L'ultimo respiro del carburatore: la nascita dell'iniezione del carburante

Il passaggio dal carburatore all'iniezione elettronica del carburante è stata la rivoluzione tecnica più silenziosa ma più decisiva nei cent'anni di storia del motore a combustione interna: l'iniezione del carburante fu introdotta sulle automobili di serie all'inizio degli anni '50, tra gli anni '60 e '80 la famiglia Jetronic di Bosch spodestò il carburatore e all'inizio degli anni 2000 scomparve completamente dalle automobili di nuova produzione. Questa pagina racconta come si è svolto quel passaggio, con quali numeri è stato vinto e cosa ha cambiato nell'ingegneria.

Da circa 125 anni il principio di funzionamento del motore benzina a quattro tempi non è cambiato: aria, carburante, compressione, accensione. Ciò che è cambiato è la precisione del dosaggio con cui questa coppia viene fornita al motore. Il carburatore ha svolto questo compito per un secolo con ingegno meccanico, basandosi sulla forza di aspirazione del flusso d'aria. L'iniezione elettronica del carburante (EFI) ha imparato a fare lo stesso lavoro misurando, calcolando e agendo singolarmente per ogni cilindro. La differenza è stata determinante non solo nella tabella dei rendimenti, ma nella direzione della storia del motore.

Perché il Carburatore è Durato un Secolo?

La forza del carburatore era nella sua semplicità. Per mescolare il carburante al flusso d'aria nel collettore di aspirazione bastavano una membrana mobile, alcuni getti e una vaschetta con galleggiano; era facile da installare, la manutenzione si faceva con attrezzi manuali e il costo era basso. Per un intero secolo questa semplicità ha reso il carburatore di fatto la soluzione di alimentazione standard del motore benzina a quattro tempi.

Ma proprio qui era il limite strutturale del carburatore: non era preciso nella distribuzione del carburante. Il rapporto aria/carburante viene misurato in peso; 15:1, cioè significa 1 libbra di benzina ogni 15 libbre d'aria. In termini di volume questo rapporto corrisponde a circa 9.000 galloni d'aria a 1 gallone di benzina - far mantenere questo equilibrio al carburatore a ogni regime, ogni carico e ogni temperatura è un trucco ingegneristico atteso, non un valore di misura garantito. I motori benzina a quattro tempi possono funzionare con rapporti dal più ricco 8:1 al più povero 18,5:1-19:1; la banda ideale per la potenza massima 12:1-13,5:1, per la migliore economia di carburante 15:1-16:1. Il carburatore ha dovuto oscillare tra queste bande e, quando è arrivata l'era delle emissioni, non è riuscito a farlo con sufficiente precisione.

Come è Nascosta l'Iniezione del Carburante? Dal Motorsport alla Produzione di Serie

Le radici dell'idea di iniezione risalgono al 1925, all'ingegnere svedese Jonas Hesselman; ma per la diffusione della tecnologia ci volle più di quarant'anni. La prima iniezione elettronica per motori a benzina invece arrivò in modo inusuale: la Goliath GP700 - 1952, all'epoca quasi sconosciuta, dotata di un sistema diesel riadattato. In seguito Mercedes-Benz presentò sulla leggendaria 300SL Gullwing il primo motore a benzina con iniezione diretta.

Il vero laboratorio furono però le piste. Il sistema di iniezione meccanica sviluppato da Stu Hilborn sui laghi di sale di Bonneville comparve alla Indianapolis 500 del 1949 sui motori Meyer-Drake Offy; gli iniettori Hilborn vinsero alla Indy 500 più di 34 vittorie tra gli anni '50 e '70. Sulla strada, in città, ci furono esempi precoci: sulla Chevrolet Corvette del 1957 fu utilizzato il sistema Rochester Ramjet Fuel Injection, diventando uno degli esempi rari di iniezione dell'epoca delle auto classiche.

Bendix Electrojector: il primo tentativo elettronico

Il primo sistema di iniezione elettronica del carburante prodotto in serie fu il Bendix Electrojector. Chrysler, per l'anno modello 1958 offrì questo sistema per breve tempo; lo stesso anno l'Electrojector era presente sui modelli Chrysler 300D, DeSoto Adventurer, Dodge D-500 e Plymouth Fury. Sono le prime automobili note ad aver utilizzato l'iniezione elettronica del carburante. Gran parte del lavoro di ingegneria originale del sistema fu realizzato negli anni '50 presso la Bendix Corp. negli USA - la famiglia Jetronic di Bosch è in realtà l'erede di questo pioniere americano.

La famiglia Bosch Jetronic: i sistemi che hanno sconfitto il carburatore

Bosch nel 1959 pose il punto di partenza della famiglia Jetronic con uno schema di un sistema elettronico di iniezione di benzina. Sviluppato all'inizio degli anni '60, il D-Jetronic fu il primo sistema di iniezione elettronica del carburante prodotto in serie dall'azienda e fu presentato come il primo sistema di iniezione elettronica di successo a sostituire il carburatore a metà degli anni '60. Il D-Jetronic debuttò nel 1967 sul VW 1600 TL ; in alcuni mercati il primo utilizzatore è registrato come modello VW Type 3 del 1968. Mercedes-Benz invece utilizzò il D-Jetronic dal 1967 sui suoi motori a sei cilindri in linea e V8 fino al 1976. L'intervallo di produzione indicato da Wikipedia è chiaro: 1967-1979.

La logica di funzionamento del D-Jetronic è, con la terminologia odierna, l'approccio "speed-density": viene misurata la pressione dell'aria nel collettore di aspirazione (sensore MAP) e il regime del motore, e il carburante viene calcolato da questi due dati. Invece di pesare direttamente l'aria che entra effettivamente nel motore, la si stima da due variabili misurabili - esattamente questa era la logica del primo passo dell'iniezione elettronica.

La strada meccanica: il K-Jetronic

Bosch sviluppò il K-Jetronic come controparte meccanica dell'elettronico D-Jetronic. Il membro successivo della stessa famiglia L-Jetronic (L, dal tedesco "Luft", cioè aria) fu introdotto a metà degli anni '70: misurava il volume d'aria con un sensore a flap mobile sopra la valvola a farfalla e fu adottato da Ford e da molti produttori asiatici ed europei. Nel 1974 il D-Jetronic fu sostituito dal K-Jetronic e dal L-Jetronic; anche se alcuni veicoli - per esempio Volvo 164 - continuarono a usare il D-Jetronic. Negli anni '70 Bosch e BMW furono i pionieri di questi primi sistemi; mentre Ford presentò 1980 il suo primo sistema digitale.

Perché il Passaggio agli Standard sulle Emissioni Accelerò?

Non fu solo la resa o il consumo a sconfiggere il carburatore; la vera forza trainante furono gli standard sulle emissioni che si inasprivano negli Stati Uniti e nel mondo. Il carburatore non riusciva a mantenere la miscela aria-carburante nella stretta finestra richiesta dal convertitore catalitico e dalla normativa in continuo irrigidimento. L'iniezione offrendo un controllo più fine della miscela garantiva una combustione più pulita ed emissioni più basse - nei motori moderni l'obiettivo è il rapporto 14,7:1 stechiometrico che bilancia emissioni e potenza/consumi, e tale precisione poteva essere raggiunta solo con un'iniezione controllata dal computer.

Anche lo strumento della transizione fu interessante: TBI (iniezione al corpo farfalla) erano di fatto degli "elettrocarburatori" - la torretta di ventilazione e la vaschetta del galleggianti venivano rimosse e al loro posto si installavano iniettori con uno o due solenoidi. Era una soluzione di transizione economica ed efficace, ma poiché condivideva le debolezze del carburatore all'inizio degli anni '90 fu in gran parte eliminata dalla produzione. Il vero salto arrivò a metà e fine anni '80, quando aumentò la velocità di elaborazione dei computer di controllo motore: divenne possibile l'iniezione sequenziale, cioè l'erogazione del carburante in base alla temporizzazione di aspirazione di ogni cilindro. All'inizio degli anni '90 le revisioni del Clean Air Act e i requisiti OBD-II resero di fatto obbligatorio il controllo del carburante su ogni valvola di aspirazione. Da quel punto in poi la discussione si è chiusa: il controllo digitale del computer ha reso standard la precisione nella misurazione del carburante che il carburatore non avrebbe mai potuto offrire.

Iniezione o Carburatore? Confronto in Numeri

Riassumere le differenze tra i due sistemi in un'unica tabella è il modo più chiaro per vedere il bilancio ingegneristico:

Come si può leggere dalla tabella, il punto in cui il carburatore ha perso contro l'iniezione è la precisione di misurazione; quello in cui continua a vincere è la semplicità. Non vanno negati nemmeno i punti deboli dei primi sistemi EFI: a metà degli anni '80, gli iniettori a flusso otturati e i depositi sulla valvola di aspirazione, ostruiti da benzine prive di detergenti, erano problemi noti dei primi sistemi a iniezione multipoint - superati grazie agli additivi per il carburante e alle correzioni nel posizionamento degli iniettori. Mentre i sistemi basati su MAF offrivano il controllo del carburante più preciso, per la loro complessità elettronica furono per un periodo considerati tra i sistemi più problematici. In sintesi, l'EFI non fu perfetto da un giorno all'altro; maturò nel tempo.

Il ritmo della transizione: tutto il mercato in un decennio

I produttori americani diffusero l'EFI nelle automobili di produzione di serie all'inizio degli anni '80: Ford nel 1983, GM e Chrysler nel 1983-84. Anche i produttori giapponesi si orientarono nella stessa direzione a fine anni '70 e inizio anni '80. Oggi l'EFI è lo standard universale per quasi tutte le automobili e i veicoli commerciali leggeri del mondo; il carburatore invece scomparve completamente dalle automobili passeggeri di nuova produzione all'inizio degli anni 2000 .

La stessa transizione avvenne anche per le motociclette e il processo là è documentato in modo visibile: Harley-Davidson provò l'EFI sui modelli per la polizia negli anni '80; nel 1995 i modelli touring FLH furono le prime Harley con EFI di fabbrica; il sistema nel 2002 fu standardizzato sulla serie Touring e nel 2007 tutti i modelli arrivarono con EFI - le motociclette con carburatore sparirono ufficialmente dalla gamma di prodotti. I tradizionalisti difendono ancora la semplicità del carburatore e la flessibilità della regolazione meccanica; ma il fatto che il motore con carburatore debba essere regolato nuovamente al variare della quota resta uno svantaggio pratico rispetto all'adattamento automatico dell'EFI.

L'eredità lasciata dalla rivoluzione silenziosa

La transizione dal carburatore all'iniezione elettronica del carburante non fu la trasformazione di un componente in un altro; fu il cambiamento della concezione di "gestione" del motore. Il carburatore si affidava al comportamento spontaneo del motore; l'EFI stabilì un'architettura informatica che misurava ciò che il motore stava facendo e decideva di conseguenza. Quel computer si evolse nel tempo nell'unità di controllo motore e su questa infrastruttura si è sviluppata l'intera tecnologia motrice odierna, dalla gestione del turbo alla strategia anti-detonazione (knock).

Riassumendo con i numeri: l'iniezione elettronica, sperimentata nel 1958 su alcune centinaia di esemplari di fascia alta della Chrysler, divenne legittima nel 1967 su un'automobile familiare normale con la VW 1600 TL, nel 1983-84 divenne la condizione standard di transizione per tutti i grandi produttori e all'inizio degli anni 2000 cancellò il carburatore dalle catene di montaggio, ponendogli fine. Il percorso dall'idea di Emil Hesselman nel 1925 fino all'EFI moderno durò circa 75 anni; ma l'ultimo decennio - cioè la vera trasformazione - non richiese nemmeno dieci anni. Questo è uno degli esempi più chiari che dimostrano come, nella storia dell'ingegneria, ciò che uccide davvero una tecnologia sia la maturazione di un'alternativa migliore.

Fonti

• Mastering the Basics: Electronic Fuel Injection | MOTOR
• A backbone of Automotive Electronics - Bosch Stories
• Fuel injection - Wikipedia
• Electrojector and D-Jetronic: Early Electronic Fuel Injection - Ate Up With Motor
• Bosch D-Jetronic, K-Jetronic & KE-Jetronic Fuel Injection Systems - Hemmings
• The long, winding road to EFI - Hagerty
• A Song of Air and Fuel: How Fuel Injection Got into Cars - Škoda Motorsport
• D-Jetronic chapter 1: History - jetronic.org
• The transition from carburetors to fuel injection in Harley-Davidson - Caliente Harley
• Why Don't Modern Cars Use Carburetors Anymore? - Inmon Auto