistema GDI è di eliminare ai 
carichi parziali l’uso della valvola a farfalla ed effettuare la regolazione del carico variando la 
quantità di combustibile iniettata per ciclo. 
Questo sviluppo, assieme ad un più efficace sfruttamento dell’aria aspirata e ad una più 
elevata potenza specifica, permetterebbe al motore a ciclo otto di competere in termini di 
rendimento termodinamico con il motore diesel. 
L’adozione dei sistemi ad iniezione diretta introduce una notevole serie di vantaggi che si 
traducono in una riduzione dei consumi e degli inquinanti il tutto grazie ad una maggiore 
precisione nella dosatura del combustibile, ad un migliore riempimento dei cilindri e alla 
possibilità di utilizzare molteplici strategie di iniezione. 
Una possibilità offerta dai motori GDI, infatti, è proprio quella di adottare differenti strategie 
in relazione al carico del motore. 
L’adozione dell’iniezione diretta comporta dunque lo sviluppo di una tipologia di iniettori in 
grado di soddisfare le richieste inerenti alle varie strategie di funzionamento.: l’iniettore deve 
essere in grado di creare uno spray che, in tutte le condizioni di funzionamento, produca una 
forte polverizzazione del combustibile per evitare la formazione di idrocarburi incombusti. 
Il ridotto tempo a disposizione per l’evaporazione e la miscelazione richiede, infatti, un 
diametro medio delle gocce del combustibile con un ordine di grandezza inferiore rispetto agli 
iniettori tradizionali: da un valore di 200µm a uno di 20µm. 
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Introduzione 
La tipologia di iniettori più adatta si è rivelata quella che realizza una struttura a cono cavo 
dello spray, con un grande angolo di apertura permettendo quindi di inglobare un’elevata 
quantità d’aria al suo interno. 
La guida dello spray, in genere, è affidata o a moti della carica che si realizzano grazie alla 
conformazione dei condotti di aspirazione oppure attraverso una cavità ricavata sul cielo del 
pistone. 
Oggi, il progettista ha a disposizione strumenti di calcolo altamente evoluti che hanno 
permesso un’analisi del dettaglio del processo di iniezione, il vero cuore del sistema GDI. 
Grazie alla simulazione virtuale CFD (Computational Fluid Dynamics) e alla notevole massa 
di informazioni che essa è in grado di produrre, si è ora in grado di riprodurre per via 
numerica il fenomeno fisico in maniera anche molto dettagliata, permettendone una analisi 
che in certi casi può dare spunto per successivi miglioramenti o nuove strategie. 
Si consideri inoltre che la fase di progettazione di un motore si fonda sempre su modelli, dati 
ed esperienze precedenti e quindi, in un’ottica di produzione aziendale, più che di 
progettazione spesso si può parlare d’ottimizzazione. 
In tal senso si può comprendere come le simulazioni CFD possono avere un ruolo 
fondamentale nell’individuazione e nel confronto di nuove strategie senza che le aziende 
debbano utilizzare importanti risorse nella realizzazione di modelli reali. 
Se dunque l’iniettore può essere considerato la chiave di svolta per una riscoperta del motore 
ad iniezione diretta, si rende allora necessario comprendere sempre meglio quelli che sono i 
fenomeni che governano il processo stesso di iniezione. 
La simulazione CFD al calcolatore sembra allora il metodo migliore per iniziare a 
comprendere fisicamente il comportamento del sistema di iniezione e in questa tesi si cerca di 
indagare appunto quale che sia la metodologia migliore per effettuare questo tipo di analisi. 
Non si ha certo la pretesa di esaurire completamente l’argomento, ma piuttosto di fornire gli 
spunti per ricerche e sviluppi futuri: una base di partenza per simulazioni più mirate allo 
studio in differenti condizioni di iniezione data anche la quasi totale mancanza di letteratura a 
riguardo. 
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Capitolo 1 Introduzione: l’iniezione diretta di benzina 
Capitolo 1 
Introduzione: l’iniezione diretta di benzina 
1.1 Breve storia dei sistemi di iniezione diretta 
La storia dei sistemi di iniezione diretta di benzina comincia nella prima metà del secolo 
scorso e viene sviluppata soprattutto a cavallo della seconda guerra mondiale. 
Come spesso accade lo stimolo verso l’innovazione nasce da nuove esigenze, come la 
possibilità di garantire una corretta alimentazione di carburante in tutte le condizioni di volo 
nel campo dell’aviazione oppure per migliorare le prestazioni dei motori in campo 
automobilistico aumentandone la potenza specifica. 
Furono i tedeschi in collaborazione con la Bosch a sviluppare per primi i sistemi ad iniezione 
diretta per velivoli militari mentre gli americani introdussero un sistema con carburatore a 
iniezione indiretta: entrambi i sistemi garantivano la corretta alimentazione in tutti gli assetti 
di volo e non presentavano rischio di formazione di ghiaccio in prossimità della valvola a 
farfalla ma alcuni vantaggi erano propri solamente dell’alimentazione ad iniezione diretta: il 
fenomeno della detonazione subiva una drastica riduzione e la distribuzione della carica nei 
cilindri risultava più uniforme. 
Nacquero così velivoli che hanno scritto la storia dell’aviazione come il Messerschmitt Me 
(Bf) 109 G-6 equipaggiato con il motore Daimler Benz DB 605 A dotato di iniezione diretta 
Bosch. 
Fig. 1.1.1 – Motore Daimler Benz DB 605 A 
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Capitolo 1 Introduzione: l’iniezione diretta di benzina 
Fig. 1.1.2 – Motore Daaimler Benz DB 605 A 
Sempre i tedeschi negli anni ’50 introdussero nelle competizioni automobilistiche l’iniezione 
diretta di benzina, in particolare su una vettura da Formula 1, la Mercedes W196: nonostante 
il sistema Bosch fosse ti tipo meccanico, dunque nemmeno lontanamente paragonabile ai 
moderni sistemi di iniezione diretta, non v’è dubbio che esso contribuì in modo sostanziale a 
rendere tali macchine vincenti. 
Successivamente, come spesso anche oggi accade, dalle competizioni l’idea dell’iniezione 
diretta di combustibile fu introdotta nel settore delle automobili di serie: nacque così nel 1956 
la celeberrima Mercedes 300SL detta “ali di gabbiano” per l’apertura delle sue porte con un 
meccanismo ad ala. 
Per garantire l’elevato valore della pressione di iniezione necessario ad azionare gli iniettori il 
sistema era dotato di una pompa in linea con sei pompanti simile a quella utilizzata nei 
propulsori a ciclo Diesel con un rail comune a tutti gli iniettori (dettaglio in figura 1.1.4). 
Fig. 1.1.3 – Mercedes 300SL del 1965 
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Capitolo 1 Introduzione: l’iniezione diretta di benzina 
Fig. 1.1.4 – Dettaglio del rail 
L’iniezione diretta di benzina viene però presto abbandonata e sostituita da quella indiretta: 
oltre ad essere per l’epoca estremamente costosa dava infatti luogo a diversi problemi. 
Primo fra tutti la difficoltà di iniettare direttamente il combustibile nel cilindro raggiungendo 
gli elevati valori di pressione necessari dovuto soprattutto alle scarse proprietà lubrificanti 
della benzina (lo stesso problema non si presenta iniettando gasolio); inoltre tali sistemi erano 
in grado di fornire elevate potenze ma avevano il difetto di rendere ruvido e poco elastico il 
funzionamento del propulsore che poteva anche presentare problemi di lubrificazione . 
Il getto di combustibile iniettato direttamente all’interno della camera di combustione 
impattando contro le pareti del cilindro dilavava infatti il sottile film di lubrificante presente: 
ciò portava ad una rapida usura dello stesso e a possibili grippaggi. 
Negli ultimi anni, per via delle sempre più stringenti limitazioni sugli inquinanti emessi dalle 
autovetture e per la ricerca di più elevati rendimenti dei propulsori a ciclo Otto, l’iniezione 
diretta di benzina si è riaffacciata sul panorama dei moderni sistemi di alimentazione anche 
grazie alle infinite possibilità di regolazione offerte dalla moderna elettronica di controllo. 
Verso la fine degli anni ’90 la casa costruttrice giapponese Mitsubishi ha per prima messo a 
punto un motore basato sul sistema di iniezione GDI (Gasoline Direct Injection) e montato su 
fuoristrada di grande serie, ma le case costruttrici europee e non solo non hanno tardato a 
seguire l’esempio e troviamo oggi in listino sempre più modelli di vetture equipaggiate con 
l’iniezione diretta di benzina. 
Vediamo ora un’analisi in dettaglio di quali sono i vantaggi e gli svantaggi di questo tipo di 
iniezione per cercare di comprendere le ragioni della sua riscoperta. 
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Capitolo 1 Introduzione: l’iniezione diretta di benzina 
1.2 Vantaggi dei sistemi di iniezione diretta 
Per comprendere quali siano i vantaggi dei sistemi GDI (Gasoline Direct Injection) è 
necessario un confronto con i sistemi tradizionali d iniezione indiretta multipoint denominati 
per brevità PFI (Port Fuel Injection); non sarebbe corretto un confronto con sistemi single 
point in quanto caratterizzati da un unico iniettore posizionato a monte dei singoli condotti di 
aspirazione dei cilindri e comunque ormai in disuso. 
La sostanziale differenza fra le due soluzioni è il meccanismo che porta alla formazione della 
miscela: nei tradizionali sistemi multipoint la miscelazione ha inizio nel condotto di 
aspirazione nel quale si affaccia l’iniettore, continua poi nella sezione ristretta di passaggio 
attraverso la valvola di aspirazione e si completa all’interno del cilindro dove si raggiungono, 
durante la fase di compressione, le condizioni ottimali per l’accensione della carica. 
Nei sistemi GDI, invece, l’iniettore si affaccia direttamente nella camera di combustione e lo 
spray che si genera durante l’iniezione penetra nell’atmosfera circostante mescolandosi 
all’aria attraverso complessi meccanismi di breakup e di evaporazione (un po’ come avviene 
da sempre per i motori a ciclo Diesel). 
Nella soluzione PFI l’iniettore ha il solo compito di dosare la giusta quantità di combustibile e 
non quella di iniettare ad elevate pressioni, il percorso che il carburante dovrà affrontare ne 
permetterà l’evaporazione. 
Parte della benzina va a depositarsi sulle pareti fredde del condotto di aspirazione (fenomeno 
del wall wetting) e pertanto gocce di combustibile si distaccano dalle pareti e vengono 
trascinate all’interno del cilindro: questo fenomeno, specialmente nel funzionamento a freddo, 
dà origine ad incombusti o richiede un apposito sistema in grado di riscaldare i condotti di 
aspirazione all’avviamento 
Inoltre, l’evaporazione del combustibile, avviene sottraendo il calore latente di evaporazione 
necessario soprattutto dalla valvola di aspirazione e non dall’aria aspirata con conseguenze 
negative per il coefficiente di riempimento del motore. 
Infine, per il corretto funzionamento del catalizzatore trivalente e per ottenere una buona 
accensione, il valore del titolo della miscela aspirata deve essere nell’ordine dello 
stechiometrico, ovvero 14,7 parti di aria su parti di benzina aspirata. 
Al contrario, nei sistemi GDI, l’iniettore ha un compito di primaria importanza per il controllo 
della combustione: le gocce di combustibile penetrano ad elevata velocità nella camera di 
combustione ed interagendo can l’aria aspirata si frantumano ed evaporano, la qualità dello 
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Capitolo 1 Introduzione: l’iniezione diretta di benzina 
spray generato è di fondamentale importanza per il controllo e lo sviluppo della fase di 
combustione. 
Il propulsore GDI è in grado di funzionare sia in regime di carica omogenea, come un classico 
motore ad iniezione indiretta, sia in regime di carica stratificata e i vantaggi sono evidenti 
anche nel funzionamento a carica omogenea: in questo caso l’evaporazione del combustibile 
iniettato direttamente all’interno del cilindro avviene attraverso la sottrazione di calore all’aria 
aspirata che vede dunque la propria densità aumentare. 
Il coefficiente di riempimento aumenta con benefici effetti sul rendimento indicato η e 
i
dunque sulla potenza termica: questo permette infatti di innalzare il rapporto di compressione 
anche fino a 1,6 punti percentuali senza per questo incorrere nel fenomeno della detonazione. 
La riduzione della temperatura della miscela comporta come già detto un aumento del 
rendimento e della potenza del motore perché si riduce il fenomeno della dissociazione e 
aumenta il rapporto γ tra i calori specifici a pressione e volume costante (si ricorda che il 
1-γ
rendimento η del ciclo Otto ideale è: η=1-ρ, dove ρ rappresenta il rapporto di compressione 
volumetrico). 
Il fenomeno della dissociazione è causato dal fatto che alle elevate temperature i prodotti della 
combustione, come l’anidride carbonica e l’acqua, non sono stabili, ma tendono a dissociarsi 
mediante reazioni endotermiche che vanno a diminuire il calore trasformabile in lavoro 
(assorbendolo). 
Diminuendo la temperatura media a cui si svolge il ciclo, nel motore GDI, gli equilibri di 
queste reazioni chimiche sono sempre più spostati verso i reagenti e di conseguenza la perdita 
di rendimento associata alla dissociazione si riduce. 
Oltre a questi vantaggi è possibile ridurre ulteriormente i consumi di combustibile e le 
emissioni allo scarico facendo funzionare, ai carichi medio-bassi, il motore con carica 
stratificata, cioè con una miscela globalmente povera o molto povera ma che risulta però ricca 
nelle immediate vicinanze degli elettrodi della candela 
Il risultato è rappresentato da una combustione stabile anche in presenza di elevati eccessi 
d’aria e i consumi di carburante diminuiscono senza dover rinunciare alle prestazioni del 
motore. 
La carica risulta dunque concentrata nell’intorno degli elettrodi della candela e tutt’attorno si 
ha un notevole eccesso di aria che funge come da isolante durante la combustione assorbendo 
calore ed evitando dissipazioni verso l’esterno attraverso le pareti del cilindro. 
Il controllo della carica stratificata è ancora in fase di studio e verrà probabilmente sviluppato 
nei prossimi anni, sarà così possibile grazie ai moderni controllori elettronici e ad iniettori ad 
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Capitolo 1 Introduzione: l’iniezione diretta di benzina 
elevata pressione regolare il motore ciclo Otto per qualità (e non più per quantità) come 
accade per i motori ciclo Diesel. 
Si potrà ovvero arrivare all’eliminazione della valvola a farfalla nel condotto di aspirazione 
che è causa di perdite fluidodinamiche ai bassi carichi e avvicinare così sempre più il 
rendimento dei motori a ciclo Otto al più elevato rendimento dei motori ciclo Diesel. 
1.3 Svantaggi dei sistemi di iniezione indiretta 
La stessa strategia di funzionamento dei motori GDI lean burns (ovvero con miscele magre e 
magrissime) è causa di un grande inconveniente: l’eccesso di aria produce dei gas di scarico 
con più elevate concentrazioni di ossidi di azoto, comunemente detti NOx, perché viene 
impedita la loro riduzione da parte del catalizzatore trivalente che per funzionare necessita 
infatti di un titolo di ossigeno oscillante attorno al valore stechiometrico. 
Il meccanismo di formazione degli ossidi di azoto nei motori a carica stratificata è semplice: il 
titolo nell’intorno della candela è ricco e in questo punto si sviluppa dunque una combustione 
ad elevate temperature che investe i margini della carica aventi un titolo molto più magro: è 
questa la zona in cui avviene la formazione degli NOx. 
Una soluzione ampiamente collaudata per ridurre le emissioni di ossidi di azoto consiste 
nell’utilizzare l’EGR (Exaus Gas Recirculation): questa tecnica consiste nel ricircolare, 
attraverso un apposito circuito o in modo naturale, una certa quantità di gas di scarico 
all’interno del cilindro. 
L’effetto che si ottiene è quello di ridurre la temperatura massima ottenibile in camera di 
combustione e la pressione parziale dell’ossigeno, entrambe cause principali della formazione 
degli NOx. 
Questa soluzione è efficace fin quando il carico e il regime di rotazione del motore sono bassi 
e conseguentemente la quantità di ossidi di azoto non è molto rilevante, ma all’aumentare del 
carico e del numero di giri il solo EGR non è più sufficiente per abbattere le emissioni. 
Per rientrare dunque nelle normative anche in queste condizioni di funzionamento si possono 
allora adottare due differenti soluzioni: la prima è quella adottata da Alfa Romeo sul motore 
denominato JTS (Jet Thrust Stoichiometric), appena al di sopra del minimo si rinuncia alla 
carica povera passando ad un titolo complessivamente stechiometrico, in questo modo è 
possibile ancora adottare un classico catalizzatore trivalente per trattare i fumi allo scarico. 
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Capitolo 1 Introduzione: l’iniezione diretta di benzina 
Se si vuole invece far funzionare il motore con carica complessivamente povera anche ad un 
elevato numero di giri e ad un carico più elevati è necessario introdurre un particolare sistema 
di trattamento dei fumi che sia in grado di ridurre gli NOx anche in presenza di abbondante 
ossigeno libero: si tratta dei cosiddetti catalizzatori deNOx. 
La catena di post trattamento dei gas è composta da un precatalizzatore e da un catalizzatore 
che contengono metalli nobili quali platino, palladio e rodio e un composto a base di bario, in 
figura si riporta un esempio adottato sui motori ad iniezione diretta del gruppo PSA. 
Fig. 1.3.1 - Esempio di catalizzatore deNOx 
montato sui propulsori del gruppo PSA 
Un inconveniente del catalizzatore deNOx è il cattivo funzionamento in presenza di zolfo che 
“avvelena” i metalli nobili presenti fissandoli rendendo il catalizzatore inservibile; purtroppo 
le benzine normalmente in commercio in Europa hanno un elevato contenuto in zolfo (anche 
maggiore di 50ppm). 
È dunque questo il motivo che ha spinto Alfa Romeo a sviluppare il sistema JTS e Renault a 
sviluppare il sistema IDE che non prevedono un trattamento con catalizzatore deNOx: per 
contenere dunque le emissioni nel motore Alfa Romeo si rende necessario il passaggio ad un 
funzionamento con carica complessivamente stechiometrica già dopo i 1500 giri/min mentre 
nel motore Renault, per aggirare l’ostacolo del catalizzatore specifico, si è rinunciato 
totalmente alla combustione magra. 
Tuttavia, prima in paesi come la Germania e poi nel resto del continente europeo, si stanno 
sempre più diffondendo benzine a basso tenore di zolfo (meno di 10ppm). 
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Capitolo 1 Introduzione: l’iniezione diretta di benzina 
L’obiettivo dunque degli studi sull’iniezione diretta di benzina è dunque quello di aumentare 
il range di funzionamento del motore con miscela povera in modo da rendere definitivamente 
competitiva la soluzione GDI. 
È poi necessario garantire un passaggio graduale dal funzionamento con miscela povera a 
quello con miscela complessivamente stechiometrica in modo da rendere gradevole la guida 
delle vetture dotate di questi propulsori. 
Negli ultimi anni sono stati fatti notevoli passi in avanti in questa direzione grazie soprattutto 
all’elettronica di controllo ed alla tecnologia degli iniettori. 
1.4 Le strategie di funzionamento: la stratificazione della carica 
L’obiettivo che ci si pone a lungo termine è dunque quello di realizzare la regolazione del 
propulsore benzina ad iniezione diretta controllando solamente la quantità di combustibile 
iniettata per ciclo eliminando così la valvola a farfalla rappresenterebbe un notevole passo in 
avanti per i motori ad accensione comandata: in questo modo le differenze fra motori GDI e 
motori a ciclo Diesel tenderanno sempre più a ridursi da questo punto di vista. 
Rispetto a questi ultimi però i motori GDI presentano una complicazione superiore. 
Nel motore a ciclo Diesel è “sufficiente” iniettare la miscela e portarla nelle condizioni di 
autoaccensione e la combustione ha inizio nella zona in cui si raggiungono le condizioni 
necessarie, nei motori GDI, invece, se si vuole funzionare in condizioni di carica stratificata, è 
necessario indirizzare la parte di miscela con rapporto stechiometrico nelle vicinanze della 
candela. 
La posizione fissa della candela richiede allora che la carica venga sempre adeguatamente 
“guidata” verso di essa per evitare la non accensione. 
Ciò richiede la possibilità di controllare la formazione della carica sia spazialmente che 
temporalmente in modo che la combustione possa essere stabile ed affidabile; una corretta 
stratificazione si ha soltanto controllando il campo di moto all’interno del cilindro nonché 
l’evoluzione temporale dello spray per garantire una corretta combustione anche in presenza 
di un grande eccesso di aria. 
I regimi di funzionamento possibili sono dunque: 
• ai carichi elevati o a pieno carico: si realizza l’iniezione anticipata in modo da 
realizzare una miscela omogenea e complessivamente stechiometrica o ricca, la 
regolazione fine avviene attraverso la valvola a farfalla; 
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