Sensore Contagiri Motore Diesel da Pressione Iniettore: Principio di Funzionamento e Evoluzione

Il motore Diesel, basato sul principio dell'autoaccensione del combustibile compresso, ha subito un'evoluzione significativa dalla sua concezione, culminata nello sviluppo di sistemi di iniezione avanzati che integrano sensori e attuatori elettronici per ottimizzare prestazioni ed efficienza. Al centro di questa evoluzione si trova il sensore contagiri del motore diesel, il cui funzionamento è strettamente legato alla pressione dell'iniettore e al complesso sistema di iniezione.

Storia del Motore Diesel: Dalla Teoria all'Applicazione

La storia del motore Diesel ha inizio nel 1824, anno in cui il fisico e matematico francese Sadi Carnot ha avanzato la teoria secondo cui per un funzionamento massimamente efficiente di un motore termico è necessario riscaldare l’aria aspirata, mediante la compressione rapida, allo scopo di portare la temperatura della camera di scoppio fino al livello necessario per innescare l’autoaccensione. Questo principio della fisica è diventato la base del primo motore Diesel.

Il primo prototipo di motore efficiente fu sviluppato nel 1887 dall’Ing. tedesco Rudolf Diesel, che ne depositò per primo il brevetto nel 1892. Da quel momento questo tipo di motore è conosciuto come “Motore a ciclo Diesel”, o più comunemente Diesel.

Inizialmente, questo motore fu pensato per funzionare con la polvere di carbone, ma i risultati non furono soddisfacenti. Vennero provati altri tipi di combustibile e ci si rese conto che il funzionamento era soddisfacente quando si utilizzavano oli vegetali o oli petroliferi leggeri, come appunto il gasolio.

Questi motori vennero utilizzati dapprima per applicazioni statiche, ad esempio le centrali elettriche, ed in seguito vennero applicati sulle imbarcazioni e sui dirigibili (molto diffusi all’inizio del '900) e nel primo dopoguerra, negli anni '20, su autocarri e bus. Bisognerà aspettare il 1936 per vederlo installato su una vettura, la Mercedes Benz 260D.

Il Funzionamento del Motore Diesel: Compressione e Autoaccensione

Il concetto fisico su cui si basa il motore a ciclo Diesel è il seguente: quando un gas viene compresso, innalza la sua temperatura. Viene quindi utilizzata tale proprietà comprimendo all'interno del cilindro la sola aria a valori elevati, tali per cui il combustibile iniettato (presso il punto morto superiore) si accende spontaneamente, proprio a causa del fatto che l’aria, compressa dal pistone nel cilindro, raggiunge la temperatura di autoaccensione del gasolio.

Viene pertanto definito motore ad accensione spontanea, in contrapposizione al motore a benzina, denominato ad accensione comandata, nel quale l'accensione è innescata dalla scintilla della candela.

L'aria, richiamata dalla depressione creata dalla discesa del pistone, entra nel cilindro attraverso la valvola di immissione. Quando il pistone risale, viene compressa nel cilindro fino ad arrivare ad una temperatura di 700/900 gradi. Poco prima che il pistone raggiunga il punto morto superiore, cioè il punto di sua massima salita, il gasolio viene spruzzato, o meglio, nebulizzato tramite l’iniettore sull’aria diventata rovente, innescando l'autoaccensione.

La combustione della miscela aria + gasolio e la generazione dei gas spinge il pistone verso il basso generando così la rotazione dell'albero motore. Questa è la fase attiva di ogni motore, durante la quale viene erogata l’energia meccanica. Nel risalire, il pistone espelle i gas combusti attraverso le valvole di scarico, raggiunge il punto morto superiore e scendendo il ciclo riparte.

Il motore Diesel avrà quindi un rapporto di compressione molto più alto di un motore a benzina, proprio perché dovrà comprimere molto l’aria per poter innescare l’autoaccensione. In un motore a benzina, non si possono raggiungere gli stessi rapporti di compressione; la benzina è più instabile del gasolio, e rapporti di compressioni pari a quelli di un Motore Diesel, causerebbero delle preaccensioni o detonazioni, che porterebbero alla rottura degli organi in movimento (pistoni, bielle).

Il rapporto di compressione di un Diesel è intorno ai 23:1 quando quello di un motore a benzina, raramente supera i 12:1. Proprio per questo motivo, il rendimento termodinamico di un motore Diesel può arrivare al 50% mentre un motore a benzina arriva al 30%.

Inoltre, proprio per il suo funzionamento, il motore Diesel trae maggiori vantaggi dall'impiego di sistemi di sovralimentazione che effettuano una compressione dell'aria già prima che questa entri nel cilindro.

In questo tipo di motori è di fondamentale importanza la precisione del sistema di alimentazione ed in particolare della pompa che regola la quantità esatta di combustibile immessa nei cilindri, nonché il momento esatto dell'immissione stessa. Sulla base della quantità di combustibile immesso ad ogni regime di rotazione il motore fornisce più o meno potenza in quanto l'aria da questo aspirata è un valore costante che corrisponde sempre al massimo possibile.

Il motore diesel ha come il motore a benzina un corpo farfallato ma mentre in quest'ultimo l'apertura della farfalla varia la quantità d'aria da miscelare alla benzina, nel motore diesel la farfalla è sempre aperta, e si chiude solo quando si spegne il motore per ridurre i sussulti. La potenza di un motore diesel non si basa sulla quantità di miscela aria-carburante immessa nel cilindro, ma solo sulla quantità di combustibile iniettato.

Componenti Principali: Iniettori e Pompa

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.

L'Iniettore: Dalla Meccanica all'Elettronica

Lo sviluppo degli iniettori è stato uno dei principali fattori che hanno portato al successo del motore Diesel negli ultimi 25 anni. Originariamente, gli iniettori erano completamente meccanici. Anche allora, erano formati da un corpo in acciaio che all’estremità inferiore presentava uno o più fori, tenuti chiusi da un’asta a punta conica e da una molla opportunamente tarata.

Il suo funzionamento si basava sulla pressione del gasolio che giungeva fino alla strozzatura ad anello, vinceva la resistenza della molla costringendo la punta conica a sollevarsi ed a lasciar passare il gasolio in pressione. Subito dopo l’iniezione, diminuendo la pressione nella condotta proveniente dalla pompa, l’asta tornava al suo posto chiudendo i fori di passaggio, e da lì il ciclo ricominciava.

Il gasolio veniva iniettato in una precamera, che serviva a ridurre il ritardo di accensione del gasolio - che non ha la stessa velocità di accensione e propagazione di fiamma della benzina - e grazie alla presenza di una candeletta ad incandescenza, ne facilitava anche le partenze a freddo. Parliamo quindi di una vera e propria iniezione indiretta, in quanto il gasolio non veniva nebulizzato direttamente nel cilindro.

Anche in questo caso, l’innovazione tecnologica spinta dalla necessità di minori consumi e quindi dalla diminuzione delle emissioni in atmosfera ha portato ad evoluzioni significative. Oggigiorno, anche grazie all’adozione di iniettori comandati elettronicamente, si è passati all’iniezione diretta.

Il motore diesel a iniezione diretta è nato negli anni Venti, progettato dalla MAN per i veicoli commerciali e industriali. Nel settore automobilistico è salito alla ribalta nel 1988, grazie alla Fiat Croma che è stata la prima vettura di serie a montarlo (subito dopo, nel 1989, arrivò la Land Rover 200 Tdi).

In questo tipo di motore il gasolio viene spruzzato direttamente nella camera di combustione, che è ricavata nel cielo del pistone. Proprio questa novità ha creato dei problemi nelle prime applicazioni. I pistoni non erano ancora abbastanza resistenti e spesso il cielo cedeva oppure si bucava con effetti disastrosi. In mancanza della precamera, la turbolenza deve crearsi nella camera di combustione, per cui occorre una migliore polverizzazione del gasolio. È il motivo per il quale la pressione d’iniezione deve essere più alta, partendo da almeno 500 bar per arrivare fino a oltre 2000 bar. Anche i condotti di aspirazione sono disegnati in maniera diversa per generare turbolenze specifiche (swirl).

La maggiore efficienza di un motore diesel a iniezione diretta è data quindi, da minori perdite termiche, maggiore pressione in camera di scoppio e percorso più diretto dei gas di scarico. Appare quindi chiaro, che le migliori performance di questa soluzione sono dovute all’innalzamento delle pressioni in camera di scoppio. Il rovescio della medaglia, però, sta tutto in quell’arco di giri in cui la pressione non è sufficiente, tipicamente dal minimo e fin quando la turbina non inizia a girare. In questa fase il motore risulta rumoroso, pigro e tende ad accumulare fumosità. E qui entrano in gioco evoluzioni quali lo sviluppo degli iniettori a comando elettronico, che permettono iniezioni multiple ed il sistema Common Rail.

Iniettori a Comando Elettronico e Tecnologie Avanzate

Gli iniettori a comando elettronico, non si basano più sulla taratura di una molla per azionare l’asta, ma su un solenoide che azionato da un segnale elettrico proveniente dalla centralina provvede all’azionamento dell’asta/spillo conico.

Esistono due tecnologie per gli iniettori elettroattuati; quella a solenoide e la piezoelettrica.

Iniettori Piezoelettrici

Un ulteriore step evolutivo, è stato la realizzazione degli elettroiniettori PIEZOELETTRICI. L’iniettore a comando piezoelettrico consuma meno elettricità del magnetico ed è anche cinque volte più veloce di una valvola elettromagnetica (affetta dall’inerzia caratteristiche degli induttori ed espressa dalla Legge di Lenz) tanto che ha reso possibile realizzare common-rail con oltre sette iniezioni per ciclo di combustione.

L’attuatore dell’iniettore piezoelettrico è formato da centinaia di piastre piezo impilate a formare uno stack, alimentate in serie-parallelo; la struttura siffatta serve perché un solo elemento non si dilaterebbe abbastanza da spostare la valvola dell’iniettore. Un tipico attuatore piezo per iniettore del sistema Siemens VDO Piezo Common Rail (PCR) è costituito da uno stack di 200 lamine di ceramica piezoelettrica, spesse ognuna circa 80 μm.

Il tipico tempo di “carica” dell’attuatore piezo 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. Nello schema proposto, l’elettrodo negativo di ciascun attuatore piezoelettrico viene commutato da un MOSFET (nella Figura 5 è rappresentato da un interruttore) che viene portato in stato di ON, quando l’iniettore deve essere caricato e scaricato ad opera dei due MOSFET operanti sulla linea positiva, mentre viene interdetto durante l’iniezione, perché lo stack piezo rimanere carico, perciò disteso, anche se non alimentato.

Nei motori common-rail, agli iniettori giungono due, tre o quattro fili; in quelli a 3 e 4 fili, due alimentano l’elettroattuatore (piezoelettrico o a solenoide) e due sono i capi del sensore induttivo che informa la ECU della posizione dello spillo, così da avere un’informazione sull’istante esatto in cui avviene l’iniezione e utilizzarla per calibrare gli iniettori sulla base della densità e temperatura del combustibile, del gioco che affligge lo spillo per l’usura ecc. Dall’EURO IV in poi gli iniettori vengono codificati nella ECU, inserendo i codici desunti dalle prove eseguite al banco dopo l’assemblaggio e stampati sull’elettroattuatore; i codici (ad esempio gli IMA) forniscono un’informazione sulla tolleranza nella risposta dell’iniettore rispetto al valore teorico di riferimento.

La Pompa di Iniezione e il Common Rail

Per produrre l’elevatissima pressione di esercizio viene utilizzata una pompa meccanica a pistoni radiali trascinata dal cinematismo della distribuzione. La pressione di esercizio viene regolata elettronicamente attraverso un’elettrovalvola fissata sul corpo della pompa e comandata dalla centralina.

Il common rail è dotato di un collettore comune mantenuto in pressione da cui si diramano 4 o 5 tubazioni (una per ogni cilindro) in corrispondenza di altrettanti elettroiniettori. Il gasolio ad alta pressione giunge al common rail cui sono collegati gli elettroiniettori. Con il motore al minimo la pressione nel common rail rimane a 300 Bar, in fase di accelerazione e in funzione della potenza richiesta al motore, la pressione viene fatta aumentare fino a valori che possono raggiungere i 1450 Bar.

Le pompe funzionavano (e funzionano) trascinate dal motore stesso, erano collegate direttamente agli iniettori, per cui la loro pressione variava al variare dei giri con peggioramenti in risposta e rendimento ai bassi regimi. Il gruppo VAG era già dotato di ottime pompe ad alta pressione con gli indimenticati primi TDI 90cv e 110 cv delle Audi 100 e Audi 80 B4 tdi e A4 B5 (per nominare i primissimi modelli Audi dotati di Tdi), motori prestazionali, dai bassissimi consumi ed infaticabili, ma che comunque soffrivano del funzionamento dipendente dai giri.

In seguito sono arrivati gli efficacissimi Pompa Iniettore, che hanno fatto il salto di qualità per pressioni di esercizio essendo comandati da una camma che comprime una micropompa inserita negli stessi iniettori. Il motore sviluppa una coppia generosissima, ma tale generosità si sviluppa in circa soli 1.500 giri di sfruttamento ed all’aumento di potenza/coppia ciò si accentua e si eroga in modo talmente veemente da far perdere fluidità di utilizzo.

Questo duplice meccanismo di regolazione si può comprendere considerando cosa avviene nell’impianto di iniezione quando il motore è in funzione: se ad esempio la pressione in ingresso agli iniettori dev’essere di 1600 bar, la ECU fa in modo che la pompa d’alta pressione invii gasolio nel rail fin quando il relativo sensore di pressione rileva tale valore; se il motore deve aumentare la potenza sviluppata, diventa necessario incrementare la portata del combustibile, perché altrimenti aumentando la durata di apertura degli iniettori, la pressione nel rail cala a causa dell’aumentata massa di gasolio richiesta.

Il Ruolo della Centralina (ECU) e dei Sensori

Dopo l’avvento del common rail, l’elettronica ha pervaso il motore, che, se si trascurano i primi EDC con controllo elettronico ma iniezione comandata dalla pompa d’iniezione, ancora ne era rimasto fuori. Mentre nel diesel tradizionale e nell’EDC (Electronic Diesel Control) l’iniettore polverizza il gasolio quando riceve la mandata dalla pompa d’iniezione, nel common-rail tutti gli iniettori ricevono combustibile in pressione ma l’instante di iniezione viene deciso dalla ECU motore inviando uno o più impulsi per ciclo di combustione all’attuatore del singolo iniettore.

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 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 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.

L’iniezione di carburante è sequenziale, gli iniettori vengono comandati singolarmente secondo l’ordine di fase con intervallo di rotazione dell’albero motore di 180° tra una iniezione e l’altra. L’iniezione avviene durante la fase di compressione di ciascun cilindro ed è suddivisa in 2 tempi successivi: la pre-iniezione e l’iniezione vera e propria. La quantità di gasolio iniettata dipende dal tempo e dalla pressione di iniezione che variano principalmente in base ai segnali del potenziometro dell’acceleratore, del misuratore della massa d’aria, del sensore giri motore e del sensore di pressione carburante. La temperatura del gasolio viene controllata attraverso un apposito sensore: quando supera il valore di 110°C viene ridotta la pressione di iniezione. Il regime del minimo viene regolato in base alla temperatura del motore attraverso i regolatori di pressione ed i tempi di iniezione. Quando si rilascia l’acceleratore la centralina riceve un segnale dal potenziometro dell’acceleratore ed annulla il comando degli iniettori.

Candelette ad Incandescenza

Importantissime nel corretto avvio e regolare funzionamento del motore soprattutto nei primi minuti sono le candelette ad incandescenza. Le candelette vengono alimentate da un apposito modulo comandato a sua volta dalla centralina. Le candelette diventano incandescenti e facilitano l’autoaccensione del gasolio a motore freddo. Dopo l’avviamento le candelette continuano ancora ad essere alimentate per migliorare la marcia a motore freddo. Raggiungono rapidamente 850° in 4 secondi. Appena girata la chiave il preriscaldamento inizia con la chiave in posizione di “accensione inserita”.

Sensori Contagiri e Pressione Iniettori: Una Relazione Cruciale

Il sensore giri motore è uno degli input fondamentali per la centralina, fornendo l'informazione sul regime di rotazione dell'albero motore. Questa informazione è vitale per determinare il momento e la durata dell'iniezione. La pressione dell'iniettore, a sua volta, non è un dato statico, ma un parametro dinamico strettamente controllato dalla ECU in base alle esigenze del motore, che sono direttamente correlate al regime di giri.

In pratica, l'iniettore stesso, pur non essendo un sensore di contagiri diretto, agisce come un punto di interazione tra la pressione del combustibile e il movimento meccanico dello spillo. Nei sistemi più avanzati, come accennato, alcuni iniettori common-rail a 3 o 4 fili includono un sensore induttivo che informa la ECU della posizione esatta dello spillo. Questa informazione, sebbene non sia un "contagiri" nel senso tradizionale, fornisce un feedback critico sulla tempistica effettiva dell'iniezione, che può essere indirettamente correlata al regime del motore e all'accuratezza della fasatura.

L'ECU utilizza i dati del sensore giri motore, insieme a quelli del sensore di pressione carburante (nel common rail), del potenziometro dell'acceleratore e del misuratore della massa d'aria, per calcolare la pressione e i tempi di iniezione ottimali. Ad esempio, se la centralina riceve un segnale di aumento dei giri (indicando una richiesta di maggiore potenza), aumenterà la pressione nel common rail e la durata di apertura degli iniettori per erogare una maggiore quantità di gasolio.

Il motivo per cui il gasolio deve essere iniettato direttamente dentro i cilindri durante la fase di massima compressione, proprio quando è più difficile, è che la benzina viene spruzzata nel collettore di aspirazione, prima che l'aria (divenuta ormai miscela) venga aspirata nei cilindri, quindi è tecnicamente piuttosto semplice creare delle valvole elettriche (elettroiniettori) in grado di realizzarla. L'elevata pressione necessaria per l'iniezione diretta del gasolio in un ambiente ad alta pressione rende il sensore di pressione del carburante e il controllo preciso della pressione degli iniettori elementi centrali per il corretto funzionamento.

Diagnosi dei Problemi Relativi agli Iniettori Common Rail

Un iniettore common rail (CRI) è un componente essenziale per un'erogazione precisa del carburante e una combustione efficiente, quindi è importante prestare attenzione ai segnali di guasto. Se un veicolo mostra i seguenti sintomi, è una buona idea esaminare l'iniettore e verificare la presenza di guasti.

Sintomi di Guasto dell'Iniettore Common Rail

• Il motore non si accende correttamente: Se gli iniettori common rail non spruzzano abbastanza carburante nelle camere di combustione, i cilindri non saranno in grado di fornire energia sufficiente. Ciò causerà una scarsa accelerazione o una mancata accensione.
• Scarso risparmio di carburante: Se il motore non riceve il carburante in modo corretto, la ECU potrebbe dover compensare, fornendo potenzialmente di più e quindi sprecando carburante.
• Funzionamento irregolare quando è inattivo: Se l'alimentazione del carburante è ridotta o irregolare, il numero di giri fluttuerà quando il veicolo è al minimo, causando una sensazione di "ruvidità". Potrebbe anche bloccarsi se il numero di giri diventa troppo basso.
• Fumo di scarico eccessivo: I conducenti possono notare più fumo di scarico del normale, bianco o nero a seconda della modalità di guasto dell'iniettore. Tuttavia, questo è un problema minore con i più recenti sistemi di controllo delle emissioni (come il DPF), anche se può portare all'ostruzione dei filtri.
• Battito o tintinnio del motore: Un CRI difettoso influenzerà i tempi del processo di combustione. Ciò causerà "colpi" udibili provenienti dal motore. Si tratta di detonazioni premature dovute a miscele aria-carburante errate.
• Perdita di carburante: Se il diesel può essere visto sopra o vicino all'iniettore, indica che è danneggiato e perde carburante.

Procedura di Diagnosi

Ci sono diverse cose da controllare se si sospetta un problema CRI. Lavorando su questa lista di controllo, è possibile trovare il guasto.

1. Identificare il codice di guasto: La prima fase per identificare i guasti common rail consiste nell'interrogare l'OBD del veicolo. Utilizzando uno strumento diagnostico di qualità sarete in grado di identificare rapidamente i codici di guasto e restringere la diagnosi.
2. Controllare gli iniettori: Se l'OBD ha generato un codice di errore del sistema di iniezione del carburante, verificare la funzionalità dell'iniettore. Strumenti diagnostici specifici possono essere collegati agli iniettori, evitando la necessità di una rimozione e un rimontaggio completi del sistema. Essi raccolgono e misurano il flusso di perdite dagli iniettori e indicano quale iniettore potrebbe essere difettoso e necessitare di sostituzione.
3. Controllare il funzionamento della pompa common rail: Quindi montare un kit guida sigillata direttamente sul tubo di uscita ad alta pressione dalla pompa e avviare il motore per registrare la pressione nel sistema. Il kit per guide sigillate visualizza i risultati in formato digitale e se il valore differisce dalla misurazione della pressione specificata per l'applicazione del veicolo, la pompa potrebbe essere difettosa.
4. Confermare se si è verificato un guasto meccanico o elettrico della pompa: Se si sospetta che la pompa Common Rail sia difettosa, utilizzare un kit di falsi attuatori in combinazione con la guida sigillata per ulteriori interrogatori. Questo sostituisce temporaneamente l'attuatore del veicolo per consentire alla pompa di generare l'intera pressione del sistema. Se la pompa genera la pressione corretta con il falso attuatore in posizione, è probabile che l'attuatore del veicolo sia difettoso e debba essere sostituito. Tuttavia, se la pressione è ancora al di sotto del livello richiesto, la pompa common rail potrebbe avere un guasto meccanico e deve essere riparata o sostituita.
5. Testare l'integrità elettrica degli iniettori: Utilizzando kit di test per iniettori elettronici, è possibile verificare la presenza di un circuito a bobina aperta e di un cortocircuito interno alla bobina, controllare l'isolamento della bobina al corpo dell'iniettore e misurare la resistenza e l'induttanza della bobina con un solo strumento. Ciò consentirà di identificare rapidamente e facilmente eventuali guasti elettronici, sia all'interno che all'esterno del veicolo. Si noti che se un iniettore di solenoide common rail presenta un guasto elettronico, non può essere riparato.
6. Diagnosticare e risolvere la laccatura in fase iniziale: Se durante i test di cui sopra non vengono identificati guasti, è un buon segno che la laccatura delle valvole è presente. Eseguendo un test di "ronzio", il kit di test dell'iniettore elettronico ti consentirà anche di verificare se l'iniettore si muove liberamente. In caso contrario, è sufficiente utilizzare un kit di pulizia solvente per iniettori, così da pulire eventuali lacche.

Riparare o Sostituire gli Iniettori Common Rail

Gli iniettori common rail hanno una durata media da 100.000 a 150.000 mila chilometri. Ci sono una serie di fattori che influenzano questo, tra cui la qualità del carburante, l'olio motore, i tempi di viaggio e la manutenzione. Se si trova un iniettore difettoso, sostituirne uno singolo piuttosto che un intero set può far risparmiare tempo e denaro.

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