Breve introduzione all’evoluzione dei sistemi di controllo motore e descrizione dei componenti fondamentali di iniezione e accensione elettronica.

I sistemi controllo motore nell’ultimo decennio hanno contribuito enormemente all’evoluzione tecnologica delle vetture. In Italia infatti all’inizio degli anni novanta, l’inasprimento delle norme antinquinamento obbligava, di fatto, i costruttori di automobili a utilizzare il catalizzatore e sistemi elettronici per gestire l’alimentazione e l’accensione dei motori a benzina. Queste tecnologie si sono poi diffuse anche sulle motorizzazioni Diesel, naturalmente per quanto riguarda la sola alimentazione. Per poter capire quali sono le logiche di funzionamento dei sistemi di iniezione e accensione elettronica, è necessario fare una descrizione veloce delle loro parti fondamentali.

L’iniezione elettronica
L’iniezione elettronica è divisa in tre sottogruppi principali: quello idraulico, quello elettrico e quello elettronico. Il primo è realizzato con una pompa elettrica che aspira la benzina dal serbatoio, la pressurizza per poi inviarla alla rampa degli iniettori. Quest’ultimi devono erogare il carburante in modo che si misceli perfettamente con l’aria che viene aspirata dal motore. Nel gruppo idraulico un regolatore di pressione mantiene il combustibile a una pressione costante. Il sistema elettrico permette invece di collegare alla centralina specifici sensori montati sugli organi del motore. Questi sensori rilevano il funzionamento del propulsore e generano segnali elettrici particolari inviati all’unità di controllo. Infine, il gruppo elettronico è costituito dalla centralina e dagli stadi di potenza. La prima riceve attraverso l’impianto elettrico i segnali generati dai sensori e li elabora per stabilire la quantità di benzina da erogare al motore, comandando gli iniettori. Gli stadi di potenza (a volte integrati nell’hardware del calcolatore), forniscono invece l’energia di attivazione indispensabile per pilotare correttamente gli attuatori e cioè, ad esempio, gli iniettori o le bobine dell’accensione.

Le componenti dell’impianto
Analizziamo ora nel dettaglio il funzionamento dei componenti principali di un impianto di alimentazione. La pompa elettrica del carburante è fatta funzionare dalla centralina attraverso un relè e nel caso il motore si fermi accidentalmente, viene immediatamente spenta. Recentemente sulle autovetture viene utilizzato anche l’interruttore inerziale che interrompe l’alimentazione elettrica alla pompa, assicurando sempre lo spegnimento del motore in caso di incidente. La pompa può essere indifferentemente immersa nel serbatoio o avere una posizione esterna. Le recenti applicazioni prediligono però la prima soluzione. Il combustibile viene aspirato, pressurizzato e inviato al filtro attraverso un tubo in gomma in grado di sopportare la pressione presente nel circuito. Il filtro trattiene le impurità, anche le più piccole, che altrimenti intaserebbero l’iniettore. Deve perciò essere cambiato con frequenza (anche maggiore di quella riportata sul libretto manutenzione della vettura). La benzina arriva agli iniettori e al regolatore di pressione e quella in eccesso torna nel serbatoio. Gli iniettori sono sostanzialmente delle elettrovalvole comandate in apertura da un segnale generato dalla centralina. Il tempo di iniezione è dunque l’intervallo in cui rimangono aperte tali elettrovalvole e durante il quale viene erogato il carburante che deve alimentare il motore. Il tempo di iniezione è determinato dalle logiche di elaborazione della centralina che conosce, grazie alle informazioni ricevute dai sensori, la condizione di funzionamento del motore. Affinché la quantità di benzina erogata dipenda solo del tempo di iniezione e cioè dalle strategie di controllo elaborate della centralina, occorre che la pressione della benzina nel circuito idraulico generata dalla pompa, rimanga costante a uno specifico valore. Il regolatore della pressione la deve quindi controllare scaricando verso il serbatoio il combustibile in eccesso. Nel caso delle iniezioni indirette (le più diffuse nei motori alimentati a benzina) l’estremità dell’iniettore con il polverizzatore (dove si genera lo spray del combustibile iniettato), è affacciata nel collettore di aspirazione dopo la farfalla acceleratore, azionata dal pedale dell’acceleratore. In questo modo la benzina può miscelarsi con l’aria aspirata dal motore, che viene risucchiata nel cilindro durante la specifica fase di funzionamento. Come già osservato, il tempo di iniezione e cioè quello durante il quale l’iniettore rimane aperto, è stabilito dalla centralina alla quale arrivano una serie di parametri rilevati da specifici sensori. Tra questi parametri quello fondamentale è la portata in peso dell’aria aspirata. I misuratori di portata rilevano direttamente il volume di aria che il motore aspira. Tramite l’informazione della temperatura dell’aria è poi possibile risalire alla quantità in massa aspirata. Anche l’angolo di apertura della farfalla acceleratore può essere correlato al numero dei giri del motore, per ottenere una misura indiretta della portata d’aria aspirata. Il numero dei giri del motore viene determinato utilizzando un sensore a induzione affacciato a una ruota fonica, che ha uno specifico numero di denti ricavati sulla sua circonferenza ed è calettata a una estremità dell’albero motore. Questo sensore che generalmente funziona col principio dell’induzione magnetica, genera un segnale in tensione avente frequenza variabile in funzione del regime di rotazione del propulsore. La misura di tale frequenza permette perciò di risalire al valore dei giri. Il carico motore può essere rilevato anche misurando la pressione nel collettore di aspirazione, che, come quella potenziometrica dell’angolo di apertura dell’acceleratore, dà un valore indiretto della portata d’aria aspirata dal motore, ed è sfruttata dalla centralina per determinare la corretta quantità di benzina da iniettare (e cioè il tempo di iniezione). Infatti, in un collettore di aspirazione di un motore (non sovralimentato), si ha la pressione atmosferica quando la farfalla acceleratore è aperta. Solo così l’aria è infatti libera di transitare fino alla valvola di aspirazione. Se l’acceleratore invece è parzialmente aperto o è chiuso (il motore è al minimo), nel collettore c’è una depressione e cioè una pressione inferiore a quella atmosferica. Il sensore di pressione dunque genera una tensione in funzione della pressione che c’è nel collettore di aspirazione, al quale è collegato con un piccolo tubo. Come già accennato, per determinare la portata d’aria in massa in ingresso ai cilindri, occorre conoscere anche la temperatura dell’aria rilevata da un apposito sensore. Infatti in un volume di valore costante che contiene aria fredda, c’è una specifica quantità di ossigeno (elemento indispensabile per generare la combustione della benzina); se invece l’aria è calda (e perciò più rarefatta) nel medesimo volume la quantità di ossigeno sarà inferiore. Questo semplice esempio fa intuire che è necessario diminuire la quantità di benzina iniettata quando il motore funziona in un ambiente molto caldo, per evitare che la miscela sia troppo ricca e che invece tale quantità dev’essere aumentata se la temperatura dell’aria si abbassa.
Riassumendo, la centralina è in grado in un preciso istante, di determinare la portata d’aria in massa aspirata dal motore, conoscendo: la pressione nel collettore di aspirazione o l’angolo di apertura della farfalla dell’acceleratore, la temperatura dell’aria e il numero dei giri del motore. La cilindrata del motore (e cioè il volume d’aria che dovrebbe essere teoricamente aspirato a ogni ciclo) e la curva del rendimento volumetrico del motore, sono invece indispensabili alla centralina per determinare il volume d’aria effettivamente aspirato. Un altro sensore necessario per assicurare la corretta carburazione in tutte le condizioni di utilizzo del propulsore, è quello della temperatura del liquido di raffreddamento. Questa informazione inviata alla centralina sempre come segnale elettrico, viene utilizzata per arricchire la miscela durante gli avviamenti a freddo. Si attua perciò automaticamente la funzione dello starter per facilitare le partenze.

Iniezione parallela e sequenziale
L’iniezione indiretta a benzina di cui abbiamo fino ad ora descritto le parti fondamentali e i principi di funzionamento, si divide in due grandi famiglie: la parallela e la sequenziale. La prima comanda tutti gli iniettori in parallelo (contemporaneamente), una volta ogni giro di albero motore. In questo caso la quantità di benzina totale da erogare a ogni ciclo (due giri albero motore), viene spruzzata in due volte e cioè il tempo di iniezione è diviso in due parti. L’iniezione sequenziale comanda invece l’iniettore associato alla valvola di aspirazione che sta per aprirsi. Nei recenti sistemi di alimentazione con controllo elettronico viene preferita l’iniezione sequenziale, poiché migliora il contenimento degli inquinanti allo scarico. Per realizzare questo tipo di funzionamento è però indispensabile sapere quando inizia la fase di aspirazione di ciascuno dei cilindri.Tale informazione viene fornita da un sensore di fase, che è affacciato a una ruota fonica con particolari denti di riferimento, normalmente montata sulla estremità dell’albero a camme. Analizziamo ora le strategie di funzionamento più importanti della parte elettronica di controllo, che deve calcolare i tempi di iniezione ma anche gli anticipi dell’accensione.
I moderni sistemi integrati sfruttano infatti le informazioni dei sensori utilizzate per l’alimentazione, anche per generare tramite le bobine la scintilla sulle candele, con il corretto anticipo rispetto al PMS del pistone. Questo tipo di integrazione permette di attuare strategie più efficaci. Ad esempio, come precedentemente osservato, durante un avviamento a freddo il segnale della temperatura del liquido di raffreddamento del motore, viene utilizzato dalla centralina per stabilire l’arricchimento dell’alimentazione e cioè viene implementata la funzione di “starter”. Poiché però il sistema elettronico comanda anche l’accensione, viene aumentato l’anticipo in modo da sostenere il regime di minimo del motore. Tramite l’informazione della temperatura dell’aria è poi possibile controllare l’anticipo dell’accensione evitando che si inneschi il pericolosissimo fenomeno della detonazione (all’aumentare della temperatura dell’aria, l’anticipo deve diminuire).

Le mappature usate dalla centralina
La centralina ha poi una memoria che contiene i dati fondamentali per l’elaborazione dei tempi di iniezione e degli anticipi dell’accensione. Questi dati sono organizzati in mappature dell’iniezione e dell’accensione e cioè in tabelle nelle quali ogni riga è associata a un regime di rotazione del motore e ogni colonna è associata a un valore di carico del motore (l’angolo apertura farfalla o la pressione nel collettore di aspirazione). Se i sensori indicano alla centralina che il motore sta ad esempio funzionando a 2000 giri/min. con l’acceleratore aperto a 30°, l’unità di elaborazione sceglie la casella della tabella corrispondente alla riga e alla colonna individuate dai giri e dal carico motore. All’interno di questa casella c’è il tempo di iniezione (se si tratta della mappatura dell’iniezione) o l’anticipo dell’accensione (se è la mappatura dell’accensione), che dev’essere applicato quando il propulsore funziona con i giri e l’apertura dell’acceleratore indicata dai sensori. Non è però sufficiente utilizzare le mappature dell’iniezione e dell’accensione. Occorre infatti poter variare i parametri in funzione della temperatura dell’aria aspirata, della temperatura del liquido di raffreddamento del motore, della pressione atmosferica, della velocità con cui viene premuto l’acceleratore. Per quanto riguarda la regolazione in funzione della temperatura liquido raffreddamento e aria, abbiamo già descritto le strategie realizzate dalla centralina. La regolazione con il sensore di pressione atmosferica serve invece ad adeguare la carburazione nel caso in cui la vettura viaggi in montagna o in pianura. In quota infatti l’aria è più rarefatta e perciò occorre diminuire la quantità di benzina iniettata. La centralina è anche in grado tramite il potenziometro farfalla, di individuare la rapidità con cui viene azionato l’acceleratore e conseguentemente arricchisce la miscela per assicurare una ripresa perfetta. Si può dire in sintesi che viene riprodotto elettronicamente ciò che veniva fatto con le “pompette di ripresa” dei carburatori. Analogamente se l’acceleratore viene rilasciato velocemente il calcolatore attua la strategia di cut-off e cioè del taglio del carburante, fino a quando viene raggiunta la condizione del minimo. Le variazioni sui tempi di iniezione e sugli anticipi dell’accensione, sono contenute in tabelle presenti nella memoria della centralina. Tali variazioni vengono sommate ai valori base che l’unità di calcolo determina dalle mappature. Quando è stata stabilita la corretta quantità di benzina per l’alimentazione del motore e il necessario anticipo dell’accensione, l’unità di controllo elettronico attiva gli iniettori e le bobine attraverso gli stadi di potenza in grado di erogare una corrente sufficientemente alta.
Le centraline dell’ultima generazione sono in grado però di effettuare anche altre funzioni. Ad esempio, attivano l’elettroventilatore del radiatore, implementano il sistema antiavviamento, disinseriscono il compressore del clima quando viene richiesta la massima potenza al propulsore, dialogano con i calcolatori dei sistemi di sicurezza attiva attraverso la linea CAN, gestiscono il regime del minimo pilotando specifiche elettrovalvole, funzionano in retroazione con le sonde Lambda per migliorare l’efficienza di riduzione del catalizzatore. Naturalmente i sistemi elettronici hanno anche sofisticate metodologie di autodiagnosi in grado di individuare e memorizzare i malfunzionamenti di ciascun componente. Tali malfunzionamenti possono essere letti presso le autofficine, con specifici strumenti di diagnosi, che consentono dunque una veloce individuazione del guasto e una conseguente rapida riparazione.