Le norme sulle emissioni e sul risparmio di carburante hanno costretto l’industria automobilistica a riconsiderare completamente il modo in cui fornisce benzina al motore. Il cambiamento non era recente. Tutto è avvenuto gradualmente, guidato da necessità ingegneristiche piuttosto che da una scelta. La Subaru Justy del 1990 detiene uno strano titolo nella storia automobilistica statunitense. È stata l’ultima auto del mercato di massa venduta qui con un carburatore. Il prossimo anno modello? Il Giusto ha degli iniettori di carburante.
Ciò rende la sequenza temporale confusa per alcuni appassionati. L’iniezione di carburante non è una novità. La tecnologia risale agli anni ’50. I produttori europei hanno utilizzato ampiamente l’iniezione elettronica del carburante sin dal 1980 circa. Oggi, se acquisti una nuova auto negli Stati Uniti, ha l’iniezione di carburante. Periodo.
Analizzeremo esattamente il modo in cui il carburante entra nel cilindro. Decodificheremo anche termini come “iniezione di carburante multiporta” e “iniezione di carburante con corpo farfallato” in modo da sapere cosa sta realmente accadendo sotto il cofano.
La complicata salita e caduta del carburatore
Per quasi tutta la vita del motore a combustione interna, il carburatore ha svolto il lavoro pesante. Mescolava aria e carburante per il motore. Li vedi ancora sui tosaerba e sulle motoseghe oggi. Funzionano. Sono semplici. Ma le auto sono diventate complesse. Il carburatore doveva gestire più esigenze operative che mai.
Per gestire il carico, questi dispositivi meccanici sono diventati complessi. Una configurazione tipica richiedeva cinque circuiti distinti:
- Circuito principale – Fornisce la quantità precisa di carburante necessaria per velocità di crociera efficienti.
- Circuito del minimo – Mantiene il motore in funzione senza intoppi quando sei fermo al semaforo.
- Pompa dell’acceleratore – Fornisce una rapida esplosione di carburante quando si preme il pedale per la prima volta. Ciò elimina l’esitazione.
- Circuito di arricchimento di potenza – Aggiunge carburante extra durante la salita o il traino di un carico pesante.
- Choke – Arricchisce la miscela quando il motore è freddo per garantire un avviamento affidabile.
Non bastava semplicemente mescolare il carburante. L’ambiente è cambiato. Le norme sulle emissioni sono state inasprite. Il convertitore catalitico è diventato obbligatorio. Questo dispositivo richiede un rapporto aria-carburante molto specifico per funzionare in modo efficace. Troppo carburante e fallisce. Troppo poco e fallisce.
Gli ingegneri dovevano monitorare i livelli di ossigeno nello scarico in tempo reale. Hanno utilizzato sensori di ossigeno per fornire dati all’unità di controllo del motore (ECU). L’ECU ha quindi regolato immediatamente la miscela. Questo si chiama controllo ad anello chiuso. I carburatori semplicemente non potevano raggiungere questo livello di precisione. Sono meccanici. Non possono pensare.
C’è stato un breve, brutto periodo in cui i produttori hanno cercato di elettrificare il carburatore. I carboidrati controllati elettricamente erano ancora più complessi delle loro controparti puramente meccaniche. Hanno fallito. Gli iniettori di carburante hanno preso il sopravvento.
Dalla precisione a punto singolo alla precisione multiporta
La transizione non è avvenuta da un giorno all’altro. Il primo passo è stato l’iniezione del carburante nel corpo farfallato. Noto anche come iniezione a punto singolo o centrale. Questo sistema inserisce le valvole degli iniettori di carburante a controllo elettrico direttamente nel corpo farfallato.
Era quasi una sostituzione imbullonata. Le case automobilistiche non avevano bisogno di riprogettare i loro motori. È stata una soluzione rapida. Ma non era perfetto.
Con l’evoluzione della progettazione dei motori, i produttori sono passati all’iniezione di carburante multiporta. Questa è anche chiamata iniezione di carburante in porto, iniezione multipunto o iniezione di carburante sequenziale. La differenza è significativa. Ogni cilindro ha il proprio iniettore dedicato. Questi ugelli spruzzano il carburante direttamente sulla valvola di aspirazione.
Il risultato è una migliore precisione. La misurazione è più stretta. Il motore risponde più velocemente. È un sistema più efficiente. I tempi dell’ugello unico per tutti i cilindri sono finiti.
Comprendere l’input
Quando premi il pedale dell’acceleratore nella tua auto, non controlli direttamente il carburante. Stai controllando la valvola a farfalla. Questa valvola regola la quantità di aria che entra nel motore. Il sistema di alimentazione reagisce a quell’aria.
Quindi il pedale dell’acceleratore è in realtà il pedale dell’aria.
Dai gas. La valvola a farfalla si apre. Entra più aria. L’unità di controllo del motore, o ECU, rileva immediatamente quel movimento. Non si limita a guardare. Reagisce. L’ECU accelera l’erogazione del carburante prima ancora che l’aria in eccesso raggiunga la camera di combustione.
Perché il tempismo è così importante?
Perché l’esitazione è il nemico. Se l’erogazione del carburante è in ritardo rispetto alla presa d’aria, si ottiene una ricca sacca d’aria senza carburante. Il motore balbetta. Lo senti come un sussulto nel sedere dei pantaloni. L’ECU impedisce ciò sincronizzando l’iniezione di carburante con il flusso d’aria. È una danza serrata tra il flusso d’aria di massa e il carburante atomizzato.
L’anatomia dell’iniettore
Un iniettore di carburante è essenzialmente una valvola controllata elettronicamente. Non complicarlo eccessivamente. È un custode del carburante pressurizzato dalla pompa. Si apre e si chiude molte volte al secondo. La precisione è fondamentale.
Quando l’ECU invia un segnale elettrico, un elettromagnete muove uno stantuffo. La valvola si apre. Il carburante pressurizzato schizza attraverso un minuscolo ugello. Quell’ugello è progettato per l’atomizzazione. Trasforma il liquido in una nebbia sottile. Perché? Perché la nebbia brucia. Il liquido no. La combustione completa richiede superficie. Più fine è la nebbia, migliore è la combustione.
L’ECU controlla la durata di questa apertura. Chiamiamo questa larghezza di impulso. Una larghezza di impulso più lunga equivale a più carburante. Più corto equivale a meno. Fisica semplice.
Questi iniettori sono montati nel collettore di aspirazione. Spruzzano direttamente sulle valvole di aspirazione. Un rail del carburante distribuisce il carburante pressurizzato a ciascun iniettore. È un sistema a circuito chiuso. La pressione è costante. Il controllo è dinamico.
La rete di sensori
L’ECU non può prendere decisioni nel vuoto. Ha bisogno di dati. Molto. Il motore funziona in condizioni costantemente mutevoli. Temperatura, carico, velocità, flusso d’aria. L’ECU monitora tutti questi tramite una rete di sensori.
Ecco cosa ascolta l’ECU:
- Sensore del flusso d’aria di massa: indica all’ECU esattamente quanta aria entra nel motore. È l’input principale per il calcolo del carburante base.
- Sensori di ossigeno: Situato nello scarico. Misura il contenuto di ossigeno nei gas esausti. Questo circuito di feedback comunica all’ECU se la miscela è troppo ricca (troppo carburante) o troppo magra (troppa aria). L’ECU si regola in base a questi dati in tempo reale.
- Sensore di posizione dell’acceleratore: monitora l’angolo della piastra dell’acceleratore. Segnala all’ECU le intenzioni del conducente. Ingresso improvviso dell’acceleratore? L’ECU lo vede immediatamente e regola l’erogazione del carburante per evitare ritardi.
- Sensore della temperatura del liquido di raffreddamento: Il motore necessita di un rapporto aria-carburante diverso quando è freddo rispetto a quando è caldo. Questo sensore comunica alla ECU lo stato termico del motore. I motori freddi necessitano di una miscela più ricca per funzionare senza intoppi.
- Sensore di tensione: L’impianto elettrico è importante. Se la tensione del sistema diminuisce, spesso significa un carico elettrico elevato (come il compressore dell’aria condizionata o l’alternatore sotto sforzo). L’ECU può aumentare la velocità del minimo per compensare il carico.
- Sensore pressione assoluta collettore (MAP): Misura la depressione nel collettore di aspirazione. Meno pressione significa che viene aspirata più aria. L’ECU lo utilizza per stimare il carico del motore e la potenza erogata. Più aria entra, più carburante esce.
- Sensore di velocità del motore: Il numero di giri è un fattore critico nel calcolo dell’ampiezza dell’impulso. Più velocemente il motore gira, più frequentemente gli iniettori devono attivarsi per mantenere il rapporto.
Fuoco sequenziale o batch
I sistemi di iniezione del carburante multiporta generalmente rientrano in due categorie. Azionano tutti gli iniettori contemporaneamente oppure li azionano in sequenza.
La cottura in batch è più semplice. Tutti gli iniettori si aprono in un singolo evento o in eventi raggruppati. Funziona. Ma ha un ritardo.
L’iniezione sequenziale multiporta è diversa. Ciascun iniettore si apre appena prima dell’apertura della valvola di aspirazione del suo cilindro specifico. È temporizzato al singolo cilindro.
Quale è meglio? Vittorie sequenziali per la reattività.
Considera un improvviso cambio di acceleratore. In un sistema batch, l’ECU potrebbe dover attendere il successivo giro completo del motore prima che si verifichi l’evento di iniezione successivo. Questo è un ritardo. In un sistema sequenziale, l’ECU attende solo fino all’apertura della valvola di aspirazione successiva per quello specifico cilindro. Potrebbe essere qualche millisecondo prima.
Il risultato è un adattamento più rapido. Il motore risponde agli input del conducente con meno ritardo. Il rapporto aria-carburante rimane più stretto in condizioni dinamiche. Non è solo una questione di potere. Si tratta di morbidezza. Si tratta di precisione.
La tecnologia continua ad evolversi. Ma il principio fondamentale rimane lo stesso. Misura l’aria. Aggiungi carburante. Brucialo in modo pulito. Fallo velocemente.
Il software all’interno dell’unità di controllo del motore (ECU) svolge un lavoro pesante. Non è solo un semplice passaggio. Gli algoritmi devono soddisfare rigide norme sulle emissioni per 100.000 miglia, soddisfare gli obiettivi di risparmio di carburante EPA e impedirti di far esplodere il motore. Ci sono anche dozzine di altri vincoli da gestire.
L’ECU utilizza una formula combinata con enormi tabelle di ricerca per determinare l’ampiezza dell’impulso per gli iniettori di carburante. Questo è il tempo in cui l’iniettore rimane aperto. L’equazione moltiplica una serie di fattori. La maggior parte di questi fattori provengono dalle tabelle. Possiamo semplificarlo per vedere come funziona. Un sistema reale potrebbe utilizzare centinaia di fattori. Il nostro esempio ne usa tre.
Ampiezza dell’impulso = (Ampiezza dell’impulso base) x (Fattore A) x (Fattore B)
Innanzitutto, l’ECU cerca l’ampiezza dell’impulso di base. Ciò dipende dalla velocità del motore (RPM) e dal carico. Il carico proviene dalla pressione assoluta del collettore. Diciamo che sei a 2.000 giri con un carico di 4. Trovi quell’intersezione nella tabella. La larghezza dell’impulso di base è di 8 millisecondi.
| Giri/min\Carico | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1.000 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 2.000 | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 |
| 3.000 | 3 | 6 | 9 | 12 | 15 |
| 4.000 | 4 | 8 | 12 | 16 | 20 |
Ora guarda i fattori A e B. Questi provengono dai sensori. Il fattore A è la temperatura del liquido di raffreddamento. Il fattore B è il livello di ossigeno. Se il liquido refrigerante è a 100 gradi e il livello di ossigeno è 3, le tabelle ci forniscono moltiplicatori specifici.
| Parametro A (Temp) | Fattore A |
|---|---|
| 0 | 1.2 |
| 25 | 1.1 |
| 50 | 1.0 |
| 75 | 0,9 |
| 100 | 0,8 |
| 125 | 0,75 |
| Parametro B (O2) | Fattore B |
|---|---|
| 0 | 1.0 |
| 1 | 1.0 |
| 2 | 1.0 |
| 3 | 1.0 |
| 4 | 0,75 |
Quindi i conti sono semplici. 8 x 0,8 x 1,0 equivalgono a 6,4 millisecondi. Il sistema si adegua in base a questi input. Il fattore B riguarda l’ossigeno nello scarico. Se c’è troppo ossigeno, l’ECU taglia il carburante. È un ciclo di feedback progettato per mantenere le cose efficienti.
I sistemi reali hanno oltre 100 parametri. Alcune tabelle cambiano nel tempo per tenere conto dell’usura di parti come il convertitore catalitico. L’ECU potrebbe eseguire questi calcoli cento volte al secondo.
Cosa fanno effettivamente i chip prestazionali
Questo ci porta ai chip prestazionali. Se capisci la logica dell’ECU, capirai perché esistono questi chip aftermarket. Aumentano la potenza.
C’è un chip nell’ECU di serie che contiene le tabelle di ricerca. I produttori di chip ad alte prestazioni sostituiscono quel chip. Le nuove tabelle contengono valori che spingono più carburante in determinate condizioni. Forse aggiungono più carburante a tutto gas su tutta la gamma di giri. Potrebbero anche cambiare i tempi della scintilla. Queste impostazioni hanno le proprie tabelle.
La differenza fondamentale sono le priorità. I produttori di automobili si preoccupano dell’affidabilità, del chilometraggio e delle emissioni. I produttori di chip non si preoccupano tanto di queste cose. Usano impostazioni aggressive nelle mappe del carburante. Vogliono il potere. Periodo.
Il futuro dell’iniezione diretta
L’iniezione diretta ha cambiato il gioco. Il carburante entra direttamente nella camera di combustione anziché nel collettore di aspirazione. Questa erogazione precisa migliora l’atomizzazione. Ottieni una migliore efficienza di combustione. Più potere. Emissioni più basse.
I veicoli elettrici stanno conquistando quote di mercato. La domanda di motori a combustione interna diminuirà. Lo stesso vale per la domanda di iniettori di carburante. Ma non accadrà dall’oggi al domani. I motori a combustione interna rimarranno in circolazione per anni. Gli ibridi ne hanno bisogno. Le applicazioni di nicchia ne hanno bisogno.
La tecnologia è ancora in evoluzione. Stiamo assistendo a sistemi di iniezione a pressione più elevata. Gli algoritmi di controllo stanno diventando più intelligenti. In arrivo l’integrazione con la propulsione elettrica. Questi passaggi promettono ancora più efficienza e meno inquinamento. Il panorama sta cambiando.
Per ulteriori informazioni sui sistemi di iniezione del carburante, controllare i collegamenti nella pagina successiva.
Domande frequenti sui sistemi di iniezione del carburante
È possibile convertire un carburatore in un sistema a iniezione?
Sì. I kit di conversione aftermarket possono sostituire un carburatore con iniettori.
Quanto costa un sistema di conversione dell’iniezione di carburante?
Alcuni sistemi costano meno di $ 1.000. La maggior parte costa molto di più.
L’iniezione di carburante aumenta la potenza?
Dipende dal motore. Puoi aspettarti un’aggiunta da 10 a 20 cavalli.
Le vecchie auto hanno iniettori di carburante?
La maggior parte delle auto statunitensi prima del 1990 utilizzava carburatori. L’iniezione di carburante esisteva dagli anni ’50. Le auto europee lo utilizzarono ampiamente a partire dal 1980.
Quali sono i diversi tipi di sistemi di iniezione del carburante?
I sistemi moderni rientrano in quattro categorie: iniezione singola, multiporta, sequenziale e diretta.
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