Iniettori Elettrici Diesel: Cosa Sono e Come Funzionano

I motori delle automobili moderne sono tutti ad iniezione elettronica, una tecnologia che non riguarda solo i propulsori a benzina ma anche quelli diesel. Il sistema Common-Rail, ad esempio, è ormai l’unico sistema di alimentazione per i motori a gasolio in grado di soddisfare i requisiti delle stringenti normative antinquinamento (come la norma EURO IV e successive), ed è una soluzione di iniezione elettronica del combustibile, seppure ad alta e ad altissima pressione, fino a 2.200 bar. La funzione principale degli iniettori è quella di immettere la quantità corretta di carburante nella camera di combustione, in modo graduale e calibrato, a momenti specifici del ciclo di lavoro del motore per garantire una combustione efficiente e ridurre le emissioni inquinanti.

L'Evoluzione dell'Iniezione Diesel: Dal Meccanico all'Elettronico

Il motore diesel, inventato dall'ingegnere tedesco Rudolf Diesel nel 1892 e brevettato nel 1893, basa il suo funzionamento sulla combustione che avviene grazie al raggiungimento di un’elevata temperatura nella camera di combustione, ottenuta con una forte compressione dell’aria. Questa elevata temperatura provoca l’accensione spontanea del gasolio finemente polverizzato iniettato nel cilindro.

Iniezione Meccanica: I Predecessori Passivi

Prima dell'avvento della tecnologia common rail, gli iniettori erano prevalentemente componenti passivi, noti anche come "iniettori meccanici". Questi si aprivano meccanicamente solo al raggiungimento di una determinata pressione. Il processo di iniezione meccanica iniziava con una pompa di iniezione collegata direttamente al motore e azionata meccanicamente da un albero a camme o da un altro meccanismo del gruppo propulsore. Il controllo del momento e della quantità di iniezione del carburante era basato su componenti meccanici come camme, valvole di controllo e sistemi di collegamento meccanico, che regolavano manualmente il flusso di carburante in base alla posizione e al regime di rotazione. Gli iniettori erano azionati meccanicamente da un pistone e si aprivano quando veniva applicata la pressione corretta, consentendo al carburante di fluire attraverso l’orifizio nella camera di combustione. Il tempo di iniezione, determinato dalla geometria delle camme, era preimpostato e non facilmente modificabile, rendendo il sistema meno preciso rispetto alle soluzioni elettroniche attuali.

L'Era Elettronica: Precisione e Controllo

Con l'introduzione dell'iniezione elettronica, il controllo è passato a una centralina elettronica (ECU) che gestisce il tempo di iniezione, ovvero il tempo per il quale l'iniettore deve rimanere aperto e la quantità di carburante da immettere, basandosi su diversi parametri come la concentrazione dell'aria nel condotto di aspirazione e i segnali di sensori come la sonda lambda, che aiuta a regolare la quantità di carburante in base alla concentrazione di ossigeno nei gas di scarico.

Un iniettore elettronico è costituito da due ambienti: uno ad alta pressione, dove il carburante è mantenuto in pressione da una pompa ad alta pressione che pressurizza il "rail" (un serbatoio comune da cui partono i condotti di alimentazione di ogni iniettore), e un ambiente "di bassa pressione" per lo scarico del carburante verso il serbatoio dell'auto. Parte fondamentale dell'iniettore è lo spillo, che sollevandosi per mezzo di un solenoide comandato dalla ECU, scopre i fori da cui viene spruzzato il carburante. Data la necessità di resistere a pressioni di esercizio elevate, che nei moderni sistemi Common Rail possono arrivare fino a 2200 bar, non è sufficiente un semplice impulso elettrico per sollevare lo spillo. Viene sfruttata la stessa pressione del carburante e una molla di richiamo che, in condizioni stazionarie, occlude il condotto di alimentazione. Un impulso elettrico dato dal solenoide è sufficiente per far sollevare appena lo spillo e aprire la luce di alimentazione.

Iniettori Elettromagnetici: Il Controllo tramite Solenoide

Nella tecnologia degli iniettori elettromagnetici, la valvola che permette il deflusso del combustibile dalla camera superiore e quindi l'iniezione è comandata da un solenoide. Quando il solenoide è percorso da corrente elettrica, genera un campo elettromagnetico in grado di sollevare un tappo di metallo, scoprendo così la luce di recupero attraverso l'attrazione e il sollevamento di un cilindretto di azionamento. L'alimentazione è ad impulsi dell'ordine di 12÷14V con correnti impulsive di decine di ampere.

Le stringenti normative antinquinamento, in particolare quelle dall'EURO IV in poi, hanno elevato il livello dei requisiti per queste elettrovalvole, soprattutto in termini di tempo di risposta all’impulso elettrico di comando. Nei diesel Common-Rail 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 post-iniezione viene prolungata nella fase di rigenerazione del filtro antiparticolato (FAP o DPF), almeno nei motori che non hanno il post-iniettore fuori dalla camera di combustione.

Considerando che il regime di giri massimo di un diesel a quattro tempi può arrivare a 4.500 giri/minuto e che in un motore siffatto c’è una combustione ogni due giri dell’albero motore (quindi due fasi attive anche ogni 2.250 giri/min), e alla luce del fatto che ogni giro consiste in due fasi (aspirazione/compressione e combustione/scarico), ogni ciclo di iniezioni deve durare sempre meno di ¼ del regime massimo di giri: teoricamente meno di 110 microsecondi. Questi tempi di risposta non sono ottenibili con gli iniettori ad attuatore elettromagnetico nei motori diesel automobilistici (i cosiddetti "diesel veloci"), imponendo un'evoluzione tecnologica.

Iniettori Piezoelettrici: La Rivoluzione della Velocità

La tecnologia motoristica ha quindi assistito al passaggio dall’iniettore elettromagnetico a quello piezoelettrico, il cui tempo di risposta è mediamente 5 volte inferiore. L'iniettore a comando piezoelettrico consuma meno elettricità di quello magnetico ed è notevolmente più veloce.

Il Principio di Funzionamento Piezoelettrico

Nel sistema piezoelettrico, la valvola di uscita del gasolio viene gestita (aperta) da un dispositivo che sfrutta l’effetto piezoelettrico inverso. Questo fenomeno consiste nella proprietà di alcuni materiali di deformarsi se sottoposti a una differenza di potenziale. La tipica struttura di questo elettroiniettore è composta da un attuatore formato da più elementi piezoelettrici (anche più di 200) impilati, alimentati in serie-parallelo.

Un esempio pratico è l'attuatore piezo per iniettore del sistema Siemens VDO Piezo Common Rail (PCR). Questo è costituito da una pila (stack) di circa 350 lamine di ceramica piezoelettrica, ognuna delle quali ha uno spessore di circa 80 μm. Sottoposto alla tensione di controllo, l’attuatore si espande fino a 40 μm. La tipica composizione dell’elettroattuatore piezoelettrico di un moderno iniettore Siemens-VDO include un dado per avvitarlo al corpo meccanico dell’iniettore e una membrana elastica per sigillare lo stack ed evitare che il gasolio entri in contatto con la parte elettrica.

Controllo e Calibrazione degli Iniettori Piezoelettrici

Il comando degli iniettori piezoelettrici è più complesso di quello degli iniettori elettromagnetici. Mentre in quest’ultimi, togliendo tensione, il campo magnetico smette quasi subito e lo spillo torna in posizione (di norma basta applicare in antiparallelo un diodo di blocco), nel piezoelettrico, che ha natura capacitiva, lo stack rimane dilatato a lungo perché la capacità parassita resta carica.

Fasi del Comando Piezoelettrico

Il comando di un iniettore piezoelettrico prevede quattro fasi distinte:

1. Apertura: Per aprire l’iniettore si applica un impulso di tensione dell’ordine dei 60-70V e poi lo si toglie.
2. Mantenimento dell'apertura: Per mantenere l'iniettore aperto, è sufficiente togliere la tensione, poiché l’elettroattuatore, per la sua natura capacitiva, rimane carico e quindi disteso.
3. Chiusura: Per chiuderlo, occorre forzarne la scarica mediante un impulso a tensione inversa.
4. 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 tale tempo, la valvola è aperta e una quantità compresa tra 1 mm³ (durante la pre-iniezione) e 80 mm³ (durante l’iniezione principale a pieno carico) di carburante viene iniettata nella camera di combustione.

Il Circuito di Controllo dell'ECU

Lo schema a blocchi del comando degli elettroiniettori da parte di una ECU (ad esempio Siemens - VDO) include un circuito equivalente degli iniettori e un blocco DC/DC converter step-up che ricava l’alta tensione (necessaria per gli impulsi di comando) a partire dai 12V disponibili nell’impianto elettrico dell’automobile. In questa configurazione, il filo negativo di ciascun iniettore piezoelettrico viene commutato da un MOSFET o un BJT che l’IC di controllo accende quando l’iniettore deve essere caricato e scaricato ad opera dei due MOSFET operanti sulla linea positiva, mentre viene aperto quando l’iniettore sta iniettando, poiché la caratteristica dell’elettroattuatore piezoelettrico è di rimanere carico, perciò disteso, quando viene privato dell’impulso positivo di apertura.

La Codifica e la Ricalibrazione degli Iniettori

Il problema della perdita di calibrazione dell’iniettore piezoelettrico al passare del tempo è un aspetto cruciale. Alle velocità di funzionamento dei moderni Common-Rail, la ECU deve conoscere esattamente il ritardo di apertura dello spillo e quindi di iniezione rispetto all’invio dell’impulso di comando all’elettroattuatore. Questo ritardo viene rilevato in fabbrica con un apparato di test che esprime il ritardo sotto forma di codice numerico, come il codice IMA. Questo codice, composto da 1 o 2 caratteri e/o colori per gli iniettori la cui risposta è stata misurata in un solo punto della curva caratteristica di funzionamento, oppure 8/9 caratteri per gli iniettori codificati su 4 punti, è stampato sul corpo dell’iniettore stesso.

Fattori che Alterano il Tempo di Risposta

Nel funzionamento del motore, il tempo di risposta dell’iniettore può essere alterato da vari fattori:

• La densità del gasolio, dipendente tra l’altro dalla temperatura.
• L’usura meccanica dello spillo e della valvola di apertura a differenza di pressione.
• L'usura dell'elettroattuatore piezoelettrico e del pistone che lo fa agire.

Per questo motivo, la ECU ammette un range di tolleranza rispetto al tempo (ossia al codice) inserito per ciascun iniettore e soprattutto tenta periodicamente e in determinate condizioni operative del motore la ricalibrazione del tempo di attivazione.

L'Apprendimento Dinamico e i suoi Limiti

Finché riesce, la ECU esegue un apprendimento dinamico per compensare l’aumento del tempo di risposta. Tuttavia, ad un certo punto, l’iniettore non può essere più ricalibrato. Questa condizione si verifica anche perché lo stack di pastiglie piezoelettriche può "abituarsi" al regime di funzionamento (soprattutto se al motore vengono chieste di rado elevate prestazioni) e quindi a estendersi per brevi periodi, come quelli richiesti dagli impulsi di attivazione molto brevi forniti dalla ECU, specie nei common-rail a più iniezioni per ciclo di combustione. Questa ridotta capacità di estensione fa sì che la valvola non si apra più correttamente e che l’iniettore non inietti più la quantità di gasolio richiesta, in particolare quando la ECU richiede il massimo delle prestazioni. Una risposta incorretta agli impulsi di comando impedisce la corretta calibrazione degli iniettori da parte della ECU, compromettendo l'apertura degli iniettori nei momenti ottimali per il funzionamento del motore.

Problemi Comuni e Segnali di Malfunzionamento

La manutenzione degli iniettori diesel è fondamentale per far sì che il motore funzioni in modo efficiente, riducendo consumi, emissioni e prevenendo danni al sistema di iniezione. Gli iniettori diesel tendono a sporcarsi nel tempo a causa dei residui carboniosi e di altre impurità presenti nel carburante, che possono compromettere il flusso e la precisione dell'iniezione.

Segnali di Iniettori Guasti

Capire se un iniettore è guasto non è sempre semplice, ma alcuni segnali sono piuttosto evidenti:

• Il motore può diventare più rumoroso, girare in modo irregolare o avere difficoltà di avviamento, specie a freddo.
• Un aumento dei consumi o del fumo allo scarico può indicare che uno o più iniettori non stanno lavorando come dovrebbero.

In officina, il test più comune è la prova di ritorno del gasolio, che misura la quantità di carburante che viene reimmessa nel circuito: differenze significative tra gli iniettori indicano un problema.

Codici di Errore della ECU

Se la ricalibrazione non riesce più entro il margine scritto nel firmware della ECU, si verifica l’impossibilità di ottenere il dosaggio corretto del gasolio e una risposta adeguata dell’iniettore. Questa anomalia viene riscontrata eseguendo la diagnosi con un tester OBD (anche uno generico) e segnalata con codici 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, i codici di errore relativi all’anomalia nel dosaggio della quantità di carburante sono P0275 (cilindro 5) e P0278 (cilindro 6).

Manutenzione, Riparazione e Rigenerazione

Quando si verifica il problema descritto sugli iniettori piezoelettrici, tipicamente si procede alla sostituzione dell’attuatore piezoelettrico. Purtroppo, per scelte commerciali, i produttori, da alcuni anni, non forniscono più i ricambi della parte elettrica, ma solo dei polverizzatori e relative valvole. Questo non consente alle officine di riparazione pompe e iniezione (i cosiddetti "pompisti") di revisionare totalmente l’iniettore sostituendo l’attuatore piezoelettrico come si faceva una volta.

Le motivazioni probabilmente risiedono nel fatto che le normative dall’EURO 5 in poi impongono margini molto ristretti alla calibrazione e, di conseguenza, su un attuatore piezoelettrico non è possibile fornire un codice di calibrazione, poiché dopo l’assemblaggio potrebbero esserci delle discrepanze sull’iniettore ricalibrato. In altre parole, sostituendo l’attuatore piezoelettrico, la ricalibrazione deve essere eseguita al banco con un macchinario che deve restituire i codici da inserire in centralina. Teoricamente, l’iniettore dovrebbe essere calibrato nel suo complesso, e questo non è possibile vendendo e fornendo al pompista il semplice attuatore. Per questo, alcuni costruttori, in un primo momento, offrivano il servizio di revisione iniettori: un esempio era il programma DRS della Siemens-VDO, che contemplava la rigenerazione del complesso dell’iniettore, che veniva inviato a centri autorizzati dove i tecnici sostituivano l’attuatore e scrivevano un codice sull’attuatore stesso. L’iniettore veniva quindi fornito codificato nel complesso, considerando la risposta elettrica dell’attuatore e la risposta della parte meccanica (lo spillo, la molla, ecc.).

La Rigenerazione degli Iniettori Piezoelettrici

Per consentire comunque il recupero degli elettroiniettori piezoelettrici non ricalibrabili dalla ECU motore, sono state sviluppate e testate, con vari gradi di successo, delle tecniche per riestendere lo stack piezoelettrico. Proprio per questa riestensione, le macchine di test degli iniettori sono state aggiornate nel firmware da diversi costruttori (come D.I.M. e Checkstar Magneti Marelli) per eseguire la rigenerazione.

La rigenerazione consiste nel fornire ai contatti dell’elettroattuatore impulsi di tensione di corrente differenti e più lunghi di quelli che riceve normalmente l’iniettore dalla sua ECU nel tipico funzionamento sul motore. L'obiettivo è tentare di riportare fisicamente il piezoelettrico alla sua dimensione originale, o meglio, alla sua estensione originale (l’estensione nominale del singolo elemento piezoelettrico dello stack è di 40 micron).

Chiaramente, questa tecnica funziona soltanto quando non ci siano danni rilevanti nel reticolo cristallino delle singole lamine piezoelettriche, o se anche si sia verificato il cortocircuito di una delle tante lamine nello stack, la quantità coinvolta sia minima. Per esempio, se in uno stack ci sono 100 lamine, il cortocircuito in 2, 3 o 4 non cambia molto l’esito, mentre se c’è un diffuso cortocircuito o il numero di lamine interessate è consistente, non è possibile la rigenerazione dello stack e dell’attuatore piezoelettrico, e lo stesso risulta irrecuperabile.

Per questi motivi, prima di tentare la rigenerazione si verificano la resistenza e la capacità dell’elettroattuatore. Nel caso degli iniettori Siemens, la resistenza non deve scendere sotto i 180 kohm (quella tipica è intorno ai 200 kohm), mentre per quanto riguarda la capacità, quella tipica è di 5 o 6 microfarad. Negli iniettori piezoelettrici Bosch ci sono altri valori, ma in linea di massima i range sono questi.

Componenti e Materiali degli Iniettori Diesel

Gli iniettori sono costruiti principalmente con acciaio di alta qualità, resistente all'usura e alla corrosione. I componenti interni sono realizzati con lavorazione di precisione per ottenere tolleranze bassissime, dell’ordine di pochi micron. Alcuni componenti vengono sottoposti a trattamenti termici per migliorare la resistenza e la durezza.

I componenti principali di un iniettore includono:

• Corpo dell’iniettore: È il corpo principale e ospita gli altri componenti interni.
• Bobina solenoide: Nella maggior parte dei sistemi di iniezione elettronica, il controllo è affidato a una bobina solenoide.
• Ago dell’iniettore: È un componente mobile che si muove all’interno del sedile dell’iniettore.
• Sedile dell’iniettore: È una superficie di tenuta all’interno del corpo dell’iniettore dove l’ago si posiziona quando è chiuso.
• Filtro per il carburante: Alcuni iniettori sono dotati di un filtro integrato per prevenire l’ingresso di impurità nel sistema di alimentazione del motore.
• Orifizio di iniezione: È il punto attraverso cui il carburante viene spruzzato nella camera di combustione del motore.
• Connettore elettrico: È il punto di connessione elettrica tra l’iniettore e l’ECU del motore.

Un iniettore diesel deve essere in grado di funzionare in modo preciso e affidabile in condizioni di alta pressione e temperatura. Gli iniettori diesel sono composti da più elementi, tra cui polverizzatore, pompante, molle, corpo e solenoide: ciascuno di questi componenti è soggetto a usura nel tempo e può essere necessario sostituire i componenti usurati o danneggiati con ricambi altrettanto efficienti e garantiti. La REDAT S.p.A., ad esempio, è specializzata nella produzione e nella vendita di ricambi per iniettori Diesel, pompe d’iniezione, iniettori rigenerati e attrezzature per la riparazione degli iniettori, coprendo la maggior parte dei sistemi d’iniezione presenti sul mercato per tutti i settori - Automotive, Industriale, Marino, Agricolo - e offrendo ricambi dei principali marchi come Caterpillar - Perkins, Denso, Bosch, Delphi, L’Orange - MTU, Cummins, Unit Injector, Siemens.

Tipi Specifici di Iniettori Diesel Moderni

Oltre agli iniettori elettromagnetici e piezoelettrici, esistono altre configurazioni e sistemi di iniezione diesel:

• Common Rail Injector: Questo è il sistema di iniezione diesel più avanzato, che, grazie all’impiego di un common rail alimentato da una pompa ad alta pressione, permette agli iniettori di avere una pressione costante al proprio interno fino a quando il solenoide viene energizzato, attraendo così la valvola sottostante.
• EUI Injector (Electronic Unit Injector): Questi iniettori-pompa sono caratterizzati da una molla di grandi dimensioni direttamente collegata all’albero a camme. Il sistema iniettore pompa equipaggiava fino alla metà del 2008 tutti i motori diesel del gruppo Volkswagen (Audi, Volkswagen, Skoda e Seat) fino a 2.000 cm³ di cilindrata, compreso il 5.0 TDI, ed era noto come PD (Pumpe-Düse). Tuttavia, a causa della scarsa diffusione, della maggiore complessità tecnica rispetto al common rail e dei maggiori costi di produzione e sviluppo (soprattutto per il rispetto della normativa Euro 5 sulle emissioni), questo sistema è stato progressivamente abbandonato a favore dei motori common rail, rendendo quest'ultima l'unica tecnologia usata dai diesel attuali.
• HEUI Injector (Hydraulic Electronic Unit Injector): Sono gli iniettori che vengono applicati in sistemi di alimentazione che utilizzano l’olio motore per gestire la parte di attuazione dell’iniettore.

La Gestione Elettronica dell'Iniezione

Il processo di iniezione del sistema elettronico inizia con il rilevamento di varie condizioni operative del motore da parte di sensori dedicati. Questi includono il sensore di posizione dell’albero a camme, quello di posizione della valvola a farfalla, quello di temperatura del motore, il sensore di pressione del collettore e altri. Basandosi sui segnali provenienti da questi sensori, l’ECU calcola la quantità di carburante necessaria per ottenere la prestazione desiderata e rispettare le normative sulle emissioni. Una volta fatto ciò, la centralina controlla gli iniettori utilizzando una bobina solenoide attivata elettromagneticamente (o un attuatore piezoelettrico) in base al segnale inviato dall’ECU. Quando la bobina è attivata, l’ago dell’iniettore si solleva, consentendo al carburante di fluire attraverso l’orifizio, finendo in camera di combustione. Il carburante iniettato viene atomizzato in piccole goccioline durante il processo di iniezione. Il sistema di iniezione elettronica è in grado di adattarsi dinamicamente alle variazioni delle condizioni di guida e dell’ambiente.

La calibrazione (apprendimento dinamico degli iniettori) avviene periodicamente e in determinate condizioni, vale a dire in decelerazione entro un determinato 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.

Consigli per la Longevità degli Iniettori

Gli iniettori non richiedono una manutenzione frequente, ma la qualità del gasolio e la pulizia del sistema sono fondamentali per la loro longevità.

• Carburante di buona qualità: Usare carburante di buona qualità è la prima forma di prevenzione, riducendo l'accumulo di impurità.
• Sostituzione regolare del filtro gasolio: Sostituire regolarmente il filtro gasolio è cruciale per prevenire l’ingresso di impurità nel sistema di alimentazione del motore.
• Additivi specifici: A volte, può essere utile aggiungere additivi specifici per mantenere puliti i fori di nebulizzazione e prevenire incrostazioni.
• Pulizia professionale: Per provvedere alla pulizia e alla manutenzione di iniettori diesel è bene dotarsi degli strumenti giusti, oltre a richiedere periodicamente l’intervento di tecnici professionisti. In questi casi può essere utile rimuovere gli iniettori per procedere con l’ispezione e la pulizia dei componenti. Smontare, pulire e rimontare gli iniettori sono operazioni delicate e importanti, ed è consigliabile ricorrere periodicamente a personale qualificato in grado di ripristinare rapidamente il funzionamento dell’iniettore utilizzando attrezzature specifiche quali vasche di lavaggio ultrasuoni e banchi prova per la taratura.

In particolari circostanze, può essere necessario ricorrere alla sostituzione degli iniettori diesel. Questa decisione dipende da diversi fattori, tra cui la loro età, la quantità di chilometri percorsi dal veicolo e l'uso a cui è stato sottoposto il motore. Una volta appurato che il problema sia imputabile agli iniettori diesel, si può procedere alla sostituzione con iniettori nuovi o ricondizionati.

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