Istituto Antonio Provolo Via Angelo Berardi Verona Docente Maurizo Avesani

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1 Rimappatura centraline Istituto Antonio Provolo Via Angelo Berardi Verona Docente Maurizo Avesani

2 Centralina E' il gruppo preposto al controllo di uno o piu' sistemi o dispositivi (accensione, alimentazione, elementi delle sospensioni, cambio automatico). Di norma si impiegano centraline elettroniche in grado di intervenire in base a una serie di informazioni ad esse fornite da svariati sensori; queste ultime vengono opportunamente "interpretate" ed elaborate secondo, una ben determinata logica e secondo, una serie di "direttive" opportunamente memorizzate ( mappature) Schema del sistema di ignezione-accensione elettronica singlepoint Weber-Marelli: 1) centralina elettronica; 2) sensore pressione assoluta; 3) computer di bordo; 4) connettore autodiagnosi; 5) bobina; 6) distributore di accensione; 7) sensore giri motore e Punto Morto Superiore; 8) potenziometro farfalla; 9) attuatore controllo minimo; 10) sensore di battito. CENTRALINE DI ACCENSIONE I motori a ciclo otto sono detti anche ad "accensione per scintilla" perche' in essi la miscela aria-benzina dopo essere stata portata a considerevole pressione,( pressione è una forza divisa per una superficie, nelle vecchie unita' di misura si indicava in kg/cm 2 o in atmosfere, mentre nelle uniti di misura unificate si indica usualmente in bar ) viene fatta bruciare, con grande rapidita', da una scintilla che scocca tra i due elettrodi della candela. I motori in questione vengono per questo motivo anche detti "ad accensione comandata" per distinguerli dai diesel che sono "ad accensione spontanea" (ossia ad "accensione per compressione"). La scintilla deve scoccare sensibilmente prima che il pistone abbia raggiunto il punto morto superiore (PMS con questo termine si indica ciascuno dei due punti estremi raggiunti dal pistone nel suo movimento rettilineo, e alternato all'interno del cilindro. Quando arriva a un punto morto il pistone si arresta momentaneamente per invertire il suo moto. II punto morto superiore e' quello in corrispondenza del quale il pistone e' piu' lontano dall'albero a gomiti (o, se vogliamo, piu' vicino alla. testata); il punto morto inferiore i 1

3 quello opposto ) di fine fase di compressione. Questo anticipo di accensione, che viene espresso di norma in gradi di rotazione dell'albero a gomiti (rispetto al PMS) o piu' raramente in millimetri di corsa dei pistone, e' necessario perche' la combustione non e' istantanea ma richiede un certo tempo per svolgersi. Nei motori diesel, invece, nel cilindro viene compressa solo aria e, quando comincia l'iniezione, il combustibile mano a mano che vaporizza e si miscela con l'aria inizia a bruciare spontaneamente. Pistone (1) con spinotto (2) e biella (3). ANTICIPO DI ACCENSIONE E' la distanza (espressa in gradi di rotazione dell'albero a gomiti o in millimetri di corsa dei pistone) che separa il punto in cui scocca la scintilla tra gli elettrodi della candela dal punto morto superiore di fine corsa di compressione. L'anticipo di accensione deve aumentare al crescere del regime di rotazione in modo da compensare il minor tempo disponibile per la combustione. Per consentire un adeguamento dell'anticipo si impiegavano nei sistemi di accensione tradizionali dispositivi a masse centrifughe coadiuvati da capsule pneumatiche. Queste ultime permettevano di aumentare l'anticipo alle aperture parziali della valvola dei gas (quando nei cilindri entra una miscela aria-benzina meno densa, nella quale la combustione si propaga piu' lentamente). Nelle moderne accensioni elettroniche si ricorre assai spesso ad anticipi variabili in funzione sia dei regime di rotazione che dei carico motore, controllati da una centralina a microprocessore in cui e' memorizzata una mappa tridimensionale che consente di avere la fasatura di accensione ottimale in qualunque condizione di funzionamento COMBUSTIONE Dal punto di vista chimico si tratta di un rapido processo di ossidazione che avviene con considerevole sviluppo di energia termica. Nei motori a ciclo Otto ha luogo in seguito all'accensione della miscela ariacarburante precedentemente aspirata e quindi compressa nei cilindri. Nei motori diesel ha luogo allorche' l'iniettore introduce il combustibile finemente polverizzato nell'aria ad elevata temperatura presente nella camera verso la fine della fase di compressione (il combustibile vaporizza mano a mano the si miscela con l'aria e inizia a bruciare con grande rapidita'). La fase di combustione si svolge in tempi estremamente brevi ma in maniera progressiva. Inizia svariati gradi (intesi come rotazione dell'albero) prima del PMS e si completa quando gia' il pistone ha iniziato da tempo il suo spostamento verso il PML. Il "picco" di pressione, in genere, viene raggiunto dopo il PMS. Nei motori a ciclo Otto di elevate prestazioni (non sovralimentati) si hanno, valori massimi dell'ordine di 80 bar mentre nei diesel turbo si possono anche superare i 120 : 130 bar. La temperatura massima del ciclo e' dell'ordine di C. Nei motori a ciclo Otto dalla candela parte un fronte di fiamma che attraversa tutta la camera di combustione facendo bruciare, in progressione, la miscela aria-carburante presente nei vari punti della camera stessa. CAMERA DI COMBUSTIONE E' il vano a disposizione dei gas presenti nel cilindro allorche' il pistone si trova al Punto Morto Superiore. Di norma la camera di combustione e' ricavata interamente nella testata; in non pochi motori moderni pero' essa i ricavata parzialmente anche nel cielo del pistone. Non mancano esempi (oggi non molto numerosi per la 2

4 verita') di camere ricavate interamente in una cavita' praticata nel cielo del pistone (camere di combustione Heron). La conformazione del cielo del pistone ha una grande importanza anche per le camere ricavate interamente nella testata in quanto esso costituisce sempre la parete mobile della camera stessa. Quest'ultima per offrire il miglior rendimento deve essere compatta e avere un rapporto superficie/volume il piu' basso possibile. Camere raccolte e di conformazione razionale consentono di adottare rapporti di compressione elevati (assai vantaggiosi dal punto di vista del rendimento termico) senza il rischio che si verifichi una detonazione. Le camere di combustione piu' comunemente impiegate nei motori automobilistici moderni sono quelle a "scatola di sardine", a cuneo (spesso si adottano conformazioni intermedie tra queste due), emisferiche, polisferiche e a tetto. Queste ultime sono utilizzate in pratica universalmente nei motori a quattro valvole per cilindro e sono, unitamente alle emisferiche, quelle che forniscono i rendimenti pia alti. Nel disegno la camera di combustione e' evidenziata in colore rosa (motore Alfa Romeo). COMPRESSIONE E' la fase del ciclo di funzionamento del motore durante la quale la miscela aria-benzina (nei diesel soltanto aria) precedentemente aspirata nel cilindro viene portata a considerevole pressione e ad elevata temperatura per essere poi accesa dalla scintilla che scocca tra gli elettrodi della candela (nei diesel invece la combustione inizia subito dopo, che e' cominciata l'iniezione del gasolio). Al termine di questa fase la pressione della miscela aria-carburante nei motori a ciclo Otto puo' raggiungere valori dell'ordine di bar e la temperatura risulta di circa C. Nei motori diesel al termine della compressione l'aria viene portata a pressioni di bar e a temperature di C. La fase di compressione inizia quando il pistone sale verso il PMS e la valvola di aspirazione si chiude. Durante il suo svolgimento la miscela ariabenzina (o l'aria, nei diesel) inizialmente riceve calore dalle pareti del cilindro ma successivamente i essa stessa a cederlo. La fase teoricamente dovrebbe terminare allorche' il pistone raggiunge il PMS ma in effetti finisce sensibilmente prima dato che la scintilla tra gli elettrodi RAPPORTO DI COMPRESSIONE Valore che indica la relazione tra il volume a disposizione dei gas quando all'interno del cilindro il pistone e' al punto morto inferiore e il volume che i gas possono occupare quando il pistone e' al punto morto superiore. In altre parole si tratta del rapporto esistente tra la cilindrata unitaria (volume generato del pistone nel suo spostamento dal PMS al PMI sommata al volume della camera di combustione e il solo volume di quest'ultima. Al crescere del rapporto di compressione migliora il rendimento termico del motore. Per ciascun 3

5 motore a ciclo Otto pero' esiste un determinato rapporto di compressione limite al disopra del quale non si puo' andare senza che insorga la detonazione. Nei motori diesel questo problema non esiste e quindi si adottano rapporti di compressione molto piu' alti, necessari del resto per portare l'aria a una temperature molto elevata e ottenere quindi una rapida vaporizzazione e una agevole combustione del gasolio. DETONAZIONE Viene cosi' chiamata la combustione di tipo esplosivo di parte della miscela aria-carburante che ha luogo prima che essa sia raggiunta dal fronte della fiamma. In seguito alla detonazione si crea una serie di onde di pressione che attraversano la camera di combustione andando a urtare con violenza contro le pareti metalliche. La detonazione avviene quando all'interno delta camera si superano determinati valori critici di temperatura e di pressione (che possono variare anche considerevolmente da motore a motore). Essa quindi si verifica tipicamente quando il pedale dell'acceleratore i premuto in misura considerevole. Quando ha luogo ai regimi medio-bassi spesso causa una tipica. rumorosita' metallica, chiaramente avvertibile, conosciuta come "battito in testa". La detonazione e' un fenomeno che se di entita' rilevante puo' avere effetti disastrosi per l'integrita' di organi meccanici come il pistone (sfondamento del cielo). La detonazione si verifica di norma quando l'anticipo di accensione e' eccessivo, quando si impiega un carburante con numero di ottano troppo basso (il potere antidetonante di un carburante viene appunto indicato dal suo numero di ottano) o, nei motori sovralimentati, quando la pressione di sovralimentazione e' troppo alta. Nei motori da corsa (o in quelli elaborati) si verifica quando il rapporto di compressione adattato e' troppo alto (nei motori di serie non ci sono rischi di questo genere, ovviamente). RENDIMENTO MECCANICO Viene definito come il rapporto tra la potenza disponibile e prelevabile dell albero a gomiti (Albero motore) e quella disponibile all interno del cilindro. Teniamo in considerazione che l energia meccanica che si sviluppa internamente ai cilindri non può essere completamente trasferita agli organi di trasmissione primaria e secondaria, a causa degli attriti generati da tutte le componenti e gli organi in movimento di un motore, queste perdite per attrito, purtroppo crescono in misura sempre più grande man mano che il motore aumenta il suo regime di rotazione ed è molto importante e difficile nello stesso tempo ridurle specialmente nei motori ad elevate prestazioni, con elevati regimi di rotazione. Descrivo brevemente la tipologia delle perdite in un motore, a cui esse sono dovute: Perdite di pompaggio, che si generano durante le fasi di aspirazione e di scarico, queste perdite sono principalmente dovute al gruppo pistone-segmenti; Perdite dovute ad i cuscinetti di biella e di banco. Perdite dovute all azionamento di tutto il gruppo distribuzione, del cambio e della trasmissione primaria e secondaria. Perdite dovute a pompa acqua, pompa olio, generatore di corrente. Perdite dovute allo sbattimento dell olio. In particolare in un motore si analizzano le perdite di pompaggio perché queste tendono ad aumentare al crescere del regime di rotazione del motore, infatti possono anche raggiungere coefficienti molto elevati, contribuendo negativamente sulle prestazioni di un motore specialmente in quelli ad alte prestazioni. Per ovviare e ridurre questo inconveniente, vengono effettuati accurati e precisi studi per il dimensionamento dei condotti di aspirazione e di scarico, ottimizzando i flussi e le risonanze generati in queste fasi, a tutto vantaggio delle capacità respiratorie di un motore. In pratica, si evince che la perdita di un certo valore di potenza è inevitabile, dovuta dagli attriti di tutti i componenti e gli organi di un motore, che assorbono una determinata quantità di energia, e questo spiega perché la potenza disponibile all albero motore non sarà mai uguale alla potenza disponibile alla ruota. A questo possiamo aggiungere che la tecnologia moderna ha contribuito in maniera determinante, migliorando notevolmente le prestazioni di un motore, grazie anche agli 4

6 studi fatti sui lubrificanti. RENDIMENTO TERMICO Il rapporto tra il calore trasformato in energia meccanica ed il calore sviluppato dalla combustione, infatti migliore sarà il rendimento termico di un motore, tanto maggiore sarà la sua efficienza, riuscendo ad sfruttare al meglio l energia disponibile I fattori da cui dipende il rendimento termico di un motore sono: Il disegno della camera di scoppio. La dosatura della miscela (carburazione). La fase di anticipo accensione. Lo studio dei motori è rivolto sempre più in maniera scrupolosa all ottenere dei motori con il rendimento termico più elevato possibile, approfondendo e concentrando tali studi sui fattori da cui esso dipende, in particolare: 1. lo studio sui disegni delle camere di combustione (da cui dipende la rapidità con la quale si svolge la combustione) 2. un rapporto di compressione alto, perché da tale fattore dipende il miglioramento di un motore. Purtroppo nei motori a benzina esiste l inconveniente di non poter adottare alti rapporti di compressione a causa della detonazione, fenomeno che insorge appunto con valori di rapporto di compressione elevati. Da quanto detto si deduce che migliorare il rendimento di un motore, vuol dire aumentare la potenza erogata a parità di consumo, o fare diminuire il consumo a parità di potenza erogata. RENDIMENTO VOLUMETRICO E costituito dalla quantità di miscela (aria benzina) aspirata ad ogni ciclo, e quella corrispondente al volume generato dal pistone (Cilindrata) durante la corsa dal PMS al PMI, e da questo rapporto ne dipendono l efficienza di un motore e la sua capacità di respirazione, a cui è legata la potenza che il motore e in grado di erogare. Anche il valore del rendimento volumetrico è soggetto a peggioramento al variare del regime di rotazione del motore, in quanto entrano in gioco dei fattori molto importanti, tra cui il ridottissimo tempo a disposizione durante la fase di aspirazione oltre che alle perdite di carico generate dagli attriti dei gas con le pareti dei condotti. Per ottenere dei buoni rendimenti volumetrici, specialmente nei motori con elevati regimi di rotazione, si interviene tramite la fasatura della distribuzione, giostrando sull anticipo e sul tempo di apertura (Ritardo di chiusura) delle valvole, impiegando anche l utilizzo di quattro o cinque valvole per cilindro, oltre che alle grandi dimensioni dei condotti, evitando che i gas raggiungano elevate velocità. DETONAZIONE Viene cosi' chiamata la combustione di tipo esplosivo di parte della miscela aria-carburante che ha luogo prima che essa sia raggiunta dal fronte della fiamma. In seguito alla detonazione si crea una serie di onde di pressione che attraversano la camera di combustione andando a urtare con violenza contro le pareti metalliche. La detonazione avviene quando all'interno delta camera si superano determinati valori critici di temperatura e di pressione (che possono variare anche considerevolmente da motore a motore). Essa quindi si verifica tipicamente quando il pedale dell'acceleratore i premuto in misura considerevole. Quando ha luogo ai regimi medio-bassi spesso causa una tipica. rumorosita' metallica, chiaramente avvertibile, conosciuta come "battito in testa". La detonazione e' un fenomeno che se di entita' rilevante puo' avere effetti disastrosi per l'integrita' di organi meccanici come il pistone (sfondamento del cielo). La detonazione si verifica di norma quando l'anticipo di accensione e' eccessivo, quando si impiega un carburante con numero di ottano troppo basso (il potere antidetonante di un carburante viene appunto indicato dal suo numero di ottano) o, nei motori sovralimentati, quando la pressione di 5

7 sovralimentazione e' troppo alta. Nei motori da corsa (o in quelli elaborati) si verifica quando il rapporto di compressione DIAGRAMMA DELLA DISTRIBUZIONE E possibile ottenere incrementi di potenza in un motore che ne variano la curva di erogazione attraverso la Fasatura della distribuzione che viene indicata in gradi di rotazione dell albero motore in riferimento ad i punti morti (PMI e PMS) e indicata anche attraverso i Diagrammi di distribuzione, infatti questi diagrammi permetteranno questi incrementi di potenza a seconda dei diversi ritardi ed anticipi di apertura delle valvole. Accenno in breve cosa succede per quanto sopra detto, gli alberi camme hanno la funzione di comandare l apertura e la chiusura delle valvole, per trovarsi ben aperte ed avere così una sezione di passaggio del condotto massima, e perciò è necessario che comincino ad aprirsi con un certo anticipo ed inizino ha chiudersi con un certo ritardo rispetto sempre ad i punti morti. In pratica avviene che la valvola di aspirazione inizierà ad aprirsi prima che il pistone abbia iniziato la corsa di aspirazione e quindi prima che il pistone abbia raggiunto il PMS, concludendo la sua chiusura dopo che il pistone abbia raggiunto il PMI. Per quanto riguarda l analisi del ciclo della valvola di scarico, è analogo al precedente e cioè inizierà ad aprirsi prima che il pistone abbia effettuato la fase di espansione e raggiunto il PMI, terminando la sua chiusura quando il pistone a già raggiunto il PMS e iniziato la corsa di aspirazione. Durante questo ciclo si verifica un periodo in cui le valvole di aspirazione e di scarico rimangono per qualche istante contemporaneamente aperte, e questa fase è denominata Fase di Incrocio. La fase di incrocio è una fase molto importante, in quanto in questo brevissimo istante viene favorita la completa espulsione dei gas combusti dalle camere di scoppio, in quanto lasciare aperte le valvole contemporaneamente permette di sfruttare l inerzia dei flussi dei gas combusti espulsi, che faciliteranno l immissione dei gas freschi aspirati, inoltre l inerzia del flusso che si genera nei condotti dei gas freschi in aspirazione spingerà completamente anche i residui dei gas combusti, liberando completamente le camere di scoppio dai residui di combustione, ottenendo il completo riempimento con gas freschi. Dal diagramma della distribuzione, viene definito il profilo degli eccentrici degli alberi a camme che ne influenzano le prestazioni di un motore, quindi da un albero a camme con diagramma più spinto otteniamo prestazioni più elevate, grazie al diverso profilo degli eccentrici (camme) che permettono di anticipare l'inizio dell'apertura ed il ritardo in chiusura rispetto ad i punti morti, sfruttando le inerzia delle colonne gassose migliorandone le turbolenze a favore di un migliore riempimento delle camere di scoppio e da ciò ottenere una potenza più elevata, deducendo anche di aver ottimizzato le capacità respiratorie del motore. Ad ogni diversa fasatura della distribuzione corrisponderà un campo del regime di giri in cui il riempimento delle camere di scoppio risulterà migliore, pertanto se le velocità di rotazione risulteranno superiori al regime ottimale, gli anticipi di apertura ed i ritardi di chiusura saranno insufficienti ad ottenere un migliore rendimento volumetrico in quanto non otterremo il migliore riempimento delle camere di scoppio. Considerando anche la situazione a regimi di rotazione più bassi, gli anticipi di apertura ed i ritardi in chiusura risulteranno eccessivi e anche per questo avremo un impedimento del miglior rendimento del motore in quanto una parte dei gas freschi che sono già entrati nelle camere di combustione sarà respinta indietro dai condotti di aspirazione dalla risalita del pistone dal PMI ovviamente per l'insufficiente inerzia della colonna gassosa. Da ciò dedurremo che a seconda dei diagrammi più o meno spinti, avremo erogazione di potenza diversa, di fatto nei motori sportivi o in caso di elaborazione vengono adottati diagrammi di distribuzione molto spinti, a cui corrispondono valori di potenza erogata elevati grazie al miglior riempimento delle camere di combustione ad regimi di rotazione elevati, ma con una diminuzione della spinta ad i regimi medio-bassi in quanto il motore avrà una minore elasticità, ed analogamente il contrario avviene per le motorizzazioni di tipo turistico. VARIATORE DI FASE 6

8 Consente, nei motori con distribuzione a fasatura variabile, di modificare il posizionamento angolare di un albero a camme rispetto alla ruota dentata di comando (oppure il posizionamento rispetto all'altro albero a camme) in modo da cambiare il diagramma della distribuzione stessa. In alcuni casi si impiegano invece dispositivi che agiscono sui bilancieri o che fanno scorrere assialmente un albero a camme con eccentrici a geometria complessa Il variatore di fase che caratterizza i motori 1.8 e 2.0 Twin Spark dell'alfa Romeo 155: l'attuatore (sotto, nei disegni, i particolari) consente all'albero a camme di assumere due differenti posizioni angolari, grazie a una elettrovalvola (disegno di sopra, in colore bronzo) di comando. FASATURA VARIABILE Una delle piu' interessanti proposte tecniche di recente apparse anche su automobili di serie e' costituita dalle distribuzioni a fasatura variabile, che consentono di modificare il diagramma di distribuzione ovverosia gli anticipi di apertura e i ritardi di chiusura delle valvole, durante il funzionamento del motore. In questo modo e' possibile ottenere, unitamente a una potenza specifica elevata, anche un campo di utilizzazione motto ampio con vigoroso tiro ai medi e ai bassi regimi (perche' si puo' venire a disporre della fasatura piu' vantaggiosa nelle differenti situazioni). Facendo ricorso ai sistemi di fasatura variabile e' anche possibile ottenere sensibili miglioramenti per quanto riguarda l'emissione di sostanze nocive allo scarico. CURVE CARATTERISTICHE Sono quelle che indicano la potenza, la coppia e il consumo specifico di un motore in funzione della velocita' di rotazione. Vengono ottenute al banco prova facendo funzionare il motore con la valvola del gas completamente spalancata, ovverosia con l'acceleratore premuto a fondo (la velocita' di rotazione viene variata agendo sul freno del banco), L'esame delle curve consente di ottenere interessanti informazioni in 7

9 merito al. carattere del motore. La curva di coppia sale fino a raggiungere un certo valore massimo ad un determinato regime di rotazione, superato il quale scende progressivamente. La potenza prodotta dal motore pero' continua ad aumentare perche' il prodotto tra la coppia motrice e il regime di rotazione (che determina appunto la potenza) cresce. Quando si supera il regime di potenza massima tale prodotto inizia a diminuire e la potenza decresce. LA COPPIA E LA POTENZA La potenza si esprime in CV oppure in kw, mentre la coppia è calcolata in Nm o in kgm. Usualmente, le schede tecniche delle automobili riportano la potenza in CV e la coppia in Nm. Si può comunque agevolmente passare da una unità di misura all altra: un kw corrisponde a 1,36 CV, mentre un kgm equivale a 9,81 Nm. La coppia è la mamma della potenza, cerchiamo di capirne il significato aiutandoci con un paragone ciclistico. Prendiamo in considerazione, appunto, una bicicletta: per avanzare è necessario che il ciclista eserciti attraverso le gambe un forza (muscolare) sulle pedivelle. Analogamente, in un motore, la spinta esercitata dai gas di combustione sul pistone si scarica attraverso la biella (la gamba del ciclista) sulla manovella dell albero motore (la pedivella) e lo mette in rotazione. Ebbene, la coppia non è altro che la capacità dei gas di combustione presenti nel cilindro di far ruotare l albero motore, ovvero di produrre una spinta (che in questo caso servirà a muovere l auto). Tanto più la coppia sarà elevata, tanto più facilmente e rapidamente il motore sarà messo in rotazione, con tutti i suoi organi collegati, con evidenti benefici effetti sulla qualità e sulla piacevolezza della guida.ci siamo certamente resi conto che andando in bicicletta non applichiamo sempre la stessa forza sui pedali, anzi essa sarà massima con la pedivella orizzontale e nulla con la pedivella verticale. La stessa cosa si verifica nel manovellismo pistone-biella-albero motore, per cui la coppia varia continuamente durante un ciclo di funzionamento: il valore che si prende in considerazione è quello medio. Ma come si misura la coppia? Il motore viene posizionato su un banco-prova e fatto funzionare con l acceleratore rigorosamente tutto premuto; modulando un apposito freno applicato all albero motore, è possibile variarne la velocità di rotazione, e misurando i valori di coppia per un certo numero di giri-motore, si ottiene la ben nota curva di coppia. Essa ha un andamento prima crescente con il numero di giri, poi un tratto quasi costante all interno del quale raggiunge il valore massimo, ed infine un tratto decrescente: il valore di coppia riportato nelle schede tecniche dei motori, corrisponde al picco della curva ed è generalmente situato circa a metà del campo di utilizzo di un motore. L importanza di questa curva, come vedremo, risiede nel fatto che essa determina il carattere di un motore. Abbiamo detto all inizio che la coppia è la mamma della potenza, perché? Perché quest ultima si ottiene, semplicemente, moltiplicando punto per punto il valore della coppia misurato al banco per il suo corrispondente regime di rotazione. Cimentandoci con la matematica, basta moltiplicare la coppia espressa in Nm con la velocità di rotazione espressa in giri/minuto e poi dividere il tutto per 9550, per ottenere la potenza del motore (espressa in kw) a quel determinato regime. Dal punto di vista fisico, quindi, la potenza è una misura della quantità di lavoro prodotta nell unità di tempo: per come è definita, è una grandezza strettamente dipendente dalla presenza di uno spostamento (o di una rotazione, come nel caso dei motori). Per comprendere meglio questi concetti, torniamo al paragone ciclistico e supponiamo di dover affrontare prima una salita e poi un tratto in pianura: a parità di forza impressa sui pedali (che, come visto, genera coppia), in salita ci muoveremo lentamente perché dobbiamo vincere, oltre agli attriti, anche la forza di gravità che tende a trascinarci all indietro, mentre in pianura la nostra spinta non dovrà preoccuparsi della forza di gravità. E evidente che nella seconda situazione riusciremo a pedalare più speditamente pur applicando la stessa forza, producendo, in definitiva, più lavoro nello stesso lasso di tempo e quindi più potenza. Un altro esempio: supponiamo che la nostra bicicletta sia legata con una robusta catena ad un palo, per quanta forza noi possiamo imprimere sui pedali, generando certamente una coppia motrice, resteremo fermi, non produrremo alcun lavoro né erogheremo una potenza. E ancora una volta evidente come si possa parlare di potenza solo se è presente uno spostamento. La curva di potenza ha una caratteristica forma ad uncino : essa risulta sempre crescente poiché, anche se 8

10 da un certo punto in poi la coppia cominciare a diminuire, il suo prodotto per il regime di rotazione del motore continua a crescere, fino al regime di potenza massima (che non è lo stesso della coppia massima, ma è spostato un po più avanti ed è quello indicato nelle schede tecniche); oltre questo punto, il calo della coppia non è più compensato dall incremento del regime di rotazione, e la curva presenta un breve tratto discendente in cui c è una diminuzione della potenza erogata. Impariamo ora a leggere ed interpretare le curve di coppia e potenza, aiutandoci con delle figure. Una coppia ben distribuita e costante lungo un ampio arco di utilizzo, con un valore relativamente elevato già disponibile sin dai regimi più bassi (detta anche piatta, vedi le Figg. A e C), a prescindere dal suo valore massimo, indicherà un motore capace di fornire una spinta omogenea e senza brusche variazioni in una ampia fascia di funzionamento: sono questi i motori molto elastici, tipicamente Diesel e i benzina sovralimentati, che garantiscono una buona dose di potenza già a bassi regimi. Figura A - Curve di coppia e potenza di un motore turbodiesel Figura C - Curve di coppia e potenza di un motore benzina sovralimentato Se, invece, il massimo della coppia si trova nella fascia alta di regimi e la curva ha una forma appuntita (Fig. B), saremo di fronte ad un motore capace di erogare sì una buona potenza, ma concentrata nelle zone alte del contagiri e pertanto un po pigro in basso: è il caso, ad esempio, dei motori a benzina aspirati e un po tirati. Quindi, il solo valore di potenza massima non dice tutto sulle possibilità e sul carattere di un motore: se confrontiamo le curve delle Figg. A e B, possiamo notare che a fronte di una potenza massima praticamente uguale (circa 100 kw), abbiamo dei valori di coppia massima molto diversi (300 e 185 Nm, rispettivamente), oltretutto erogati, nel primo caso, a partire da un regime di rotazione nettamente inferiore 9

11 Figura A - Curve di coppia e potenza di un motore turbodiesel Figura B- curve di coppia e potenza di un motore benzina aspirato Succede così che propulsori capaci di erogare potenza elevate siano surclassati in fase di ripresa da altri, meno potenti in valore assoluto ma più dotati di coppia in basso; al contrario, nelle prove di accelerazione, in cui il motore è fatto lavorare a regimi molto alti, diventa dominante il valore di potenza massima. Ma non trascuriamo, però, l influenza esercitata da fattori esterni al motore, primi fra tutti la massa del veicolo e la rapportatura del cambio, sulle prestazioni e il piacere di guida ottenibili da un automobile. 10

12 La sovralimentazione Un motore aspirato lavora con la pressione di una atmosfera (che è appunto quella atmosferica e che corrisponde a circa 1 bar), mentre con la sovralimentazione si possono ottenere pressioni superiori. Il valore che viene indicato per stabilire l'entità della modifica è la "sovrapressione" di alimentazione. Quest'ultima va ad aggiungersi a quella già esistente e, nel caso di una sovrapressione di 1 bar, vuol dire che il propulsore opera con una pressione assoluta di circa 2 bar (che corrisponde all'incirca al doppio di un aspirato di identica cilindrata). Introdurre più aria significa anche immettere più ossigeno, e quindi si può bruciare più benzina. La potenza e la coppia di un motore dipendono essenzialmente dalla massa di aria introdotta nel cilindro durante l aspirazione. Tale quantitativo è indicato come rendimento volumetrico o grado di riempimento. Il rendimento volumetrico indica il rapporto fra il quantitativo di aria effettivamente introdotta nel cilindro e il quantitativo teorico ( riferito alla cilindrata ) durante il ciclo di lavoro Il rendimento volumetrico può essere aumentato mediante l utilizzo di sistemi di sovralimentazione. Tali sistemi incrementano notevolmente il riempimento dei cilindri permettendo di conseguenza la combustione di una maggiore quantità di carburante. I vantaggi rispetto a motori non sovralimentati sono: Miglior rendimento effettivo Riduzione del consumo specifico di carburante Riduzione delle emissioni nocive Aumento della potenza del motore e della coppia I sistemi di sovralimentazione si distinguono in: sovralimentazione dinamica, ottenuta tramite la particolare progettazione dei collettori d'aspirazione, capaci di sfruttare al meglio l'inerzia della colonna d'aria nei condotti; sovralimentazione meccanica, ottenuta attraverso la compressione dell'aria all'interno del collettore d'aspirazione; sovralimentazione chimica ottenuta attraverso la miscela dell'aria d'aspirazione con opportune sostanze chimiche. Sovralimentazione forzata Durante la fase di aspirazione un compressore invia nei cilindri la maggiore quantità pos- sibile di aria fresca. Inoltre la miscela carburante-aria, o solo aria nei motori diesel, è precompressa all esterno del cilindro. Ci sono: Compressori senza azionamento meccanico, esempio il turbo compressore a gas di scarico, Compressori ad azionamento meccanico, per esempio compressore roots Compressori con scambio di pressione, per esempio il comprex 11

13 Il turbocompressore I piccoli o piccolissimi turbocompressori per impiego automobilistico sono apparsi negli anni '60, per iniziativa di alcuni costruttori di componenti (Garrett, KKK, Hitachi), che si sono cimentati nella loro costruzione, intuendo le potenzialità da essi rappresentate. Gli studi e le ricerche di nuove soluzioni costruttive, sia in termini di progetto che di materiali, sono poi continuate senza interruzione e proseguono ancora oggi, dopo aver raggiunto la massima intensità ed i più sorprendenti risultati negli anni '80, con la larga adozione dei turbocompressori nelle competizioni automobilistiche. l turbo compressore è composto da un corpo centrale di sostegno, da un alberino e due chiocciole: una in cui confluiranno i gas di scarico, l'altra in cui passerà l'aria. Nella chiocciola lato scarico è contenuta una girante che azionata dai gas di scarico (turbina), trasmette il suo movimento tramite un alberino (rotore) alla girante racchiusa nella chiocciola opposta, che comprimerà l'aria risucchiata funzionando così da compressore. Soltanto da regimi medi alti si ottiene un rilevante effetto di sovralimentazione. In più questi compressori reagiscono con un leggero ritardo ai rapidi cambiamenti della posizione dell acceleratore. A causa della loro inerzia, infatti, i gas di scarico non possono seguire i rapidi cambiamenti di carico. I compressori lavorano pressoché senza perdite, poiché non necessitano di nessun trascinamento da parte del motore. Schema di un motore con un turbocompressore a gas di scarico I gas di scarico del motore mettono in moto la girante della turbina, la quale a sua volta aziona, tramite l albero, la girante del compressore. Il compressore aspira l aria fresca e la fornisce al motore in sovrapressione.grazie alla precompressione, l aria di alimentazione si riscalda, raggiungendo temperature all ordine di 180 C. Questa alta temperatura annulla in parte l'effetto della compressione perché i gas caldi sono più rarefatti, inoltre l alta temperatura. può innescare fenomeni di detonazione e preaccensione nel motore. Quindi per evitare questo, si ricorre, appunto, all'intercooler che non altro che uno scambiatore di calore aria-aria, è in 12

14 pratica come il normale radiatore dell'auto, ma invece di avere al suo interno acqua, ha l'aria appena compressa. L utilizzo di un intercooler presenta i seguenti vantaggi: Una riduzione della temperatura nei cilindri sottoposti a dure condizioni di carico, che riduce lo stress termico, e prolunga la vita dei componenti meccanici Con l aumento della densità di carica si può riempire ogni cilindro,durante ciascuna fase di aspirazione, con maggiore efficienza, aumentando di conseguenza la potenza del motore. La riduzione della temperatura riduce la formazione degli ossidi d azoto (NOx) durante la fase di combustione. Nei motori diesel, si ottiene una riduzione della fumosità allo scarico; Test hanno dimostrato che un buon intercooling aumenta la potenza del motore del 3%, ogni 10 C di riduzione della temperatura.la pressione di sovralimentazione non deve superare i valori stabiliti dal costruttore, onde evitare rotture meccaniche del motore (0,9-1 bar). Regolazione della pressione di sovralimentazione Oltre a tener conto del pericolo di distruzione del motore a causa di pressioni di sovralimentazioni troppo elevate, le dimensioni del turbocompressore sono determinate in maniera tale da ottenere un effetto di sovralimentazione anche a regimi medi, nonostante la ridotta inerzia dei gas di scarico. Di conseguenza, in condizioni di regimi elevati e quindi di grande quantità di gas di scarico, la pressione del turbo compressore potrebbero superare determinati valori limite e, inoltre la girante della turbina raggiungerebbe regimi di rotazione troppo elevati. Per tale motivo è necessario regolare la pressione di sovralimentazione. Si distingue: La regolazione pneumo-meccanica della pressione di sovralimentazione La regolazione elettronica della pressione di sovralimentazione La regolazione della pressione di sovralimentazione con palette statoriche orientabili (geometria variabile) 13

15 Regolazione pneumo-meccanica della pressione di sovralimentazione Una membrana collegata alla valvola regolatrice della pressione di sovralimentazione è prevaricata mediante una molla elicoidale e alimentata, dal lato opposto, con la pressione di sovralimentazione. Non appena la pressione supera la forza della molla, la valvola si apre. I gas di scaricano by-passano la turbina e vanno verso il tubo di scarico. Il controllo del passaggio dei gas di scarico è svolto da una valvola detta di Wastegate. Regolazione elettronica della pressione di alimentazione Un dispositivo di regolazione della pressione elabora il valore ottimale della pressione in funzione della posizione della valvola a farfalla e della tendenza al battito in testa. Servono da grandezze di correzione, la temperatura dell aria aspirata, la temperatura del motore e il regime di rotazione.un sensore di pressione rileva la pressione di sovralimentazione e il dispositivo di regolazione aziona un elettrovalvola sequenziale. L'overboost E un dispositivo che consente, in alcune vetture munite di turbocompressore, di innalzare momentaneamente la pressione di sovralimentazione al disopra del valore massimo impiegato nel funzionamento continuativo. Si viene così a disporre, quando si preme velocemente, e a fondo il pedale acceleratore (kick-down), di una vera a propria "superpotenza", anche se per periodi di breve durata (in genere la durata del funzionamento con overboost è controllata da una centralina elettronica), che può essere di grande utilità ad esempio nei sorpassi e in altre situazioni. Per ottenere questa pressione di sovralimentazione piu' elevata, vi e' un attuatore, collegato alla centralina, che agisce sulla wastegate. Regolazione della pressione di sovralimentazione con turbina a geometria variabile Un problema del turbo è dato dalla velocità di rotazione della turbina che varia in funzione dei giri del motore, perché con i giri varia la portata dei gas di scarico prodotti. Se il motore gira piano, produce pochi gas e la turbina non riesce più a prendere energia, sia perché appunto l'energia disponibile è poca sia perché la turbina lavora in condizioni estremamente lontane da quelle ottimali cioè con un rendimento bassissimo. Il fatto è che, l'effetto positivo del turbo inizia a funzionare solo ad un determinato numero di giri, Circa 3000 giri, mentre al disotto di questo il turbo è addirittura un freno. Così si ha che all'inizio, in fase di accelerazione il motore stenta a salire di giri e quando il turbo "entra", sembra che il motore raddoppi improvvisamente di potenza, dando per un' istante una fortissima accelerazione. Nelle moto poi questo problema è ancor più sensibile, così che i modelli di moto turbocompresse, da quando esistono le moto, praticamente si contano sulle punta delle dita. Per migliorare queste problematiche, sono state inventate le turbine a geometria variabile, nelle quali le alette all'ingresso della turbina cambiano d 'incidenza, cioè ruotano su se stesse, in modo che a bassi giri, i gas abbiano un angolo d'entrata che migliori il funzionamento dalla turbina, cioè il suo rendimento e quindi di tutto il turbo-compressore Per sfruttare a pieno le geometrie variabili e per compensare i problemi residui, oggi si ricorre ad un massiccio uso della elettronica che fa in automatico quello che farebbe un bravo pilota, permettendo a chiunque di guidare un turbo anche di notevole potenza senza grossi problemi, però peggiorandone, di fatto, l'efficacia, e spesso annullando il fascino di questa soluzione tecnica. 14

16 La centralina controllo motore La centralina di gestione del motore è responsabile dell'intera gestione del motore e controlla, comanda e regola tutte le principali funzioni del motore, prendendo in considerazione il rispettivo stato di carico relativamente ad ogni parametro d'ambiente come ad es. la temperatura esterna e la densità atmosferica o la temperatura di motore, refrigerante ed olio, etc. Ciò è possibile grazie all'acquisizione dei dati di funzionamento e spostamento con l'ausilio di elementi sensibili e sensori i quali rilevano con estrema precisione pressioni, temperature, numeri di giri, velocità e masse d'aria. La centralina di gestione del motore rielabora così la banca dati, memorizzata in uno speciale chip, eprom, insieme con i diagrammi caratteristici e linee caratteristiche tutti preimpostati per iniezione, accensione, pressione di alimentazione e lambda. In tal modo vengono ad esempio calcolati di continuo e indipendentemente dallo stato di carico e dai parametri d'ambiente il punto d'accensione ottimale ed il carburante necessario in relazione alla fasatura d'iniezione corretta ed alla rispettiva pressione d'alimentazione. 2. Compiti della centralina di gestione del motore A) Comando dell'accensione Per poter sfruttare al meglio il carburante risparmiando energia, è necessario poter calcolare in qualsiasi momento il punto di accensione giusto - nei motori diesel la fasatura d'iniezione ideale in rapporto al numero di giri, al carico, alla temperatura ed ad altri parametri di controllo. B) Controllo dell'angolo di chiusura A seconda del numero di giri cambia l'intervallo di tempo fra i segnali di comando del sistema d'accensione. Per ottenere un'energia di accensione costante è tuttavia necessaria un'apposita corrente primaria per la quale è a sua volta indispensabile un determinato tempo di chiusura che non viene sempre raggiunto nel caso di un elevato numero di giri. Ne consegue che possono verificarsi delle mancate accensioni ad alti numeri di giri. C) Regolazione del battito in testa Nei motori moderni a basso consumo l'obiettivo è quello di realizzare un rapporto di compressione elevato per poter conseguentemente ottenere una coppia elevata e quindi un consumo specifico basso. Aumentando la compressione aumenta tuttavia il pericolo dell'autoaccensione incontrollata che provoca una combustione 'a battiti'. Tramite i segnali del sensore delle oscillazioni situato sul blocco motore, la centralina di gestione del motore comanda un'accensione leggermente ritardata. D) Iniezione del carburante Indipendentemente dai segnali dei sensori per massa d'aria, numero di giri, carico, ed altri fattori di correzione, l'elettronica calcola il tempo d'iniezione necessario e la quantità d'iniezione per soddisfare esigenze quali: il calo dei consumi, la riduzione delle emissioni nocive contenute nei gas di scarico e l'incremento delle prestazioni specifiche del motore. E) Regolazione Lambda La miscela aria-carburante viene regolata per mezzo del microcontrollore in rapporto alla composizione dei gas di scarico (misurata tramite la sonda lambda) su un valore ideale (lambda=1), in modo da conseguire un elevato rendimento del catalizzatore e di conseguenza un basso contenuto di sostanze nocive. La sonda lambda misura quindi prima del catalizzatore la concentrazione di ossigeno residua nei gas di scarico. Questi valori di misurazione vengono trasmessi ininterrottamente alla centralina di gestione del motore la quale include poi suddetti dati di misurazione nei calcoli in corso. F) Regolazione minimo di giri - alimentazione 15

17 Le differenti temperature del motore con i connessi coefficenti di aderenza, nonché le corse di aspirazione non perfettamente pulite e molti altri fattori determinano un numero di giri al minimo differente ad uguale sezione-bypass. Regolando il numero di giri al minimo, l'alimentazione viene modificata in modo tale che il numero di giri acquisito tramite il sensore del numero di giri (sensore Hall) rimanga su un valore costante predefinito. Allo stesso modo vengono calcolati anche i parametri per l'avviamento a caldo - a freddo. G) Regolazione della pressione di alimentazione Negli autoveicoli dotati di turbocompressore con l'ausilio della centralina vengono altresì calcolati l'altezza della pressione di carico ed il volume di carico necessari, i quali vengono poi regolati sul valore nominale per mezzo di appositi sensori. H) Riciclo dei gas combusti Per migliorare la qualità dei gas di scarico, all'aria pulita aspirata, i gas di scarico vengono addizionati in quantità misurata. I) Servizio e funzioni di sicurezza - Controllo della plausibilità dei valori impostati al fine di evitare malfunzionamento. - Controllo severo dei sistemi "Drive by wire" installati ormai in tutti i veicoli moderni come Ega. - Riconoscimento dei difetti nei sensori ed attuatori con memorizzazione nel sistema diagnostico. Sensori Il sensore di "giri e PMS" (Punto Morto Superiore) ha il compito di rilevare la velocità di rotazione (rpm) del motore e il PMS di due dei quattro cilindri (nella classica configurazione dell albero motore i quattro pistoni si muovono a due a due, quando due, il 1 e il 4, sono al PMS gli altri due, il 2 e il 3, sono al PMI, Punto Morto Inferiore, dei primi due uno è in fase di compressione e l altro è in fase di scarico). Nella maggior parte delle applicazioni questo sensore è di tipo induttivo. La lettura del segnale dei giri è effettuata con un sensore magnetico su ruota fonica 60 denti meno due (58 tacche ). Posizionato sull albero motore o su una puleggia 16

18 ad esso collegata.quando l albero motore gira si verifica una variazione della distanza tra il nucleo esterno del sensore e i denti La variazione di campo magnetico, provocato dai denti del volano calettato sull albero motore, genera ai due terminali dell avvolgimento interno al sensore una tensione sinusoidale la cui frequenza permette alla centralina di determinare la velocità di rotazione. È inoltre presente un riferimento (due denti mancanti sul volano) che informa la centralina riguardo alla posizione del PMS. Per conoscere quale dei due pistoni al PMS è quello in compressione la centralina necessita dell informazione del "sensore di fase", posto su un albero a camme. Questo sensore, solitamente ad effetto Hall, è costituito da una sottile piastrina di silicio che assicura la conduzione quando è sottoposta a un campo magnetico. Se infatti si sottopone la piastrina perpendicolarmente a un campo magnetico, le cariche all interno della stessa sono deviate verso questo campo, e si misura una differenza di potenziale chiamata tensione Hall tra due dei tre terminali elettrici collegati in centralina. A riposo, la piastrina non è sottoposta a un campo magnetico, non esiste quindi una ddp tra i terminali, il dispositivo è bloccato. La rotazione dell albero a camme copre e scopre, alternativamente una calamita che crea il segnale (potenziale). Quando la centralina rileva la ddp del sensore sa che il 1 cilindro è in compressione e l altro in scarico. Con queste informazioni (giri, PMS e fase) la centralina è in grado di sapere quale candela e quale iniettore comandare (quale è il cilindro in fase di combustione) 17

19 Altro sensore fondamentale è quello che rileva il carico a cui è sottoposto il motore. Per questa funzione ci sono due differenti sensori che possono essere utilizzati indifferentemente: il "sensore di pressione assoluta" e il "misuratore massa aria". Il primo, grazie ad un materiale piezoresistente (la cui resistenza elettrica varia con la pressione) misura la pressione all interno del collettore di aspirazione e da qui la centralina si calcola la massa di aria aspirata dal motore (che rappresenta il carico). Il secondo misura direttamente la massa d aria, Il misuratore della massa d aria aspirata è posizionato nel condotto di aspirazione tra il filtro dell aria e il collettore di aspirazione. Si tratta di un sensore di flusso a film caldo a lettura diretta. Il sensore contiene due sonde:una sonda fredda che misura la temperatura dell aria ambiente e una sonda calda alimentata da un circuito elettronico che la mantiene a una temperatura di 120 superiore a quella ambiente. Mentre il flusso d aria entrante tende a raffreddare e quindi diminuire la resistenza della sonda calda, il circuito di controllo elettronico, per reazione, la incrementa aumentando la corrente passante. Le variazioni di corrente generate dal circuito di controllo sono proporzionali al flusso d aria che attraversa il condotto del flussometro e quindi inviate sotto forma di segnale in uscita a tensione variabile alla centralina. Un termistore NTC trasmette alla centralina anche un segnale di temperatura separato da quello della massa dell aria 18

20 La sonda lambda La sonda lambda è il sensore che informa la centralina di quale è la concentrazione di ossigeno nei gas di scarico. Con tale segnale, la centralina corregge il dosaggio di benzina in termini di rapporto stechiometrico riducendo quindi le emissioni inquinanti permettendo alla (eventuale) marmitta catalitica di lavorare con maggiore efficienza. La sonda quindi è una retroazione per il sistema. In è riportato lo schema della sonda lambda. La sonda, che è inserita nel condotto da dove escono immediatamente i gas di scarico, è costituita da due elettrodi di platino separati da uno strato di zirconio, della forma di tubo ma con una sola estremità chiusa. L estremità aperta consente all aria atmosferica di entrare e venire a contatto con l elettrodo interno. L elettrodo esterno è rivestito completamente di ceramica, che è a contatto dei gas di scarico. Figura 13 - Schema elementare di una Figura 14 - Andamento della tensione ai capi della sonda lambda sonda lambda al variare della conce-ntrazione di ossigeno nei gas di scarico Quando lo strato ceramico raggiunge una temperatura di circa 350 C, diventa poroso consentendo all ossigeno molecolare dei gas di scarico di raggiungere l elettrodo interno. Se le pressioni parziali dell ossigeno presente rispettivamente nell aria e nei gas di scarico sono diverse, l ossigeno O2 con maggiore pressione parziale (quindi sicuramente quello dell aria atmosferica), a contatto con l elettrodo di platino, si riduce in ioni O-- che attraversano lo strato di zirconio, per cui tra gli elettrodi si stabilisce una ddp che è funzione inversa della pressione parziale di ossigeno presente nei gas di scarico. Se i gas di scarico sono poveri di ossigeno, per effetto di una miscela troppo ricca, c è il rischio che si formi monossido di carbonio, che è altamente tossico, allora la centralina reagisce riducendo la durata di iniezione ottenendo una miscela più povera. I tempi di risposta sono di circa 50ms. In è riportato l andamento della tensione ai capi della sonda lambda in funzione della concentrazione di ossigeno. I sistemi omologati Euro3 prevedono anche l uso di una seconda sonda lambda, a valle del catalizzatore, con lo scopo di controllare l efficienza di quest ultimo. Misurando, infatti, quello che entra nella marmitta catalitica (sonda lambda a monte) e quello che esce, la centralina conosce l efficienza di conversione degli inquinanti. 19

21 Per rilevare la temperatura del motore e quella dell aria aspirata la centralina ha a disposizione due "sensori NTC" (a Coefficiente Termico Negativo), la cui resistenza elettrica diminuisce all aumentare della temperatura. Il parametro temperatura motore permette alla centralina di arricchire la miscela nelle partenze a freddo (starter automatico), di azionare la ventola di raffreddamento e di regolare il minimo. La temperatura aria è invece importante per regolare l anticipo d accensione. Infine, per gestire i transitori, si ha un "potenziometro" montato sulla valvola a farfalla, che ne rileva la posizione tramite un segnale in tensione. Attuatori L Iniettore - Tra gli attuatori, uno dei più importanti è sicuramente "l iniettore" (uno per ogni cilindro) che ha il compito, al comando della centralina, di aprire il passaggio della benzina nei collettori di aspirazione. E composto da un avvolgimento che, quando è percorso da corrente, attira un nucleo magnetico la cui punta si stacca dalla sede aprendo il foro d iniezione, il carburante sotto pressione può allora passare. Quando si interrompe il comando, la molla respinge la punta nella sede e il carburante viene bloccato. La benzina arriva agli iniettori tramite una pompa elettrica che genera una pressione di circa 3 bar e va a riempire la "rampa di iniezione" che costituisce un serbatoio per la benzina a pressione e sulla quale sono collegati gli iniettori. Altro attuatore fondamentale è sicuramente la bobina (negli ultimi impianti, ce ne è una per ogni candela) che serve a trasformare la bassa tensione (12V) in alta tensione (circa 22kV). Nel momento in cui la centralina (o, nei vecchi motori, lo spinterogeno) chiude il circuito, il primario bobina viene percorso da corrente che genera un campo magnetico, questo campo magnetico genera sul secondario una tensione indotta che sarà tanto più alta quanto più alto è il rapporto tra il numero delle spire del secondario e il numero delle spire del primario. Nel momento in cui viene aperto il circuito scocca la scintilla tra gli elettrodi della candela. La scintilla deve, però, scoccare prima che il pistone raggiunga il PMS affinché si compensi il tempo di combustione della miscela. Infatti la miscela aria-benzina non brucia istantaneamente, ma viene innescata dalla scintilla per poi propagarsi in tutta la camera di combustione impiegando un certo tempo. L anticipo di accensione (in gradi di rotazione dell albero motore prima che il pistone arrivi al PMS) è calcolato in modo tale che quando il pistone si trova al PMS tutta la miscela viene completamente bruciata. L anticipo deve variare in funzione del numero di giri, della temperatura e del carico motore. Nei sistemi di ultimissima generazione la farfalla viene gestita non solo al minimo ma durante tutte la fasi. Infatti non è più presente il cavo acceleratore (che collega il pedale alla valvola a farfalla); il conducente, agendo sul pedale fa variare un potenziometro che informa la centralina della volontà di accelerare. La centralina tramite un motorino elettrico apre e chiude la farfalla (il sistema viene anche chiamato: acceleratore elettronico). 20

22 Sistemi di iniezione motori a ciclo ottobre 1. Sistema di iniezione indiretta 2. Sistema di iniezione diretta Iniezione indiretta si divide in: 1. iniezione single point ( SPI ) 2. Iniezione multipoint (MPI ) Iniezione SPI (Fig.1) È detta anche iniezione nel corpo farfallato, questo tipo di impianto prevede l iniezione prima della farfalla dell acceleratore e al centro del corpo sfarfallato. La miscela aria carburante è resa migliore grazie alla polverizzazione che si genere in prossimità della valvola a farfalle e all effetto di evaporazione generato dalle pareti calde del collettore di aspirazione. Due sono gli svantaggi rispetto agli impianti di iniezione multipoint: la distribuzione non omogenea della miscela aria carburante, causata calla diversa lunghezza dei collettori di aspirazione e alla formazione di vortici in prossimità della giunzione dei condotti del collettore, inoltre possono verificarsi condensazioni poco vantaggiose sulle pareti interne che possono rendere disomogenea la miscela aria carburante. Iniezione MPI (Fig. 2) Nei sistemi di iniezione multipoint ogni cilindro dispone del proprio iniettore. Gli iniettori sono disposti nel collettore o nel condotto di aspirazione immediatamente prima della o delle rispettive valvole. In questo odo tutti i cilindri usufruiranno di percorsi di trasporto di uguale lunghezza e di una distribuzione uniforme della miscela. Nell iniezione multipoint si possono distinguere : 1. Iniezione simultanea 2. Iniezione a gruppi (a gruppi di cilindri) 3. Iniezione sequenziale fasata 21

23 Iniezione a gruppi Gli iniettori dei cilindri 1 e 3 e, rispettivamente, 2 e 4 sono attivati una volta ogni ciclo di lavoro. L iniezione dell intera quantità di carburante avviene davanti alle valvole di aspirazione chiuse. Il tempo a disposizione dell evaporazione di carburante risulta comunque non uguale per tutti i cilindri. Iniezione sequenziale fasata Gli iniettori iniettano uno dopo l altro, nell ordine di accensione e immediatamente prima della fase di aspirazione, l intera quantità di carbuarante. Ne risulta una preparazione della miscela ariacarburante ottimizzata e un miglior raffredameto internoo del motore. Iniezione simultanea Tutti gli iniettori del motore sono pilotati contemporaneamente, senza riguardo della fase in atto nei diversi cilindri. Di conseguenza il tempo di evaporazione del carburante varia notevolmente da cilindro a cilindro. Al fine di ottenere comunque una composizione omogenea della miscela e una buona combustione, si inietta, ad ogni giro dell albero motore, metà della quantità necessaria alla combustione 22

24 Domande preliminari La prima domanda che viene posta al docente all'inizio di ogni corso (e quasi tutte le volte dai clienti prima della "elaborazione" del loro veicolo) è sempre la stessa: per quale motivo può si effettua la "rimappatura" di una centralina? La risposta in realtà è articolata e riesce a spiegare solo in parte un fenomeno che ormai ha raggiunto dimensioni e giro di affari dell'ordin e di svariati milioni di euro all'anno. In teoria è necessario "rimappare" tutte le autovetture destinate ad un uso agonistico è sempre per adeguare i parametri base del sistema di alimentazione ed accensione alle variazioni meccaniche (modifica dei diagrammi di aspirazione e scarico, modifica del rapporto di compressione e della pressione turbo, alleggerimento delle masse rotanti etc.) apportate dal meccanico preparatore. In realtà è bene non nascondersi dietro questa scusa di comodo ed è necessario ammettere che il fenomeno è esploso anzitutto nel mondo delle vetture per uso stradale. Una risposta più esaustiva è che ogni automobilista desidera che la propria vettura sia un po' diversa da quella fornita di serie dalla casa costruttrice: di conseguenza, entro certi limiti, è disposto a rinunciare ad una piccola percentuale di affidabilità e consumi per poter ottenere delle prestazioni più brillanti ed un'auto "diversa" dalla media. In particolare, l'utente di un autoveicolo turbodiesel chiede sempre e solo maggiore coppia motrice rispetto a quella originale: è quindi compito del preparatore coniugare questa richiesta con i limiti sopportabili dagli organi meccanici (gruppi frizione-volano, turbine etc.) evitando che un motore troppo "energico" possa rovinare questi componenti nell'arco di poche migliaia di chilometri. Un discorso a parte è quello da farsi per gli utenti di veicoli industriali: nonostante gli attuali livelli di potenza espressi da motori di ultima generazione (un "trattore" IVECO Stralisl3 è attualmente equipaggiato con una unità motrice 6 cilindri da cc in grado di erogare fino a 540cv), le aziende di autotrasporto sono sempre alla ricerca di aumenti di potenza specifica per affrontare al meglio le lunghe tratte autostradali delle Alpi e degli Appennini. Inoltre, grazie all'utilizzo di cambi plurifrazionati, è possibile utilizzare tali motori "elaborati" a regimi di rotazione leggermente inferiori rispetto alle condizioni standard previste dal costruttore; in tali casi, e con opportuni accorgimenti di guida, è possibile ottenere anche leggere riduzioni del consumo medio del veicolo. L'ultima domanda che spesso viene posta è quella relativa al rispetto delle normative antinquinamento: anche in questo caso bisogna distinguere tra il livello di inquinamento complessivo del veicolo ed il rispetto dei limiti imposti in fase di revisione periodica. Considerando un veicolo a ciclo Otto, è possibile effettuare operazioni di rimappatura che non modifichino le tabelle di gestione motore nelle condizioni di minimo e carico parziale: di conseguenza è possibile fare in modo che, durante i test previsti dalla revisione periodica, il veicolo lavori a rapporto stechiometrico e le emissioni di CO siano inferiori allo 0,3% richiesto dalla normativa vigente. Considerando invece un veicolo turbodiesel, caratterizzato da un rapporto aria-carburante costantemente variabile, poiché la prova di revisione richiede diverse accelerate consecutive a fondo è necessario che il preparatore non modifichi il meno possibile le porzioni di mappa che gestiscono il motore a bassi carichi, a tutti i regimi di rotazione del propulsore stesso. Dal punto di vista invece delle emissioni inquinanti complessive, in termini di CO, CO2 ed HC, è velleitario pensare che il veicolo, al termine delle operazioni di rimappatura, sia ancora perfettamente conforme alla normativa per cui esso è stato omologato. A parziale scusante di tutti i preparatori elettronici va comunque evidenziato che, su di una percentuale molto alta di veicoli con percorrenze superiori ai km, la deriva dei parametri motoristici è tale per cui essi non raggiungono mai le potenze per cui sono stati omologati ed in base alle quali gli utenti pagano le relative tasse di proprietà. Cosa è la rimappatura di un motore L'elaborazione delle centraline gestione motore è nata negli anni '80, con l'avvento dei primi calcolatori di iniezione/accensione digitali. Mentre i grossi team automobilistici potevano già disporre di centraline gestione motore dedicate, in grado di essere riprogrammate attraverso linee di comunicazione seriale, i preparatori di autovetture derivate da modelli di serie si trovarono di fronte alla necessità di adeguare i tempi di iniezione e gli anticipi di accensioni alle modifiche meccaniche effettuate. 23

25 Con le auto dotate di carburatori e spinterogeno tali operazioni potevano essere svolte con estrema tranquillità, regolando e modificando a proprio piacere i vari componenti dei carburatori o gli elementi di compensazione centrifuga e del carico interni agli spinterogeni. Per le auto ad iniezione elettronica le informazioni erano invece "congelate" all'interno delle memorie delle centraline di gestione motore, ed i parametri erano quelli implementati dal costruttore per un utilizzo stradale del veicolo. L'acronimo EPROM, ormai universalmente diffuso, sta per "Electrically Programmable ead Only Memory" ed indica la tipologia di memoria non volatile (in grado cioè di non perdere l'informazione contenuta al distacco della tensione di alimentazione) utilizzata per la memorizzazione del programma di gestione all'interno della centraline gestione motore (Engine Control Unit) : essa può essere rappresentata come una sequenza monodimensionale di celle di memoria in grado di memorizzare ciascuna una singola informazione e definite da un indirizzo univoco che permette al microprocessore di andare a recuperare tale informazione. Per "rimappatura" si intende quindi il complesso di operazioni necessarie alla lettura, decodifica e modifica delle informazioni relative alla gestione motore contenute in una memoria EPROM. Nacque quindi la necessità di mettere a punto una metodologia per l'analisi delle informazioni contenute all'interno delle ECU. L'approccio messo a punto dai preparatori, ed ancora oggi utilizzato, è quello del "reverse engineering" del contenuto delle EPROM. La metodologia di estrazione delle informazioni relative alle tabelle di gestione del motore si basa sulle seguenti considerazioni: i file programmati nelle EPROM contengono sia le istruzioni per il microprocessore che le belle necessarie a gestire correttamente il motore in tutte le condizioni operative; è sempre possibile utilizzare un software in grado di generare un grafico in cui in ascissa vengano rappresentati tutti gli indirizzi della EPROM ed in ordinata il valore memorizzato nella locazione di memoria corrispondente; dal momento che i motori non possono subire variazioni brusche dei loro parametri di funzionamento, utilizzando un software grafico del tipo sopra descritto (qualunque sia il tipo di ECU sotto esame), le zone dati all'interno delle EPROM sono caratterizzate da andamenti regolari dei valori, mentre le zone contenenti istruzioni hanno un andamento dei valori non intelligibile; le tabelle ("mappe") di gestione motore sono sempre funzione di almeno due variabili (es. giri e carico motore, giri e temperatura aria, etc.) e quindi appariranno in grafico come quello sopra descritto come delle sequenze di curve con andamenti caratteristici per ciascuna tipologia di curva e per ciascuna tipologia di motore. Oggi moltissimo è cambiato: le vecchie UV-EPROM sono state rimpiazzate dalle più efficienti memorie FLASH-EPROM, così come le tecniche di rimappatura ora si basano su rappresentazioni tabellari e su database in grado di decodificare quasi tutte le tipologie di mappe presenti sui veicoli; l'attività del preparatore elettronico ha risentito della evoluzione continua ell'elettronica e dell'informatica, ma i principi base sono rimasti immutati e lo scopo finale è ancora quello di modificare i parametri imposti dal costruttore per ottenere un incremento delle prestazioni del veicolo. Cenni di elettronica dei calcolatori Anche per un sistema digitale di gestione motore valgono le stesse regole architetturali che caratterizzano un qualsiasi moderno computer. Le differenze fra un Personal Computer ed una ECU sono da individuarsi soprattutto nella gestione delle porte di ingresso/uscita e nella robustezza richiesta da una applicazione automotive : una ECU ha necessità di misurare il maggior numero di parametri fisici possibili rilevati dai sensori (temperature, regimi di rotazione, posizioni angolari, etc.), di pilotare un numero sempre crescente di attuatori (iniettori, elettrovalvole, bobine, etc.) e garantire il funzionamento del veicolo in condizioni di temperatura, umidità e tensione continuamente variabili. AI contrario un comune Personal Computer ha necessità di disporre di una potenza di calcolo molto maggiore ma non necessita di un controllo così stringente sull'integrità dei dati e delle funzioni. Definite queste differenze applicative, nei prossimi paragrafi si passa ad una comparazione più approfondita delle due diverse applicazioni. 24

26 Architettura di un sistema a microprocessore L'architettura prevalente nelle macchine è ancora quella di Von Neumann, basata sull'idea della memoria che contiene dati e programmi, sull'esistenza di strutture di controllo e di unità di processo. Questo modello di macchina ha fortemente influenzato sia le architetture successive sia i linguaggi di programmazione, che hanno sempre dovuto fare i conti con le macchine che poi dovevano eseguirne i programmi. Macchina di Von Neumann: ALU, RAM, Memoria Programma, I/O. Con il termine macchina di Von Neumann (o modelli di Von Neumann) si indica uno schema a blocchi che descrive il comportamento di un calcolatore come "esecutore sequenziale a programma memorizzato". Questo modello, ideato dal ricercatore americano di origine tedesca nel corso della seconda guerra mondiale per la realizzazione dei primi elaboratori, è adatto anche per una descrizione elementare del principio di funzionamento di tutti i moderni calcolatori. In realtà i moderni microprocessori (Centrai Processing Unit), pur rispettando in linea di massima questo principio, aggiungono molte nuove funzionalità che derogano soprattutto al concetto di sequenzialità. Trascurando questi aspetti, che peraltro sono invisibili per l'utente, il modello di Von Neumann resta ancora valido per capire come funziona un microprocessore. Analizziamo con cura la definizione: "esecutore sequenziale a programma memorizzato" Il termine esecutore sta ad indicare che la CPU compie delle azioni nei confronti degli altri dispositivi, prendendo o modificando il contenuto della memoria, prendendo informazioni dagli ingressi o fornendo informazioni in uscita. Il termine sequenziale significa che le azioni sono svolte dalla CPU una alla volta. Le azioni che realizzano una funzione nel suo complesso quindi si succedono una dopo l'altra anche se l'utente ha una percezione di immediatezza e contemporaneità. Ciò è dovuto al fatto che la CPU esegue la sequenza delle azioni con grande rapidità. La misura della rapidità con cui sono eseguite le azioni è data dalla frequenza di clock che indica il numero di azioni al secondo eseguite da una CPU (ad esempio 2 GHz significa due miliardi di azioni al secondo). Il termine programma indica che la CPU esegue le azioni che sono indicate in una lista di istruzioni codificate (algoritmo). Questo concetto è legato al concetto di esecutore: un esecutore non sa cosa deve fare a priori ma esegue una lista di istruzioni. Il termine memorizzato indica che il programma (cioè la lista di istruzioni) deve essere memorizzato in memoria centrale sotto forma di numeri binari affinché la CPU possa leggere le istruzioni ed eseguirle. In memoria centrale oltre alle istruzioni codificate dei programmi in corso di esecuzione ci sono anche i dati associati a tali programmi. Nel caso delle applicazioni automotive la memoria centrale è proprio la EPROM ed i dati costituiscono proprio le mappe che vogliamo modificare. Questi concetti possono essere descritti da un primo schema a blocchi utile per rappresentare a livello logicola struttura di qualsiasi centralina: Note: Lo schema a blocchi non descrive la struttura fisica del sistema ma pone invece in evidenza un importante aspetto funzionale: non c'è una comunicazione diretta tra memoria ed I/O ma invece ogni trasferimento di informazioni passa attraverso la CPU che per questo motivo è posta in mezzo tra gli altri due blocchi. Le frecce rappresentano la possibilità di trasferire informazioni tra blocchi. La punta da entrambe le parti indica che il trasferimento è bidirezionale mentre il fatto che la freccia sia ampia indica che l'informazione è complessa (non un solo segnale ma un insieme di segnali) codificata in binario. Nel caso delle centraline gestione motore la memoria centrale è quindi la EPROM e tra i dispositivi di I/O possiamo includere tutti i convertitori analogico/digitali in grado di "leggere" i segnali provenienti dai sensori ed i comandi per gli attuatori. 25

27 Architettura di una centralina gestione motore. Come già riportato, anche le ECU seguono lo schema di base delle macchine di Von Neumann, ma la particolarità della loro applicazione richiede che alcuni componenti siano leggermente differenti da un comune PC e sia necessaria la presenza di una sezione dedicata al trattamento di tutti i segnali analogici provenienti dai sensori e di un'altra dedicata alla generazione di tutti i segnali di pilotaggio per gli attuatori. Nella tabella seguente è riportato un parallelo fra gli elementi interni ad un moderno computer per uso domestico ed una centralina gestione motore. Si noti come le analogie spesso si fermino solo agli aspetti architetturali più generali. figura 2 26

28 La figura seguente riassume la struttura a blocchi di un generico calcolatore di iniezione/accensione. Tutti i nuovi sistemi Bosch EDC16 che equipaggeranno i veicoli nei prossimi anni avranno una architettura riconducibile a quella sopra riportata in figura 3 Microcontrollore: Il Microcontrollore o Microcontroller o MCU è un dispositivo elettronico integrato su singolo chip, nato come evoluzione alternativa al Microprocessore. È progettato per interagire direttamente con il mondo esterno tramite un programma residente nella propria memoria interna e mediante l'uso di pin specializzati o configurabili dal programmatore. Sono disponibili in 3 fasce di capacità elaborativa (ampiezza del bus dati): 8 bit, 16 bit e 32 bit. Nelle centraline delle auto sdi lavora a 8 o a 16 bit L'ampia gamma di funzioni di comando e controllo disponibili, sia analogiche che digitali, integrate sullo stesso chip, permette l'impiego delle MCU in sostituzione di schede elettroniche cablate tradizionali ben più complesse e costose. Differenze tra Microprocessore e Microcontrollore Microcontrollore 18F8720 in contenitore 80-pin 27

29 Quando nell'aprile del 1972 Intel ha introdotto sul mercato il primo processore a 8 bit - lo esso consisteva di una ALU] (Arithmetic & Logical Unit) per svolgere operazioni logiche e matematiche e di una elementare CPU (Control Processing Unit) per controllare il flusso di dati e indirizzi tra la ALU e i circuiti esterni di supporto. Successivamente, l'architettura interna del Microprocessore (in seguito spesso chiamato semplicemente CPU) si è velocemente evoluta con blocchi interni complessi (numero di bit elaborati e movimentati) e con capacità e velocità di calcolo crescenti in modo esponenziale. Per quanto potente, il Microprocessore richiede sempre delle unità esterne - memorie, gestori di segnali e dispositivi periferici per poter dialogare e interagire con l'esterno. Il Microcontrollore è invece un sistema completo, che integra il processore, la memoria permanente, la memoria volatile e i canali (pin) di I/O, oltre ad eventuali altri blocchi specializzati. A differenza dei microprocessori, adatti per un uso generale (general purpose), è progettato per ottenere la massima autosufficienza funzionale ed ottimizzare il rapporto prezzo-prestazioni per una specifica applicazione, Tabella 1: confronto Microprocessore vs. Microcontrollore Caratteristica Microcontrollore Microprocessore Velocità massima di clock 200Mhz 4GHz Capacità elaborativa massima Potenza minima dissipata in Watt (in stato di elaborazione Prezzo minimo per singola unità in USD Numero di pezzi venduti annualmente (in milioni) 11,000 1,000 In sintesi, il Microcontrollore è molto meno potente del Microprocessore, ma è economico, ha consumi energetici ridotti e, per la sua versatilità, viene utilizzato in parecchi milioni di prodotti. DSP Parallelamente al Microcontrollore, e in continua evoluzione di potenza e di mercato, esistono i DSP (Digital Signal Processor) che incorporano moduli specializzati nel trattamento in digitale di segnali analogici. I campi tipici di utilizzo sono nel controllo di azionamenti (motori), di componenti per auto e avionica, di trattamento di segnali multimediali (codifica/decodifica audio e video, streaming e, campo principe, nella telefonia mobile. Il DSP ha tipicamente una struttura a 32 bit, e prossimamente a 64 bit. Componenti del Microcontrollore L'architettura del Microcontrollore prevede un insieme di moduli fissi, comuni a tutti i modelli, e una serie di possibili estensioni in funzione del costruttore, del prezzo e della fascia applicativa): Unità di elaborazione (CPU) 28

30 Memoria di programma (ROM,EPROM,FLASH) Memoria dati (RAM e EEPROM) Oscillatore interno o esterno Porte di I/O configurabili Gestione Interrupt Motivazioni del successo Il successo e l'enorme crescita del Mercato di questi componenti sono dovuti a questi fattori: Basso costo (consente di sostituire 1 o più circuiti integrati tradizionali a costo inferiore). Ampia scalabilità di prestazioni, di complessità (da 8 pin a 144 pin) e velocità (da 1 MHz a 200 MHz). Vasta gamma di dotazioni in periferiche e moduli specializzati. Ridotto (al limite = 0) numero di componenti esterni, ovvero semplicità di realizzazione. Facilità di programmazione dovuta anche ai numerosi tool di sviluppo disponibili. Ampia (e spesso libera) disponibilità di librerie, codici di esempio e documentazione Possibilità e facilità di riprogrammazione (in-field e in-system). Grande flessibilità applicativa. Brevi tempi di introduzione sul mercato del prodotto finito. Applicazioni di] impiego L'enorme volume di pezzi prodotti deriva dall'impiego massiccio di questo componente nei dispositivi elettronici di consumo e nei prodotti industriali si massa. Difatti, al primo posto in classifica come segmento di mercato troviamo l'automotive (auto e altri mezzi di trasporto), che utilizza decine, in alcuni casi anche centinaia, di componenti per singola unità industriale venduta.segue il segmento della telefonia mobile e delle telecomunicazioni in genere, quindi vengono i prodotti medicali, i consumer e gli elettrodomestici.spesso utilizziamo questi dispositivi senza rendercene conto, come per le smartcard delle carte di credito o per le cartoline musicali di auguri. Mercato Il Microntrollore occupa una posizione rilevante nel mercato complessivo dei semiconduttori, con una stima di introiti per circa 14 miliardi di USD e 10.8 miliardi di pezzi venduti nel La stima di crescita prevede un incremento del 10% fino al 2014, mentre i pezzi venduti saranno di 14 miliardi per la fine È comunque un mercato molto frammentato, con più di 40 produttori e più di 50 architetture, nessuna delle quali detiene più del 5% del mercato. Il segmento delle MCU a 32 bit è quello maggiormente in crescita, con introiti annui attuali (2009) di circa il 25% del totale. I principali (in ordine decrescente di volumi di mercato) sono: Renesas Technology Freescale Semiconductor NEC Fujitsu Infineon Technologies Microchip ST Microelectronics Texas Instruments Atmel 29

31 NXP Semiconductors Il catalogo di molte aziende sopra citate (es. Freescale, ST, Texas, NXP, Atmel) e altri ancora, comprende prodotti il cui core è una MCU Cenni storici Il primo Microcontrollore Il primo computer on-chip ottimizzato per applicazioni di controllo è stato il modello 8048 di Intel, rilasciato nel 1975, con RAM e ROM sullo stesso chip. Questo componente è stato utilizzato in più di un miliardo di tastiere per PC e numerose altre applicazioni.nei primi anni di sviluppo del Microcontrollore, la maggior parte dei modelli era commercializzata in due varianti. La più economica era dotata di memoria di programma programmata in fabbrica (ROM) su specifiche del cliente oppure programmabile dall'utente una sola volta (OTP, One Time Programming). La seconda, più costosa, aveva la memoria di programma cancellabile EPROM mediante esposizione a luce ultravioletta del chip tramite la finestrella trasparente che lo sovrastava.nel 1993, Microchip ha introdotto il modello di MCU PIC16C84, caratterizzato da memoria programma in EEPROM, ovvero cancellabile elettricamente, che permetteva sia lo sviluppo veloce del prototipo del prodotto finito, sia la modifica del Firmware a circuito montato (In-System Programming). La semplificazione del contenitore (package), senza finestrella in quarzo, ha contribuito a ridurre il costo finale del componente.nello stesso anno, Atmel[3] ha rilasciato il primo MCU che utilizzava una memoria di tipo Flash, ancora più semplice e veloce da programmare/modificare, più compatta e con un ciclo di vita (cancellazioni) molto più elevato. Questo ha segnato l'inizio del massiccio utilizzo del Microcontrollore nelle più disparate applicazioni. Architettura di una memoria digitale parallela E' ora necessario procedere all'analisi della struttura e delle modalità di immagazzinamento delle informazioni all'interno di una memoria digitale. Bisogna anzitutto definire quella che è l'unità fondamentale di memoria utilizzata oggi nei calcolatori: Binary Digit (letteralmente "cifra binaria") o BIT Il BIT può assumere solo due valori -* O oppure 1 Questa definizione è adeguata al mondo dei calcolatori, dove è sempre possibile ricondurre gli 30

32 stati logici (0 e 1) a degli analoghi elettrici: Acceso - Spento Presenza - Assenza di carica elettrica Presenza - Assenza di una tensione prefissata. Ogni memoria digitale può essere rappresentata, dal punto di vista logico, come una sequenza lunghissima di locazioni di memoria costituite da gruppi di 8/16/32 bit ciascuna: ogni locazione di memoria è individuata da un proprio indirizzo che permetterà al microprocessore di andare a leggere l'informazione contenuta in essa. In figura 5 viene riportata una rappresentazione esplicativa dello schema logico di una memoria 8 bit. In tale figura vengono inoltre utilizzati schemi e simboli dell'aritmetica binaria ed esadecimale che saranno oggetto della trattazione delle prossime pagine. ESEMPIO DI MEMORIA CON PARALLELISMO INTERNO 8 BIT Come si può notare, la figura rappresenta una memoria in cui la singola cella contenente l'informazione elementare (BIT) è organizzata in blocchi da 8 bit ciascuno. In questo caso si dice che "il parallelismo della memoria è 8 BIT". Si può quindi immaginare, con un paragone un po' forzato ma efficace, una memoria digitale come un sequenza stanze di un grattacielo tutte uguali contrassegnate da un numero sulla porta. Ogni stanza è perfettamente identica alle altre nella stessa via e dispone come le altre solo 8/16/32 vani. La numerazione delle stanze è sempre identica e va dall'identificativo "O" al "7". Le due prossime figure illustrano invece il caso reale di una memoria EPROM 27C512 con le sue caratteristiche base e l'allocazione dei suoi terminali ("pin"). 31

33 LA MEMORIA EPROM 27C512 L'immagine sopra riportata è tratta dalla pagina iniziale del foglio tecnico ("datasheet") della memoria EPROM 27C512 nella versione prodotta dalla italiana "ST Microelectronics". Come è possibile notare la capacità totale del componente è di 512kbit: i costruttori riportano sulle specifiche tecniche il numero totale di singole celle di memoria disponibili (512) e poi la loro organizzazione interna (64x8). La stessa figura evidenzia inoltre anche i cosiddetti "package" disponibili: a seconda delle applicazioni sono disponibili formati "pin-in-hole", in cui i pin del componente vengono saldati su schede in cui la saldatura avviene sulla parte inferiore della scheda (FDIP28 e PDIP28), oppure "SMD" (Surface Mounting Device) in cui il componente viene piazzato sulla scheda e saldato ad aria calda (i pin sono pre-stagnati nei formati PLCC32 e TSOP28). Nelle figure 7 e 8 sono invece rappresentati lo schema di collegamento dei pin della 27C512 nei formati DIP28 e PLCC28 pin. E infine da notare che questa allocazione sia univoca per tutte le memorie con questa sigla, indipendentemente dal costruttore: a differenza del settore automobilistico, in quello elettronico i costruttori devono conformarsi a degli standard pubblici ed univoci dettati da appositi organismi di 32

34 standardizzazione. In tal modo l'utente può concentrare il suo sforzo di progettazione solamente sulle caratteristiche tecniche del dispositivo e non sui vincoli imposti dal costruttore dei dispositivi stessi. Figura 7 Figura 8 33

35 ESEMPIO DI MEMORIA CON PARALLELISMO INTERNO 16 BIT FIgura 9 Nella figura 9 è stato invece rappresentato lo schema di massima di una memoria 16 BIT: in questo caso il livello di complessità è leggermente maggiore e risulta necessario fare alcune considerazioni e dare alcuni elementi esplicativi al lettore: Per questo tipo oggetti è necessario utilizzare una aritmetica differente da quella correntemente in uso, basata sulle potenze del numero 10. Tale aritmetica è quella cosiddetta binaria e ci permette di operare su numeri le cui cifre possono essere solo 0 oppure 1. Gli indirizzi delle memorie sono riportati in un formato che è a metà strada fra quello decimale (utilizzato dagli esseri umani) e quello binario (utilizzato dai calcolatori). Il simbolo "h" sta ad indicare l'utilizzo per la numerazione di questo particolare sistema. Nei paragrafi seguenti verranno dati elementi utili alla loro comprensione. Una memoria a 16 bit può essere vista come il parallelo fra due memorie ad 8 bit: questa considerazione di base è stata sfruttata su molte centraline gestione motore prodotte alla fine degli anni '90: in tal modo il microprocessore "ragionava" a 16bit, ma sulla scheda madre della ECU erano installate due memorie EPROM da 8 bit in parallelo fra loro. 34

36 Una memoria 16 bit ha una capacità molto maggiore di una omologa ad 8 bit. Alla fine dei prossimi paragrafi si vedrà come il massimo numero memorizzabile in una locazione da 8 bit sia 255, mentre quello memorizzabile in una da 16 bit sia Questo fa capire come l'evoluzione della gestione motore abbia portato anche al passaggio da sistemi ad 8 bit ai più accurati sistemi a 16bit Principali tipologie di package per memorie non volatili package DIL/DIP -* Dual In-Cine Package Es. DIL28 / DIL32 package PLCC -* Plastic Leaded Chip Carrier (package a montaggio superficiale con pin già prestagnati, per saldatura ad aria calda) Es. PLCC32 package PSOP -* Plastic Small Outline Package (package a montaggio superficiale con pin già prestagnati, per saldatura ad aria calda) Es. PSOP44 package SSOP -* S Small Outline Package (package a montaggio superficiale con pin già prestagnati, per saldatura ad aria calda) Es. SSOP56 EPROM (NON CANCELLABILI) 35

37 27C Kbit DIL 28 = Lancia Delta Integrale prima serie 27C Kbit DIL 28 = BMW E36 prime serie; 318tds prime serie 27C Kbit DIL 28 = Fiat Punto 55/ C Kbit PLCC32 = AR 145 TS 1.4, C010 1 Mbit DIL 32 = BMW 325/525TDS (32pin DIL) 27C010 1 Mbit PLCC32 = VAG 90/110CV TDI 27C020 2 Mbit PLCC32 = Mercedes E/C 250D aspirato e turbo E' POSSIBILE SOSTITUIRE AD UNA 27C128DIL UNA 27C256DIL E' POSSIBILE SOSTITUIRE AD UNA 27C256DIL UNA 27C512DIL E' POSSIBILE SOSTITUIRE AD UNA 27C010PLCC UNA 27C020PLCC Evoluzione delle memorie non volatili FLASH-EPROM O FLASH-EEPROM Sono memorie a grande capacità, alta velocità cancellabili a blocchi. Sono alla base di tutti i moderni sistemi di gestione motore riprogrammabili attraverso presa seriale. Esistono due grandi tipologie di memoria FLASH: quelle riprogrammabili a 12Volt e quelle a 5Volt. Tutte le memorie flash (e non solo) hanno al loro interno delle speciali zone di memoria in cui sono memorizzati dei codici standard che le identificano univocamente. Grazie a questo meccanismo i programmatori di eprom sono in grado di riconoscere le varie FLASH e riescono ad applicare i corretti algoritmi di cancellazione e programmazione (tutto ciò è comunque trasparente all'utente) Fino a pochissimo tempo fa (non più tardi del 2003) le operazioni di saldatura e dissaldatura delle memorie EPROM sulle schede delle centraline gestione motore erano un passo obbligato per il preparatore elettronico. La perizia artigianale nella dissaldatura di memorie era quindi una discriminante preliminare per la valutazione delle competenze professionali del personale tecnico che operava sul veicolo. La diffusione (avvenuta in massima parte nel corso dell'anno 2004) su larga scala delle procedure di riprogrammazione seriale delle ECU ha diminuito in maniera drastica l'utilizzo di stazioni professionali di saldatura. Il loro utilizzo è ora comunque indispensabile in alcuni casi: Reworking di centraline ECU in cui la procedura di riprogrammazione seriale si sia interrotta per cause accidentali (cali di tensione, cattivi contatti elettrici, problemi di comunicazione, ecc... ) Elaborazione elettronica di ECU non dotate di memorie FLASH, programmabili "on-board". A questa categoria appartengono la quasi totalità dei veicoli antecedenti all'anno Riparazione di ECU È quindi ancora indispensabile includere nella dotazione base del laboratorio di elaborazione una buona stazione per il "reworking" di schede elettroniche digitali. Proprietà chimico-fisiche dei materiali utilizzati per la saldatura All'interno di questo paragrafo si passerà ad una sommaria descrizione delle proprietà fondamentali dei 36

38 materiali normalmente utilizzati nelle operazioni di saldatura. Che cosa è la saldatura Con la parola «saldatura» si designa in generale l'unione, attraverso un procedimento termico, di due metalli. Portando a temperatura di fusione lo stagno interposto fra due superfici metalliche, si ottiene l'intima unione fisica delle parti. E la temperatura di fusione dello stagno è rappresentata da quel valore della scala centigrada per il quale lo stagno stesso passa dallo stato solida a quello liquido. Esso è di 231,9 C. Ma quello usato per le saldature non è stagno puro, bensì una lega di stagno e piombo, nella quale le quantità dei due metalli variano, facendo variare la temperatura di fusione della lega, fra i 190 C e i 280 C. La saldatura a stagno non offre grande resistenza, ed è quindi utilizzata per unire tra loro parti metalliche destinate ad essere sottoposte a deboli sollecitazioni metalliche. Ecco perché essa trova largo impiego in quasi tutti i settori dell'elettronica, dove costituisce la soluzione migliore per ottenere collegamenti elettrici affidabili. Non tutti i metalli possono essere sottoposti al processo di saldatura a stagno. L'alluminio, ad esempio, per la sua natura chimico fisica, non consente la saldatura a stagno, mentre si possono effettuare saldature perfette sul rame, ferro, argento, che sono i metalli che maggiormente interessano i nostri lettori. Lo Stagno Lo stagno è un elemento metallico di simbolo Sn e numero atomico 50 appartenente al gruppo IVA (o 14) della tavola periodica. Manufatti di stagno sono stati rinvenuti nelle tombe degli antichi egizi che probabilmente consideravano questo elemento come una diversa forma di piombo. Durante l'impero romano fu esportato in grandi quantità dalla Cornovaglia e utilizzato in diverse attività artigianali. Proprietà e diffusione Allo stato elementare è un metallo bianco-argenteo, duttile e malleabile; alla temperatura di 100 C può essere ridotto in fogli sottilissimi. AI di sotto dei 13 C si trasforma in una forma allotropica, nota come stagno grigio, che si presenta come una polvere grigiastra di densità relativa 5,75. La trasformazione si compie molto lentamente, spesso per contatto con particelle di stagno grigio già formate, ed è detta peste dello stagno. La forma più comune fonde a 232 C, bolle a circa 2260 C, ha densità relativa 7,28 e peso atomico pari a 118,69. Lo stagno è raro e si trova solo in quantità ridotte nella crosta terrestre; il suo più importante minerale è la cassiterite (o pietra di stagno), SnO2, diffusa in Inghilterra, Germania, Bolivia, Brasile e Australia. Nel processo di estrazione, il minerale viene ridotto dal carbonio in forni a riverbero; lo stagno fuso viene quindi raccolto sul fondo e travasato per ottenere piccoli blocchetti solidi che vengono privati delle impurità attraverso un ulteriore processo di fusione. In alternativa, la purificazione può essere ottenuta per via elettrolitica. Composti Nei composti, lo stagno presenta stati di ossidazione +2 (composti stannosi) e +4 (composti stannici). Se sciolto a caldo in acido cloridrico forma cloruro stannoso, SnCl2, e per reazione con il cloro produce cloruro stannico, SnCl4. In soluzioni di idrossido di sodio reagisce producendo idrostannato di sodio, con sviluppo di idrogeno. In soluzioni molto diluite di acido nitrico, a freddo, si scioglie e produce nitrato di stagno e nitrato di ammonio; in soluzioni molto concentrate, invece, si forma un diossido di stagno idrato, detto acido metastannico di formula 3SnO2H2O. Il solfuro stannoso, SnS, di colore bruno, e il solfuro stannico, SnS2, giallo, si ottengono facendo gorgogliare solfuro di idrogeno in soluzioni di composti rispettivamente di Sn (Il) e Sn (IV). I due idrossidi di stagno, Sn(OH)2 e Sn(OH)4, si producono perlopiù per reazione dei corrispondenti cloruri con soluzioni alcaline. L'ossido stannoso, una polvere nera insolubile di formula SnO, si 37

39 prepara scaldando (in assenza di aria) ossalato di stagno; esposto all'aria si ossida e forma il diossido SnO2, un solido bianco insolubile. Il diossido si ottiene anche scaldando il metallo ad alte temperature e in presenza di aria. Usi Lo stagno è un metallo molto ricercato e utilizzato in numerosi processi industriali. Sotto forma di latta, viene usato come sottile rivestimento protettivo per contenitori di rame e per altri metalli con cui si producono scatole e manufatti simili. E importante nella preparazione di leghe molto comuni, quali il bronzo (stagno e rame), la lega per saldatura (stagno e piombo) e il metallo per cuscinetti (stagno, piombo e antimonio). Viene anche usato in lega con il titanio nell'industria aerospaziale e come componente di qualche insetticida. Il solfuro stannico (detto oro musivo) viene utilizzato in polvere per ricoprire materiali in solfato di calcio o legno. Il Rame Il rame è un elemento metallico di colore marrone-rosso, di simbolo Cu e numero atomico 29; appartiene agli elementi di transizione della tavola periodica. Conosciuto fin dalla preistoria, il rame è stato probabilmente il primo metallo utilizzato per costruire armi, utensili e attrezzi rudimentali. Oggetti di rame sono stati trovati tra i resti di molte civiltà antiche (in Egitto, Asia Minore, Europa sud-orientale e Grecia); i romani, che lo chiamarono cyprum, lo utilizzavano anche per la realizzazione di strumenti adibiti alle pratiche religiose. Proprietà ed usi Il rame fonde a circa 1083 C, bolle intorno a 2595 C, ha densità relativa 8,9 e peso atomico 63,546. È caratterizzato da elevata conducibilità termica ed elettrica, buona resistenza alla corrosione, malleabilità, duttilità; per il suo aspetto piacevole è anche usato in varie applicazioni decorative. Viene utilizzato soprattutto per realizzare conduttori elettrici: sottili fili estremamente resistenti sono impiegati come cavi esterni, negli impianti elettrici domestici, in lampade e in dispositivi quali generatori, relè, elettromagneti o strumenti per telecomunicazioni. È sempre stato usato per fabbricare monete e utensili da cucina, contenitori e oggetti ornamentali, e un tempo anche per rivestire il fondo delle navi di legno, proteggendolo dalle falle. Può essere facilmente galvanizzato, da solo o come base per altri metalli. Il trattamento metallurgico del rame prevede diverse fasi. I solfuri, tra i più importanti minerali che contengono rame, vengono frantumati e concentrati tramite flottazione, quindi fusi in un forno a riverbero, dove si produce rame metallico grezzo, con grado di purezza del 98% circa. Questo materiale viene ulteriormente purificato per elettrolisi, fino a ottenere un prodotto puro al 99,9%. Il rame puro è molto morbido, ma può essere indurito con procedimenti opportuni per poter venire lavorato; al contrario le leghe di rame sono dure e robuste, hanno elevata resistenza elettrica, e di conseguenza non si prestano a essere utilizzate come materiale conduttore. Le più importanti leghe sono l'ottone, una lega di zinco, e il bronzo, una lega di stagno; spesso zinco e rame vengono utilizzati nella medesima lega, e di fatto non è possibile fare una netta distinzione fra ottone e bronzo. Il rame viene anche utilizzato in lega con oro, argento e nichel, ed è un importante costituente di leghe come il metallo Monel, il metallo per proiettili e l'argento tedesco. Il rame forma due serie di composti chimici: i composti rameosi nei quali presenta stato di ossidazione +1, e quelli rameici in cui ha stato di ossidazione +2. I primi vengono ossidati facilmente (anche per semplice esposizione all'aria), trasformandosi in composti rameici, e hanno poca importanza dal punto di vista industriale; i composti rameici invece sono stabili. Alcune soluzioni di rame hanno la capacità di sciogliere la cellulosa, e per questo motivo abbondanti quantità di rame vengono utilizzate nei processi di produzione del rayon. Il rame è inoltre un costituente di diversi pigmenti, insetticidi e fungicidi, anche se recentemente si tende a sostituirlo con composti sintetici organici. Abbondanza 38

40 Il rame si colloca al venticinquesimo posto per abbondanza nelle rocce della crosta terrestre. Spesso si trova combinato ad altri metalli, come oro, argento, bismuto e piombo, ed è presente soprattutto nelle lave basaltiche. Le fonti principali di rame sono la calcopirite e la bornite, solfati misti di rame e ferro. Importanti sono pure la calcosina e la covellite, solfati di rame diffusi in diverse regioni di Stati Uniti e Inghilterra. L'azzurrite, un carbonato basico, si trova in Francia e Australia, mentre la malachite, anch'esso un carbonato, è diffusa nella regione degli Urali. La tetraedrite, un solfoantimonuro di rame e altri metalli, e la crisocolla, un silicato, sono pure molto diffuse. Elevate quantità di cuprite, un ossido, si trovano a Cuba, mentre I'atacamite, un cloruro basico, è presente soprattutto in Perù. I giacimenti più vasti e importanti dal punto di vista industriale sono quelli di porfidio di rame nella catena montuosa delle Ande, in Cile. La saldatura La saldatura è un processo utilizzato per unire in modo fisso e continuo due o più parti di metallo mediante riscaldamento, aumento di pressione, oppure per mezzo di una combinazione di entrambi i fattori. La maggior parte dei processi può essere suddivisa in due categorie principali: saldatura a pressione e saldatura a caldo; questa ultima è oggi la più usata. Lo sviluppo di nuove tecnologie nella prima metà del XX secolo ha fatto sì che la saldatura sostituisse la bullonatura e la chiodatura in molti tipi di costruzione, come ponti, edifici e navi, e si affermasse come processo di base nelle industrie motoristiche e aeree. Il processo di saldatura richiesto dipende dalle proprietà fisiche dei metalli, dal loro campo di utilizzo e dagli impianti produttivi a disposizione. Normalmente i tipi di saldatura vengono classificati in funzione delle sorgenti di calore e pressione utilizzati. La saldatura per bollitura fu il primo processo a pressione; praticato per secoli da fabbri e altri artigiani, è oggi in disuso. I metalli vengono portati a una temperatura idonea in una fornace e la saldatura viene realizzata tramite lavorazione al maglio o altri dispositivi a pressione meccanica. I processi di saldatura a gas, ad arco e a resistenza sono quelli maggiormente utilizzati. Trovano impiego anche le saldature alla termite, con laser e a fascio elettronico. Si accenna ora alle principali tecniche di saldatura. Saldatura a stagno Il tema della saldatura a stagno è da considerarsi di basilare importanza per tutte le tecniche applicative dell'elettronica. Ed anche se esso è stato da noi altre volte trattato, è necessario riprenderlo, svilupparlo ed aggiornarlo, soprattutto in considerazione del continuo progresso della componentistica, che ha portato tutti noi ad effettuare saldature a stagno su elementi nuovi e delicati, come sono, ad esempio, molti di quelli che appartengono al mondo dell'elettronica digitale. Ma cerchiamo di esporre la materia con ordine, cominciando col dire che cosa si intende per saldatura. Saldatura in pratica 39

41 Questo è il mio angolo di lavoro con sopra l occorrente per saldare. Vediamo, tra gli accessori, un paio di occhiali per miopia da 4 (da usare SOLO da vicino e servono per ingrandire fortemente i piccoli circuiti moderni), un tagliaunghie che uso per tagliare i terminali dei componenti saldati (và meglio delle tronchesine per elettronica e costa molto meno), una terza mano per tenere i componenti da saldare ( a volte serve la morsa). La stazione saldante permette di regolare la temperatura della punta del saldatore dandoci la possibilità di fare saldature più precise e su circuiti miniatura. La spugna che vedete serve per pulire la punta del saldatore e deve essere umida durante l uso, altrimenti si brucia e non pulisce. A fianco del saldatore, tengo un barattolino di pasta salda (flussante) Lo stagno deve essere quello adatto per elettronica. Non andate a comprarlo al negozio di rubinetteria perché quello proprio non và bene. Qui serve una lega 60 % stagno 40 % piombo con tanto di anima con flussante. Andate in un negozio di elettronica troverete lo stagno adatto. Ci sono vari diametri, a seconda delle saldature da fare ( 0,5 per componenti SMD, 0,8 per usi normali, 1 mm per saldature un pò più grosse). 40 Nota bene: Il piombo è stato sostituito con l'argento a seguito delle nuove direttive. Quindi tenetene conto e nel contempo tenetevi aggiornati sui nuovi flussanti che proprio in questi mesi stanno cmbindo formulazoni per facilitare la stagnatura all'argento. Una volta acceso il saldatore, immergo la punta per un attimo nella pasta

42 salda e procedo alla pulizia con la spugna. La pasta salda và usata soltanto per questo, e non per saldare i componenti perché lo stagno già contiene la giusta quantità di flussante. In pratica questa operazione serve solo a disossidare la punta del saldatore. Molti, invece di immergere la punta nel flussante, preferiscono sciogliere dello stagno direttamente sulla punta del saldatore. Secondo me è la stessa cosa. Ecco la pulizia del saldatore. La spugna deve essere ben umida ed il saldatore deve essere passato più volte fino ad eliminare ogni traccia di stagno dalla punta. Se la punta non è lucida come quant era nuova, ripeto l operazione con la pasta salda. Quanto la punta rimane di colore bruno, nonostante la pulizia, è meglio sostituirla. E inutile tentare di pulirla con spazzole abrasive e lamette varie perché non andrà più bene come prima. Ecco come si presenta la punta appena pulita. Non ho fatto a tempo a fare la foto che già si è leggermente imbrunita per il calore prodotto. La temperatura del saldatore và regolata in base alle saldature da fare: alta per saldature grosse, bassa per saldature piccole e su componenti delicati. Comunque deve essere sempre abbastanza alta da permettere di eseguire velocemente la saldatura. 41

43 Per le prime saldature, sarà meglio utilizzare del filo elettrico e, visto che ci siamo, vediamo come si stagnano questi fili. La stagnatura del filo elettrico serve a fare in modo che non possa sfilacciarsi durante il successivo uso. Prendiamo un filo elettrico e lo spelliamo con le forbici da elettricista (oppure con l apposito attrezzo per spelare ). Diamo anche una girata con le dita ai trefoli di rame. Se abbiamo difficoltà a tenere fermo il filo da saldare, possiamo ricorrere all uso della terza mano. Poggiamo la punta del saldatore sul filo da saldare e aspettiamo un attimo per far sì che il filo si scaldi. A questo punto poggiamo, dalla parte opposta, lo stagno e aspettiamo che cominci a fondere. Mano a mano che lo stagno fonde, dovremo affondare lo stagno sul filo fino ad aver dato la giusta quantità. Se volete, potete immergere il filo nel flussante prima della saldatura: vi verrà meglio. Quando lo stagno fuso avrà ricoperto il rame, potremo togliere il filo di stagno e continuare a tenere il saldatore a contatto con il rame. Dopo un pò, quando il fumo prodotto diminuisce, potremo togliere anche il saldatore e riporlo nell apposito alloggiamento. L intera operazione sembra interminabile, in realtà sono occorsi circa 5 secondi. Se si esagera con il saldatore, vedremo la guaina del filo deformarsi eccessivamente. (che si deformi un po è normale) 42

44 Possiamo ripetere l operazione appena descritta, fino a che non abbiamo acquisito una certa padronanza, rapidità e, soprattutto, quel senso di sicurezza che ci serve per fare il passo successivo. Se non abbiamo altri fili, possiamo benissimo tagliare il filo e ricominciare da capo. A questo punto, possiamo anche unire due fili appena stagnati con il solo saldatore. Basta scaldare entrambi i fili e vedremo che si uniranno praticamente da soli. Dopo aver preso confidenza con il saldatore, potremo passare alle saldature su circuito stampato. A questo scopo, sarà utile munirsi di una basetta millefori e qualche vecchia resistenza. Badate che,sia i terminali delle resistenze che la basetta, devono essere puliti e non ossidati. Eventualmente potete pulirli con carta vetrata finissima. Disponete una resistenza come mostrato nella foto. Il saldatore, ben caldo e pulito, và messo a contatto con la pista di rame ed il terminale da saldare. Bisogna aspettare un attimo per far sì che il calore del saldatore si propaghi sul rame e sul terminale, eventualmente possiamo bagnare la punta del saldatore con pochissimo stagno in modo da favorire la trasmissione del calore. Dopo questo attimo, possiamo poggiare lo stagno in una zona vicina a dove è poggiato il saldatore e attendere che lo stagno compia il suo lavoro. 43

45 Durante questa fase dovremo regolare la quantità di stagno da erogare affondando il filo fino a quanto vediamo che, la parte fusa di stagno comincia a propagarsi lungo la pista di rame e sul terminale. A questo punto togliamo il filo di stagno e manteniamo il saldatore ancora qualche istante. (aspettare che il fumo prodotto diminuisca) Il saldatore và tolto dopo lo stagno con movimento brusco lungo il terminale per evitare che lo stagno fuso, per tensione superficiale, lo segua formando una punta che si solidifica raffreddandosi. Non preoccupatevi se viene una saldatura di brutto aspetto, è la prima che fate L importante è che sia lucida e che, sia il rame che il terminale, siano ben bagnati dallo stagno. Se rimane un buco, dovuto al foro troppo grande rispetto al terminale, potete provare a ripassare con il saldatore aggiungendo altro stagno ma, senza esagerare. L importante è che ci sia un contatto elettrico affidabile. Dopo aver fatto la saldatura occorre tagliare il terminale in eccesso. Io uso, da sempre, un tagliaunghie perché ho notato che la piccola tronchesina che vendono, costa tanto e si spunta prima. Uso la tronchesina professionale soltanto per i lavori che richiedono particolare cura nella realizzazione. Il taglio và effettuato in modo che non rimanga nessuna punta sulla saldatura. E noto che le punte provocano una dispersione di elettroni (vento elettronico) che porta a malfunzionamenti, soprattutto in circuiti ad alta frequenza come le radio. 44

46 Tutto intorno alla saldatura che abbiamo fatto, si è formato un piccolo strato di flussante. Esso và eliminato con acetone (diluente per unghie) o trielina o con l apposito deflussante perché è leggermente conduttivo e può creare malfunzionamenti quanto si hanno piste particolarmente vicine come i pin degli integrati. Elementi base di un sistema di rimappatura In questo capitolo si entrerà nell'analisi particolareggiata delle interazioni fra i motori ed i loro sistemi di gestione elettronica: in particolare si esamineranno tutti i gli strumenti software ed hardware necessari alle operazioni di rimappatura. L'acquisto di un sistema completo di rimappatura dovrà essere il frutto di alcune analisi preliminari riguardanti la tipologia di veicoli su cui si intende operare ed il grado di precisione che si intende avere in tale tipo di lavoro. Esaminiamo quindi i vari elementi necessari alla costruzione di un laboratorio per la rimappatura e le loro funzioni specifiche. Stazione di saldatura e dissaldatura professionale Sebbene le ECU di ultima generazione consentano di essere riprogrammate attraverso le prese di comunicazione seriale (senza alcuna operazione di smontaggio delle EPROM a bordo), un sistema di saldatura e dissaldatura è ancora oggi lo strumento principe del laboratorio di rimappatura. Infatti esistono almeno tre casi che ne rendono indispensabile l'uso: 1. le centraline gestione motore anteriori all'anno 2000 in massima parte non consentono procedure di riprogrammazione "on-board", per cui la lettura dei dati è possibile solo previo distacco delle memorie sulla scheda. 2. Le procedure di elaborazione seriale non sono esenti da errori di comunicazione fra computer ed ECU: esiste quindi la concreta possibilità che la comunicazione stessa si interrompa e la Flash-Eprom sia programmata solo in parte. In tal caso il veicolo non può più riavviarsi a meno di procedere alla dissaldatura e riprogrammazione a banco della Flash. 2. Non sempre i software di riprogrammazione seriale in commercio riescono ad operare sulla totalità delle ECU del parco veicoli. Esempio classico è quello della riprogrammazione delle nuove Nissan "Primera" con impianto di iniezione Diesel NipponDenso: pur essendo equipaggiata con una memoria Flash 29F400 non esiste in commercio un opportuno software di riprogrammazione seriale. Come già accennato nel capitolo precedente, una stazione di saldatura e dissaldatura di buon livello deve essere composta da almeno tre parti fondamentali: Stazione saldante termoregolata: è l'attrezzo principale della stazione e consente di effettuare saldature a 45

47 temperature impostabili fra 250 e 500 C. La stazione deve disporre almeno di uno stilo saldante da 50 watt, necessario al reworking di componenti di grosse dimensioni, e di un microstilo da 35 watt indispensabile sui componenti SMD, ai quali non è possibile trasferire quantità eccessive di calore senza danneggiarli. Figura 19 Molto diffuse sono oggi le stazioni saldanti digitali che offrono sicurezza operativa di saldatura anche in ambiti a tecnologia avanzata nei quali sono indispensabili particolari cure e cautele a livello di microtensioni e protezione da scariche elettrostatiche ESD. Stazioni saldanti come quelle riportate in figura 19 sono particolarmente adatte per lavorazioni che richiedono elevata potenza. Esse garantiscono il mantenimento della temperatura operativa al livello desiderato in condizioni di elevata frequenza di saldatura. Caratteristiche ed accessori tipici di tali unità di controllo sono: o tensioni di alimentazione 220/24V 100W o Stilo saldante 24V 100W o Supporto saldatore 3. micro-stilo saldante 35W 4. stilo saldante 24V 50W 5. pinza termica 24V 70W Stazione soffiante ad aria calda: la tecnica del soffiaggio di aria calda ( o reflow per convezione) è molto utile per componenti SMD di piccole dimensioni e ne consente il distacco senza il contatto diretto. Tale tecnica di saldatura elimina stress e shock termici a circuito e componente ed è ideale per schede multistrato con notevoli strati di massa e di dissipazione. Figura 20 46

48 Stazioni saldanti come quella riportata in figura 20 rappresentano soluzioni di alta gamma a cui bisogna comunque fare riferimento. Nel caso specifico del modello sopra raffigurato le caratteristiche tecniche salienti sono: 6. Temperature impostabili da 100 C a 550 C 7. Pompa da 21 litri/min 8. Plug-in design 9. Controllo del flusso d'aria 10. ESD Safe design 11. Display a LED per impostazione temperatura 12. Barra LED per indicazione flusso aria 13. Ugelli intercambiabili Stazione aspirante: questo terzo componente della stazione consente di utilizzare stilo speciali costituiti da una estremità riscaldata ed una tubazione a depressione collegata ad un aspiratore interno alla stazione stessa. Figura 21 In stazioni come quella rappresentata in figura 21, il vuoto necessario alla dissaldatura è generato da una pompa rotativa a palette in CC con una portata media di circa 7L/min ed un livello di vuoto di circa 600 mm/hg. La pompa si aziona mediante un pulsante situato sull'impugnatura dello stilo. Gli stilo dissaldanti sono dotati di apposite dime delle dimensioni dei vari formati di EPROM: esistono dime per formati PLCC32, PLCC44, PSOP44 ecc... Con questo attrezzo è possibile riscaldare in pochissimo tempo tutto il perimetro della memoria SMD e distaccarlo per aspirazione in pochissimi secondi. La stazione dissaldante viene anche utilizzata per il reworking dei componenti "pin-in-hole" dove viene solo cambiato la tipologia di stilo che presenta non più dime rettangolari ma un ugello aspirante delle dimensioni dei pin di una memoria in formato DIL. Queste strumentazioni sono di solito anche dotate di display a LED per la visualizzazione della temperatura istantanea della punta dello stilo. Sono presenti sul mercato anche soluzioni integrate dove un'unica stazione di lavorazione integra tutte le funzionalità sopra descritte, con possibilità di aggiungere inoltre componenti speciali quali micro-trapano ad aria compressa, dosatore automatico dello stagno ecc... 47

49 Figura 22 Manuale pratico dissaldatura e lettura di una eprom Introduzione Le eprom maggiormente utilizzate sulle centraline si dividono in tre distinti modelli: DIL, PLCC, e le ultime nate PSOP. Ad ognuna di esse occorre applicare un processo di lavorazione per la dissaldatura totalmente differente; ciò è dovuto alle diverse caratteristiche fisiche che presentano, ma l obbiettivo finale rimane comune per tutti e tre i modelli: un lavoro preciso, pulito, e veloce. Con pochi e semplici accorgimenti, è possibile ottenere un buon risultato, anche per chi non ha mai avuto a che fare con un saldatore e con l elettronica, occorre un minimo di manualità e di attenzione. Per tutte e tre le tipologie di EPROM valgono le seguenti regole: 1. Segnare prima di dissaldare l orientamento della EPROM ponendo attenzione dalla parte da cui è girato il pin 2. Non inquinare mai la centralina con trucioli o avanzi di stagno o qualsiasi altro oggetto che potrebbe formare un corto circuito; lavorare quindi su di un piano pulito, e sgombro da altri oggetti metallici 3. Il Flussante e la pasta salda, sono un valido aiuto per dissaldare ma se utilizzati in dosi eccessive e, non rimossi accuratamente possono creare malfunzionamenti anche a distanza di giorni o settimane. Pulire, quindi sempre molto accuratamente tramite un detergente valido (trielina, o Avio) ed un pennello pulito che servirà ad asportare l eccesso di flussante dai componenti, eseguire l operazione sempre nello stesso senso. 4. Assicuratevi sempre del corretto orientamento dei componenti negli adattatori. 5. Controllate sempre tutti i cavi di connessione del programmatore compresi quelli alla rete elettrica. 48

50 1. Eprom 32 pin DIL 2. Eprom 28 pin DIL 3. Eprom 44 pin PSOP 4. Eprom 44 pin PLCC 5. Eprom 32 pin PLCC Le Eprom DIL (Dual In Line) Inizialmente erano le uniche EPROM presenti sulle centraline, poi con la necessità di aggiungere sempre più informazioni, sono state sostituite da EPROM più capaci, ma sono ancora presenti su centraline di auto che non devono gestire un elettronica molto complessa. Le EPROM DIL, presentano una forma a parallelepipedo con disposti sui fianchi più lunghi due file di pin (Vedi fig. 1) Si saldano come la maggior parte dei componenti discreti, attraverso un foro passante sulla scheda e la saldatura viene applicata sulla superficie opposta a quella del componente. La dissaldatura di questi componenti è abbastanza difficoltosa se non si è in possesso di attrezzature adatte, ma con un minimo di pazienza possibile per chiunque. 1. L attrezzatura base necessaria consiste in: 2. Saldatore 3. Stagno 4. Pompetta dissaldante o stazione dissaldante aspirante 5. Pinzetta di estrazione memorie DIL Come prima cosa, identificare i pin che sono collegati a massa e operare su questi per ultimo (sono collegati, infatti ad una superficie più ampia rispetto ad una piazzola normale, quindi più difficili da scaldare con il saldatore). Per i rimanenti la procedura è semplice: 1. Scaldare con il saldatore (350 ) la piazzola e portare in fusione lo stagno presente sul pin, e con la pompetta aspirante asportare lo stagno, avvicinandola più possibile alla punta del saldatore; Se si è in possesso di una stazione aspirante procedere nella stessa maniera senza il saldatore, accertandosi solo che lo stagno sia in fusione, prima di attivare la pompa aspirante. 2. Procedere con lo stesso procedimento per tutti i pin, tranne quelli a massa, se non dovesse venire via tutto lo stagno al primo colpo, non bisogna cercare di scaldare ulteriormente la piazzola con il rischio di danneggiarla, ma riapplicare dello stagno e ripetere il procedimento 49

51 nuovamente, magari utilizzando dello stagno a basso punto di fusione. 3. Per i pin che sono collegati a massa, il procedimento è identico eccezion fatta per la temperatura del saldatore che deve essere leggermente maggiore ( ) 4. Anche qui se la dissaldatura non dovesse riuscire al primo colpo, riapplicare lo stagno e riprovare. 5. Una volta sicuri di avere asportato tutto lo stagno da tutti i piedini, muovere il componente e visualizzare quali piedini non si muovono sotto sollecitazione, questi sono ancora saldati per una minima parte alla piazzola dal lato componenti, perché essendo il reoforo di due ordini differenti di grandezza va ad appoggiarsi sulla piazzola e rimane attaccato. 6. In questa fase bisogna esser molto cauti, perché si rischia di asportare assieme alla EPROM anche una parte della piazzola o una pista danneggiando lo stampato irreparabilmente, quindi con molta cautela con delle pinzette o uno strumento adatto, muovere leggermente il piedino affinché si stacchi. Quando è un solo piedino ad opporre ancora resistenza lo si può scaldare con il saldatore e contemporaneamente rimuovere il componente. 7. una volta rimossa, la EPROM va accuratamente pulita da eventuali eccedenze di stagno che potrebbero falsare la lettura. 8. A questo punto non ci rimane altro che leggere la EPROM tramite un lettore di Eprom seguendo attentamente tutte le procedure che variano da lettore a lettore. Possiamo solo aggiungere, che molte volte, la lettura di una EPROM dipende dalla sua pulizia ed integrità, gli errori più comuni sono la presenza di sbavature di stagno o di flussante sui pin, che falsano il risultato, o pin che piegati non toccano il contatto dell adattatore. Quindi leggerla più di una volta, ed eventualmente togliere e riposizionare il componente, sullo zoccolo per essere certi di aver letto correttamente i dati contenuti Le Eprom PLCC Il secondo formato di EPROM più comune dopo le DIL, è certamente la PLCC; piccola, capace, e facilmente riscrivibile nel caso delle Flash. La PLCC si presenta come un piccolo quadratino, con i pin disposti su tutti e quattro i lati e ricurvi verso l interno. Il suo montaggio su scheda è SMD (Surface Mounted Device), in altre parole non ha i fori passanti sulla scheda come le DIL. Attrezzatura necessaria per la dissaldatura delle PLCC: Pinze Dissaldanti (stazione ERSA i-con) con punte adatte 50

52 Siringa di Flussante Treccia dissaldante Trielina Saldature con punte da 1,8 mm a taglio e punta 0,4mm per risaldare Morsa da banco Stagno Attenzione: segnare correttamente il verso in cui è girata la EPROM e se in presenza di più PLCC (vedi ECU TDI e simili) segnare la corretta locazione del componente. Come procedere con la siringa di flussante: stendere il prodotto sul perimetro dei pin in maniera uniforme, prestando attenzione a non depositarne altrove; 1.Con del nastro adesivo (meglio se di carta) contornare la EPROM, affinché il flussante non vada a infiltrarsi da altre parti al di fuori di quelle interessate (Vedi fig.234) 2. Selezionare le punte delle pinze della stazione dissaldante in base al componente (plcc32, plcc44, o superiori). 3. Regolare la temperatura giusta in base al componente (vedi Tabella sotto) 4. Quando la pinza è in temperatura, afferrare delicatamente il componente con le estremità delle punte e premere verso il basso in modo che tutti i pin del componente siano toccati dal dissaldatore; 5. Muovere le pinzette con dei movimenti rotatori leggeri per permettere alla punte di assestarsi e cercare di rimuovere il componente dalla piastra, in un tempo ragionevole (15 sec. Max) evitando quindi di surriscaldarlo e danneggiarlo; Se entro una quindicina di secondi non siete ancora riusciti, allontanate la pinzette e aspettate pochi attimi e riprovate. 6. Una volta rimossa, appoggiare la PLCC su una superficie resistente al calore e lasciatela raffreddare qualche minuto, dopodiché prendetela e bloccatela nella morsa senza piegare i piedini (magari interponendo tra le ganasce un materiale gommoso) 7. Procedere alla pulizia delle piazzole, appoggiando la treccia dissaldante all isoletta facendo una lieve pressione con il saldatore caldo. Rimuovere lo stagno eccedente. 8. Pulite le piazzole con un panno pulito imbevuto di trielina. 9. Con il componente bloccato, procedete come per le piazzole: appoggiate la treccia dissaldante su un pin e facendo una leggera pressione con il saldatore caldo tirate la treccia in modo da rimuovere completamente ogni traccia di stagno che potrebbe falsare la lettura. 10. Puliti tutti i pin dallo stagno rimuovete con della trielina le tracce di flussante sicuramente ancora presenti sulla memoria. 11. Leggete tramite il programmatore di EPROM a vostra disposizione (EMP20, ALL-07/-11 o altro) il contenuto, accertandovi della veridicità del risultato, eseguendo una verifica dopo la lettura. Se il checksum dovesse cambiare ad ogni lettura, il problema è di un pin che non fa contatto nella maniera corretta, ricontrollate quindi l orientamento della PLCC nello zoccolo adattatore, e che tutti i pin siano correttamente allineati e puliti; Eventualmente ripetete i punti 9 e 10, fino ad ottenere una lettura sempre uguale anche dopo aver rimosso e riposizionato il componente nello zoccolo adattatore più volte. LE EPROM PSOP 51

53 Ultime nate nel campo delle memorie, le eprom PSOP abbinano una gran capacità di immagazzinamento dati alle dimensioni ridotte, rendendo sempre più diffuso questo tipo di componente. L aspetto esterno è simile a quello delle DIL, un rettangolo con due file di pin disposte sui fianchi lunghi, ma molto più piatte e con i pin a montaggio superficiale (SMD) come le PLCC Attrezzatura indispensabile: Pinza dissaldante con punte per PSOP44 Saldature con punta da 1,8 mm a taglio e punta 0,4mm per risaldare Stagno Treccia dissaldante Siringa di Flussante Trielina o Avio Morsa da banco Come procedere: 1. Segnare con un pennarello indelebile dove è posizionato il pin #1 2. Contornare la memoria con del nastro di carta per evitare che il flussante si diffonda nella centralina 3. Posizionare il flussante sulle due file di pin 4. Selezionare la temperatura adatta alla pinzette (vedi Tab1) 5. Posizionare delicatamente la pinzette lungo le due file di pin e premere leggermente verso il basso 6. Sollevare la EPROM delicatamente una volta sicuri di aver portato in fusione lo stagno di tutti i pin 7. Pulire con il saldatore e la punta da 1,8mm i pin sulla superficie di contatto. 8. Pulire con la treccia dissaldante le piazzole della scheda e rimuovere le tracce di flussante con un panno pulito e della trielina o detergente La lettura di questa memoria può risultare difficoltosa a causa di molti fattori. Le regole seguenti servono come una guida alla risoluzione dei problemi: Definire con sicurezza quale tipo di memoria PSOP si ha tra le mani, in commercio ne esistono parecchie che differiscono di poco l una dall altra, quindi leggere accuratamente la sigla che e riportata sul componente e associarla ad una delle voci sottostanti: 28F200 29F200 B 29F200 T 29F400 B 29F400 T 29F800 B 29F800 T 52

54 La parte fondamentale che contraddistingue il tipo di PSOP oltre al modello(28fxxx, 29Fxxx etc.) è la dicitura B o T che può essere espresso sotto forma di due lettere (AB, BB, BC, CB, AT, BT, CT, TC, XB, XT, etc ) ma la seconda è sempre o B o T. Selezionare quindi la memoria in base anche alla caratteristica B o T nel menù di selezione delle memorie. Assicurarsi di avere l aggiornamento del software, che permette di leggere quel tipo di EPROM, eventualmente scaricare da Internet dal sito della ditta che produce il vostro programmatore (trovate l indirizzo sulla scatola o sulle istruzioni del programmatore). Controllate sempre più di una volta di aver inserito correttamente, la memoria nell adattatore e l adattatore stesso nello zoccolo del programmatore Controllate per ultimo che tutti i piedini del componente, siano allineati. Protocolli di programmazione seriale L'avvento delle centraline programmabili "on-board" ha rivoluzionato non solo il mondo della diagnostica ma anche e soprattutto quello delle elaborazioni elettroniche. Si può affermare con certezza che l'introduzione delle memorie FLASH ha aperto il mondo delle elaborazioni ad una platea molto più vasta di operatori del settore, fino ad allora spaventati dalla complessità e dalla delicatezza delle operazioni di reworking sulla scheda ECU. E bene comunque chiarire i motivi che hanno portato le case costruttrici ad utilizzare sui propri veicoli centraline ECU riprogrammabili "in-field": Un veicolo con ECU riprogrammabile riduce il cosiddetto "time-to-market": eventuali ritocchi e miglioramenti del software di gestione possono essere introdotti in fase di manutenzione program mata del veicolo stesso. La casa costruttrice può ridurre i rischi legati alle fasi di rodaggio del motore, rilasciando il veicolo nuovo con mappature meno "spinte", che vengono aggiornate e potenziate nel corso dei primi tagliandi di manutenzione. Alcuni veicoli vengono commercializzati con più livelli di potenza ma le differenze di fatto risiedono in massima parte solo in un diverso e più "spinto" software di gestione del motore. Una centralini con EPROM FLASH può essere messa a magazzino vergine e solo all'atto dell'installazione sul veicolo essa può essere programmata con la corretta "release" del software di gestione. Questo riduce il numero di componenti del magazzino ricambi. Tutte le ECU prodotte a partire dal sono quindi riprogrammabili via presa seriale. Il mondo dell'auto è però caratterizzato da un bassissimo grado di standardizzazione, per cui i protocolli utilizzati differiscono da costruttore a costruttore. Le ragioni di questo sono essenzialmente da ricercarsi nella protezione delle informazioni legate alla gestione del veicolo ed alla necessità di mantenere alto il prezzo dei prodotti "aftermarket": un livello di standardizzazione pari a quello esistente oggi nel mondo dei personal computer comporterebbe un calo enorme dei componenti di ricambio ed una perdita di monopolio delle case costruttrici. 53

55 Tralasciando analisi che trascendono lo scopo di questa pubblicazione si può comunque affermare che gli sviluppatori di software per elaborazioni elettroniche sono in grado di offrire un numero di software di comunicazione seriale in grado di coprire la quasi totalità del parco veicoli di ultima generazione. In realtà non sempre si riesce a leggere e scrivere l'intero contenuto della FLASH a bordo della centralina: su alcuni veicoli è possibile operare letture parziali del contenuto della memoria oppure poter effettuare operazioni di scrittura. La tabella seguente offre una panoramica delle centraline gestione motore attualmente riprogrammabili. Questo elenco deve considerarsi indicativo ed aggiornato a settembre 2004: ogni mese sono disponibili ulteriori protocolli di programmazione seriale, a coprire ulteriormente il parco veicoli circolanti. 54

56 55

57 Esempio di procedura di riprogrammazione seriale La procedura di riprogrammazione seriale può essere divisa in tre fasi fondamentali: l'identificazione della ECU, la lettura del contenuto della memoria programma ed infine la sua scrittura. In realtà tali procedure prevedono un protocollo di comunicazione seriale in cui di fatto si richiede al microprocessore l'accesso ad alcune zone di memorie da esso utilizzate. Di conseguenza, almeno in linea di principio, con lo stesso meccanismo sarebbe possibile accedere anche alle memorie EEPROM contenenti le protezioni antiawiamento ecc... Nella pratica le aziende produttrici di software di riprogrammazione si limitano alla lettura/scrittura della sola FLASH EPROM di bordo: in alcuni casi tale accesso è addirittura ristretto solo ad alcuni settori, per cui il file ottenuto dalla lettura seriale è di dimensioni minori della memoria FLASH di bordo (file parziale). Inoltre è da tenere in conto che non sempre è possibile leggere il contenuto della FLASH di bordo, ma ne è abilitata la sola lettura. Il caso più conosciuto è quello della MCC SMART benzina Euro3. Vediamo quindi un caso pratico riferito ad un IVECO DAILY 50C13 con centralina Bosch EDC MS6.3. La presa diagnostica del camion si trova nel vano motore, Iato conducente (figura 25). Cablaggio universale 56

58 Istruzioni operative generali: Il caso in esame si riferisce al tool di riprogrammazione seriale incluso nel software RACE2000: in questo caso viene utilizzata la porta di comunicazione parallela del computer ed un adattatore chiamato "chiave FLASH" in grado di convertire il flusso dati in modo da renderlo conforme al protocollo di comunicazione utilizzato dalla ECU. Nella figura seguente sono riportati gli elementi hardware necessari al collegamento fra computer e centralina. Figura 26 In generale, quando si effettua una riprogrammazione seriale, è buona norma accertarsi sempre che la batteria del veicolo sia ben carica. In ogni caso si può collegare un booster o una batteria ausiliaria, in parallelo. E' MOLTO importante che la tensione della batteria sia almeno 20.5V. Altrimenti potrebbe essere visualizzato il seguente errore. Spegnere tutte le utenze non necessarie quali autoradio, ventole climatizzatore, luci interne di cortesia, 57

59 perché un eccessivo calo di tensione potrebbe interferire con la procedura di trasferimento dati. Nel casoin cui si interrompesse, per qualsiasi motivo, la procedura di lettura, generalmente non ci sono conseguenze; quando s' interrompe l'operazione mentre si è in fase di scrittura è prevista una procedura di ripristino (nel caso l'interruzione sia del collegamento). Qualora, durante la programmazione, si staccasse il cavo di diagnosi NON SPEGNERE IL QUADRO e seguire le istruzioni a schermo. Inserire la chiave HW Flash4 in serie alla chiave HW SMARTKEY (in dotazione con il programma Race) sulla porta parallela del vostro computer. Utilizzate l'apposito CODOLINO BIANCO RJ45 per collegarvi al CODOLINO ADATTAMENTO LINEA, al CAVO DIAGNOSTICO ed infine ala presa di diagnosi. Se il collegamento è corretto, il LED rosso posto sul DISPOSITIVO HWFlash4 lampeggerà. A collegamento attivato il LED rimarrà sempre acceso. Per maggiore chiarezza, prenderemo in considerazione una riprogrammazione su IVECO DAILY 50C13 con IMPIANTO BOSCH MS6.3 Common Rail. IDENTIFICAZIONE Selezionare dal menù TOOLS il protocollo appropriato ed eseguire l' Identificazione Centraline (ID) Il risultato sarà: 58

60 I dati necessari per selezionare il file di settaggio corretto sono le ultime tre cifre del Numero Hardware e il Numero Software. Vediamo ora come vengono memorizzati all interno del Data Base del RACE assieme a tutta una serie di dati identificativi. Nell esempio per l hardware (l ECU) e per il software. Individuato il settaggio corrispondente, selezionarlo e proseguire nella finestra successiva con il tasto "Avanti" LETTURA: 59

61 Una volta individuato il settaggio e scaricato dalla banca dati in Internet, procediamo alla lettura, selezioniamo il settaggio corrispondente e premiamo su Lettura seriale. Verificare i collegamenti, accendere il quadro e selezionare OK. In alcuni protocolli dopo la visualizzazione dell' ID verrà chiesto di spegnere e riaccendere il quadro Figura 31 Effettuate le verifiche inizierà la fase di lettura vera e propria Terminata la lettura, comparirà una finestra dove potere salvare i dati necessari: 60

62 Ora potete eseguire la modifica utilizzando nel modo tradizionale il programma. Quindi chiudere e riaprire il settaggio. Infine selezionate il file che avete appena modificato. SCRITTURA: Selezionare il file modificato da trasferire all'interno della centralina, cliccare su "SCRITTURA SERIALE". Verificare i collegamenti, accendere il quadro e selezionare OK. Dopo la visualizzazione dell' ID verrà richiesto di spegnere e riaccendere il quadro (per dar modo al programma di effettuare le opportune verifiche). A questo punto per chi possiede la versione a pagamento comparirà l avviso: 61

63 Figura 35 Se confermate l'operazione (accendo "Si") verrà chiesto di spegnere il quadro per poi riaccenderlo ed automaticamente vengono scalati i punti seriali relativa, da quanti a disposizione Figura 36 Cliccato su OK partirà la programmazione della centralina ed è possibile monitorare lo stato di avanzamento del processo Figura 38 Durante l'operazione non effettuare nessuna operazione, attenzione a non staccare nessun collegamento e molto importante che il computer sia impostato per non eseguire nulla (niente screen saver, spegnimento automatico dello schermo, ecc ) AI termine verrà visualizzato il messaggio di riprogrammazione effettuata correttamente. Spegnere il quadro e cliccare su OK. Automaticamente compare una finestra che ci invita ad attendere 13 secondi per dare tempo alla centralina di reimpostarsi. 62

64 Durante l'attesa non effettuare nessuna operazione sul veicolo. EMULATORI DI EPROM Programmazione in tempo reale tramite emulatore L' Emulazione in Tempo Reale è l'evoluzione della classica preparazione su Eprom, e rappresenta il Top di raffinatezza tecnologica nell'elaborazione elettronica del motore. E' possibile emulare in Tempo Reale la gran parte delle vetture dotate di Eprom o di Flash Memory (restano escluse quindi le centraline realizzate con tecnologia Microibrida).L' Emulazione presenta, rispetto alla elaborazione elettronica convenzionale, numerosi vantaggi, che vengono di seguito descritti. ELABORAZIONE CONVENZIONALE Come abbiamo visto in precedenza nella preparazione classica, la Eprom originale presente in centralina viene sostituita con un'altra dello stesso tipo, contenente il programma elaborato dal preparatore. Successivamente si testa la vettura, in pista o su banco, e si ricavano, sulla base dei risultati raggiunti, le ulteriori modifiche da apportare alle mappature della Eprom successiva.il procedimento viene ripetuto fino al raggiungimento delle prestazioni desiderate. Quindi, l'elaborazione classica consiste nella ripetizione dei seguenti passi: modifica delle mappature su computer scrittura su Eprom del programma modificato montaggio della Eprom su centralina e test della vettura analisi delle prestazioni e sviluppo delle modifiche successive. EMULAZIONE IN TEMPO REALE Nell' Emulazione in Tempo Reale, invece, non è più necessario provare su vettura una mappatura dopo l'altra, in quanto la Eprom viene sostituita nella sua operatività dal Personal Computer, attraverso una speciale apparecchiatura detta appunto Emulatore. In questo modo, il preparatore: 63

65 controlla in Tempo Reale sullo schermo del PC la gestione dell'elettronica di bordo analizza le zone del programma che effettivamente lavorano nelle diverse condizioni (ad esempio ai vari regimi di Giri/Minuto, a diverse posizioni acceleratore, o in condizioni di Sovralimentato / Aspirato) inserisce le modifiche sulle diverse mappature durante la corsa della vettura (in Tempo Reale), senza bisogno di spegnere e riavviare il motore, e può valutare immediatamente, insieme al proprietario dell'auto, il risultato in termini di prestazioni. Quando infine i risultati ottimali sono raggiunti, si inserisce il programma su una Eprom che viene quindi istallata in centralina. VANTAGGI DELL'EMULAZIONE IN TEMPO REALE I vantaggi dell' Emulazione sono evidenti: nello stesso tempo in cui si cambierebbe una sola Eprom, è possibile testare numerose modifiche, una dopo l'altra, e valutarne i risultati in corsa, senza tempi morti tra una prova e la successiva. noltre, grazie alla funzione di Tracciamento, si analizza più a fondo la gestione dell'elettronica di bordo, e si riesce ad intervenire in maniera più raffinata, nelle zone di mappa che effettivamente controllano le varie fasi di funzionamento del motore, senza applicare modifiche "a largo spettro" che ad esempio migliorano alcune condizioni di lavoro (regimi, carichi ecc.) ma a scapito di altre. Emulando in Tempo Reale, è possibile creare mappature personalizzate, assecondando le aspettative del pilota, grazie all'immediatezza del riscontro degli interventi effettuati durante la guida della vettura. Lavorare in tempo reale significa quindi vedere i dati utilizzati dal motore, istante dopo istante, durante il suo funzionamento. Dopo aver collegato l emulatore a PC e alla centralina del veicolo, abbiamo la possibilità di vedere esattamente dove la centralina legge all interno di ogni mappa. Sulla mappatura appare infatti una traccia rossa che si muove seguendo i giri e il carico del motore. 64

66 La traccia rossa ci permette di capire dove legge e come si comporta la centralina nelle varie situazioni di funzionamento. Cambiando i valori delle mappe il motore reagisce istantaneamente. Quindi, sfruttando le preziose informazioni fornite dal movimento della traccia, il lavoro di messa a punto diventa molto più facile, preciso e veloce. Nel dettaglio alcune caratteristiche tecniche: Doppia bancata di memoria interna da Mbit (Ram 1 e Ram 2); Protezione nella commutazione Ram 1 / Ram 2; Possibilità di gestire più tracce su mappe diverse contemporaneamente; Aggiornamento firmware direttamente da RACE 2000; Controllo parametri direttamente da RACE 2000; Collegamento alla porta parallela del PC per un elevata velocità di emulazione; Completo isolamento della porta parallela, che permette di utilizzare alimentazioni collegate alla batteria in piena sicurezza. Software per l'analisi di file binari 65

67 Il software per l'analisi di file binari è il vero cuore di un moderno sistema di rimappatura. Mentre le procedure di saldatura e dissaldatura delle memorie sono state mutuate dal mondo delle riparazioni elettroniche e le procedure di comunicazione seriale sono state messe a punto a partire dalle procedure di diagnosi già presenti sul veicolo, questi software specifici non hanno riscontri analoghi nelle applicazioni automotive. L'esigenza di base era quella di operare un "reverse engineering" cioè di ricavare, a partire dal programma di gestione motore già in formato binario, (e quindi in generale non più leggibile dall'esterno) le informazioni relative ai principali parametri di funzionamento del veicolo. È bene a questo punto dare alcuni elementi relativi alla generazione di un software applicativo come quelli messi a punto per gli autoveicoli. I tecnici delle case automobilistiche che mettono a punto le cosiddette "mappature" lavorano in maniera profondamente diversa da noi: essi utilizzano procedure di lavoro che possono essere schematizzate nel diagramma di flusso seguente: È quindi evidente che il lavoro del preparatore elettronico assomiglia molto a quello di un "hackel" che ricava informazioni a lui utili lì dove tali informazioni sarebbero ufficialmente non accessibili. La tecnica utilizzata, come già accennato nell'introduzione, parte da alcune ipotesi di base che andremo ora a riassumere: II programma di gestione motore è memorizzato in una memoria EPROM o FLASH esterna o interna al microprocessore. Se tale memoria è esterna, ne è allora possibile la dissaldatura, altrimenti l'unica possibilità di lettura/scrittura è quella attraverso la presa di comunicazione seriale. All'interno della EPROM sono memorizzate sia le istruzioni per il microprocessore che le tabelle di riferimento per la gestione del motore. Poiché le memorie sono di tipo digitale a 8 o 16bit, i massimi valori memorizzabili al loro interno saranno rispettivamente 255 e (vedi capitolo 3). Se riportiamo su di un grafico i valori letti a ciascun indirizzo di memoria, troveremo che in generale solo le zone relative alle tabelle di gestione del motore hanno un andamento regolare e ripetitivo al crescere degli indirizzi. Con opportuni software di analisi è possibile isolare tali zone e ricostruire le tabelle di nostro interesse in modo simile a come sono rappresentate dai tecnici della casa madre. Analisi del contenuto di una EPROM 66

68 Supponendo di aver acquisito il contenuto della memoria EPROM di una centralina ed utilizzando un programma di analisi grafica come sopra descritto, il risultato è come quello riportato in figura 41. II file rappresentato è quello di una Lancia Delta 16V Evo: la zona di memoria rappresentata ha un andamento di fatto non intelleggibile e probabilmente è relativa ad una porzione del programma di gestione. Figura 41 Ecco la stessa zona visualizzata con un altro programma simile: Figura 42 Un programma di analisi dispone comunque di molteplici funzioni di ricerca: è possibile ad esempio effettuare ricerche di valori compresi in un intervallo desiderato oppure ricerche per andamenti crescenti o 67

69 decrescenti. L'utente esperto può quindi anche "marcare" in maniera autonoma alcune zone della EPROM dove venga riconosciuta la presenza di una mappa nota: di fatto è possibile costruire le proprie "mappe" che verranno poi verificate in fase di elaborazione. Come è possibile vedere in figura, in ordinata il fondo scala del grafico è proprio 255 (massimo valore raggiungibile con 8 bit) mentre gli indirizzi in ascissa sono rappresentati in formato esadecimale. E bene ricordare che Il software "Race2000" utilizzato in questa trattazione considera sempre di operare su due banchi di memoria: In questo modo l'utente ha sempre una copia di riferimento che non è possibile perdere neanche in maniera accidentale: questo è fondamentale per quelle ECU in cui le memorie EPROM contengono dati relativi al telaio ecc. Con la semplice pressione del tasto ESC è possibile in ogni istante passare dalla visualizzazione del banco RAMI a quella del banco RAM2. Figura 43 Utilizzando quindi l'ipotesi che un andamento regolare dei valori è presumibilmente legato ad una delle tabelle di gestione del motore e poiché tutte le tabelle di gestione sono prevalentemente localizzate nella stessa zona della EPROM (es. alla fine del file), il tecnico elaboratore va ad individuare, anche sulla base della propria esperienza, tali zone di interesse. In figura 43 è riportato, per la stessa Lancia Delta, il grafico relativo alla mappa di gestione dell anticipo. 68

70 E da notare come, ad una prima analisi, nessuna indicazione è possibile riguardo le condizioni di giri e carico a cui tali "curve"vengono utilizzate. In generale (ma non è una regola da poter applicare in tutti i casi), ogni singola curva rappresenta l'evoluzione della grandezza fisica (es. in questo caso l anticipo) al crescere del giri motore e le curve si succedono in ordine crescente con l'aumento dei carico motore (non c è una regola precisa ed univoca). Risulta quindi evidente che questo approccio, per quanto corretto e sufficiente all'analisi dei file, non consente modifiche in tempi rapidissimi e non fornisce informazioni approfondite sulle condizioni di funzionamento del motore. Rappresentazione in forma tabellare e file di setup L'idea di fondo dei programmi di analisi più evoluti è quella di rappresentare il contenuto della EPROM in modo più simile possibile a quello utilizzato dai tecnici della casa costruttrice. A questa idea bisogna poi aggiungere la considerazione che le informazioni di nostro interesse, data una specifica centralina, sono di fatto sempre nelle stesse zone della memoria (es. alla fine del file della EPROM) Alcune aziende hanno quindi costruito vere e proprie banche dati della allocazione delle mappe di gestione motore e forniscono software in grado di essere "istruiti" tramite appositi 'file di setup" a localizzare in maniera automatica le principale mappe di interesse ed a rappresentarle in forma tabellare. L'utente non deve fare altro che leggere il contenuto della EPROM e ricercare in banca dati il file di "settaggio" relativo alla ECU oggetto della modifica e con checksum corrispondente a quello calcolato con il programmatore di EPROM. Figura 44 Il file di setup scaricato da internet non conterrà alcun modificato, ma le istruzioni per la ricerca automatica delle mappe principali ed un file originale di riferimento. Avendo a disposizione tali informazioni, come riportato in figura 44, il preparatore deve solo interessarsi alla modifica dei parametri motoristici, scegliendo nell'elenco quelli di suo maggior interesse. Grazie a questo approccio, è possibile prescindere dall'effettiva allocazione delle mappe nella memoria EPROM e si riescono a separare le competenze di carattere più prettamente informatico (delegate 69