I motori moderni, sia diesel che benzina, fanno ampio uso dell'iniezione elettronica per ottimizzare l'efficienza e ridurre le emissioni. In particolare, nei motori diesel, il sistema Common Rail è diventato lo standard, con i suoi iniettori che operano ad alta e altissima pressione (fino a 2.200 bar). Le severe normative antinquinamento, come la EURO IV e successive, hanno imposto requisiti stringenti su questi componenti, richiedendo tempi di risposta estremamente rapidi per gestire le molteplici iniezioni per ogni ciclo di combustione.
L'Evoluzione degli Iniettori: Dai Solenoidi al Piezoelettrico
Storicamente, gli iniettori utilizzavano attuatori elettromagnetici, dove un solenoide, ricevendo un impulso dalla centralina, generava un campo elettromagnetico per sollevare lo spillo e permettere il flusso del gasolio verso il polverizzatore. Questi iniettori, tuttavia, non erano in grado di soddisfare i tempi di risposta sempre più ridotti richiesti dai diesel veloci moderni. La soluzione è stata il passaggio alla tecnologia piezoelettrica, che offre tempi di risposta mediamente cinque volte inferiori.
Iniettori Elettromagnetici: Il Principio di Funzionamento
Negli iniettori elettromagnetici, il flusso di combustibile dalla camera superiore è controllato da una valvola azionata da un solenoide. Quando una corrente elettrica attraversa il solenoide, si genera un campo elettromagnetico che attrae e solleva un cilindretto di azionamento, aprendo la valvola e consentendo l'iniezione. L'alimentazione è fornita tramite impulsi nell'ordine di 12-14V con correnti impulsive di decine di Ampere.
Iniettori Piezoelettrici: Una Nuova Era di Precisione
Negli iniettori piezoelettrici, la valvola di uscita del gasolio è gestita da un dispositivo che sfrutta l'effetto piezoelettrico inverso. Questo fenomeno si basa sulla proprietà di alcuni materiali di deformarsi quando sottoposti a una differenza di potenziale. La struttura tipica di questi elettroiniettori è composta da un attuatore formato da numerosi elementi piezoelettrici impilati, spesso più di 200, alimentati in serie-parallelo.
Gli iniettori a comando piezoelettrico consumano meno elettricità rispetto a quelli magnetici e sono significativamente più veloci, attivandosi fino a cinque volte più rapidamente di un'elettrovalvola elettromagnetica. Questo è fondamentale per le moderne strategie di iniezione che prevedono pre-iniezioni, iniezione principale e post-iniezioni, alcune delle quali prolungate per la rigenerazione del filtro antiparticolato (FAP o DPF).
Lavaggio iniettore piezoelettrico 120 Volt con lavainiettori Launch e MM03 Mini
Il Cuore dell'Iniettore Piezoelettrico: Il Materiale e la Struttura
Il nome "piezo" deriva dal greco "piezein", che significa premere. La scoperta dei materiali con effetti piezoelettrici risale al 1880. Questi materiali hanno la caratteristica di generare una tensione elettrica ai loro estremi se sottoposti a deformazioni meccaniche e, al contrario, di deformarsi se sottoposti a una tensione. Questa deformazione permane anche dopo aver tolto l'alimentazione, fino a quando non viene applicata una corrente di polarità inversa. I cristalli di quarzo sono tra i materiali più comunemente utilizzati.
La parte superiore dell'iniettore, dove è posizionato l'elemento piezoelettrico, è composta da più strati sovrapposti di questo materiale. A seguito del comando impartito dalla centralina di controllo motore con una tensione di 70 Volt, il materiale subisce una deformazione. Questo fenomeno si riproduce per circa 200 volte, variando in funzione del numero di strati che compongono l'iniettore, e porta a un innalzamento della tensione fornita dalla centralina fino a circa 140 Volt.
Un esempio pratico è l'attuatore piezo per iniettore del sistema Siemens VDO Piezo Common Rail (PCR), costituito da una pila (stack) di circa 350 lamine di ceramica piezoelettrica, ognuna con uno spessore di circa 80 μm. Sottoposto alla tensione di controllo, l'attuatore si espande fino a 40 μm.
Il dado serve ad avvitarlo al corpo meccanico dell'iniettore, mentre la membrana elastica sigilla lo stack per evitare che il gasolio entri in contatto con la parte elettrica.
Il Meccanismo di Iniezione
Il principio di funzionamento è quello classico degli iniettori per impianti common rail. Quando l'iniettore è chiuso, la pressione del carburante agisce sia sulla parte inferiore che sulla parte superiore dell'ago dell'iniettore, bilanciando le forze e mantenendo l'ago in posizione.
A seguito del comando della centralina motore, il materiale piezoelettrico si deforma e preme su una leva amplificatrice. L'abbassamento della leva sposta un pistoncino sottostante, che consente l'apertura della valvola di scarico. L'apertura della valvola provoca un crollo della pressione del gasolio nella parte alta dell'ago dell'iniettore, scaricando parte del gasolio verso il ritorno. In questa condizione, la pressione del gasolio che spinge nella parte bassa dell'ago permette che esso si sollevi, creando l'iniezione di carburante attraverso i microfori presenti sulla punta dell'iniettore.
Ciclo di Iniezione Dettagliato
Nei diesel Common-Rail dall'EURO IV in poi sono richieste più iniezioni per ogni ciclo di combustione: mediamente una o più pre-iniezioni, un'iniezione principale e una o più post-iniezioni, l'ultima delle quali viene prolungata nella fase di rigenerazione del filtro antiparticolato (FAP o DPF). Considerando che un diesel a quattro tempi può raggiungere 4.500 giri/minuto, e che c'è una combustione ogni due giri dell'albero motore, ogni ciclo di iniezioni deve durare meno di un quarto del regime massimo di giri, teoricamente meno di 110 microsecondi.
Il Comando Elettronico degli Iniettori Piezoelettrici
Il comando degli iniettori piezoelettrici è più complesso di quello degli iniettori elettromagnetici. Mentre negli elettromagnetici la disattivazione del campo magnetico è quasi immediata, nel piezoelettrico, che ha una natura capacitiva, lo stack rimane dilatato a lungo perché la capacità parassita rimane carica.
Il comando prevede quattro fasi:
- Apertura: Viene applicato un impulso di tensione dell'ordine dei 60-70V.
- Mantenimento apertura: Si toglie la tensione, e l'elettroattuatore, per la sua natura capacitiva, rimane carico e quindi esteso.
- Chiusura: È necessario forzare la scarica della capacità mediante un impulso a tensione inversa.
- Ricarica: Il tempo di ricarica dell'attuatore è di 0,15 ms.
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. Durante questo tempo, una quantità di carburante compresa tra 1 mm³ (durante la pre-iniezione) e 80 mm³ (durante l'iniezione principale a pieno carico) viene iniettata nella camera di combustione.
Il filo negativo di ciascun iniettore piezoelettrico è commutato da un MOSFET o un BJT che il circuito integrato di controllo accende per caricare e scaricare l'iniettore tramite due MOSFET operanti sulla linea positiva. Viene aperto quando l'iniettore sta iniettando, poiché l'elettroattuatore piezoelettrico rimane carico, e quindi esteso, quando viene privato dell'impulso positivo di apertura.
Analisi del Segnale dell'Iniettore con Oscilloscopio
L'utilizzo di un oscilloscopio applicato ai capi dell'iniettore consente di visualizzare le forme d'onda relative all'attivazione del componente da parte della centralina. Con lo strumento settato a 500 µsec/div e 50 Volt/div, è possibile osservare i seguenti pattern:
Segnale a Regime Minimo
Con il motore termicamente regimato e funzionante al regime minimo, si osserva un segnale composto da due impulsi. Questi rappresentano, in sequenza da sinistra a destra, la pre-iniezione e l'iniezione di potenza.
Segnale a Regime Elevato
Se il rilevamento viene effettuato con il motore termicamente regimato e funzionante ad un regime superiore ai 3000 giri/min, l'impulso è solamente uno. Questo evidenzia come il numero di iniezioni passa da due ad una. La metodologia di prova (funzionamento a vuoto del motore) non ha rilevato post-iniezioni o un numero maggiore di pre-iniezioni in questo contesto.
Relazione tra Tensione e Corrente
Analizzando l'andamento degli impulsi elettrici sotto l'aspetto dei Volt, l'inversione di polarità necessaria per la chiusura dell'iniettore non viene rilevata. Tuttavia, analizzando l'andamento della corrente di comando, è possibile visualizzare questa inversione di polarità.
La corrente assume tre andamenti:
- Positivo: Quando l'iniettore viene comandato ad aprirsi.
- Quasi zero: L'iniettore rimane aperto.
- Negativo: La chiusura dell'iniettore.
Per rilevare la corrente di comando, lo strumento deve essere collegato a una pinza amperometrica, che converte in Volt la corrente che passa in un filo dell'iniettore (indifferentemente nel filo positivo o negativo). Una pinza amperometrica con un fattore di conversione di 10 mV/A, significa che un Ampere che fluisce nel filo fornisce in uscita 10 mV. L'oscilloscopio viene regolato con una base dei tempi di 100 µsec/div, e una scala dei volt di 50 Volt/div per il canale A (comando in tensione) e 50 mVolt/div per il canale B (andamento della corrente).
Codifica e Calibrazione degli Iniettori
Sugli iniettori sono presenti codici importanti, in particolare il codice IIC (Injector Individual Correction), un valore di correzione specifico per ogni iniettore, solitamente a 6 cifre. In caso di sostituzione di uno o più iniettori, il relativo codice deve essere inserito nella voce "riprogrammazione valori di correzione iniettori" dello strumento diagnostico.
Esistono vari standard di codifica, come l'IMA, composto da 1 o 2 caratteri e/o colori per gli iniettori classificati (la cui risposta è stata misurata in un solo punto della curva caratteristica di funzionamento) oppure 8/9 caratteri per gli iniettori codificati (risposta rilevata su 4 fasi del ciclo di iniezioni: pre-iniezione e iniezioni principali). La codifica serve a calibrare il comando della centralina in base all'effettiva risposta dell'iniettore.
La calibrazione (apprendimento dinamico degli iniettori) avviene periodicamente e in determinate condizioni, ad esempio in decelerazione entro un certo range di giri (nei motori 1.6 Hdi PSA si svolge tra 2.600 e 1.600 giri/minuto), a una certa temperatura del liquido refrigerante e sopra una certa velocità.
Problemi di Ricalibrazione e Codici di Errore
Nel funzionamento del motore, il tempo di risposta dell'iniettore può essere alterato da vari fattori, come la densità del gasolio (dipendente dalla temperatura) e l'usura meccanica dello spillo e della valvola di apertura. La ECU ammette un range di tolleranza rispetto al codice inserito e tenta periodicamente la ricalibrazione del tempo di attivazione.
Tuttavia, all'usura meccanica si aggiunge l'usura dell'elettroattuatore piezoelettrico. La ECU tenta di compensare l'aumento del tempo di risposta attraverso un apprendimento dinamico, ma a un certo punto l'iniettore non può più essere ricalibrato. Questa condizione si verifica anche perché lo stack di pastiglie piezoelettriche può "abituarsi" al regime di funzionamento e quindi la sua capacità di estensione diminuisce. Ciò impedisce alla valvola di aprirsi correttamente e all'iniettore di erogare la quantità di gasolio richiesta, soprattutto quando la ECU richiede massime prestazioni.
Quando la ricalibrazione non riesce più entro i margini previsti dal firmware della ECU, si verifica un dosaggio scorretto del gasolio e una risposta inadeguata dell'iniettore. Questa anomalia viene rilevata con un tester OBD, anche generico, e segnalata con codici di errore specifici:
- P0263 (Iniettore cilindro 1 quantità carburante)
- P0266 (Iniettore cilindro 2 quantità carburante)
- P0269 (Iniettore cilindro 3 quantità carburante)
- P0272 (Iniettore cilindro 4 quantità carburante)
- Per i motori a 6 cilindri: P0275 (cilindro 5) e P0278 (cilindro 6).
Riparazione e Revisione degli Iniettori Piezoelettrici
Quando si verifica il problema descritto sugli iniettori piezoelettrici, la soluzione tipica è la sostituzione dell'attuatore piezo. Purtroppo, per scelte commerciali, i produttori non forniscono più i ricambi della parte elettrica, ma solo dei polverizzatori e delle valvole, impedendo alle officine specializzate di revisionare totalmente l'iniettore sostituendo l'attuatore piezoelettrico.
Le motivazioni risiedono nelle stringenti normative (dall'EURO 5 in poi) che impongono margini di calibrazione molto ristretti. Un attuatore piezo sostituito potrebbe presentare discrepanze che rendono difficile una ricalibrazione accurata senza l'uso di banchi prova specifici che restituiscano i codici da inserire in centralina. In passato, alcuni costruttori come Siemens-VDO offrivano programmi di rigenerazione (ad esempio il programma DRS) che prevedevano la revisione completa dell'iniettore presso centri autorizzati, dove i tecnici sostituivano l'attuatore e fornivano un iniettore già codificato.
Tecniche di Riestensione dello Stack Piezoelettrico
Per consentire comunque il recupero degli elettroiniettori piezo non ricalibrabili dalla ECU motore, sono state sviluppate e testate tecniche per "riestendere" lo stack piezo. Queste consistono nel fornire ai contatti dell'elettroattuatore impulsi di tensione e corrente differenti, più lunghi di quelli che l'iniettore riceve normalmente dalla sua ECU. L'obiettivo è riportare fisicamente il piezo alla sua dimensione originale, o meglio alla sua estensione originale (l'estensione nominale del singolo elemento piezoelettrico dello stack è di 40 micron).
Questo approccio funziona solo se non ci sono danni rilevanti nel reticolo cristallino delle singole lamine piezoelettriche o se un eventuale cortocircuito riguarda una quantità minima di lamine. Se il cortocircuito è diffuso o il numero di lamine interessate è consistente, la rigenerazione dello stack e dell'attuatore piezo non è possibile e il componente è irrecuperabile.
Prima di tentare la rigenerazione, si verifica la resistenza e la capacità dell'elettroattuatore. Negli iniettori Siemens, la resistenza non deve scendere sotto i 180 kohm (quella tipica è intorno ai 200 kohm), mentre la capacità tipica è di 5 o 6 microfarad. Negli iniettori piezoelettrici Bosch, i valori sono diversi, ma rientrano in un range simile.
Iniettori Common Rail SIEMENS/VDO 5WS40677
L'iniettore common rail SIEMENS/VDO 5WS40677 distribuisce il carburante dalla pompa di iniezione al motore a combustione interna nello spazio dei singoli cilindri. Questi iniettori sono rinnovati utilizzando esclusivamente ricambi originali nuovi e seguendo le procedure stabilite dal produttore. I singoli componenti vengono ispezionati a fondo, e quelli insoddisfacenti sono sostituiti con nuovi (comprese la valvola e il cappuccio finale dell'iniettore). L'ispezione finale include un test sul banco prova e una calibrazione certificata.
Dettagli del Prodotto
- Produttore: SIEMENS/VDO
- Garanzia: 24 mesi
- Codice Prodotto: 002-003-001142R
- Codice EAN: 8595706506540
Numeri Sostitutivi
Questo iniettore è compatibile con numerosi codici di ricambio, tra cui:
- 00001980ER, 00001980ET, 00001980R9, 00001980S0
- 1608518380, 1685796, 1709667, 1773120, 1791017
- 1980ER, 1980ET, 1980R9, 1980S0
- 31303994, 31336585, 36001726, 36001727, 36001728, 36001729
- 40444777, 40444977, 40445077, 40445977
- 50274V05, 9672605580, 9674973080, 9683957238A, 9683957280
- 9802248680, 9802448680
- A2C59513556, AV6Q9F593AA, AV6Q9F593AB, AV6Q9F593AD
- HRD663, MN982633, REAV6Q9F593AD
- Y65013H50A, Y65013H50B, Y65013H50C
Applicazioni Veicolari
Questo iniettore è utilizzato in una vasta gamma di veicoli, tra cui:
- CITROËN BERLINGO MULTISPACE MPV II, BERLINGO Platform/Chassis
- FORD
- MAZDA
- PEUGEOT
- VOLVO
Codici Motore Compatibili
I codici motore con cui questo iniettore è compatibile includono:
- 9HC (DV6C), 9HD (DV6C), 9HD (DV6CTED), 9HG (DV6C M)
- 9HJ (DV6DTEDM), 9HL (DV6C), 9HP (DV6DTED), 9HR (DV6C)
- 9HV (DV6TED4B), 9HV (DV6TED4BU), 9HX (DV6ATED4), 9HZ (DV6TED4)
- BHX (DV6FC), BHZ (DV6FC)
- D 4162 T
- NGDA, NGDB
- T1BA, T1BB, T1BC, T1DA, T1DB, T1WA, T1WB
- T3DA, T3DB
- Y650, Y655, Y6Y1
Considerazioni Finali sulla Manutenzione
La continua evoluzione dei sistemi di iniezione common rail e degli iniettori piezoelettrici richiede una comprensione approfondita del loro funzionamento e della loro manutenzione. La codifica e la ricalibrazione sono passaggi cruciali per garantire il corretto funzionamento del motore e il rispetto delle normative antinquinamento. La difficoltà nella sostituzione dei singoli componenti piezoelettrici ha spinto verso la sostituzione completa degli iniettori, ma la ricerca di tecniche di rigenerazione continua a evolversi per offrire soluzioni alternative e più economiche, quando possibile.