L'iniezione elettronica ha rivoluzionato il settore dei motori a combustione interna, rendendo gli iniettori componenti cruciali per l'efficienza e le prestazioni dei propulsori moderni. Il loro compito fondamentale è quello di iniettare nei cilindri il carburante necessario alla combustione. Tuttavia, la complessità di questa operazione, specialmente nei motori diesel, ha portato a diverse soluzioni tecniche, tra cui il circuito di ritorno degli iniettori, essenziale per il corretto funzionamento di alcuni tipi di sistemi.
Dai Sistemi Tradizionali all'Avvento del Common Rail
I motori Diesel degli anni '80 erano spesso rumorosi, poco potenti, fumosi e vibravano notevolmente. La competizione con i propulsori a benzina era ancora aspra. L'introduzione dell'iniezione diretta ha segnato una svolta, e tra i brevetti più celebri figura l'ormai famoso common rail, un'invenzione italiana successivamente esportata e venduta in Germania. Oggi, tutti i costruttori offrono veicoli diesel con sistemi a iniezione diretta. Nonostante le diverse denominazioni commerciali, i principi basilari di funzionamento rimangono invariati, con differenze che si riscontrano principalmente nella tipologia di alcuni componenti.
I nuovi sistemi di iniezione diretta di gasolio, che d'ora in poi chiameremo common rail, si distinguono per la separazione tra il sistema di generazione della pressione e quello di iniezione. La pressione di iniezione viene generata in modo quasi indipendente dal regime di giri del propulsore e dal volume di gasolio iniettato. Il combustibile viene accumulato ad una pressione specifica all'interno del "rail", da cui poi viene iniettato. La centralina di controllo motore (ECU) definisce le quantità di gasolio da iniettare basandosi su diverse informazioni e mappe memorizzate internamente.
Tra i segnali principali che la centralina considera, vi sono quelli provenienti dal sensore di giri dell'albero motore, dal sensore di giri dell'albero a camme, dal sensore montato sul pedale dell'acceleratore e da quello che misura la pressione di sovralimentazione (se presente un gruppo turbocompressore). Altri segnali importanti provengono dal sensore di temperatura del liquido refrigerante e dal sensore di portata d'aria (debimetro).
Il common rail offre vantaggi indiscutibili rispetto alle vecchie pompe di iniezione: pressioni di iniezione molto elevate, la capacità di eseguire un'iniezione pilota, un'iniezione principale e una post-iniezione, e la possibilità di adattare il funzionamento alle reali condizioni operative del motore. La chiave di questo sistema è il disaccoppiamento tra la generazione della pressione necessaria, la quantità di combustibile da iniettare e l'istante di iniezione. Nei sistemi convenzionali, questi elementi erano accoppiati in funzione del regime di giri, comportando un aumento della pressione di iniezione all'aumentare dei giri e una variazione della pressione in base agli istanti di apertura e chiusura dell'iniettore.
Con il common rail, questi problemi sono superati. L'iniezione pilota, ad esempio, migliora l'efficienza di combustione. La pressione raggiunta alla fine della fase di compressione viene leggermente aumentata dalla pre-iniezione, riducendo il ritardo dell'accensione principale. Si osservano anche picchi di pressione ridotti durante la combustione, con un conseguente funzionamento più fluido e silenzioso del propulsore. Per rispettare le severe normative antinquinamento, è stata introdotta anche una fase di iniezione secondaria (post-iniezione). Questa iniezione di combustibile fresco nei gas di scarico agisce come agente riducente, migliorando la riduzione degli ossidi di azoto (NOx) nei motori dotati di convertitore catalitico specifico.
Funzionamento dei Sistemi a Iniezione Diretta
Un sistema a iniezione diretta inizia con una pompa che preleva il gasolio dal serbatoio e lo invia a una seconda pompa, quella del circuito di alta pressione. Quest'ultima eleva il gasolio a una pressione pari a quella di iniezione. Il combustibile non viene inviato direttamente agli iniettori, ma viene accumulato nel "rail", che funge da serbatoio ad alta pressione e ha il compito di smorzare le oscillazioni di pressione causate dalle aperture e chiusure degli iniettori. La pressione nel rail è costantemente monitorata da un sensore per garantirne la stabilità.
Iniettore Pompa vs. Common Rail - Ascesa e Declino del Diesel Ep.1
Il corpo dell'iniettore è dotato di un attuatore elettromagnetico a solenoide che, in base al suo stato di eccitazione, crea uno squilibrio di pressione a monte e a valle dello spillo dell'otturatore. Questa differenza di pressione provoca il sollevamento o l'abbassamento dello spillo, determinando l'apertura o la chiusura degli ugelli. Il controllo dell'intero sistema è affidato a una centralina elettronica dedicata.
La Pompa di Bassa Pressione
Si tratta generalmente di una pompa elettrica da 12V, capace di garantire una portata minima di 0,5 litri/minuto con una pressione di mandata di circa 0,5 bar. In alcuni sistemi, specialmente dove non è presente la pompa elettrica nel serbatoio, la pompa di alta pressione stessa provvede all'aspirazione del carburante dal serbatoio tramite uno stadio di bassa pressione (pompa a palette o ad ingranaggi) integrato. A seconda del costruttore, può essere presente una piccola pompa manuale nel vano motore per facilitare il riempimento del filtro e lo spurgo dell'impianto dopo la manutenzione.
La Pompa di Alta Pressione
La pompa che comprime il combustibile ad alta pressione nel rail è spesso di tipo Radialjet, caratterizzata da tre pistoncini disposti radialmente a 120°. Questa pompa è trascinata dal motore, solitamente tramite una cinghia dentata, a una velocità dimezzata rispetto al motore. Un grande vantaggio è che non richiede una messa in fase, poiché l'istante e il tempo di iniezione sono gestiti elettronicamente dagli iniettori. Il movimento alternato dei tre pistoni è assicurato da una camma triangolare solidale con l'albero della pompa. Ogni elemento pompante ha una valvola di aspirazione (solitamente a piattello) e una di mandata (solitamente a sfera).
Il Regolatore di Pressione
Questo componente è fondamentale per la regolazione della pressione del gasolio nel common rail. È essenzialmente una valvola che apre e chiude un apposito foro, collegando il rail a un percorso di ritorno verso il serbatoio. Al suo interno, la valvola contiene una molla che genera un precarico meccanico e un solenoide. L'eccitazione del solenoide muove l'elemento otturatore, che a sua volta limita la sezione di passaggio del carburante. La molla stabilisce un valore di pressione di base in funzione del precarico, mentre il solenoide interviene per innalzare la pressione ai valori richiesti. La scelta di un legame proporzionale tra l'aumento di pressione e l'aumento di corrente nel solenoide è dettata da ragioni di sicurezza: in caso di guasto al sistema di regolazione, il rail funzionerebbe al valore minimo di pressione stabilito meccanicamente dalla molla.
Il Rail
Il rail è il serbatoio ad alta pressione dove il gasolio raggiunge la pressione di iniezione. Tra i suoi scopi principali vi è la capacità di smorzare le oscillazioni di pressione, causate sia dalle mandate consecutive della pompa sia dalle aperture periodiche degli iniettori. Il volume del rail è calibrato per smorzare queste oscillazioni, evitando al contempo ritardi eccessivi nel raggiungimento della pressione necessaria durante i transitori. Volumi troppo piccoli causerebbero oscillazioni violente della pressione, mentre volumi troppo grandi comporterebbero risposte ritardate del sistema, con conseguenze inaccettabili per il corretto funzionamento.
L'Elettroiniettore: Tipi e Funzionamento
L'iniettore è un componente cruciale del sistema di alimentazione, responsabile dell'atomizzazione e dell'iniezione precisa del carburante. Oggi esistono diverse tipologie di iniettori, ciascuna con principi di funzionamento specifici.
Iniettore Meccanico Tradizionale
I primi iniettori erano meccanici. Consistevano in un corpo cilindrico con una camera interna e un foro nella parte inferiore. Una pompa speciale inviava il combustibile nella camera; quando la pressione raggiungeva un valore sufficiente a vincere la forza di una molla, l'ago arretrava, liberando l'apertura. Il carburante in pressione usciva rapidamente dalla camera e, nel suo percorso verso il cilindro, incontrava il polverizzatore che lo trasformava in minutissime goccioline per facilitare la combustione.
Iniettore Elettromagnetico (Solenoide)
Negli iniettori moderni, il principio dell'ago che preme sul foro di uscita del carburante è conservato, ma il suo movimento è controllato elettronicamente. L'astina che muove l'ago ha un'armatura magnetica, mentre nel corpo dell'iniettore è presente una bobina (solenoide) che circonda l'armatura. Quando la centralina invia un impulso di corrente al solenoide, l'armatura magnetica si sposta, l'ago libera il foro di uscita e il carburante viene iniettato. Questo sistema permette un dosaggio molto preciso del carburante, migliorando consumi ed emissioni.
Il funzionamento si basa su uno squilibrio di pressione. L'ago è sottoposto alla pressione del carburante sia nella parte superiore che in quella inferiore. L'impulso dato dal solenoide provoca lo scarico della pressione nella zona superiore. La pressione nella zona inferiore, non più bilanciata, fa sollevare l'ago, liberando il carburante. Questo meccanismo implica che una parte del carburante, quella sopra l'ago, non venga iniettata. È qui che entra in gioco il circuito di ritorno, un condotto che recupera il carburante in eccesso e lo reindirizza al serbatoio.
Funzionamento dettagliato dell'iniettore elettromagnetico:
Quando sulla parte bassa dello spillo (lato polverizzatore) e sulla sua parte alta agisce il gasolio con la medesima pressione, l’iniettore è chiuso. La superficie superiore dello spillo a contatto con il gasolio è più grande di quella inferiore. In questo modo, la forza che spinge lo spillo stesso verso il basso è maggiore di quella che lo spinge verso l’alto, e il polverizzatore rimane chiuso.
Quando il circuito elettrico di comando nella centralina alimenta la bobina elettromagnetica dell’iniettore, all’interno dell’iniettore stesso si sposta la valvola di controllo, aprendo il circuito di ritorno. Da questo circuito, il gasolio presente sulla parte alta dello spillo può scaricarsi verso il serbatoio. La pressione presente sulla parte bassa dello spillo lo spinge verso l’alto, e il gasolio esce nebulizzato dal polverizzatore, dando inizio all’iniezione.
La nebulizzazione operata dal polverizzatore provoca una caduta di pressione del gasolio presente sulla parte bassa dello spillo. Quando viene tolta energia elettrica alla bobina elettromagnetica, la valvola di controllo chiude il circuito di ritorno. La pressione del gasolio sopra lo spillo aumenta e assume un valore superiore a quella presente sulla base dell’iniettore stesso. La differenza tra le due pressioni consente allo spillo di abbassarsi, chiudendo il polverizzatore e terminando così l’iniezione.
In pratica, l'ugello è tenuto chiuso da una spina, la quale è spinta dall'asta di pressione. Quando la centralina invia il comando alla bobina, l'otturatore a sfera si apre, causando l'immediato svuotamento del volume di controllo e quindi dell'area di controllo. Con il motore al minimo, la pressione nel common rail rimane a 300 Bar, ma in fase di accelerazione, e in funzione della potenza richiesta, la pressione può aumentare fino a 1450 Bar.
Iniettore Piezoelettrico
La risposta alla domanda "cosa sono gli iniettori" è diversa con gli iniettori piezoelettrici. Questi iniettori sfruttano le proprietà di alcuni materiali che si deformano quando sottoposti a impulsi elettrici. Tali deformazioni sono sufficientemente forti da azionare direttamente l'ago, senza la necessità di una differenza di pressione come nel caso degli iniettori a solenoide. In questo schema, il circuito di ritorno del carburante, precedentemente descritto, viene eliminato.
Le deformazioni dello "stack piezoelettrico" (un insieme di centinaia di piastre piezo impilate e alimentate in serie-parallelo), quando alimentato elettricamente, sono molto piccole. Per questo motivo, esse non sarebbero sufficienti a comandare direttamente lo spostamento dello spillo. Sfruttando l'azione del gasolio presente nel volume di comando e un pistone di comando progettato con uno specifico diametro, le deformazioni dello stack piezoelettrico vengono amplificate, ottenendo il corretto movimento dello spillo che consente di iniziare o terminare l'iniezione. Con il comando diretto dello spillo, le inerzie di apertura e chiusura dell'iniettore sono drasticamente ridotte.
Gli iniettori a comando piezoelettrico consumano meno elettricità rispetto a quelli magnetici e sono circa cinque volte più veloci di una valvola elettromagnetica (che è affetta dall'inerzia caratteristica degli induttori, espressa dalla Legge di Lenz). Questa velocità ha reso possibile la realizzazione di sistemi common-rail con oltre sette iniezioni per ciclo di combustione. Un tipico attuatore piezoelettrico per iniettore, come nel sistema Siemens VDO Piezo Common Rail (PCR), è costituito da uno stack di 200 lamine di ceramica piezoelettrica, ognuna spessa circa 80 μm.
Il tempo tipico di "carica" dell'attuatore piezoelettrico è di 0,15 ms, e l'intervallo di iniezione (durante il quale la valvola è aperta) è compreso tra 0,15 ms e 4,50 ms. Dopo l'iniezione, la valvola viene richiusa tramite la scarica della capacità dell'attuatore piezoelettrico entro 0,15 ms.
Negli iniettori a 3 e 4 fili dei motori common-rail, due fili alimentano l'elettroattuatore (piezoelettrico o a solenoide) e due sono i capi del sensore induttivo che informa la ECU della posizione dello spillo. Questo sensore fornisce informazioni sull'istante esatto dell'iniezione, che la centralina utilizza per calibrare gli iniettori in base alla densità e temperatura del combustibile, all'usura dello spillo e altri fattori.
Dalla normativa EURO IV in poi, gli iniettori vengono codificati nella ECU inserendo i codici (ad esempio gli IMA) ricavati da test al banco dopo l'assemblaggio e stampati sull'elettroattuatore. Questi codici forniscono informazioni sulla tolleranza nella risposta dell'iniettore rispetto al valore teorico di riferimento.
Questo duplice meccanismo di regolazione è fondamentale per il funzionamento dell'impianto di iniezione. Ad esempio, se la pressione in ingresso agli iniettori deve essere di 1600 bar, la ECU assicura che la pompa d'alta pressione invii gasolio nel rail fino a quando il sensore di pressione rileva tale valore. Se il motore deve aumentare la potenza, è necessario incrementare la portata del combustibile; altrimenti, aumentando la durata di apertura degli iniettori, la pressione nel rail calerebbe a causa dell'aumentata massa di gasolio richiesta.
Il Circuito di Alimentazione Carburante BOSCH EDC 16 C34
Il sistema di gestione motore BOSCH EDC 16 C34, montato su molte vetture del gruppo francese PSA, presenta un circuito di alimentazione carburante suddiviso in un circuito di bassa pressione e uno di alta pressione.
Legenda del Circuito:1) Pompa carburante (di alta pressione)2) Rail carburante3) Iniettore4) Sensore temperatura carburante5) Collettore tubazione di ritorno carburante6) Filtro carburante7) Serbatoio carburante8) Modulo di gestione motore (PCM)
Tubazioni:A. Tubazione di bassa pressione verso pompa carburanteB. Tubazione di mandata pompa a collettore tubazione di ritorno carburanteC. Tubazione di mandata carburante ad alta pressione railD. Tubazione di mandata carburante ad alta pressione iniettoriE. Tubazione di ritorno carburante pompa carburanteF. Tubazione di ritorno carburante iniettoriG. Tubazione di ritorno al serbatoio carburante
Il gasolio viene fornito alla pompa di alta pressione tramite l’ausilio della pre-pompa elettrica, oppure aspirato direttamente dalla pompa di alta pressione tramite uno stadio di bassa pressione (pompa a palette o ad ingranaggi) che forma un unico corpo con essa. Dallo schema idraulico si deduce che, non essendo presente la pompa di trasferta elettrica nel serbatoio carburante, è la stessa pompa ad alta pressione a provvedere all’aspirazione del carburante dal serbatoio per alimentarsi. Può essere presente una piccola pompa manuale, a seconda delle case costruttrici, dislocata all’interno del vano motore al fine di facilitare le operazioni di riempimento filtro e spurgo impianto a seguito delle operazioni di manutenzione del sistema.
La compressione del gasolio viene effettuata dalla pompa di alta pressione che lo invia al rail. Il rail, come già detto, rappresenta un serbatoio di gasolio ad alta pressione il cui compito è quello di fornire il combustibile agli iniettori e di ammortizzare le pulsazioni di pressione. La pressione è misurata dalla centralina tramite un sensore di pressione situato sul rail stesso, che permette la regolazione della pressione tramite l’azione della centralina sul regolatore di pressione montato sulla pompa di alta.
Mediante il segnale ricevuto dal sensore di posizione del pedale acceleratore, la centralina elettronica comanda l’apertura dell’iniettore. L’apertura dell’iniettore è regolata dall’elettromagnete posto su di esso, il quale apre la servo valvola che permette di ottenere una differenza di pressione del gasolio tra il sotto e il sopra dell’ago dell’iniettore, consentendone l'apertura. L’iniettore si richiude al termine del comando elettrico. Con questo sistema è possibile ottenere anche più iniezioni per ogni ciclo di lavoro, permettendo quindi una pre-iniezione, una o più iniezioni principali e anche delle post-iniezioni, che abbassano la rumorosità di funzionamento tipica di questi motori.
Iniettore Pompa vs. Common Rail - Ascesa e Declino del Diesel Ep.1
Diagnosi degli Iniettori: L'Importanza della Tenuta
Per effettuare diagnosi precise all’impianto di alimentazione è fondamentale controllare se gli iniettori sono efficienti. In altre parole, occorre verificare se, con l’iniettore chiuso, la valvola di controllo che ostruisce il circuito di ritorno (quando la bobina elettrica o lo stack piezoelettrico non sono energizzati) assicura la necessaria tenuta. Se tale tenuta non fosse presente, parte del gasolio contenuto nel rail verrebbe scaricato verso il serbatoio, causando una diminuzione della pressione. Questo potrebbe compromettere il corretto funzionamento del motore e l'efficienza complessiva del sistema di iniezione.