Parametri degli Iniettori: Quantità e Funzionamento

I motori delle automobili moderne, sia benzina che diesel, impiegano sistemi di iniezione elettronica per un'ottimizzazione delle prestazioni, una riduzione dei consumi e, soprattutto, un contenimento delle emissioni inquinanti. Per i motori diesel, il sistema Common Rail rappresenta la soluzione predominante, in grado di soddisfare le stringenti normative antinquinamento come l'EURO IV e successive. La precisione e l'efficienza degli iniettori sono cruciali per il corretto funzionamento di questi sistemi.

Valori Operativi e Diagnostica degli Iniettori

Per monitorare la salute e il funzionamento degli iniettori, è possibile accedere ai loro valori operativi tramite strumenti diagnostici come il VAG. Entrando nella centralina motore, è possibile visualizzare i valori di ogni iniettore e la pressione nel rail. I valori degli iniettori devono rientrare in un intervallo specifico, tipicamente da 0 fino a +/- 2,99 mg/str.

La procedura di verifica prevede l'accesso a specifici gruppi di misurazione:

• GR 001 - Terzo finestrino: mostra la pressione del rail.
• GR 013: presenta i valori per gli iniettori 1, 2 e 3.
• GR 014: visualizza i valori per gli iniettori 4, 5 e 6.

Questi valori vanno misurati al minimo, solitamente intorno ai 777 giri/min, senza accelerare. È normale che i valori possano essere "ballerini", oscillando anche fino a 0.0 mg/str, e che alcuni iniettori presentino valori positivi mentre altri negativi. Questo comportamento è indice di un normale processo di compensazione tra gli iniettori per bilanciare la rotazione del motore. Se i valori rientrano nel range di lavoro di +/- 2,99 mg/str, gli iniettori sono considerati in buono stato. Alcuni utenti hanno riscontrato un range più stretto di -1,50/+1,50 mg/str, che comunque indica un buon funzionamento.

È fondamentale sottolineare che un iniettore con valori fuori range, per esempio a -1,50 mg/str mentre gli altri sono a 0,94 mg/str, potrebbe indicare un problema. Un valore eccessivamente negativo (come -2,99 mg/str o oltre) potrebbe suggerire un iniettore bloccato in posizione aperta, mentre un valore eccessivamente positivo (come +2,99 mg/str o oltre) potrebbe indicare un iniettore bloccato in posizione chiusa o una portata insufficiente.

La Tecnologia degli Iniettori Common Rail: Elettromagnetici vs. Piezoelettrici

Il sistema Common Rail si distingue per l'iniezione elettronica del combustibile ad alta e altissima pressione (fino a 2.200 bar). Le rigide normative antinquinamento hanno imposto requisiti elevati per gli iniettori, specialmente in termini di tempo di risposta. Nei diesel Common Rail dall’EURO IV in poi, sono richieste più iniezioni per ogni ciclo di combustione: una o più pre-iniezioni, un’iniezione principale e una o più post-iniezioni. L’ultima di queste viene prolungata nella fase di rigenerazione del filtro antiparticolato (FAP o DPF).

Considerato che il regime massimo di giri di un diesel a quattro tempi può raggiungere i 4.500 giri/minuto e che in tale motore 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 facilmente ottenibili nei motori diesel automobilistici.

La tecnologia motoristica ha quindi visto il passaggio dagli iniettori elettromagnetici a quelli piezoelettrici, il cui tempo di risposta è mediamente 5 volte inferiore.

Iniettori Elettromagnetici

Negli 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 riceve un impulso elettrico dalla centralina, genera un campo elettromagnetico che attrae e solleva lo spillo, aprendo la via al gasolio verso il polverizzatore. L'alimentazione è ad impulsi dell'ordine di 12-14V con correnti impulsive di decine di ampere.

Iniettori Piezoelettrici

Negli iniettori piezoelettrici, la valvola di uscita del gasolio viene gestita (aperta) da un dispositivo che sfrutta l’effetto piezoelettrico inverso, ovvero la proprietà di alcuni materiali di deformarsi se sottoposti a una differenza di potenziale. L’iniettore a comando piezoelettrico consuma meno elettricità di quello magnetico ed è notevolmente più veloce. Il tipico attuatore per iniettore piezo è composto da una pila (stack) di più elementi piezoelettrici (anche più di 200) impilati e alimentati in serie-parallelo.

Ad esempio, un attuatore piezo per iniettore del sistema Siemens VDO Piezo Common Rail (PCR) è costituito da una pila 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 e la membrana (elastica) a sigillare lo stack per evitare che il gasolio entri in contatto con la parte elettrica.

Il comando degli iniettori piezoelettrici è più complesso rispetto a quello degli iniettori elettromagnetici, poiché mentre in quest'ultimi, togliendo tensione, il campo magnetico cessa quasi subito 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:

1. Apertura: si applica un impulso di tensione dell’ordine dei 60-70V e poi lo si toglie.
2. Mantenimento apertura: si mantiene semplicemente l'assenza di tensione (l’elettroattuatore, essendo capacitivo, rimane carico).
3. Chiusura: occorre forzarne la scarica mediante un impulso a tensione inversa.
4. Tempo di iniezione: 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.

Lo schema a blocchi del comando degli elettroiniettori da parte di una ECU Siemens - VDO include un circuito equivalente degli iniettori e un blocco DC/DC converter step-up che ricava l’alta tensione 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.

La Codifica degli Iniettori e la Calibrazione

La calibrazione degli iniettori è un aspetto fondamentale nei moderni sistemi Common Rail per garantire un funzionamento ottimale e il rispetto delle normative sulle emissioni. Gli iniettori, nonostante le tolleranze estremamente strette di fabbricazione, non sono mai perfettamente identici.

Il Problema della Perdita di Calibrazione

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 come esito esprime il ritardo sotto forma di codice numerico stampato sul corpo dell’iniettore stesso.

Nel funzionamento del motore, tale tempo di risposta può essere alterato da vari fattori: la densità del gasolio (dipendente 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 tenta periodicamente, in determinate condizioni operative del motore, la ricalibrazione del tempo di attivazione.

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 esegue un apprendimento dinamico per compensare l’aumento del tempo di risposta, ma ad un certo punto l’iniettore non può essere più ricalibrato. Questa 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. 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.

Tipi di Codifica

Nei motori più recenti, gli iniettori vengono codificati nella ECU inserendo, tramite il software di diagnostica e manutenzione elettronica, i codici riportati sul corpo. Questi 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, tra cui:

• IMA (Bosch e Siemens): composto da 1 o 2 caratteri e/o colori per gli iniettori classificati (risposta 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).
• Codice di calibrazione (Delphi): contiene 16 caratteri alfanumerici (iniettori C2i) o 20 caratteri alfanumerici (iniettori C3i). Si trova di solito sulla testa dell'iniettore.
• Denso: in genere richiede codifica (16-24 caratteri alfanumerici) e si trova sul connettore o come codice a barre sull'iniettore. Alcune versioni più recenti non ne hanno bisogno.
• VDO / Siemens: solo l'installazione VW richiede la codifica. Il codice ha 6 cifre e si trova nella testa dell'iniettore.
• Bosch: di solito tutti da codificare se presente il codice IMA (6-10 cifre), si trova sul connettore. Alcune versioni precedenti non ne avevano bisogno.

La codifica serve quindi a calibrare il comando della centralina sulla base dell’effettiva risposta dell’iniettore, secondo le sue caratteristiche.

L'Importanza della Codifica

Se gli iniettori non sono codificati correttamente, possono verificarsi diverse conseguenze:

• Potenza ridotta: il veicolo potrebbe non avere una potenza ottimale.
• Difficoltà di avviamento: in alcuni sistemi di iniezione, il veicolo potrebbe non avviarsi affatto.
• Funzionamento del motore debole o irregolare: l'unità di controllo continua a dosare come se fosse l'iniettore precedente, causando un funzionamento non fluido.
• Aumento delle emissioni e dei consumi: la combustione non ottimale porta a maggiori inquinanti e inefficienza.

È fondamentale notare che la codifica degli iniettori è uno strumento di messa a punto per un iniettore in buono stato, non una soluzione per problemi hardware gravi. Un iniettore danneggiato o usurato non può essere "riparato" solo con la codifica.

Calibrazione Dinamica e Ricalibrazione

La calibrazione (apprendimento dinamico degli iniettori) avviene periodicamente e in determinate condizioni operative, ad esempio 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.

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. Tale anomalia viene riscontrata eseguendo la diagnosi con un tester OBD, anche uno generico, quindi 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).

Rigenerazione e Sostituzione degli Iniettori

Quando si verifica il problema descritto sugli iniettori piezoelettrici, spesso si procede alla sostituzione dell’attuatore piezo. Tuttavia, per scelte commerciali, i produttori non forniscono più i ricambi della sola parte elettrica, ma solo dei polverizzatori e relative valvole. Questo impedisce alle officine specializzate ("pompisti") di revisionare totalmente l'iniettore sostituendo l'attuatore piezoelettrico, come si faceva in passato. Le motivazioni risiedono nelle normative dall’EURO 5 in poi, che impongono margini molto ristretti alla calibrazione e rendono difficile fornire un codice di calibrazione per un attuatore piezo sostituito singolarmente, a causa di possibili discrepanze dopo l'assemblaggio. La ricalibrazione, infatti, deve essere eseguita al banco con macchinari specifici che restituiscono i codici da inserire in centralina.

Per consentire comunque il recupero degli elettroiniettori piezo non ricalibrabili dalla ECU motore, sono state sviluppate tecniche per "riestendere" lo stack piezoelettrico. Le macchine di test degli iniettori sono state aggiornate nel firmware da diversi costruttori (D.I.M., Checkstar Magneti Marelli, per esempio) per eseguire questa rigenerazione.

La Procedura di Rigenerazione

La rigenerazione consiste nel fornire ai contatti dell’elettroattuatore impulsi di tensione e 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 nominale (che per un singolo elemento piezoelettrico dello stack è di 40 micron).

Questo processo funziona solo se non ci sono danni rilevanti nel reticolo cristallino delle singole lamine piezoelettriche o se l'eventuale cortocircuito di alcune lamine nello stack è minimo. Se, ad esempio, in uno stack di 100 lamine, 2, 3 o 4 sono in cortocircuito, l’esito non cambia molto. Tuttavia, in presenza di un diffuso cortocircuito o di un numero consistente di lamine interessate, la rigenerazione dello stack e dell’attuatore piezo non è possibile, rendendo l'iniettore irrecuperabile.

Prima di tentare la rigenerazione, è fondamentale verificare 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 la capacità tipica è di 5 o 6 microfarad. Negli iniettori piezoelettrici Bosch ci sono altri valori, ma in linea di massima i range sono questi.

Iniettori Ricondizionati e Nuovi

I ricambi auto ricondizionati, inclusi gli iniettori, sono progettati per essere identici nell'aspetto e nella funzione ai pezzi nuovi. Un iniettore ricondizionato ha un nuovo codice di calibrazione, solitamente allegato all'iniettore sotto forma di adesivo o etichetta, e riportato anche sul rapporto del test di uscita. Questo garantisce che l'iniettore, una volta montato, possa essere correttamente riconosciuto e gestito dalla centralina motore.

L'installazione di iniettori, siano essi nuovi o ricondizionati, richiede quasi sempre la codifica. La mancata codifica può portare ai problemi di potenza, avviamento e regolarità di funzionamento del motore precedentemente descritti. La codifica non è una "soluzione magica" per ogni problema di iniettori, ma un passaggio essenziale per il loro corretto funzionamento. Essa serve a ottimizzare le prestazioni di un iniettore integro, non a ripararne i danni fisici o l'usura.

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