L’iniezione diretta è il futuro di EFI¿ e il futuro è luminoso

Non temere il DFI

Vedi tutte le 7 fotoChristopher CampbellwriterComp CamsphotographerThe Hot Rod StaffphotographerChevroletphotographerDec 15, 2014

Come hot roders, tendiamo a preoccuparci soprattutto dei cambiamenti che rendono la nostra ricerca del potere più difficile o più costosa. Questo è del tutto giustificabile; le nuove tecnologie spesso portano sia complicazioni che un prezzo più alto. Ma proprio come la configurazione delle valvole in testa ci ha portato più potenza di quanto la testa piatta abbia mai potuto fare, l’iniezione diretta di benzina è l’ultima frontiera nella ricerca di emissioni più pulite, più chilometri per gallone e livelli di potenza ancora più elevati. Dovremmo essere chiari, però: sono davvero i primi due che stanno alimentando la ricerca di Detroit, ma i cavalli stanno sicuramente arrivando per il viaggio. hChristopher Campbell

Iniezione diretta contro l’iniezione di carburante nel porto

La differenza fondamentale tra l’iniezione diretta (DI) e i sistemi di iniezione port-fuel (PFI) con cui abbiamo preso familiarità dalla metà degli anni ’80 è che il PFI spruzza il carburante nel collettore di aspirazione (dietro ogni valvola di aspirazione) a circa 40-70 psi. La miscelazione di aria e carburante avviene qui, e la carica di carburante-aria viene aspirata nei cilindri quando l’albero a camme apre la valvola di aspirazione e il vuoto creato dal pistone che scende nel foro la attira verso l’interno. La valvola di aspirazione si chiude, il pistone si alza e comprime la carica, e le candele la infiammano provocando l’esplosione controllata che alimenta la combustione interna.

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L’iniezione diretta segue la stessa progressione, tranne che il carburante viene spruzzato direttamente nei cilindri. Sembra una modifica molto piccola che ha senso: mandare il carburante direttamente dove deve essere, ma c’è dell’altro.

Mentre circa 60 psi all’iniettore sono comuni nei sistemi PFI a benzina, i sistemi DI a benzina richiedono pressioni dell’iniettore superiori a 1.000 psi. Questo a sua volta richiede un design dell’iniettore completamente diverso, poiché controlla una pressione del carburante così elevata e l’ugello deve resistere alla violenza all’interno della camera di combustione. Una pompa molto più potente è necessaria per generare quella pressione del carburante, così la pompa elettrica nel serbatoio ora serve solo a sollevare il carburante fino a una pompa di iniezione meccanica spinta dalla parte anteriore della camma, fornendo la piena pressione del carburante agli iniettori.

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Vantaggi e sfide

Poiché il DI immette il combustibile direttamente nella camera di combustione, l’evaporazione del combustibile iniettato direttamente nel cilindro raffredda la miscela di aspirazione, producendo una carica più densa rispetto al PFI, dove il combustibile assorbe il calore dalle superfici a contatto prima di essere aspirato nel cilindro. Quando è correttamente impostato, il carburante in un motore DI brucia prima di toccare il pistone. Questo da solo può tradursi in un aumento delle prestazioni, e la carica più fredda è meno soggetta a detonazione anche con rapporti di compressione più elevati. È comune che i motori DI funzionino con rapporti di compressione da 11,0 a 12,0:1 mentre funzionano a 87 ottani. Con la nuova Chevy LT1, ha permesso un rapporto di compressione di 11,5:1¿ up da 10,7:1 nella LS3.

Un’ulteriore resistenza alla detonazione deriva dalla combustione rapida, che si verifica a causa del design unico del pistone in un motore DI; tipicamente, ha una ciotola per dirigere il carburante spray verso la candela di accensione. Questo rende l’area vicino alla candela leggermente più ricca, migliorando le emissioni a freddo (un problema attuale con PFI), e crea una fiamma più vigorosa. Parlando di avviamento a gomito, iniettando il carburante direttamente nel cilindro durante la fase di avviamento, il motore raggiunge i giri al minimo fino al 50 per cento più velocemente, creando ancora meno emissioni legate all’avviamento.

Questa stessa tecnologia ha portato ad una sorta di tecnologia microibrida start-stop che le aziende come Bosch stanno sviluppando, che non richiede un motorino di avviamento. Fermando il motore con il pistone nella posizione ottimale, il motore può essere riavviato in una frazione di secondo iniettando carburante e accendendo le spine nella sequenza di accensione fino al raggiungimento del minimo. In altre applicazioni, una piccola batteria viene utilizzata insieme per far funzionare le cose, come sulla Chevy Malibu 2014. Non è molto probabile che lo vedremo in futuro sulle auto ad alte prestazioni.

Il mondo delle corse

NASCAR ha abbracciato solo di recente la PFI sulla carburazione, ma IndyCar ha fatto un passo avanti e ha incaricato la DI. Dal 2004-2011, Honda è stata l’unico fornitore di motori IndyCar, ma Chevrolet ha collaborato con Ilmor Engineering per sviluppare un motore 2.2L DI twin-turbo che è diventato rapidamente il motore dominante. Nella sua prima stagione nel campionato IndyCar, i piloti Chevrolet hanno vinto 11 gare su 15, conquistando il campionato IndyCar 2012 e lo hanno fatto anche nella stagione 2013.

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Il vero successo del motore Chevy IndyCar può essere il modo in cui utilizza DI e PFI sullo stesso motore. Il sistema di erogazione del carburante Hitachi aumenta i sei iniettori diretti ad alta pressione nelle testate con sei iniettori port-fuel a bassa pressione nel plenum di aspirazione. Anche alcune aziende dell’aftermarket utilizzano questa strategia per fornire il carburante supplementare necessario per l’aggiunta di un compressore o di un turbocompressore.

L’Aftermarket e DI

Per il mondo del V8 stradale, l’avanguardia dell’iniezione diretta hot rod è Lingenfelter Performance Engineering (LPE). I suoi pacchetti Corvette C7 LT1 ad aspirazione naturale partono da 550 CV e si estendono fino a 650 CV, mentre i pacchetti sovralimentati e twin-turbo vanno da 6001.000 CV. Per scoprire cosa serve per ottenere questi numeri da DI, abbiamo toccato la base con il veterano GM e il vicepresidente delle operazioni LPE Mike Copeland e l’ingegnere LPE Graham Behan, che è stato fortemente coinvolto nello sviluppo della C7.

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La buona notizia è che, a causa del raffreddamento della carica, i motori DI non sono affatto inclini alla detonazione come i motori PFI. Copeland ha confermato di aver visto una spinta fino a 18 psi su gas a 93 ottani senza detonazione nei test alla GM, ma l’aumento della compressione e il maggiore controllo sulla tempistica dell’iniettore ha anche portato a una minore spinta necessaria per creare potenza in cavalli. “Cinque o sei psi con la giusta sintonia vi porteranno facilmente nella gamma dei 600 CV”, ci ha detto Behan.

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La vera sfida è la capacità di alimentazione e come affrontarla correttamente. La pompa di iniezione dell’LT1 aziona uno speciale lobo a tre punti di sollevamento da 5,7 mm sulla camma. LPE sta sperimentando da 15 mesi sul banco per affrontare e superare correttamente i problemi di alimentazione e di durata del carburante. Mentre la pompa elettrica nel serbatoio è buona fino a circa 800 CV, Copeland ci dice che la pompa di iniezione DI con configurazione a camma di serie è in grado di “superare i 625 CV”. Dopo di che, è il momento di affrontare i lobi sull’albero a camme, che presenta i suoi interessanti problemi all’aumentare del numero di giri, poiché la pompa è azionata da un sollevatore di grande diametro. Mentre ora sono disponibili camme a quattro e cinque lobi, per i suoi progetti futuri, Copeland afferma che LPE preferisce la dinamica a tre lobi. “Attualmente, usiamo qualcosa nella zona del sollevatore da 7 mm”, ci ha detto.

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Analogamente a come il mondo delle prestazioni del diesel ha affrontato il problema dell’alimentazione con pompe a iniezione diretta di maggiore capacità (o anche con pompe a doppia iniezione), LPE sta lavorando anche su pompe DI di grandi dimensioni che saranno disponibili una volta terminati i test. “Non vogliamo più pressione, ma si può spingere più volume e gli iniettori a stock rispondono bene”. Se le vostre esigenze vanno al di là di questo, Behan ci dice di vedere un altro crossover dal mondo del diesel che alla fine sorgerà: modificare gli iniettori stessi. È comune che i motori diesel ad alta potenza puntino a portate più elevate, poiché, secondo le parole di Copeland, “il diesel è un po’ come un motore Top Fuel: più carburante si può scaricare, più potenza produce”. Per essere chiari, la benzina DI non funziona allo stesso modo, poiché l’accensione si basa su un sistema di accensione a scintilla piuttosto che sull’accensione a compressione del diesel.

Il Takeaway

La nuova tecnologia significa sempre che c’è una curva di apprendimento, e il DI non è diverso. Ha i suoi vantaggi e svantaggi intrinseci, ma anche PFI ed EFI. Poiché i sintonizzatori si sono adattati e hanno imparato a massimizzare l’uno riducendo al minimo l’altro, si è trattato di una costante progressione in avanti in nome della potenza e dell’efficienza. L’iniezione diretta non sarà diversa: “Il DI presenta le sue sfide”, afferma Copeland. “Ma le aziende che passano il tempo a testare e sviluppare i prodotti supereranno i problemi e renderanno affidabile la potenza”.

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