Dipartimento tecnico: spiegazione degli iniettori di carburante piezoelettrici

Jun 12, 2023

Se hai mai visto le scintille create da qualcuno che sgranocchiava Wint-O-Green Life Savers in una stanza buia, sarai stato testimone di questo fenomeno: alcuni materiali cristallini, come lo zucchero, producono piccole quantità di elettricità quando li schiacci. Esiste persino una parola per definirlo: “piezoelettrico”, che descrive l'elettricità risultante dalla pressione. Ma il processo è anche reversibile, nel senso che questi stessi materiali si espandono leggermente quando viene loro applicata l’elettricità. Ci sono numerosi posti in un'auto in cui l'espansione piezoelettrica può tornare utile.

Prendiamo, ad esempio, il dosaggio preciso necessario per la moderna distribuzione del carburante. Bosch, Continental e Delphi, tra gli altri, hanno sfruttato questa peculiare proprietà di espansione del materiale piezoelettrico, anziché il solito elettromagnete, per aprire l'ugello dell'iniettore di carburante e spruzzare con precisione il carburante sia nei motori a benzina che in quelli diesel. Far funzionare questi dispositivi, tuttavia, non è facile.

Uno dei motivi è che l'espansione dei cristalli piezoelettrici è minuscola. Una fetta di materiale piezoelettrico spessa due centesimi di pollice si espande solo di circa 0,00002 pollici quando viene colpita da circa 140 volt di elettricità. Quei duecentomillesimi di pollice non sono sufficienti per muovere il perno di un iniettore, che è la parte che sigilla l'ugello e deve aprirsi per iniettare il carburante.

L'iniettore Continental ha centinaia di piccole fette piezoelettriche impilate una sopra l'altra in modo che l'espansione combinata aumenti il ​​movimento totale. La pila produce 0,004 pollici di movimento, sufficienti per spostare il cardine abbastanza lontano da iniettare carburante. Ma poiché questo movimento è nella direzione sbagliata – verso il basso, non verso l’alto – l’aggiunta di due minuscole leve consente l’espansione della pila piezoelettrica per far sì che il cardine venga sollevato e che inizi lo spruzzo di carburante. Una volta completata l'iniezione, la tensione si interrompe, lo stack piezoelettrico si restringe e una molla chiude il cardine.

Gli iniettori piezoelettrici presentano alcuni vantaggi chiave che giustificano tutto questo fastidio. Da un lato si aprono e si chiudono molto più velocemente degli iniettori convenzionali. Ciò consente un controllo più preciso dell'intervallo di iniezione, che determina la quantità di carburante spruzzato nel motore. Le unità piezoelettriche forniscono anche feedback producendo minuscole fluttuazioni nell'elettricità utilizzata per attivarle. Ad esempio, se il computer di controllo del motore richiede un tempo di apertura dell'iniettore di 0,5 secondi e la risposta dell'iniettore mostra che è stato aperto solo per 0,496 secondi, il computer può aggiungere un po' di tempo al ciclo di iniezione successivo per compensare. Un dosaggio così preciso del carburante migliora la combustione, con conseguente maggiore risparmio di carburante e riduzione delle emissioni.

Non solo gli iniettori piezoelettrici sono più precisi degli iniettori solidi convenzionali, ma possono anche eseguire alcuni trucchi che vanno completamente oltre le capacità dei loro predecessori. Per prima cosa, applicando un po’ meno elettricità, i cristalli piezoelettrici si espandono meno in modo che gli iniettori possano aprirsi parzialmente. Un'apertura più piccola significa un tempo di iniezione più lungo, il che è vantaggioso quando si cerca di iniettare con precisione una piccola quantità di carburante, come quando un'auto sta quasi procedendo per inerzia. Poiché agiscono così rapidamente, gli iniettori piezoelettrici possono anche iniettare più volte (fino a sette in alcuni motori diesel) durante un singolo ciclo di combustione. Questa flessibilità può ridurre le emissioni in tutti i motori e limitare la fuliggine nei motori diesel.

Questi vantaggi hanno assicurato l’inserimento degli iniettori piezoelettrici in molti dei più recenti motori diesel e benzina a iniezione diretta. E Continental, per esempio, afferma che le sue unità piezoelettriche non costano più delle equivalenti convenzionali meno potenti. Gli iniettori piezoelettrici sono uno dei dispositivi chiave che manterranno la combustione interna competitiva contro questi fastidiosi prodotti elettrici negli anni a venire.

Csaba Csere si unì a Car and Driver nel 1980 e non se ne andò mai veramente. Dopo aver ricoperto il ruolo di redattore tecnico e direttore, è stato redattore capo dal 1993 fino al suo ritiro dal servizio attivo nel 2008. Continua a dilettarsi nel giornalismo automobilistico e nelle corse LeMons, oltre a curare la sua Jaguar E-type del 1965, 2017 Porsche 911 e tre motociclette, quando non scia o fa escursioni vicino a casa sua in Colorado.