un approfondimento sul commonrail ed i suoi vantaggi nelle auto

1. I.I.S.S. Majorana - LaterzaI.I.S.S. Majorana - Laterza
Anno Scolastico 2011 - 2012Anno Scolastico 2011 - 2012
APPLICAZIONI DELAPPLICAZIONI DEL
2° PRINCIPIO2° PRINCIPIO
DELLA TERMODINAMICADELLA TERMODINAMICA
Docente di fisica
Prof.ssa Maria A.
Martellotta

2. COS’È UNA MACCHINACOS’È UNA MACCHINA
TERMICA…TERMICA…
Una macchina termica è un dispositivo capace di trasformare calore
interamente in lavoro attraverso una serie di trasformazioni cicliche.
Per compiere il lavoro ha bisogno di due sorgenti:
• Caldaia: riscalda il fluido e lo espande
• Refrigerante: raffredda il fluido per chiudere il ciclo
Il lavoro compiuto dalla macchina termica è pari alla differenza tra la
quantità di calore Q2 prelevata dalla sorgente a temperatura maggiore
e la quantità di calore Q1 ceduta alla sorgente a temperatura minore:
L= Q2 – Q1

3. Motore Diesel
Il motore Diesel, brevettato nel 1892
da Rudolf Diesel, è una tipologia di
motore a combustione interna,
alimentato a gasolio, che sfrutta il
principio della compressione per
ottenere l'accensione del combustibile
e non l'azione di scariche elettriche da
parte delle candele d'accensione
tipiche invece di un motore ad
accensione comandata. Il ciclo di
Diesel comincia con l’aspirazione di
sola aria, successivamente riscaldata
per compressione. Il gasolio è iniettato
nella camera di combustione
sottoforma di finissima nebbia quando
l’aria è già calda, e si accende
spontaneamente provocando
l’espansione dei prodotti gassosi.

4. Ciclo ideale di OttoCiclo ideale di Otto
Si compone di quattro fasi :
- Aspirazione
- Compressione adiabatica
- Scoppio + Espansione adiabatica
- Scarico
Ciclo ideale di DieselCiclo ideale di Diesel
Si compone di quattro fasi :
- Aspirazione
- Compressione adiabatica
- Accensione + Espansione adiabatica
- Scarico
Durante il ciclo di Otto la temperatura di combustione non può superare il limite oltre il
quale avverrebbe la detonazione spontanea della miscela di aria e benzina. Nel ciclo di
Diesel, invece, l’aria viene compressa nel cilindro prima dell’iniezione del carburante.
Pertanto può raggiungere una temperatura più elevata. La maggiore temperatura di
combustione conferisce al ciclo di Diesel un rendimento maggiore, peri al 30-40% contro
il 20-30% del motore a scoppio.

5. Motore a Vapore Motore Diesel
1765 1854 1892 1987
Motore a Benzina Common Rail

6. COMMONCOMMON
RAILRAILUNA MODERNA MACCHINA
TERMICA

7. Nelle comuni macchine termiche
utilizzate in campo automobilistico
l’energia viene in massima parte
perduta e restituita all’ ambiente sotto
forma di calore inutilizzabile con un
rendimento decisamente basso.
Tuttavia grazie alla tecnologia del
Common Rail il rendimento, calcolabile
tramite la relazione R=L/Q2=1-Q1/Q2,
aumenta notevolmente.

8. STORIA ED EVOLUZIONESTORIA ED EVOLUZIONE
UN SISTEMA D’ INIEZIONE DEL GASOLIO
COMPLETAMENTE ELETTRONICO,
ORGOGLIO ITALIANO !!!
La tecnologia del common rail prende avvio a partire dal 1987,
anno in cui il Dr. Mario Ricco, all’interno dell’azienda “CENTRO
RICERCHE ALIMENTAZIONI MOTORI ELASIS “ di Bari, sviluppa
l’innovativo progetto, che porterà nel 1997 alla produzione della
prima macchina dotata di questa sistema, l’Alfa Romeo 156JTD. Il
progetto viene avviato al fine di svincolare dalle licenze Bosch la
fabbrica di Bari.

9. Il principio del motore "Common rail" è stato
sviluppato a partire dagli anni trenta ma era
inapplicabile sui motori diesel per uso automobilistico.
Motori con lo stesso principio del common rail sono
stati utilizzati in passato in ambito:
• sia NAVALE
• sia FERROVIARIO

10. STRUTTURA E COMPONENTISTRUTTURA E COMPONENTI
PRINCIPALIPRINCIPALI
L'impianto di alimentazione del combustibile è
suddiviso in circuito di bassa pressione e circuito
di alta pressione.
Il circuito di bassa pressione è costituito da:
- elettropompa ausiliaria immersa
- filtro gasolio
- collettore di ritorno.
Il circuito di alta pressione è costituito da:
- pompa di pressione
- collettore di riparazione

11. CIRCUITO DI BASSA PRESSIONE
• Elettropompa ausiliaria immersa
Ha il compito di prelevare carburanteHa il compito di prelevare carburante
dal serbatoio e immetterlo nella pompadal serbatoio e immetterlo nella pompa
ad alta pressione.ad alta pressione.
• Filtro gasolio
E’ un filtro avente il compito diun filtro avente il compito di
eliminare impurità ed evitareeliminare impurità ed evitare
la corrosione.la corrosione.
• Collettore di ritorno
Strutture in gomma o metallo pressofusoStrutture in gomma o metallo pressofuso
Che collegano il carburatore al motore alChe collegano il carburatore al motore al
Fine di evitare che questo si danneggiFine di evitare che questo si danneggi

12. CIRCUITO D’ ALTA PRESSIONE
• Pompa di pressione
Componente FONDAMENTALE delComponente FONDAMENTALE del
sistema: invia al condottosistema: invia al condotto
comune (common rail ) il carburantecomune (common rail ) il carburante
dopo averlo compressodopo averlo compresso
• Collettore di ripartizione

13. FUNZIONAMENTOFUNZIONAMENTO
La tecnologia common rail prevede l’immissione nel condotto comune, da parte di una
pompa, del carburante, la cui pressione viene controllata da una valvola, detta “flauto”.
Il combustibile giunge quindi agli iniettori ed occupa due vani, uno posto al di sopra ed uno
al di sotto dell'ago polverizzatore. Le due forze contrastanti si annullano e l'ago resta in
posizione di chiusura grazie alla piccola forza applicata da una molla. Il vano superiore,
detto camera di comando, ha uno sfogo regolato da una valvola a solenoide o a comando
piezoelettrico. Quando la centralina elettronica comanda l'apertura della valvola il vano
superiore all'ago si svuota, la pressione presente nel vano inferiore comanda l'apertura
dell'ago e inizia il processo di iniezione nella camera di combustione, che finisce solo
quando viene interrotto il comando alla valvola e la formazione di pressione nella camera
di comando determina la chiusura dell'ago polverizzatore. In questo modo, grazie alla
grande velocità di reazione delle valvole di comando, è possibile ottenere anche più
iniezioni per ogni ciclo di lavoro. Si ha quindi una preiniezione, che serve ad innalzare
pressione e temperatura nella camera di combustione, una o più iniezioni principali ed
anche delle postiniezioni. Grazie alla preiniezione e alla suddivisione dei ratei di mandata
principale la pressione nella camera di combustione si innalza in modo più graduale,
evitando così la rumorosità di funzionamento tipica dei motori Diesel ad iniezione diretta.

14. Vantaggi e comfortVantaggi e comfort
Questa tecnologia consente di effettuare iniezioni
multiple di carburante ad alta pressione anche ad un
basso numero di giri del motore, in tale circostanza infatti
la coppia del motore può addirittura raddoppiare.
Gli altri vantaggi di ordine pratico risiedono in una ridotta
rumorosità del motore, in consumi ed emissioni ridotti. I
sistemi common rail riescono quindi a ridurre le
rumorosità e gli elevati picchi di pressione ed ottengono
una combustione più ordinata, grazie alla quale
diminuiscono le emissioni di gas incombusti ed i consumi
e si ha un sensibile aumento delle prestazioni.

15. Evoluzioni del common railEvoluzioni del common rail
Il Multijet
Allo straordinario avvento del common rail,
sono seguite tecnologie ancora superiori,
come il sistema multijet, applicato sui
moderni motori diesel, che ha consentito un
significativo aumento delle iniezioni,
accompagnato da una notevole riduzione
delle emissioni acustiche ed inquinanti.

16. Common Feeding
Un team di ricerca del Politecnico di Torino ha sperimentato e brevettato un sistema di inizione ad alta
pressione di gasolio alternativo al noto common rail che ha rivoluzionato il motore diesel. Il sistema,
battezzato CF (Common Feeding) offrirebbe grandi vantaggi e riduzione di costi per le case automobilistiche.
E' stato brevettato dai docenti di Macchine del Politecnico di Torino Andrea Catania e Alessandro Ferrari,
che hanno avuto l'intuizione di semplificare il sistema di iniezione eliminando il rail, cioè l'accumulatore
interposto tra la pompa ad alta pressione del gasolio e gli iniettori a controllo elettronico, che immettono la
quantità di combustibile desiderata nella camera di combustione. Questa semplificazione permette una
riduzione dei costi (si risparmia il costo del rail) ed una installazione più agevole del sistema di iniezione
all'interno del motore grazie al suo ridotto ingombro, ma anche una migliore risposta dinamica del propulsore
in fase di accelerazione; una caratteristica, quest'ultima, che è stata verificata in test condotti al banco
motore e che tuttora si sta cercando di sfruttare per ridurre le emissioni inquinanti normate allo scarico del
propulsore.
Cardine dell'innovazione proposta dal nuovo sistema CF (C ed F sono anche le iniziali dei cognomi dei due
inventori) è una rivoluzionaria pompa ad alta pressione direttamente connessa agli iniettori tramite condotti
ad alta pressione del combustibile. Un volume di dimensioni ridottissime (circa 3 cm3), integrato nella pompa
stessa in corrispondenza della camera di mandata, assolve alla funzione tradizionalmente svolta nei sistemi
Common Rail proprio dal rail, che quindi viene in questo nuovo apparato di fatto eliminato. Alcuni lavori
preliminari, svolti nel periodo 2007-2009, si erano concentrati sulla possibilità di ottimizzare il rail
riducendone le dimensioni: misurazioni sperimentali avevano provato che un sistema CR con un volume del
rail drasticamente ridotto garantiva prestazioni analoghe a quelle dei sistemi CR montati sui veicoli diesel in
commercio. Catania e Ferrari hanno quindi ipotizzato che la performance del sistema di controllo della
pressione nel circuito di alta pressione del sistema di iniezione Common Rail non dipendesse in modo
preponderante dal volume del rail, ma dalla sinergia di azione tra quest'ultimo e la valvola di regolazione
della pressione. Hanno quindi in seguito dimostrato che è possibile eliminare il rail sfruttando direttamente un
piccolo volume posto alla mandata della pompa per stabilizzare la pressione di iniezione attraverso
l'applicazione, alla pompa stessa, della valvola di regolazione della pressione. Il team ha anche
recentemente applicato il sistema CF ad un motore diesel Euro 5, ottenendo dati sulle emissioni inquinanti
comparabili con quelli relativi ai tradizionali motori Common Rail.

17. COMMON RAIL ED
INQUINAMENTO
Le cause degli inquinanti atmosferici possono essere
naturali o antropiche.
Fonti naturali: vulcani, incendi, ghiaioni, processi
biologici.
Fonti antropiche: traffico veicolare, riscaldamento
domestico, industrie e attività artigianali, veicoli off road
(treni, trattori, veicoli da cava ecc.), agricoltura e altre
attività.
Traffico veicolare: essenzialmente le emissioni
provocate dal traffico veicolare dipendono dal tipo di
combustibile, dal tipo di veicolo e dalla sua vetustà; i
veicoli alimentati a diesel emettono principalmente
anidride carbonica (CO2 ), PM10, idrocarburi (HC),
biossido di azoto (NO2 ) e biossido di zolfo (SO2 ). Un
veicolo a benzina emette in genere CO2 , PM10, NO2 e
CO, mentre i veicoli a metano e GPL emettono NO2 e
CO2.
Riscaldamento domestico: stesse emissioni delle auto
con l’aggiunta di una certa gamma di diossine prodotte
da carbone e legna.
Industria e artigianato: gli inquinanti emessi sono i più
svariati. Le industrie devono utilizzare dei sistemi di
abbattimento degli inquinanti che variano in base agli

18. LE EMISSIONI INQUINANTI DELLE AUTO
Il trasporto su strada, in particolare le automobili che ne rappresentano la componente principale, continuano ad
alimentare la cronicità della scarsa qualità dell’aria nelle nostre città, emettendo a livello nazionale il 35% del PM10, il
55% del benzene, il 52% degli ossidi di azoto e il 43% del monossido di carbonio. Trasporti che sono responsabili del
50% delle polveri sottili di Roma o dell’84% degli ossidi di azoto di Napoli.
LE POLVERI SOTTILI: PERICOLO INVISIBILE PER LA NOSTRA SALUTELE POLVERI SOTTILI: PERICOLO INVISIBILE PER LA NOSTRA SALUTE
Cosa sono:
Le polveri sottili o PM (dall’inglese Particulate Matter) sono particelle di materiale allo stato solido o liquido sospese
nell’aria. Queste particelle si differenziano tra loro per dimensione, composizione e provenienza.
Dimensione:
Le particelle che hanno un diametro inferiore ai 10 micron (10 milionesimi di metro) sono i famosi PM10. Queste particelle
attraverso la respirazione sono in grado di penetrare nei bronchi. Sono composte da sostanze e metalli tra cui piombo,
nichel, solfati, carbonio, scarichi dei motori alimentati con gasolio.
Con un diametro inferiore ai 2,5 micron le particelle (dette PM2,5) sono più pericolose in quanto arrivano sino agli alveoli
polmonari.
Anche queste comprendono vari elementi chimici tra cui i più presenti sono i solfati, il carbonio, gli idrocarburi policiclici
aromatici (IPA).
Ancora più piccole, quindi più pericolose, vi sono le cosiddette Particelle Ultra Fini (UFP) che sono in grado di arrivare fino
al sangue e causare problemi all’apparato cardiovascolare.
Composizione:
Le polveri sottili sono composte come abbiamo visto da diverse sostanze chimiche ed è proprio questo mix di sostanze
pericolose che inaliamo attraverso la respirazione e che rischia di danneggiare il nostro organismo.
Valori limite per le emissioni di PM10 e PM2,5 previsti dalla Legge Italiana
InquinanteInquinante La legge riferimentoLa legge riferimento LimiteLimite Periodo di riferimentoPeriodo di riferimento Valori SogliaValori Soglia
PM10PM10 DLGS. 155/2010 50 µg/m³ Media giornaliera Da non
superarsi per
più di 35 volte
all’anno
PM10PM10 DLGS 155/2010 40 µg/m³ Media annuale
PM2,5PM2,5 DLSG 155/2010 25 µg/m³ Media annuale Valore
obbiettivo per
il 2015

19. I MOTORI EURO 5
Con l’obiettivo di ridurre l’inquinamento atmosferico provocato dalle emissioni dei mezzi a
motore, l’Unione Europea ha varato il nuovo standard sulle emissioni inquinanti: EURO 5,
obbligatorio dal 1° Settembre 2009.
A partire da questa data, tutti i nuovi modelli omologati dalle case automobilistiche devono
rispettare lo standard EURO 5. È stato comunque possibile continuare a immatricolare vetture
Euro 4 fino alla fine del 2010.
Dal 1° Gennaio 2011 invece, è stato possibile l’immatricolazione solo di vetture EURO 5.
Cosa prevede:
L’euro 5 stabilisce per i motori diesel la riduzione dell’80% delle emissioni di polveri sottili e del
28% di NOx rispetto ai precedenti standard EURO 4, mentre per i motori a benzina la riduzione
delle emissioni di NOx è fissata al 25%. Per il raggiungimento di tali obiettivi, i costruttori devono
quindi dotare di se- rie dispositivi antiparticolato (FAP, DPF) per quanto riguarda i motori diesel
e altre tecnologie per ridurre emissioni di idrocarburi e ossidi di azoto (NOx) per le
motorizzazioni a benzina.
I MOTORI EURO 6
La normativa Euro 6 entra in vigore il 1° settembre 2014 per quanto riguarda l’omologazione e
dal 1° settembre 2015 per quanto riguarda l’immatricolazione di tutte le vetture. Lo standard
Euro 6 prevede in particolare un livello di emissioni di NOx molto basso per le vetture a benzina;
anche i motori diesel, grazie agli importanti progressi tecnologici, vedranno abbattere
ulteriormente le emissioni di NOx, in ottemperanza ai limiti imposti dall’ Euro 6. Il lasso di tempo
tra la nuova normativa EURO 5 e la 6 consente alle case costruttrici di adottare tecnologie
efficienti ed affidabili per raggiungere gli ambiziosi obiettivi fissati dalla Comunità Europea.

20. Conclusioni
Il Common Rail rappresenta dunque un
perfetto esempio di macchina termica e un’
innovazione straordinaria che si innesta nel
percorso del progresso scientifico, in
continua e inarrestabile evoluzione, un
sistema di iniezione completamente
elettronico che ha portato i veicoli diesel così
come li conosciamo oggi sempre con un
occhio di riguardo per l’ambiente, al giorno
d’oggi troppo poche volte rispettato.