Un motore ad accensione comandata con iniezione diretta di carburante è un tipo di motore a combustione a pistoni che, a differenza di un motore a combustione con iniezione di carburante a punto singolo o multipunto o metodo di preparazione della miscela con carburatore, non brucia solo una miscela omogenea.

Il carburante viene iniettato direttamente nel cilindro durante la fase di aspirazione o compressione utilizzando le valvole di iniezione, nebulizzandolo e vaporizzandolo prima che la candela accenda la miscela con una scintilla.

Funzione motore a benzina ad iniezione diretta

Un motore ad accensione comandata con iniezione diretta di carburante crea una miscela funzionante di carburante e aria solo nella camera di combustione, il che significa che è una creazione interna della miscela.

Con questo metodo di preparazione della miscela non si hanno perdite di condensa causate dalla condensazione del carburante sulle pareti del condotto di aspirazione. Inoltre, la fasatura dell'iniezione di carburante, così come la quantità di carburante iniettata, è molto precisa, grazie alla quale si riduce il consumo di carburante.

A seconda del carico, dei giri, della temperatura del motore e di altri parametri, il motore ad accensione comandata con iniezione diretta funziona in diverse modalità con diverse composizioni della miscela:

1. Modalità con miscela omogenea
2. Modalità con funzionamento omogeneo e miscela magra
3. Modalità con funzionamento omogeneo e riempimento stratificato
4. Modalità con funzionamento omogeneo e protezione contro il battito in testa del motore
5. Modalità miscela stratificata
6. Modalità con miscela stratificata e riscaldamento catalizzatore

1. Modalità con una miscela omogenea

In questa modalità, il carburante viene iniettato già durante la fase di aspirazione, grazie alla quale si ottiene un tempo sufficiente per creare una miscela uniformemente composta. In questo caso si tratta di una miscela stechiometrica λ = 1, in cui il combustibile viene completamente bruciato, in tutto il suo volume.

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In questa modalità del motore a benzina con iniezione diretta, l'andamento della combustione, il consumo di carburante, le emissioni e altri parametri non sono molto diversi da un motore a benzina con iniezione multipunto.

Questa modalità è universale, indipendentemente dalla velocità del motore, dalla temperatura o dal carico. Tuttavia, ciò priverebbe il motore dei vantaggi del riempimento a strati, motivo per cui questa modalità viene utilizzata principalmente a regimi e carichi elevati del motore.

2. Modalità con funzionamento omogeneo e miscela magra

In questa modalità, il motore a benzina con iniezione diretta raggiunge un consumo di carburante inferiore rispetto alla modalità con una miscela omogenea a causa di una maggiore efficienza di riempimento, perché la valvola a farfalla è aperta più che nella modalità con una miscela omogenea.

La composizione della miscela in questo regime è 1 < λ < 2.

3. Modalità con l'operazione omogenea e il riempimento a strati

In questa modalità, il rapporto aria-carburante raggiunge il valore λ > 2 e il carburante viene iniettato due volte. Durante la prima iniezione, che avviene durante la fase di aspirazione, circa un quarto della carica di carburante per ciclo viene erogato alla camera di combustione, che crea una miscela omogenea.

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Il resto del carburante viene iniettato solo durante la fase di compressione, mentre il suo compito è quello di creare una miscela più ricca e ben infiammabile nella zona della candela.

4. Modalità con funzionamento omogeneo e protezione contro i colpi del motore

Questa modalità è destinata principalmente a carichi elevati a bassi regimi del motore quando potrebbero verificarsi battiti in testa. In questa modalità viene nuovamente utilizzata la doppia iniezione di carburante come nella modalità precedente.

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Una seconda carica di carburante viene così iniettata durante la fase di compressione, riducendo la temperatura e la pressione nella camera di combustione, evitando così la combustione per detonazione.

5. Modalità mix a strati

In questa modalità, il carburante viene iniettato nella camera di combustione durante la fase di compressione poco prima che la candela accenda la miscela con una scintilla.

Il carburante non ha il tempo di mescolarsi bene con l'aria e il motore funziona con una miscela magra, dove il rapporto aria-carburante è λ > 1, ma c'è una miscela ben infiammabile nella zona del candela, che viene accesa da una scintilla.

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In questa modalità, viene utilizzato in modo intensivo anche il ricircolo dei gas di scarico dei cicli precedenti, fornito dalla valvola EGR.

In poche parole, c'è una miscela ben infiammabile nell'area della candela e in altre parti della camera di combustione c'è una miscela povera di gas di scarico dei cicli precedenti. La modalità di miscelazione a strati è più adatta per regimi del motore medio-bassi.

6. Modalità con miscela stratificata e riscaldamento catalizzatore

Questa modalità viene utilizzata solo per riscaldare il catalizzatore alla sua temperatura di esercizio. Il principio di funzionamento del motore durante questa modalità è lo stesso della modalità precedente tranne che per una differenza.

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Durante l'espansione, un altro carburante viene iniettato nella camera di combustione, per cui la temperatura nel tubo di scarico aumenta e quindi anche la temperatura del catalizzatore.

Combustione di miscela stratificata

Per garantire la qualità del processo di combustione con una miscela stratificata, è necessario armonizzare la forma della camera di combustione, il fondo del pistone, la posizione reciproca della candela e dell'iniettore, ma anche la velocità del flusso d'aria, la direzione, la forma e il momento giusto dell'iniezione del raggio di carburante.

La combustione di una miscela stratificata può quindi essere suddivisa in:

• Combustione guidata da un raggio di combustibile - il combustibile deve essere iniettato vicino alla candela
• Combustione guidata dalle pareti della camera di combustione - il combustibile viene iniettato nel flusso d'aria , che, grazie all'opportuna forma delle pareti dei cilindri e del fondo del pistone, porterà la miscela di carburante e aria alla candela al momento giusto.

Soluzione costruttiva della preparazione della miscela stratificata:

1. Iniezione diretta con candele e iniettori ravvicinati
2. Iniezione diretta con candele e iniettori distanti

1. Iniezione diretta con candele e iniettori ravvicinati

In questa soluzione progettuale di preparazione della miscela stratificata viene utilizzata la combustione guidata da raggi. L'iniettore quindi inietta il carburante nella camera di combustione, mentre il fascio di carburante colpisce direttamente l'area degli elettrodi della candela.

Vantaggi:

• La grande stratificazione dell'impasto dovuta alla spruzzatura attorno alle candele, grazie alla quale l'impasto attorno ad esse è sempre sufficientemente ricco, ma nel resto dello spazio di combustione si ha un impasto estremamente magro.

Svantaggi:

• Ci vuole poco tempo per preparare la miscela, il che ne riduce la qualità
• Dipendenza della forma del fascio dalla pressione di compressione
• Problemi con avviamento a freddo del motore
• Elevati requisiti per gli iniettori

2. Iniezione diretta con candele e iniettori distanti tra loro

In questa soluzione strutturale di preparazione stratificata della miscela si utilizza la combustione guidata dalle pareti della camera di combustione.

Vantaggi:

• Tempo più lungo per preparare la miscela, che ne aumenta la qualità
• Migliore miscelazione di carburante e aria (minore stratificazione)

Svantaggi:

• La stratificazione della miscela è favorita dalla forma della camera di combustione
• In caso di forte turbolenza nella camera di combustione, la stratificazione richiesta della miscela non viene raggiunta

Vantaggi del motore a benzina con iniezione diretta

• Migliori prestazioni del motore
• Minore consumo di carburante (dal 15 al 30%)
• Preciso dosaggio del carburante

Svantaggi del motore a benzina con iniezione diretta

• Minore affidabilità
• Costruzione più impegnativa
• Più ossidi di azoto e particelle solide vengono prodotte quando si brucia una miscela disomogenea.