Ormai l’iniezione elettronica la fa da padrona nei motori, rendendo la comprensione del suo funzionamento, e in particolare degli iniettori, un aspetto cruciale per chiunque sia interessato alla meccanica automobilistica. Il compito degli iniettori, come specificato dal loro stesso nome, è quello di immettere nei cilindri il carburante necessario alla combustione dei motori a scoppio. La domanda: cosa sono gli iniettori oggi ha molte risposte diverse perché l’evoluzione tecnica li ha cambiati radicalmente da quando sono apparsi nei motori.
L'Evoluzione dell'Iniettore: Dal Meccanico al Digitale
L’iniettore meccanico, il primo nato, consisteva in un corpo cilindrico nel cui interno c’era una camera con un foro in basso. Una speciale pompa inviava il combustibile dentro la camera e quando quest’ultimo raggiungeva una pressione sufficiente a vincere la forza della molla, l’ago arretrava e liberava l’apertura. In questo modo il carburante in pressione usciva rapidamente dalla camera. Nel suo percorso verso il cilindro incontrava il polverizzatore che trasformava il getto di combustibile in goccioline minutissime in modo che potessero bruciare facilmente.
Questi iniettori conservano il principio dell’ago che preme sul foro di uscita del carburante, ma il suo movimento è controllato da una centralina elettronica. L’astina che muove l’ago ha un’armatura magnetica mentre nel corpo dell’iniettore c’è una bobina (solenoide) che circonda l’armatura. Quando la centralina invia un impulso di corrente al solenoide, l’armatura magnetica si sposta e quindi l’ago libera il foro di uscita, consentendo l’iniezione del carburante. In questo modo si riesce a dosare con molta precisione il carburante, a vantaggio dei consumi e delle emissioni.
Il principio di funzionamento dell’iniettore elettromagnetico implica che una parte del carburante, quello sopra l’ago, non venga iniettato e quindi occorre un condotto che recuperi il carburante in eccesso e lo reinvii al serbatoio. L’ago è sottoposto alla pressione del carburante in alto e in basso, e l’impulso dato dal solenoide scarica la pressione nella zona superiore. La pressione nella zona inferiore, non più bilanciata, fa sollevare l’ago che quindi libera il carburante.
La stessa domanda, cosa sono gli iniettori, ha una risposta diversa con gli iniettori piezoelettrici. Essi sfruttano le proprietà di certi materiali che, se sottoposti a impulsi elettrici, si deformano. Queste deformazioni sono piuttosto forti e quindi azionano direttamente l’ago, senza bisogno della differenza di pressione vista prima. In questo schema viene quindi eliminato il circuito di ritorno del carburante.
Componenti Chiave di un Iniettore Elettronico
Gli iniettori sono componenti fondamentali dei sistemi di alimentazione dei motori a combustione interna, sia a benzina che Diesel. L’iniezione avviene in momenti specifici del ciclo di lavoro del motore per garantire una combustione efficiente e ridurre le emissioni inquinanti. Sulle moderne vetture è elettronica, mentre la versione precedente viene definita meccanica.
- 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 (nei sistemi elettromagnetici).
- 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 per il carburante 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 (Engine Control Unit) del motore.
Il Processo di Iniezione Elettronica
Il processo di iniezione del sistema elettronico inizia con il rilevamento di varie condizioni operative del motore da parte di sensori dedicati. Questi ultimi 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 dai sensori del motore, 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 nella 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.
Iniettore Pompa vs. Common Rail - Ascesa e Declino del Diesel Ep.1
L'Iniezione Meccanica: Un Confronto Storico
L’iniezione meccanica era un sistema più tradizionale che aveva lo stesso scopo di quella elettronica attualmente in uso. Tuttavia, il funzionamento era completamente differente. Il processo iniziava con una pompa di iniezione meccanica, collegata direttamente al motore e azionata meccanicamente da un albero a camme o da un altro meccanismo collegato al gruppo propulsore. Il controllo del momento e della quantità di iniezione del carburante era principalmente basato su componenti meccanici, come camme, valvole di controllo e sistemi di collegamento meccanico. Essi regolavano manualmente il flusso di carburante in base alla posizione e al regime di rotazione.
La pompa di iniezione era collegata a un distributore, che suddivideva il flusso di carburante in diverse linee di alimentazione per ciascun cilindro del motore. Gli iniettori erano azionati meccanicamente da un pistone. Quando veniva applicata la pressione corretta, l’iniettore si apriva, consentendo al carburante di fluire attraverso l’orifizio nella camera di combustione. Il tempo di iniezione del carburante era determinato principalmente dalla geometria delle camme sull’albero a camme, che regolavano l’apertura e la chiusura degli iniettori in sincronia con il ciclo di lavoro del motore. Questo tempo era generalmente preimpostato e non poteva essere facilmente modificato durante il funzionamento del gruppo propulsore. Trattandosi di un sistema meccanico, era meno preciso degli attuali sistemi elettronici.
Diagnosi e Risoluzione dei Problemi Elettrici degli Iniettori
Molte volte ci si trova a dover fronteggiare problemi legati a vetture che si spengono in marcia, oppure che non possono nemmeno essere messe in moto, siano esse alimentate a benzina o diesel. Di fronte a problemi di questo tipo, le cause possono essere diverse; tra i guasti più comuni possiamo citare problematiche legate al sensore di giri motore, oppure al sensore di fase, o ancora a valvole EGR difettose; altre volte ancora la causa risiede invece negli iniettori.
In tal caso, restringendo il campo alle motorizzazioni diesel di tipo Common Rail, diventa importante prestare attenzione alla pressione del gasolio, più precisamente al valore di alta pressione nel rail, dato che un valore insufficiente di tale parametro influisce negativamente sulla nebulizzazione del carburante, rendendo molto difficile la combustione. Si ricorda a tal proposito che il gasolio, offrendo maggior resistenza all’accensione rispetto alla benzina, necessita di pressioni d’iniezione di gran lunga maggiori, oltre anche a maggiori rapporti di compressione.
Se la causa di guasto non risulta essere nella pressione del gasolio, bisogna allora procedere alla verifica elettrica delle connessioni degli iniettori. Quest’operazione è di fondamentale importanza, dato che su molti veicoli, a prescindere dalla tipologia di iniettori (piezoelettrici piuttosto che elettromagnetici), un semplice cortocircuito elettrico può provocare la messa fuori uso di tutti gli iniettori, con conseguente impossibilità di avviamento del motore. Si faccia bene attenzione: si sta parlando di integrità fisica del cablaggio iniettori, dando per scontato che a livello di alimentazioni e comandi di apertura da parte della centralina sia tutto nella norma.
I controlli da fare per accertarsi che tutti i cablaggi (da centralina motore verso gli iniettori) siano isolati rispetto alla massa o ad altri cablaggi, possono essere effettuati con l’ausilio di un multimetro.
Controllo della Resistenza Caratteristica dell’Iniettore
Il controllo più semplice e veloce è quello sulla resistenza interna dell’iniettore. A tal proposito ricordiamo che tale parametro varia sensibilmente in funzione del tipo di iniettore, inoltre, considerando che la resistenza varia al variare della temperatura, alcuni valori caratteristici possono essere i seguenti:
- Benzina: 13-16 Ω
- Diesel C/R elettromagnetico: 0,5 - 1 Ω
- Diesel C/R piezoelettrici: 180 - 200 kΩ
Per misurare questi valori si setta il multimetro in Ohm, si scollega il connettore dell’iniettore e si pongono i puntali del multimetro sui due pin dell’iniettore stesso.
Verifica dell’Isolamento dei Fili dell’Iniettore rispetto alla Massa
Sempre in Ohm, occorre ora verificare l’isolamento di ciascuno dei due fili dell’iniettore rispetto alla massa. Questa misurazione va fatta a quadro spento, scollegando il connettore della centralina iniezione e collegandosi sui pin dell’iniettore, in maniera tale da accertare subito l’eventuale presenza del corto verso massa, senza preoccuparsi se il corto sia sul cablaggio o all’interno dell’iniettore. Quello che si trova se il cablaggio è integro, e quindi correttamente isolato, collegandosi come mostrato, è una misura pari a resistenza infinita (O.L. = “Off Limits”, fuori scala), quindi nessuna continuità. Naturalmente, la misurazione va fatta su entrambi i pin di comando dell’iniettore e, ripetiamo, con connettore centralina iniezione scollegato e quadro spento. Nel caso invece che su uno dei due fili ci fosse il corto, il multimetro segnerebbe zero Ohm (o comunque una piccola resistenza).
In alternativa al collegamento sull’iniettore, le misurazioni descritte possono effettuarsi collegandosi, anziché sull’iniettore, anche sul connettore della centralina iniezione (lato cablaggio), chiaramente sui pin che corrispondono al comando dell’iniettore da controllare. Nel caso tali misurazioni dovessero accertare la presenza di un corto verso massa, si dovrà indagare su dove sia localizzato il corto, se sull’iniettore o sul cablaggio. Ciò si riesce ad appurare procedendo come segue.
Isolamento del Cablaggio dell’Iniettore da Massa
Scollegare il connettore dell’iniettore e operare le stesse misure di resistenza per entrambi i pin del connettore (lato cablaggio). Ricordiamo che anche in questo caso il connettore centralina iniezione deve essere scollegato.
Se dopo aver effettuato le due misurazioni di isolamento lato cablaggio non si è trovato il corto (quindi sul display del multimetro si è letto sempre “O.L.”), allora dobbiamo ripetere le stesse misure, stavolta lato iniettore. In tal caso, non fa differenza se il connettore della centralina motore sia collegato o scollegato.
Isolamento di Ciascun Pin dell’Iniettore da Massa (Lato Iniettore)
La presenza del corto in uno dei due casi appena descritti prova che l’iniettore, a livello di circuiteria interna, è guasto ed è sede di un contatto elettrico con la carcassa dello stesso iniettore. Resta in ultima, e remota ipotesi, il caso in cui il corto verso massa non sia provocato né dall’iniettore, né dal relativo cablaggio, ma da un guasto interno alla centralina motore. Inutile dire quale debba essere la soluzione in questo malaugurato caso.
L'Iniettore Piezoelettrico e le Sfide Tecnologiche
I motori delle automobili moderne sono tutti ad iniezione elettronica: non soltanto quelli a benzina ma anche i diesel, giacché il Common-Rail (rimasto ormai l’unico sistema di alimentazione per il motore a gasolio in grado di soddisfare i requisiti della norma antinquinamento EURO IV) è una soluzione di iniezione elettronica del combustibile, seppure ad alta e ad altissima pressione (fino a 2.200 bar). Le stringenti normative antinquinamento hanno elevato il livello dei requisiti che tali elettrovalvole devono avere, soprattutto in fatto di tempo di risposta all’impulso elettrico di comando, perché 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.
Considerato che il regime di giri massimo di un diesel a quattro tempi può arrivare a 4.500 giri/minuto e che nel 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. Questo ha imposto agli iniettori tempi di risposta che con quelli ad attuatore elettromagnetico non sono ottenibili, almeno nei motori diesel automobilistici (i cosiddetti “diesel veloci”); la tecnologia motoristica ha quindi assistito al passaggio dall’iniettore elettromagnetico a quello piezoelettrico, il cui tempo di risposta è mediamente 5 volte inferiore.
Per capire questo problema, bisogna spiegare come è fatto l’iniettore ad attuatore piezo. Nel primo (elettromagnetico), la valvola che lascia defluire il combustibile dalla camera superiore e che quindi permette l’iniezione è comandata da un solenoide che, percorso da corrente elettrica genera un campo elettromagnetico in grado di sollevare un tappo di metallo che scopre 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.
Nel secondo (piezoelettrico), la valvola di uscita del gasolio viene gestita (aperta) da un dispositivo che sfrutta l’effetto piezoelettrico inverso, che consiste nella proprietà di alcuni materiali di deformarsi se sottoposti a una differenza di potenziale. Il tipico attuatore per iniettore piezo è composto da più elementi piezoelettrici (anche più di 200) impilati, alimentati in serie-parallelo. Per fare un esempio pratico, un attuatore piezo per iniettore del sistema Siemens VDO Piezo Common Rail (PCR) 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 Sfida della Calibrazione e della Durata
Il problema della perdita di calibrazione dell’iniettore piezo al passare del tempo si comprende considerando che 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 stampato sul corpo dell’iniettore stesso.
Nel funzionamento del motore, il suddetto tempo di risposta dell’iniettore può essere alterato da vari fattori: la densità del gasolio (dipendente tra l’altro dalla temperatura) e l’usura meccanica dello spillo e della valvola di apertura a differenza di pressione. Per questo 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. Il problema è che a questi scostamenti nella risposta si aggiunge l’usura dell’elettroattuatore piezoelettrico e della “spina” (pistone) che lo fa agire, in estensione sotto tensione elettrica, sulla valvola di comando dello spillo. Finché riesce, la ECU eseguendo un apprendimento dinamico va a compensare l’aumento del tempo di risposta, ma ad un certo punto l’iniettore non può essere più ricalibrato.
Tale condizione si verifica anche perché lo stack di pastiglie piezoelettriche a un certo punto si abitua al regime di funzionamento e quindi a estendersi per brevi periodi quali quelli richiesti dagli impulsi di attivazione forniti dalla ECU, i quali sono molto brevi soprattutto nei common-rail a più iniezioni per ciclo di combustione; questa ridotta capacità di estensione fa sì che a un certo punto la valvola non si apra più bene e che quindi l’iniettore non inietti più la quantità di gasolio richiesta, specie quando la ECU richiede il massimo delle prestazioni. Peraltro la risposta incorretta agli impulsi di comando non consente la corretta calibrazione degli iniettori da parte della ECU stessa e di conseguenza non è possibile far aprire gli iniettori nei momenti ottimali per il funzionamento del motore. Quindi se in condizioni normali lo stack potrebbe recuperare il ritardo di apertura della valvola di comando dello spillo dell’iniettore, quando non riesce più a estendersi correttamente l’iniettore funziona male.
Comando 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 (di norma basta applicare in antiparallelo un diodo di blocco) e lo spillo torna in posizione, nel piezoelettrico -che ha natura capacitiva- lo stack rimane dilatato a lungo perché la capacità parassita resta carica. Quindi il comando prevede quattro fasi: per aprire l’iniettore si applica un impulso di tensione dell’ordine dei 60-70V e poi lo si toglie; per mantenerlo aperto basta togliere tensione (perché l’elettroattuatore ha natura capacitiva e quindi rimane carico), mentre per chiuderlo occorre forzarne la scarica mediante un impulso a tensione inversa.
Il tempo di ricarica dell’attuatore 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. 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.
Codifica e Diagnostica degli Iniettori
Nei motori più recenti gli iniettori vengono codificati nella ECU, inserendo mediante il software di diagnostica e manutenzione elettronica i codici riportati sul corpo; i codici sono stampati sull’elettroattuatore e forniscono un’informazione sulla tolleranza nel tempo di risposta dell’iniettore rispetto al valore teorico di riferimento. Esistono vari standard di codifica, uno dei quali è l’IMA, composto da 1 o 2 caratteri e/o colori per gli iniettori classificati (cioè 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, ossia su pre-iniezione e iniezioni principali). La codifica serve quindi a calibrare il comando della centralina sulla base dell’effettiva risposta dell’iniettore, secondo le sue caratteristiche.
La calibrazione (apprendimento dinamico degli iniettori) avviene periodicamente e in determinate condizioni, vale a dire in decelerazione entro un determinato range di giri a una certa temperatura del liquido refrigerante e sopra una certa velocità. Se la ricalibrazione non riesce più entro il margine scritto nel firmware della ECU, si è nell’impossibilità di ottenere il dosaggio corretto del gasolio e una risposta adeguata dell’iniettore; tale anomalia viene riscontrata eseguendo la diagnosi con un tester OBD, anche uno generico, quindi segnalata con codici errore specifici per ogni cilindro (es. P0263 per l’iniettore del cilindro 1).
Tipicamente quando si verifica il problema descritto sugli iniettori piezoelettrici si va a sostituire l’attuatore piezo. Purtroppo i produttori, da alcuni anni, per scelte commerciali, non forniscono più i ricambi della parte elettrica, ma solo dei polverizzatori e relative valvole, cioè non consentono alle officine di riparazione pompe e iniezione di revisionare totalmente l’iniettore sostituendo l’attuatore piezoelettrico. Le motivazioni verosimilmente nascono nel fatto che le normative dall’EURO 5 in poi impongono margini molto ristretti alla calibrazione e di conseguenza su un attuatore piezo non è possibile fornire un codice di calibrazione, perché dopo l’assemblaggio ci potrebbero essere delle discrepanze sull’iniettore ricalibrato.
Tecniche di Rigenerazione e Ripristino degli Iniettori Piezoelettrici
Per consentire comunque il recupero degli elettroiniettori piezo non ricalibrabili dalla ECU motore, sono state sviluppate negli anni e testate delle tecniche per riestendere lo stack piezo. Proprio per fare la riestensione del piezo le macchine di test degli iniettori sono state aggiornate nel firmware da diversi costruttori per eseguire la rigenerazione. Consiste nel fornire ai contatti dell’elettroattuatore impulsi di tensione di corrente differenti più lunghi di quelli che riceve normalmente l’iniettore dalla sua ECU nel tipico funzionamento sul motore, nel tentativo di riportare fisicamente il piezo alla sua dimensione originale, o meglio alla sua estensione originale.
Chiaramente questo funziona soltanto quando non ci siano danni rilevanti nel reticolo cristallino delle singole lamine piezoelettriche, ovvero se anche si sia verificato il cortocircuito di una delle tante lamine nello stack, la quantità coinvolta sia minima. Per questi motivi, prima di tentare la rigenerazione si verifica la resistenza ed anche la capacità dell’elettroattuatore. La resistenza, nel caso degli iniettori Siemens non deve scendere sotto i 180 kohm (quella tipica è intorno ai 200 kohm) mentre per quanto riguarda la capacità, quella tipica è 5o 6 microfarad.