Visteon Corporation, terzo fornitore mondiale dell’industria automobilistica, sta sviluppando i sistemi serbatoio che equipaggeranno le auto di domani. Il cuore di questi sistemi è costituito da un microcomputer inserito nella flangia del modulo di alimentazione del carburante. Esso controlla la pompa di alimentazione e l’evacuazione dei vapori e analizza i segnali provenienti dalla sonda di livello del carburante.

Le normative a salvaguardia dell’ambiente e le esigenze degli utenti finali, hanno determinato lo sviluppo di una serie di innovazioni in campo automobilistico come i motori ad accensione comandata, iniezione diretta e stratificazione di carica. A differenza dei motori convenzionali, quest’ultimo propulsore lavora con una pressione carburante fino a 700kPa e con flussi di alimentazione fino a 200l/h. Il motore a stratificazione di carica e le altre innovazioni in campo motoristico, che richiedono pressioni e flussi di alimentazione più elevati, oltre a una durata maggiore, sono dotati di sistemi di alimentazione a comando elettrico che operano in base alla richiesta di carburante da parte del motore e consentono minori consumi energetici e una durata ottimale, senza compromettere gli elevati standard del sistema. La soluzione studiata da Visteon consente di spostare i componenti elettronici di controllo della potenza vicino al serbatoio ampliando le loro funzioni a costi contenuti. L’obiettivo è di sviluppare un sistema a controllo elettronico in grado di eseguire automaticamente tutte le funzioni connesse alla gestione del serbatoio.
Serbatoio per sistemi
ad accensione comandata
Il serbatoio deve fornire al motore una quantità sufficiente di carburante a qualsiasi regime di carico e condizioni ambientali, deve inviare il segnale di livello del carburante alla centralina elettronica di bordo, separare i corpi estranei dal carburante e immagazzinare in modo sicuro il carburante stesso impedendo il più possibile l’immissione di idrocarburi nell’atmosfera. Infine, l’automobilista deve essere in grado di fare rifornimento in maniera semplice e rapida.
Gli odierni moduli di alimentazione carburante si dividono in due tipologie:
MRFS Mechanical Returnless Fuel Systems – Sistemi di alimentazione meccanici con valvole senza ritorno. Sistemi dotati di valvola senza regolazione (senza controllo di tensione) e regolatore di pressione meccanico. Nei sistemi senza regolazione, la pompa viene azionata continuamente dalla tensione dell’impianto elettrico del veicolo. La pressione del carburante viene regolata meccanicamente mediante il regolatore di pressione montato all’interno del serbatoio. Un condotto pressurizzato consente al motore di alimentarsi secondo le necessità e il carburante in eccesso viene riportato al serbatoio tramite un by-pass. A motore spento, la pressione del carburante viene mantenuta e limitata dal regolatore di pressione meccanico e da una valvola senza ritorno.
ERFS Electronic Returnless Fuel Systems – Sistemi di alimentazione elettronici con valvole senza ritorno. Sistemi composti da una pompa di alimentazione regolata in base alla richiesta del motore (a tensione controllata), un trasduttore di pressione e una valvola di mantenimento della pressione. Con sistemi di questo tipo, il flusso e la pressione sul lato mandata dalla pompa sono controllati dall’alimentatore di tensione. Il computer del sistema di alimentazione carburante controlla il flusso e la pressione del carburante che alimenta il motore. Un trasduttore di pressione montato sul gruppo di iniezione o all’interno del serbatoio trasmette il segnale di controllo al computer. A motore spento, la pressione del carburante viene mantenuta e limitata mediante una valvola limitatrice di pressione in parallelo (parallel pressure-relieve valve - PPRV). Tale valvola funziona come una doppia valvola di non-ritorno; da un lato mantiene la pressione nel gruppo di iniezione e nel condotto del carburante, dall’altra, quando si spegne il motore impedisce il superamento di un determinato livello di pressione in seguito all’espansione termica del carburante. Un’altra funzione del sistema è fornire informazioni sulla quantità di carburante presente nel serbatoio. Il rilevamento viene effettuato mediante un potenziometro a galleggiante. Al fine di contenere le emissioni di idrocarburi (HC), il serbatoio è dotato di uno sfiato collegato a una cartuccia ai carboni attivi. Le molecole di HC vengono trattenute dalla cartuccia e quindi immesse nel motore nel corso di un ciclo di purificazione calibrato della cartuccia stessa. Per le applicazioni commerciali negli USA, i serbatoi devono essere sottoposti a un test di perdita. Il rilevamento delle perdite viene controllato e monitorato dal sistema di gestione del motore.
La pompa di alimentazione standard
Le prestazioni dei moderni sistemi di alimentazione dipendono in grande misura dall’efficienza della pompa elettrica di alimentazione. Nei sistemi senza ritorno, la pompa fornisce il flusso e la pressione per tutte le pompe a getto (se necessarie per il riempimento del modulo di alimentazione o della riserva nel serbatoio) e allo stesso tempo deve fornire il flusso e la pressione richieste dal motore. Il design della pompa di alimentazione carburante dipende dai requisiti di partenza a freddo del veicolo. Per muovere il motore a freddo, la velocità e la coppia del motorino della pompa devono essere tarate in modo da fornire il più velocemente possibile livelli adeguati di pressione e di flusso nonostante il basso livello di tensione fornito dall’alternatore.
Un requisito tipico è ad esempio un volume di flusso di 50l/h alla pressione di sistema di 2bar e alla temperatura esterna di –30C entro 0,5 secondi con una tensione di 7Volt. In condizioni normali, la tensione assorbita dalla pompa varia dai 12 ai 13,5Volt e quindi il consumo di corrente della pompa è elevato. Raggiungere un compromesso tra un buon comportamento a freddo e il minor consumo possibile di energia nelle normali condizioni di funzionamento è difficile. Gli alti regimi di rotazione e l’elevato consumo di energia aumentano l’usura delle spazzole e del collettore del motorino della pompa. Di conseguenza, una pompa di alimentazione carburante convenzionale in un sistema MRFS trova molte difficoltà a soddisfare i normali requisiti di durata utile. In presenza di un sistema ERFS, la velocità media del motorino è significativamente minore, i consumi di energia diminuiscono fino al 30% e la durata utile aumenta, a seconda delle condizioni d’uso, del 50–100% circa rispetto la stessa pompa inserita in un sistema MRFS. Anche con un sistema ERFS è possibile assicurare livelli di pressione fino a 700kPa o un flusso fino a 220l/h come richiesto dal motore del veicolo. L’unità elettronica di controllo del sistema ERFS riceve dal modulo di controllo degli organi della trasmissione (PCM) le informazioni sulla pressione richiesta dal gruppo di iniezione e sui consumi di carburante del motore, al fine di determinare la tensione richiesta dalla pompa. La tensione della pompa viene inoltrata alla pompa di distribuzione sotto forma di segnale a modulazione di ampiezza impulso.

L’evoluzione delle pompe brushless
La vita delle pompe di alimentazione carburante regolate in base alla richiesta del motore è limitata in presenza di una potenza di mandata elevata e costante. Per fare fronte a questo aspetto, Visteon ha sviluppato una speciale pompa dotata di un motorino brushless (brushless pump). La figura nella pagina precedente mostra la struttura di questa pompa. Un gruppo statore-rotore sostituisce la spazzola e il collettore. Lo statore genera un campo elettromagnetico che aziona il rotore; un modulo elettronico regola il campo elettromagnetico controllando quindi la velocità del rotore. Gli unici componenti del motorino soggetti a usura sono l’albero e il cuscinetto, cosa che consente di raggiungere una durata utile pari a 16.000 ore a confronto delle 6.000-9.000 ore di una normale pompa MRFS. Oltre alla maggiore durata, un altro vantaggio di questo tipo di pompa è la maggiore efficienza - fino al 40% in più - grazie all’eliminazione della caduta di tensione tra spazzola e collettore che, per le pompe ad alimentazione tradizionale incorporate nel serbatoio, si aggira intorno a 1-2,5Volt.
Un altro vantaggio della pompa brushless è dato dal fatto che la maggior parte dei profili di pressione e di flusso si ottiene con un semplice adattamento del software di gestione senza dover operare modifiche strutturali. La configurazione brushless consente ai sistemi di alimentazione carburante di garantire volumi di flusso di oltre 200l/h con pressioni di esercizio fino a 5bar senza compromettere la durata utile dei componenti.

Sistema compatto erfs (scerfs)
Entrambi i modelli di pompa, standard e brushless, devono essere dotati di unità elettronica di controllo. Tuttavia sono poche le case automobilistiche che accettano di sostenere i costi aggiuntivi del modulo di gestione della pompa. Visteon ha quindi sviluppato una soluzione innovativa mantenendo una configurazione compatta e allo stesso tempo consentendo di controllare tutte le funzioni specifiche del serbatoio attraverso l’espansione delle funzionalità dell’elettronica di controllo.

Posizionamento del modulo di controllo
Al fine di prevenire i problemi elettromagnetici (RFI/EMC) causati dal segnale di controllo della pompa a modulazione di ampiezza impulso entro il campo di frequenze specifico, il cavo di potenza (che agisce da antenna) tra l’elettronica di controllo e la pompa deve essere mantenuto il più corto possibile. Quindi, proprio allo scopo di ridurre al minimo l’effetto antenna, l’elettronica deve essere posizionata vicino alla pompa e, per motivi di spazio e costi, Visteon ha inserito l’elettronica nella flangia del modulo di alimentazione. L’elettronica di controllo è sistemata in una flangia modificata con un coperchio metallico che la isola dall’ambiente esterno e che funge da termodispersore. Vari sensori sono inoltre collocati all’interno o sotto la flangia. Un sensore di pressione determina la pressione del carburante a valle del lato mandata della pompa di alimentazione. Tale circuito di controllo estremamente corto consente al sistema di regolare molto velocemente la tensione della pompa. Questa strategia è comunemente chiamata “alimentazione a richiesta”. Un sistema come questo può funzionare senza essere collegato al modulo PCM di controllo degli organi della trasmissione. Il sistema richiede tuttavia una valvola limitatrice di pressione in parallelo (PPRV).
Con una comunicazione limitata nei confronti del modulo PCM, l’unità di controllo SCERFS può essere montata sulla maggior parte dei veicoli che sono dotati di soluzioni MRFS oppure ERFS. Come modulo addizionale stand-alone, il sistema SCERFS può sostituire i sistemi serbatoio MRFS esistenti con il vantaggio di un consumo ridotto di energia e un ciclo di vita maggiore. Inoltre, è possibile installare sensori aggiuntivi come ad esempio sonde di temperatura carburante o sensori di pressione all’interno del serbatoio, particolarmente utili per ottimizzare la gestione del motore.

Gestione delle funzioni specifiche del serbatoio
L’unità elettronica incorporata nella flangia può svolgere anche funzioni di controllo specifiche del serbatoio. Attualmente, la cartuccia ai carboni attivi viene purificata dai vapori di HC grazie alla differenza di pressione tra il collettore di aspirazione e l’atmosfera esterna. Questa funzione è comandata dal modulo PCM mediante una valvola di gestione vapori (VMV), che controlla il livello di vuoto per estrarre il carburante dalla cartuccia, e una valvola di spurgo della cartuccia (CVV), che consente l’ingresso di aria esterna all’interno della cartuccia.
Un’ulteriore funzione di regolazione consiste nella chiusura della valvola CVV nel corso della diagnosi delle perdite al serbatoio. Tutte queste funzioni sono attualmente controllate dal modulo PCM. Le autovetture vendute sul mercato nordamericano devono superare un test inerente le perdite del serbatoio stabilite dalle normative vigenti in materia di emissioni inquinanti. Secondo gli standard OBD II, il sistema diagnostico di bordo deve essere in grado di rilevare fessure nel serbatoio con diametro minimo di 0,5mm. Per effettuare questo test di controllo, si genera nel serbatoio una pressione positiva o negativa, e si misura la capacità di mantenere il livello di pressione per un determinato periodo di tempo. L’implementazione di questo test per le perdite è limitata dal fatto che può essere effettuato solamente sul veicolo in moto e in presenza di determinate condizioni operative.
Con il modulo SCERFS, l’elettronica può effettuare questa diagnosi anche a motore spento con l’impiego dei metodi di rilevamento sotto vuoto delle perdite naturali (NVLD). I risultati dei test vengono poi trasmessi al modulo PCM al riavvio del motore. L’implementazione di tutte queste funzioni porta a un sistema serbatoio indipendente e auto-controllato.

Un indicatore di livello innovativo
La misurazione e la visualizzazione precisa della quantità di carburante presente nel serbatoio rappresenta una funzione importante per il modulo di alimentazione carburante. La struttura tipica dell’indicatore di livello consiste in un potenziometro con un contatto strisciante mosso da un galleggiante. Dal momento che la superficie di strisciamento è a contatto con il carburante, le impurità chimiche o fisiche presenti nel serbatoio possono depositarsi su questa superficie e/o modificarla, dando luogo al rilevamento di valori errati. Un miglioramento del design tradizionale è rappresentato dal doppio contatto strisciante (Fig. 4), che riduce considerevolmente la probabilità che i depositi di impurità comportino la trasmissione di segnali errati. Un altro metodo per migliorare la validità del segnale è dato dall’adozione di circuiti adattativi. Grazie a questa soluzione è possibile determinare una potenziale resistenza di contatto, e i valori di misura vengono regolati con l’aiuto di un coefficiente di correzione. Questa soluzione impone che il segnale venga analizzato e che l’output sia opportunamente regolato sulle variazioni della resistenza di contatto. Allo stato attuale, questa analisi viene effettuata a livello del quadro strumenti.Il modulo SCERFS di Visteon è in grado di svolgere anche questa funzione: l’unità elettronica calcola il segnale di livello medio entro un determinato periodo di tempo e invia il segnale già elaborato al quadro strumenti.

Nuovo filtro senza manutenzione
I contaminanti presenti nel carburante contribuiscono alla riduzione della durata utile del modulo di alimentazione, della pompa e dell’indicatore di livello. Il filtro sul lato aspirazione della pompa di alimentazione, con pori della dimensione di 30µm, protegge la pompa da eventuali danni.
Le particelle più fini, che quindi attraversano la pompa, vengono catturate da un filtro carburante di durata utile illimitata. Le dimensioni delle particelle contaminanti e l’efficienza operativa rappresentano i fattori principali nella progettazione di questi filtri esenti da manutenzione. Per ridurre al minimo le perdite di pressione nonostante l’accumulo delle particelle sul filtro sono necessarie soluzioni progettuali particolari. Il filtro senza manutenzione proposto da Visteon è progettato per contenere fino a 15 grammi di contaminanti senza dare luogo a cambiamenti significativi riguardo le perdite di pressione. Queste specifiche soddisfano i requisiti più severi imposti dai costruttori. La capacità di questo filtro permette di evitare la manutenzione eccetto che nelle condizioni d’uso più estreme.
Un ulteriore vantaggio del nuovo filtro carburante è rappresentato dalla sua integrazione nell’involucro del modulo di alimentazione. Il carburante che fluisce attraverso il filtro può causare l’insorgere di cariche elettrostatiche e impone spesso la messa a terra del filtro tramite un materiale conduttore incorporato.

Sistemi serbatoio del futuro
Abbiamo illustrato i vantaggi principali di una pompa con alimentazione “a richiesta”. Il risparmio di energia è enorme particolarmente nel ciclo urbano (norme ECE). Un sistema SCERFS può sostituire qualsiasi modulo di alimentazione MRFS senza necessità di apportare alcun cambiamento al veicolo. I principali vantaggi del nuovo sistema possono essere sfruttati solamente se l’elettronica di controllo SCERFS è in grado di comunicare con il sistema di gestione del veicolo (PCM). Con l’aggiunta di un sensore di pressione e una sonda di temperatura interne al serbatoio, è possibile effettuare il test delle perdite al serbatoio con la valvola CVV chiusa. Il sensore di pressione del carburante consente il funzionamento della pompa secondo il principio dell’alimentazione “a richiesta” con conseguente risparmio di energia. I segnali trasmessi dall’indicatore di livello del carburante sono analizzati direttamente dall’elettronica di controllo del sistema SCERFS e il segnale elaborato viene inviato al quadro comandi sul cruscotto. Nuove strategie di regolazione diventano possibili grazie alla comunicazione bidirezionale tra i moduli PCM e SCERFS. Tra queste strategie è possibile citare l’avviamento della pompa carburante all’apertura della portiera da parte del conducente al fine di ridurre i tempi di avviamento del motore; allo stesso modo è possibile spegnere la pompa in caso di incidente. Il sistema SCERFS consente inoltre l’utilizzo di pompe carburante con motorino standard o brushless. Le dimensioni della pompa sono identiche e occorre sostituire solo l’elettronica di controllo e il cablaggio. Questo sistema consente l’ottimizzazione mirata del modulo di alimentazione per ciascun modello di veicolo.
I vantaggi di questa nuova tecnologia mirata al risparmio del carburante, a un minore consumo di energia, a una migliore gestione dei vapori e a un rilevamento più preciso delle perdite al serbatoio, compensano in maniera più che proporzionale il costo dovuto all’installazione di questo sistema completo serbatoio e alimentazione.

Conclusioni
L’esigenza di ottimizzare i consumi di carburante e di abbattere le emissioni nocive ha portato Visteon a sviluppare il sistema elettronico compatto SCERFS (Self Contained Electronic Returnless Fuel System) di alimentazione senza ritorno. L’integrazione di questo sistema innovativo nei veicoli del futuro rappresenta un elemento chiave per i fornitori di equipaggiamento originale che vogliano rispettare sia le esigenze dell’utente finale sia le disposizioni di legge. Nel modulo di controllo SCERFS possono essere integrate anche altre funzioni come l’impianto di alimentazione completo. I vantaggi per le case costruttrici non sono solamente di tipo funzionale - il sistema SCERFS viene fornito come modulo di assemblaggio, e può quindi venire assemblato sulla linea di produzione senza ulteriori costi aggiuntivi – un ulteriore vantaggio è dato dall’elevato livello di integrazione tra i sistemi fisico e informatico che riduce il numero delle interfacce sul veicolo; inoltre sono necessarie soltanto le connessioni all’impianto di alimentazione del carburante e all’impianto elettrico, mentre il trasferimento delle funzioni di elaborazione dei dati al modulo di controllo SCERFS ha l’effetto di ridurre il carico di lavoro sul sistema di gestione PCM. Questo sistema innovativo è frutto dell’esperienza di Visteon come integratore e fornitore di sistemi serbatoio e di elettronica di controllo completi per veicoli.