Un pezzo di ETH viaggia nelle auto diesel
Vent'anni fa, la prima auto con tecnologia di iniezione common-rail ha circolato sulle strade svizzere. Gli ingegneri dell'ETH hanno svolto un ruolo chiave nello sviluppo della tecnologia dei motori diesel, economica e a basse emissioni, oggi ampiamente utilizzata.
Praticamente tutti i motori diesel utilizzati oggi nelle automobili e nei camion, così come nei generatori e nelle moderne imbarcazioni oceaniche, contengono una buona parte di ricerca dell'ETH. A partire dagli anni '70, gli ingegneri dei laboratori di ricerca della scuola universitaria hanno svolto un ruolo chiave nello sviluppo di quello che all'epoca era un sistema rivoluzionario per iniettare il carburante nel motore: il cosiddetto sistema di iniezione common rail. Da allora questo sistema è diventato lo standard del settore.
Vent'anni fa, il 9 novembre 1993, gli scienziati presentarono a un convegno dell'ETH, al termine di una prova sul campo del motore, la prima autovettura moderna omologata con questa tecnologia e con la cosiddetta pompa ad alta pressione controllata dalla farfalla di aspirazione. La novità del motore consisteva nel fatto che l'iniezione di gasolio poteva essere controllata elettronicamente in modo preciso. Oltre agli ugelli di iniezione controllabili elettronicamente, questo richiedeva anche un serbatoio di carburante pressurizzato. Questo attraversa il blocco motore sotto forma di tubo - il cosiddetto "common rail" - e rifornisce di gasolio gli ugelli di iniezione di tutti i cilindri. Nei motori precedenti, ogni cilindro aveva un proprio elemento di pompa a monte dell'ugello di iniezione. Gli iniettori si aprivano quando la pressione del carburante era sufficientemente alta e non venivano aperti elettronicamente.
"Le auto diesel sono diventate socialmente accettabili"
"La tecnologia Common Rail ha reso possibile per la prima volta la suddivisione dell'iniezione diesel in diversi processi di iniezione", spiega Thomas Lutz. L'ingegnere meccanico, ora in pensione, era all'epoca il project manager del test sul campo. Un unico processo di iniezione divenne quindi pre-iniezione, iniezione principale e post-iniezione. Oggi esistono addirittura motori con fino a cinque processi di iniezione consecutivi e controllati con precisione. Questa suddivisione non solo porta a una combustione più completa del carburante, con conseguente riduzione della fuliggine nei gas di scarico, ma rende anche il motore più silenzioso.
"Questo ha rivoluzionato il settore delle auto diesel. In precedenza, le auto diesel erano rumorose e bussavano. Grazie alla tecnologia common-rail, sono diventate socialmente accettabili", afferma Lutz. Infine, la tecnologia ha permesso un efficiente ricircolo dei gas di scarico, che ha ridotto gli ossidi di azoto nei gas di scarico. "E tutto questo con un consumo di carburante molto contenuto", aggiunge Lutz.
Pompa ad alta pressione sviluppata all'ETH
La grande sfida del progetto è stata lo sviluppo di una pompa ad alta pressione efficiente e controllabile con precisione per generare la pressione del carburante nel common rail, spiega Lutz. Le pompe esistenti erano progettate in modo tale da generare deliberatamente una pressione troppo alta e controllare la pressione tramite una valvola di scarico. "Ciò era inefficiente e incideva pesantemente sul consumo di carburante", afferma Lutz. Wolfgang Schneider, all'epoca dottorando dell'ETH, progettò una pompa con una valvola di ingresso regolabile. La sua pompa generava esattamente la pressione desiderata. L'ETH brevettò questa valvola all'epoca.
Nell'auto dimostrativa del 1993, gli ingegneri dell'ETH hanno sostanzialmente convertito un motore diesel standard in un motore common rail. Il progetto si concluse nel 1994. Dopo che l'ETH aveva sviluppato una pompa utilizzabile e ne aveva dimostrato l'idoneità all'uso pratico, era giunto il momento di cedere la tecnologia all'industria per lo sviluppo fino alla maturità della serie, spiega Lutz. Questo è ciò che è successo. E se oggi sul retro delle auto diesel compaiono sigle come CDI, CDTI o TDCi, con la C che sta per Common Rail, in ogni auto viaggia anche un pezzo di esperienza dell'ETH.
Lutz non si aspetta che questa tecnologia venga presto sostituita da una completamente diversa. Oggi esistono anche motori diesel in cui non è un unico serbatoio a pressione a rifornire tutti i cilindri di carburante, ma ogni cilindro ha un proprio serbatoio a pressione. "Tuttavia, il principio secondo cui una pompa genera una pressione preselezionata a seconda del carico, della velocità o della temperatura di esercizio è destinato a rimanere".
Il Laboratorio di Aerotermochimica e Sistemi di Combustione (LAV) e Inspire, un centro di competenza dell'ETH per il trasferimento delle tecnologie, hanno recentemente organizzato un simposio dal titolo "20 anni del sistema di iniezione common rail dell'ETH".
Galleria di immagini
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Un motore common-rail nel 1991 su un banco di prova nel laboratorio motori dell'ETH. (Immagine: ETH di Zurigo) -
Thomas Lutz (in primo piano a destra) all'inizio degli anni '90 parla con i collaboratori del laboratorio motori dell'Istituto di tecnologia energetica. (Foto: ETH di Zurigo) -
Valvole di ingresso (le cosiddette valvole a scorrimento rotativo della farfalla di aspirazione) utilizzate all'ETH di Zurigo per controllare la pompa ad alta pressione common rail. (Immagine: ETH di Zurigo)