Motronic Bosch Med 7.x

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1 Motronic Bosch Med 7.x La storia L iniezione diretta ha avuto la sua prima importante applicazione in campo aeronautico. Con questo tipo di alimentazione si poteva garantire il corretto funzionamento in volo, eliminando i problemi tipici del carburatore. L iniezione scongiurava il pericolo di formazione di ghiaccio nella zona della valvola a farfalla, permetteva di regolare correttamente il titolo della miscela al variare della quota, era compatibile con le frequenti e repentine variazioni di assetto dei velivoli militari. Due furono le soluzioni: quella americana e quella tedesca. Gli aerei americani erano dotati di carburatore ad iniezione, che in pratica realizzava un iniezione indiretta con portata regolata mediante membrane, il combustibile veniva iniettato nel collettore di aspirazione. La soluzione tedesca prevedeva invece il sistema di iniezione diretta con l iniettore nella camera di combustione. Dopo la seconda guerra mondiale l iniezione è stata introdotta in ambito automobilistico con il motore da competizione Mercedes-Benz W196. Tale sistema di alimentazione, derivato dal sistema Bosch impiegato nei motori ad accensione spontanea, fu successivamente ripreso nel 1956 dalla Mercedes sul sei cilindri della 300 SL. Successivamente la Mercedes abbandonò l iniezione diretta a causa delle problematiche intrinseche non risolvibili con la tecnologia a disposizione. le alte pressioni di iniezione richiedevano pompe con giochi molto contenuti per evitare trafilamenti; le scarse proprietà lubrificanti della benzina congiuntamente ai giochi contenuti spesso causava il grippaggio della pompa; il problema del grippaggio si presentava anche per il cilindro a causa della incompleta vaporizzazione del carburante dovuta alle pressioni di iniezione realizzabili. Così parte della benzina non vaporizzando bagnava le canne dei cilindri asportando il lubrificante. All epoca questi fenomeni non potevano essere analizzati e risolti mediante simulazioni numeriche.

2 L iniezione indiretta necessita di pressioni molto più basse per cui si potevano tollerare giochi maggiori tra la parti in movimento della pompa, scongiurando così il pericolo del grippaggio. Negli stessi anni l iniezione diretta trovò applicazione anche nei motori a due tempi in quanto si poteva evitare perdite di miscela allo scarico iniettando il carburante alla chiusura delle luci di scarico. Questa applicazione fu però abbandonata a causa del notevole costo del sistema di alimentazione rapportato alla semplicità del motore a due tempi dell epoca. Solo negli ultimi anni è tornato vivo l interesse per l iniezione diretta nei motori a ciclo Otto grazie ai progressi compiuti nel campo dell elettronica e meccatronica. Attualmente molte grandi case costruttrici europee e giapponesi hanno sviluppato e messo in produzione motori con questa soluzione. Principio di funzionamento Iniezione indiretta Nei sistemi multipoint ad iniezione indiretta l iniettore, posto sul condotto di aspirazione, spruzza la benzina durante la fase di aspirazione svolgendo anche un azione di raffreddamento delle valvole. Nell iniezione indiretta il getto di carburante si miscela uniformemente con la carica di aria fresca in ingresso al cilindro. Iniezione diretta Nei sistemi ad iniezione diretta il combustibile è iniettato all interno della camera di combustione ed evaporando raffredda l aria aspirata con notevoli vantaggi sul rendimento del motore

3 Il rendimento aumenta perché, a parità di volume si potrà introdurre nel cilindro una maggiore quantità di aria e quindi una maggiore quantità di benzina in condizioni di titolo stechiometrico. I motori alimentati a benzina sono regolati con la valvola a farfalla che adegua il flusso di aria aspirata alle esigenze di coppia motrice, la quantità di carburante iniettato è calcolata per mantenere costante il titolo della miscela = 1. Con l iniezione diretta in teoria è possibile adottare una regolazione analoga al motore a ciclo Diesel. Si può pensare di eliminare la valvola a farfalla e modulare la coppia motrice erogata agendo sulla quantità di benzina introdotta, si ridurrebbero così le perdite di aspirazione con un significativo incremento del rendimento motore. Vedremo successivamente che le problematiche di realizzazione e costi sono tali da limitare drasticamente questa possibilità. Vantaggi L iniezione diretta offre una interessante soluzione e cioè: - rende possibile la STRATIFICAZIONE della carica, ovvero la distribuzione non uniforme del titolo nella camera di combustione. Si può realizzare così il rapporto aria/combustibile (titolo miscela : più basso nelle vicinanze della candela miscela ricca < 1 più elevato nelle zone distanti dalla candela miscela povera > 1 Se si considera la totalità di aria e combustibile presenti nella camera di combustione si possono ottenere sia cariche stechiometriche che cariche magre, si ha così la possibilità di regolare il motore Otto similmente a quello di un Diesel. Questa metodologia di alimentazione oltre sul rendimento volumetrico del motore ha un effetto positivo sui seguenti aspetti della combustione: 1. Detonazione Diminuisce la tendenza alla detonazione grazie alla combustione che si completa in un tempo inferiore. La carica di miscela più distante dalla candela è raggiunta in un tempo inferiore dal fronte di fiamma e non ha tempo per autoaccendersi, inoltre in queste zone la miscela è più povera e la combustione si innesca con maggiore difficoltà. 2. Dispersione ciclica La miscela più ricca nei pressi della candela diminuisce la dispersione ciclica del motore, vale a dire che l istante di innesco della combustione è più sicuro e stabile. Inoltre la combustione è più rapida grazie all innesco più breve dovuto alle condizioni più favorevoli. La carica stratificata permette di realizzare un alimentazione povera lean burn sino ad adottare valori A/F medi fino a 40, con valori di A/F = 1 stechiometrici o inferiori nell intorno degli elettrodi della candela e sempre più elevati in zone più distanti. In questo modo si regola il motore agendo sulla quantità di carburante iniettata lasciando aperta la valvola a farfalla. Rendimento La regolazione tramite la quantità di combustibile iniettata permette di ridurre la parzializzazione della farfalla e di conseguenza le perdite di pompaggio nella fase di aspirazione. Detonazione L eccesso di aria riduce la temperatura all interno della camera di combustione allontanando le condizioni che possono innescare la detonazione In sintesi questa tecnologia migliora i seguenti parametri: Rendimento della combustione Rendimento del riempimento

4 Detonazione L allontanamento delle condizioni di detonazione permette di innalzare il rapporto di compressione, parametro fondamentale sul rendimento motore. L iniezione diretta migliora il rendimento del motore, si trasforma una percentuale maggiore dell energia chimica del carburante in energia meccanica che si traduce in incremento delle prestazioni e/o riduzione dei consumi, tanto più significativa quanto più esteso è il campo di alimentazione con carica povera. Problematiche legate all utilizzo dell iniezione diretta 1. Costo dell impianto più elevato a causa delle pressioni di iniezione più elevate 2. A motore freddo si può avere impingement sulle pareti, ovvero delle frazioni di combustibile si depositano sulle pareti condensando e non bruciando. Si crea così inquinamento dovuto ad idrocarburi incombusti (HC). 3. Quando si inietta in avanzata fase di compressione, parte del combustibile può non riuscire ad evaporare in tempo utile per diffondersi e quando il fronte di fiamma lo incontra, in condizioni di elevata temperatura, si hanno fenomeni di cracking con la generazione di particolato sottile. 4. Nelle condizioni di lean burn, stratificazione con carica molto magra, l elevato eccesso d aria non permette al catalizzatore trivalente la riduzione degli ossidi di azoto. Per questo inquinante si deve ricorrere all adozione di un catalizzatore specifico detto De-NOx. 5. Difficoltà tecnologiche nella realizzazione della pompa di iniezione, causa le scarse caratteristiche lubrificanti della benzina. 6. Gestione e controllo elettronico delle modalità di trattamento degli NOx. 7. L ottenimento ed il controllo della stratificazione della carica sono di difficile realizzazione. 1. Possibili malfunzionamenti del sistema a causa delle incrostazioni che si formano sugli iniettori L iniezione diretta e le competizioni Nei motori da competizione l iniezione diretta è stata applicata con successo dall AUDI sulle vetture impegnate nelle gare di durata, grazie ai ridotti regimi di rotazione imposti per assicurare la necessaria affidabilità. I propulsori impiegati nella 24 ore di le Mans non superano i giri/min. I motori delle F1 possono raggiungere i giri/min così da rendere impossibile adottare questa soluzione. Il posizionamento degli iniettori è così critico in queste applicazioni che

5 vengono collocati all imbocco dei tromboncini di aspirazione, molto lontani dalle valvole, e aperti non appena si ha la chiusura delle valvole nelciclo precedente Trattamento degli NOx A fronte di considerevoli aspetti favorevoli, l iniezione diretta nei motori a benzina è stata introdotta solo recentemente a causa del trattamento dei gas di scarico che non può essere effettuato dal solo catalizzatore trivalente, che ha la massima efficienza quando il motore è alimentato con miscele stechiometriche. Come evidenziato nel grafico, in presenza di miscele con > 1 gli ossidi di azoto non possono essere eliminati. L eccesso di ossigeno rende inefficace il catalizzatore e il tenore degli NOx aumenta soprattutto se si adotta la carica stratificata. Il catalizzatore de-nox Il riciclaggio dei gas combusti non è più sufficiente per abbattere la presenza di NOx e si è dovuto attendere la messa a punto del De-NOx, un catalizzatore che oltre ad assicurare il trattamento degli HC e CO permette lo stoccaggio degli ossidi d azoto e la loro successiva eliminazione, per sfruttare a pieno le possibilità offerte dall iniezione diretta. Il De-NOx è un catalizzatore che contiene platino, palladio e/o rodio con l aggiunta di sali di bario per l accumulo degli ossidi di azoto NOx. Il De-NOx costituisce con il pre-catalizzatore trivalente un sistema integrato che deve essere continuamente monitorato per assicurare l ottimale efficienza di funzionamento. Per il rilievo delle grandezze funzionali del sistema si adottano:

6 una sonda ossigeno lineare a monte del sistema; un sensore di temperatura in uscita dal precatalizzatore; un sensore per il rilievo degli NOx in uscita dal De-NOx. Lo stoccaggio degli NOx Quando il motore lavora con miscela magra nel precatalizzatore il monossido di azoto viene ossidato in NO2 grazie alla presenza di ossigeno in eccesso e del platino. Il biossido di azoto reagendo con i sali di bario dà luogo al nitrato di bario che può essere trattenuto dalle pareti del De-NOx fino a che il catalizzatore si satura e non è più in grado di accumularne. Lo stoccaggio degli ossidi di azoto può essere effettuato solo se la temperatura dei gas di scarico è compresa tra 200 e 500 C. In condizioni di massima emissione di NOx la capacità di accumulo dl De-NOx è saturata ogni 60 secondi. Per la sua rigenerazione a intervalli di un minuto la centralina controllo motore adotta una carica omogenea ricca per circa tre secondi in modo da incrementare le emissioni di CO e HC, che reagendo con gli NO2 accumulati danno luogo a: CO 2 anidride carbonica H 2 idrogeno N 2 azoto. La capacità di accumulo del De-NOx è dimensionata per un funzionamento continuo di 60 secondi con massima emissione di NOx (condizioni di massimo carico). Non sempre queste condizioni vengono mantenute per un intero minuto, quindi la centralina d iniezione calcola in modo continuo la quantità degli ossidi d azoto accumulati a partire dalle seguenti informazioni: modalità di funzionamento motore carico motore ricchezza del titolo miscela velocità veicolo tasso di riciclaggio dei gas di scarico. Lo zolfo e il catalizzatore De-NOx La presenza di zolfo nelle benzine è risultata un ostacolo all adozione del catalizzatore De-NOx.

7 La benzina verde attualmente in commercio presenta un tenore di zolfo di 50 ppm, tranne le superbenzine che sono caratterizzate da un elevato numero di ottano e da 10 ppm di zolfo (ppm = parti per milione). Grazie alla direttiva 2003/17/CE verranno uniformate le normative sulle benzine per tutti i paesi dell Unione e dal 2009 potrà essere commercializzata solo benzina con un tenore di zolfo inferiore a 10 ppm. Lo zolfo contenuto nella benzina analogamente al biossido di azoto reagisce con il bario formando solfato di bario fino a che il De-NOx non è più in grado di accumulare NO2. La centralina controllo motore rileva lo stato di saturazione raggiunto e attiva il ciclo di desolforazione con frequenza maggiore e con diverse caratteristiche per espellere lo zolfo sotto forma di anidride solforosa SO2 Il ciclo per la rigenerazione dei solfati è più lungo, dura circa 2 minuti, durante questo tempo la centralina motore adotta: un ritardo dell anticipo di accensione; una carica omogenea e ricca; in modo che la temperatura dei gas di scarico sia tra i 600 e 700 C e i solfati possano trasformarsi in SO2. La carica stratificata per l iniezione diretta L iniezione diretta permette il funzionamento sia con carica omogenea, come quelli ad iniezione indiretta, sia con carica stratificata, ma solo in delimitate condizioni di regime e carico motore è possibile realizzare quest ultima modalità e regolare il motore con la quantità di carburante iniettata. La figura rappresenta schematicamente la curva caratteristica di un motore con evidenziate le zone con le diverse modalità di funzionamento.

8 A - Pieno carico A pieno carico si effettua l iniezione anticipata. Il combustibile viene iniettato già durante la fase di aspirazione in modo da avere in camera una miscela omogenea stechiometrica o leggermente ricca per ottenere la massima potenza, come nel caso di motori ad iniezione indiretta. B - Carichi medio-bassi In condizione di carico medio-basso si realizza la carica stratificata stechiometrica. Nella camera è presente ovunque miscela aria/combustibile, che è tanto più ricca quanto più è vicina agli elettrodi della candela. In questo modo è possibile accendere una miscela con rapporto A/F anche piuttosto alto. C - Bassi carichi Ai bassi carichi si effettua l iniezione ritardata. Il combustibile è immesso in camera nella fase di compressione e, grazie alle condizioni fluidodinamiche nel cilindro, si realizza la carica stratificata con miscela magra lean burn : stechiometrica o leggermente ricca in prossimità degli elettrodi della candela e titolo decrescente allontanandosi da essa fino ad avere zone con sola aria. Il tempo per il completamento di tale processo è un parametro critico. Infatti, dall istante in cui termina l iniezione a quello dell accensione; il combustibile deve essere introdotto in camera, evaporare e miscelarsi con l aria dando luogo alla carica stratificata. La fluidodinamica interna, la geometria della camera di combustione e la tipologia di iniettore utilizzato risultano determinanti per raggiungere risultati soddisfacenti. Come si stratifica la carica Per realizzare la carica stratificata è necessario adottare iniettori dalle caratteristiche capaci di realizzare lo spray di carburante voluto e conformazioni dei condotti di aspirazione e delle camere di combustione che imprimano alla carica di aria il moto voluto. Di seguito sono illustrate le tipologie di iniettori e le conformazioni del getto alle quali si possono ricondurre le soluzioni attualmente realizzate. Iniettori La scelta del tipo di iniettore da utilizzare è strettamente legata al disegno della camera di combustione, alla forma dei condotti di aspirazione e alla necessità di realizzare la stratificazione della carica. Iniettore Multiforo È dotato di un unico foro chiuso da un ago che fa capo ad una carica dotata di fenditure in

9 numero variabile tra 3 e 5, ognuna delle qualiproduce uno spray conico molto chiuso orientato in una data direzione. La qualità della polverizzazione dipende dal numero e dal diametro dei fori, comunque inferiore a quella degli altri tipi di iniettori, ma permette di ottenere una grande varietà nella forma dello spray in relazione al posizionamento e all orientamento dei fori. La sua criticità è l elevata sensibilità alla formazione di depositi carboniosi che ne altera il funzionamento, tanto più se il diametro dei fori è piccolo. Fig Iniettore multiforo Iniettore Swirl Gli iniettori di tipo swirl imprimono al combustibile un moto rotatorio attorno all asse dell iniettore. Il getto assume forma conica, con una zona conica vuota al suo interno, mentre il moto rotatorio dello spray permette una buona polverizzazione della benzina anche con pressioni di iniezione relativamente basse. L apertura del cono è molto sensibile alla quantità iniettata e alla pressione dell ambiente di iniezione. Per realizzare la stratificazione, questo tipo di iniettore viene posto in posizione laterale nella camera di combustione ed è abbinato a particolari geometrie del cielo dello stantuffo e talvolta a condotti di aspirazione di forma non convenzionale. Fig Iniettore swirl Iniettore Pintle Gli iniettori di tipo pintle, a differenza degli swirl, si aprono verso l esterno come una valvola a fungo e richiedono alzate molto piccole dell ordine di qualche decina di micron con forze di attuazione più elevate; per questo sono particolarmente adatti ad un attuazione di tipo piezoelettrica. Il getto, costituito da una sottilissima lamina liquida che delimita all interno una zona di vuoto con forma conica, è molto più stabile che negli iniettori di tipo swirl perché la sua forma è legata alla geometria della punta dell iniettore.

10 Fig Iniettore pintle Il controllo della carica Le modalità per realizzare la stratificazione della carica si possono classificare in tre categorie: a flusso guidato, a turbolenza, a iniezione guidata. La distinzione tra queste soluzioni è puramente teorica e spesso non è possibile classificare un caso reale in una singola categoria, ma in una combinazione delle tre. A flusso guidato In questa soluzione, lo spray viene guidato dalle superfici della camera di combustione, in particolare da quelle del pistone. La benzina viene iniettata in fase di compressione e indirizzata sulla parete dello stantuffo che la convoglia verso gli elettrodi della candela. Una frazione di carburante bagna le pareti con tutti gli svantaggi conseguenti, in particolare si avrà una elevata concentrazione allo scarico di idrocarburi incombusti perché la benzina toccando le pareti si raffredda e difficilmente si riesce ad avere un evaporazione completa, specie a motore freddo. Fig Carica a flusso guidato A turbolenza Questa soluzione nasce per risolvere i problemi del metodo precedente, infatti si cerca di interporre uno strato d aria tra le pareti e lo spray in modo da evitare il contatto diretto. Lo spray quindi verrà guidato dai moti dell aria in camera di combustione, per cui è necessario prevedere e controllare correttamente l entità degli stessi in modo da garantire una stratificazione stabile.

11 Fig Carica a turbolenza A iniezione guidata Con questo metodo il confinamento dello spray in un area delimitata è affidato alla geometria dell iniettore di tipo pintle o multiforo, in ogni caso lo spray generato non è del tutto stabile e insensibile ai moti dell aria ma risente dei campi di moto presenti in camera di combustione. Pertanto la stratificazione della carica si realizza con una soluzione mista tra questa e quella con lo spray guidato dalla turbolenza. Fig Carica guidata La gestione dei motori FSI con iniezione diretta

12 Questi sistemi eseguono la gestione motore basata sulla coppia, pertanto tutte le richieste di coppia sono oggetto di calcolo e vengono analizzate e realizzate in modo coordinato. Vi sono forti limitazioni all adozione della carica stratificata in un ampio campo di funzionamento del motore: ai carichi elevati si formerebbe una zona estremamente ricca tale da innescare combustioni incomplete con la formazione di fuliggine; ai regimi elevati l elevata turbolenza della carica d aria e i tempi ridotti impedirebbero la stratificazione e il trasporto della carica alla candela. Il funzionamento in stechiometrico è limitato al di sotto di 3000 giri/min e ai carichi ridotti. La curva A rappresenta le condizioni di marcia a velocità costante in piano con il rapporto di marcia superiore, risulta evidente che solo a velocità contenute e adottando una marcia priva di brusche accelerate è possibile il funzionamento prolungato con carica stratificata o comunque in omogenea magra.

13 Una rapida fase di accelerazione per raggiungere velocità di marcia superiori porta il motore fuori dalle condizioni di funzionamento in stratificato e il passaggio al regime di omogeneo stechiometrico. Solo un successivo rallentamento è in grado di ricondurre il funzionamento del motore nelle condizioni di stratificato e usufruire dei migliori rendimenti che questo sistema può fornire. La carica stratificata nei motori FSI Quando è attivata questa modalità, il motore è regolato principalmente con la quantità di carburante iniettata e la farfalla di regolazione DBW resta aperta per ridurre le perdite di carico in aspirazione. La centralina controllo motore attiva la modalità di carica stratificata se: Il funzionamento del motore è nel campo per la modalità di carica stratificata. La temperatura del liquido motore deve superare i 50 C. Il sistema di trattamento dei gas di scarico deve essere efficiente. La temperatura del catalizzatore, De-NOx deve essere compresa tra i 250 C e 500 C. La farfalla parzializzatrice del condotto di aspirazione deve essere chiusa. Introduzione aria con flusso guidato tumble La stratificazione è realizzata con il flusso guidato. L iniettore è posizionato con una forte inclinazione rispetto all asse verticale in modo che la carica stratificata si formi grazie al moto tumble dell aria che ha la caratteristica di ruotare nel verso opposto rispetto alla direzione del getto di benzina. La farfalla posta in ciascun condotto di aspirazione che devia il flusso di aria in ingresso insieme alla conformazione del pistone e delle pareti della camera di combustione permettono di confinare la carica in prossimità della candela. Il carburante viene iniettato al completamento della fase di compressione poco prima dell istante di accensione. Tra l istante di iniezione e quello di accensione il moto turbolento dell aria trasporta la nuvola di

14 miscela verso gli elettrodi della candela. L iniezione così ritardata non permette la diffusione della carica nell intera camera di combustione, quindi la zona con miscela ricca resta distinta dal campo restante con titolo molto magro. In questa zona l elevata presenza di aria e quindi di ossigeno causa elevata emissione di NOx che vengono contenuti adottando tassi di EGR elevati, fino al 35%. Apertura iniettore L iniettore viene aperto nell ultimo terzo del ciclo di compressione, prima del P.M.S. Il getto è indirizzato nell incavo del pistone e trasportato insieme al vortice di aria verso gli elettrodi della candela. Localmente si forma una miscela molto ricca. La farfalla del condotto di aspirazione chiude il canale inferiore. L aria guidata dal condotto superiore accelera, entra nella camera di combustione, incontra il cielo del pistone e assume un moto vorticoso di risalita tumble. Formazione miscela I moti vorticosi hanno raccolto la carica intorno agli elettrodi della candela e la combustione si innesca rapidamente, anche in presenza di gas di scarico reintrodotti dal sistema EGR.

15 Combustione miscela La combustione si propaga a tutta la carica che resta confinata lontana dalle pareti del cilindro dall aria residua che non partecipa alla reazione. La carica omogenea ( = 1) nei motori FSI Con regimi e coppie elevate il motore è alimentato con miscela omogenea e stechiometrica = 1. Il carburante è iniettato durante la fase di aspirazione in modo che le turbolenze innescate nell aria aspirata possano distribuirlo uniformemente in tutto il cilindro. Si realizzano così condizioni del tutto analoghe a quelle ottenute con l iniezione indiretta. Regolazione con farfalla DBW In queste condizioni la farfalla parzializzatrice è aperta e la regolazione del motore è affidata alla posizione della farfalla del DBW.

16 Fase aspirazione carburante L iniettore è aperto durante la fase di aspirazione 300 prima del PMS, il carburante iniettato con dosatura stechiometrica si diffonde nel cilindro. Fase di compressione Durante la fase di compressione le turbolenze distribuiscono uniformemente la carica, prima dell innesco della scintilla si realizzano condizioni del tutto analoghe a quelle ottenute con l iniezione indiretta Fase di combustione La combustione si innesca e propaga in tutta la carica presente nella camera.

17 La carica omogenea povera ( = 1,55) Ai carichi intermedi di transizione tra il campo di stratificato e quello di omogeneo stechiometrico, la centralina MED alimenta il motore con modalità omogenea ma con titolo povero = 1,55. Attiva la valvola per parzializzare il condotto di aspirazione in modo da generare la turbolenza necessaria alla diffusione del carburante iniettato. Fase aspirazione aria con flusso guidato In queste condizioni la farfalla del DBW è in posizione di massima apertura mentre la farfalla è comandata in apertura per ostruire il condotto di alimentazione e generare turbolenza. Fase di iniezione carburante L iniettore è aperto durante la fase di aspirazione 300 prima del PMS, il carburante iniettato con dosatura povera = 1,55 può diffondersi all interno del cilindro.

18 Fase di compressione Durante la fase di compressione, le turbolenze distribuiscono uniformemente la carica formando una miscela omogenea in tutta la camera. Fase di combustione La combustione si innesca e propaga in tutta la carica presente nella camera analogamente alle condizioni di omogeneo stechiometrico. La doppia iniezione

19 C è un ulteriore modalità di iniezione adottata a bassi giri e con carichi elevati. Per evitare fenomeni di detonazione si stratifica la carica suddividendo la quantità di carburante iniettata in due fasi. L iniezione avviene in due tempi Prima iniettata Il 75% del carburante è iniettato durante la fase di aspirazione (330 prima del PMS) per realizzare una carica omogenea magra. Seconda iniettata Il restante 25% è introdotto nella fase di compressione (80 prima del PMS) per ottenere una carica ricca intorno agli elettrodi della candela. In queste condizioni la combustione si innesca molto velocemente nella zona ricca per procedere poi in tutta la restante carica. Doppia iniezione per riscaldamento catalizzatore

20 Alla doppia iniezione si ricorre anche per innalzare la temperatura dei gas di scarico, per ridurre in avviamento i tempi di riscaldamento del precatalizzatore. In questo caso, la centralina controllo motore adotta diversi valori della fasatura di iniezione in funzione delle condizioni ambientali e dei limiti di emissione imposti Alimentazione Aria La regolazione del motore mediante carica stratificata ha richiesto l introduzione di dispositivi del controllo del flusso di aria e adeguate soluzioni sono state adottate per compensare l assenza della depressione dovuta all apertura della valvola a farfalla anche ai carichi parziali. Partendo dalla motorizzazione 1.4 da 77 kw, saranno evidenziate le differenti soluzioni adottate sui più recenti motori di 1.6 cc e 2.0 cc. Carica stratificata e depressione collettore

21 Ai carichi motore medi e bassi, in condizione di carica stratificata la farfalla del DBW (2) viene comandata in posizione di massima apertura e pertanto non si genera depressione nel collettore di aspirazione. Su questo motore all interno del collettore di aspirazione realizzato in fusione è stato introdotto una camera ad esso collegata tramite un condotto intercettato da una valvola unidirezionale (5). Legenda 1 Valvole parzializzatrici 2 Volume di accumulo depressione 3 Potenziometro valvole parzializzatrici 4 Valvola unidirezionale 5 Elettrovalvola comando valvole parzializzatrici 6 Attuatore pneumatico valvole parzializzatrici La depressione immagazzinata è necessaria per l attuatore pneumatico delle portelle parzializzatrici, il volume è dimensionato per poterne garantire il comando di circa quattordici cicli di apertura. Anche il cilindro del servofreno è collegato a questa camera, l azionamento ripetuto del freno in condizioni di carica stratificata causa la perdita della depressione accumulata Sensore della depressione FSI

22 Un sensore dedicato rileva la pressione al suo interno e quando è superata una data soglia, la centralina controllo motore comanda la chiusura parziale della farfalla in modo che si generi depressione nel cassoncino di aspirazione. In condizioni critiche il sistema commuta in modalità omogenea. Al servofreno occorre una determinata depressione per raggiungere rapidamente la piena forza frenante. Nel funzionamento a carica stratificata o con carica omogenea povera, la farfalla del DBW è nella posizione di massima apertura e nel collettore non si genera una forte depressione. Se il freno viene azionato ripetutamente in rapida successione la depressione presente nel servofreno non è più sufficiente. In questo caso la centralina controllo motore dal rilievo del sensore di pressione chiude leggermente la farfalla e se le condizioni sono tali da richiedere un comando più efficace dell impianto frenante commuta al funzionamento omogeneo. Valvole parzializzatrici 1.4 / 1.6 FSI Le quattro valvole che parzializzano i condotti di aspirazione in regime di stratificato sono comandate da un attuatore pneumatico a depressione. Come detto la depressione necessaria è conservata in un volume di accumulo e resa disponibile quando in condizioni di carica stratificata la valvola a farfalla del DBW è posizionata alla massima apertura. Un elettrovalvola comandata in PWM dalla centralina controllo motore mette in comunicazione la depressione con l attuatore pneumatico delle farfalle. Il segnale trasmesso dal potenziometro collegato al cinematismo delle farfalle permette alla centralina di effettuare la diagnosi del loro corretto funzionamento.

23 Il calcolo del carico motore FSI Per ottenere il corretto valore del carico del motore viene impiegato un misuratore della massa d aria con riconoscimento della direzione del flusso per permettere il rilievo della massa d aria che rifluisce a causa dell apertura e della chiusura delle quattro valvole parzializzatrici che perturbano il moto della colonna d aria entrante. Il misuratore integra il sensore per la temperatura dell aria per la correzione del dato calcolato. Su questo dato vengono determinate le funzioni dipendenti dal carico motore quali il tempo di iniezione, il punto di accensione, il recupero dei vapori benzina.. Sensore pressione assoluta 1.4 FSI Il segnale proveniente da questo sensore, posto sul collettore di aspirazione, unitamente alla misurazione della massa aria aspirata è fondamentale per il calcolo del carico motore. Il suo rilievo è utilizzato per la verifica della percentuale di gas provenienti dal sistema EGR.

24 Il sensore di pressione assoluta non integra l NTC per la misura della temperatura dell aria. Corpo farfallato motorizzato DBW In tutte le motorizzazioni esaminate è presente un corpo farfallato motorizzato DBW per la regolazione della coppia motrice all interno del campo di regolazione con carica omogenea stechiometrica. Tutti questi sistemi, integrano un doppio potenziometro per la verifica della posizione raggiunta dalla farfalla. Si ricorda che in condizioni di funzionamento del motore con carica stratificata la farfalla viene comandata nella posizione di massima apertura. Sistema EGR Sui motori FSI per il contenimento della produzione di ossidi di azoto è necessaria una quantità di gas di scarico in ricircolo più elevata che sui motori tradizionali. Infatti la combustione in un motore alimentato con carica stratificata avviene in presenza di eccesso di ossigeno, condizione ideale per la formazione degli NOx.

25 Il corpo della valvola EGR integra: la valvola a farfalla EGR Il motorino elettrico comando farfalla Il potenziometro posizione farfalla EGR I gas combusti sono prelevati dal collettore di scarico del quarto cilindro e diluiti nell aria di aspirazione in funzione della posizione assunta dalla farfalla comandata dal controllo motore. Il potenziometro rileva la sua effettiva posizione raggiunta. Le zone di intervento dell EGR Si possono individuare due zone dove si ricorre all EGR per contenere le emissioni di NOx. Legenda 1 Omogeneo = 1 2 Omogeneo = 1 con EGR 3 Omogeneo povero = 1,55 4 Stratificato povero con EGR Su questi sistemi si raggiungono tenori di EGR sino al 35%. Per estendere a questi limiti l utilizzo dei gas combusti è necessario determinare il più esattamente possibile la quantità effettivamente reintrodotta nel collettore di aspirazione. Questo calcolo viene effettuato con modalità diverse sulle motorizzazioni esaminate. La misurazione dell EGR 1.4 FSI La presenza del misuratore massa aria permette di rilevare direttamente la quantità di aria fresca in ingresso, partendo da questo dato la centralina calcola la pressione generata all interno del collettore di aspirazione. Il ricircolo di gas di scarico aumenta la massa presente nel collettore e di conseguenza la

26 pressione al suo interno. La centralina dal dato proveniente dal sensore pressione assoluta, risale alla massa formata da aria e dai gas di scarico. Da questa quantità complessiva detrae la massa di aria fresca ottenendo così quella dei gas combusti effettivamente ricircolati. Raffreddamento della valvola EGR La valvola EGR è posizionata vicino al collettore di scarico, pertanto per contenere la temperatura di esercizio; una diramazione del circuito raffreddamento motore provvede allo smaltimento del calore in eccesso. Variatore fase di aspirazione Per ottimizzare il riempimento dei cilindri ed estendere il campo di utilizzo dell EGR, queste motorizzazioni ricorrono alla fasatura variabile continua dell albero a camme dell aspirazione adottando due sistemi distinti. In entrambi i casi l angolo di inizio apertura delle valvole può essere anticipato di un valore massimo di 20 corrispondenti a 40 dell albero motore. La regolazione dell apertura delle valvole di aspirazione permette di incrementare la coppia motrice e il tasso di EGR.

27 Variatore fase di aspirazione 1.4 FSI Il motore 1.4 FSI è dotato di un regolatore continuo a dentatura obliqua per la fasatura delle valvole di aspirazione, che viene attivato al di sopra dei 1000 giri/min in funzione del carico motore. Legenda 1 Albero a camme aspirazione 2 Ruota dentata 3 Cilindro con dentatura obliqua 4 Pistone con dentatura obliqua Il regolatore è azionato dalla pressione dell olio lubrificante che fa traslare longitudinalmente un pistone che si impegna su una dentatura obliqua, lo spostamento si trasforma così in una rotazione della puleggia dell albero a camme. Un elettrovalvola alloggiata sulla scatola della distribuzione collegata al circuito dell olio motore, convoglia il lubrificante in pressione alle camere adiacenti al pistone del regolatore in base alla posizione assunta dalla valvola. La valvola ha 4 collegamenti è può assumere 3 posizioni: 1 Ritardo 2 Anticipo 3 Arresto Regolazione RITARDATA L olio entra nel regolatore di fase attraverso il canale A e spinge il pistone nella direzione di arresto sino al raggiungimento della posizione prevista. Il lubrificante presente sull altra faccia del pistone defluisce nella testata attraverso il canale B.

28 Regolazione ANTICIPATA L olio entra nel regolatore di fase attraverso il canale B e spinge il pistone nella direzione di arresto sino al raggiungimento della posizione prevista. Il lubrificante presente sull altra faccia del pistone defluisce nella testata attraverso il canale A. Posizione di ARRESTO Raggiunta la posizione prevista, la valvola chiude i canali A e B e l olio resta bloccato all interno delle due camere mentre l angolo di regolazione dell albero a camme di aspirazione resta nella posizione calcolata. In avvio motore, l olio non ha pressione sufficiente per tenere in posizione il pistone. Per ridurre la rumorosità del regolatore una molla spinge il pistone nella condizione di massimo ritardo.

29 Variatore fase di aspirazione FSI Legenda 1 Albero distribuzione aspirazione 2 Ruota dentata comando distribuzione 3 Statore 4 Rotore 5 Perno di bloccaggio statore-rotore 6 Vite di fissaggio su albero a camme Il variatore adottato sulle motorizzazioni è costituito da un rotore sagomato con quattro lobi solidale all albero a camme di aspirazione e da uno statore sagomato con quattro vani solidale alla ruota dentata trascinata dalla catena di distribuzione. Ai due lati di ciascun lobo si creano due vani, uno d anticipo e uno di ritardo, la posizione tra le due sezioni è determinata dall olio motore in pressione introdotto dalla valvola di comando in questi vani. La pressione dell olio che entra nei quattro vani imprime una rotazione al rotore e l olio presente nei vani attigui viene scaricato nella testa cilindri, si ottiene così il posizionamento dell albero a camme con l anticipo di fasatura voluto. Se l olio motore entra alternativamente in un vano e nell altro in modo continuativo e per uno stesso tempo, si ha un equilibrio dinamico delle pressioni ai due lati d ogni lobo e il rotore resta fermo.

30 Durante la fase d avviamento, la bassa pressione dell olio non può garantire la posizione fissa relativa tra le due parti, un perno sotto la spinta di una molla blocca il variatore su una posizione ottimale per il funzionamento del motore, quando l olio lubrificante raggiunge la pressione di esercizio vince l azione della molla e il perno rientra nella sua sede permettendo la rotazione tra le due parti. Elettrovalvola di comando variatore VVT L afflusso dell olio motore viene attuato da una elettrovalvola a cassetto che mette in comunicazione i canali dell olio presenti con i vani di anticipo o ritardo. L avvolgimento dell elettrovalvola, eccitato dai segnale di comando in duty-cicle, sposta lo stantuffo della valvola a cassetto che dirotta l olio nei vani di anticipo e lo scarica da quelli di ritardo. Con un comando opportuno possono essere alimentati contemporaneamente entrambi i vani per mantenere costante la fasatura raggiunta. Attuazione ritardo distribuzione Quando la centralina controllo motore invia il segnale di ritardo, la valvola a cassetto trasla nel verso opposto dando la possibilità all olio in pressione di riempire il vano di ritardo e il rotore assume la posizione che realizza l angolo di fasatura richiesto.

31 Attuazione anticipo distribuzione Quando la centralina controllo motore invia il segnale d anticipo per riportare l albero a camme nella configurazione iniziale, la valvola a cassetto trasla dando la possibilità all olio in pressione di riempire il vano lato anticipo imprimendo al rotore lo spostamento angolare voluto. Attuazione tenuta posizione distribuzione Quando il rotore ha raggiunto la posizione impostata, la centralina mantiene la valvola di controllo nella posizione statica sino a che le condizioni di guida non richiederanno una nuova fasatura per l ottimale rendimento del motore. Alimentazione carburante Per l iniezione diretta nei motori a benzina si è adottato un impianto che schematicamente può essere ricondotto a quanto realizzato nei motori diesel common rail, dove è possibile individuare due sezioni distinte: Un tratto a bassa pressione alimentato da una pompa elettrica con un sistema per la limitazione della pressione raggiunta e l insorgenza del vapor lock. Una sezione ad alta pressione alimentata da una pompa volumetrica dotata di un sistema per la rilevazione della pressione raggiunta, la regolazione e la limitazione della pressione massima.

32 Per migliorare le prestazioni complessive del sistema, tra la prima applicazione del FSI sul motore 1.4 e quella dei più recenti 1.6 e 2.0, sono state introdotte significative modifiche e innovazioni che verranno di seguito illustrate. Vapor lock - Formazione di bolle di vapore nell impianto di alimentazione in presenza di alte temperature. Le benzine contengono una notevole percentuale di componenti molto volatili che facilitano l avviamento a freddo. Questa volatilità non deve essere eccessiva perché altrimenti favorirebbe la formazione di bolle di vapore a causa del calore presente nel vano motore, il vapor lock. Per rendere più efficiente il sistema di alimentazione, sui motori 1.6 e 2.0, sono state apportate diverse modifiche tra cui l adozione di una pompa elettrica comandata in PWM (per la bassa pressione) e quella di una pompa monocilindrico con regolatore di portata (per l alta pressione) per raggiungere la pressione impostata dal controllo motore. Per le soluzioni adottate questo impianto è detto intelligente. Legenda 1 Centralina MED Centralina rete di bordo 3 Centralina di pilotaggio pompa carburante 4 Pompa carburante 5 Filtro con limitatore di pressione a 6.8 bar 6 Sensore bassa pressione 7 Pompa alta pressione con regolatore 8 Sensore alta pressione 9 Limitatore di pressione max 120 bar Elettropompa carburante La pompa elettrica, immersa nel serbatoio è inserita nel cestello integrante il sensore di livello, è comandata con segnale PWM da una centralina dedicata alloggiata sul coperchio della pompa.

33 Questa soluzione è stata adottata come conseguenza della scelta di ricorrere a una pompa di alta pressione con regolatore di portata e riflusso del carburante in eccesso sullo stesso condotto di alimentazione di bassa pressione. Quando la pompa di alta pressione comprime tutta la portata di carburante proveniente dal ramo di bassa, non si ha riflusso e di conseguenza la pompa elettrica lavora alla massima portata. Quando la pompa di alta pressione utilizza solo una parte del carburante ricevuto, dirotta l eccesso nel ramo di bassa pressione e la pompa elettrica deve adeguare la pressione fornita al ramo di bassa per poter permettere il riflusso. Pertanto la pompa di alimentazione deve essere in grado di adeguare la portata fornita al sistema, e di conseguenza la pressione nel ramo di bassa, in funzione del punto di funzionamento del regolatore di portata integrato nella pompa di alta pressione. La richiesta del controllo motore perviene alla centralina della pompa carburante sotto forma di un segnale PWM con frequenza di 20 Hz, la centralina della pompa genera a sua volta un segnale PWM con frequenza di 20 khz per il comando della pompa carburante per raggiungere la pressione richiesta. Questa soluzione assicura i seguenti vantaggi: minore potenza assorbita, la pompa carburante alimenta sempre con la quantità di carburante necessaria al motore; minore riscaldamento del carburante, viene compressa solo la quantità di carburante necessaria; riduzione della rumorosità soprattutto al regime minimo. Conseguenze in caso di interruzione del segnale. Se viene a mancare il segnale PWM alla pompa carburante il motore si arresta e nel caso della sostituzione della centralina della pompa è necessario eseguirne il suo riconoscimento (adattamento componente da tester diagnosi) perché possa interfacciarsi correttamente al controllo motore. Con questa soluzione, in condizioni normali la pressione nel ramo di bassa non è più costante ma varia da 0,5 a 5 bar in funzione della richiesta del controllo motore. Inoltre l adozione della pompa comandata in PWM rende non necessaria la valvola di chiusura, è sufficiente adeguare il segnale PWM di comando nel caso di: avviamento a freddo, per portare più rapidamente in pressione tutto il circuito di alimentazione

34 e garantire una partenza più rapida; avviamento a caldo, per impedire la formazione di bolle di vapore nel circuito. Sensore Bassa Pressione Il sensore, incorporato nella tubazione di mandata alla pompa carburante di alta pressione, rileva la pressione in questo tratto che viene limitata a 4 bar nelle condizioni di normale funzionamento, mentre in fase di avviamento a freddo e con temperatura motore elevata questo valore è spostato a 5 bar. Pompa alta pressione La pompa radiale a tre pistoni si è rilevata inefficiente per queste applicazioni, il lavoro dissipato per la compressione del carburante è eccessivo se confrontato con i vantaggi ottenibili con l iniezione diretta. Nelle più recenti applicazioni è stata adottata una pompa con un unico pistone comandato da una doppia camma ricavata nell albero di distribuzione.

35 Legenda 1 Eccentrico pompa 2 Albero a camme aspirazione 3 Pompa alta pressione 4 Regolatore di portata carburante La pompa ad alta pressione e del tipo monocilindrico a dosaggio controllato consente di pompare carburante nel ripartitore in funzione delle condizioni di carico del motore. Si riduce così la potenza dissipata della pompa e di conseguenza si riducono i consumi Legenda 1 Ramo bassa pressione 2 Ramo alta pressione 3 Linea per lubrificazione 4 Pistone pompa 5 Regolatore portata 6 Valvola di aspirazione 7 Smorzatore Per il dosaggio del carburante da comprimere, la centralina controllo motore apre la valvola di regolazione integrata nella pompa determinando così l inizio della fase di compressione. II carburante in eccesso rifluisce nella linea di mandata verso il lato di bassa pressione, per non ostacolare questo riflusso è necessaria l adozione della pompa di alimentazione con comando modulabile. Aspirazione carburante

36 Durante la corsa di aspirazione lo spillo della valvola di regolazione portata è in posizione di chiusura, la depressione creata dal pistone durante la corsa di discesa apre la valvola di aspirazione e ii carburante fluisce nella camera della pompa. La pressione in questa camera è circa pari a quella presente nel circuito di alimentazione a bassa pressione. Il diagramma riporta in alto la corsa del pistone mentre la linea in basso rappresenta l andamento della pressione che durante questa fase resta pressoché pari a quella di alimentazione. Regolazione quantità carburante Per adeguare la quantità di carburante alla richiesta del controllo motore, all inizio della corsa di risalita del pistone viene comandata la valvola di regolazione, lo spillo raggiunge la posizione di apertura e il carburante in eccesso rifluisce nella sezione a bassa pressione. Con l arresto del comando lo spillo si chiude e può iniziare la fase di compressione. In questa fase si generano onde di pressione compensate dallo smorzatore e dallo strozzamento presente nel tubo di mandata carburante. A meno delle perdite durante la fase di regolazione, la pressione nella camera di compressione è ancora circa uguale a quella del ramo di bassa pressione.

37 I due grafici evidenziano la suddivisione della corsa di risalita del pistone della pompa in due tratti, il primo di regolazione e il secondo di compressione. Nel grafico superiore il riflusso di carburante è più consistente che nel grafico inferiore. Compressione del carburante Completata la corsa per il dosaggio del carburante, l elettrovalvola di regolazione viene alimentata e lo spillo della valvola chiude il passaggio del riflusso. La restante corsa di alzata del pistone incrementa la pressione del carburante sino al superamento di quella presente nel ripartitore di carburante, la pressione permette l apertura della valvola e il carburante viene inviato al ripartitore.

38 Nei due grafici è visibile come a una corsa di regolazione ridotta corrisponde una corsa di compressione più estesa con conseguente incremento della quantità di carburante trattata e della pressione raggiunta. Limitatore di pressione Non essendo presente il regolatore di pressione sul rail, si ricorre a una valvola limitatrice che scarica il carburante verso il serbatoio nel caso si superi il valore massimo di 120 bar.

39 Sensore pressione carburante Il sensore fornisce alla centralina controllo motore il valore della pressione raggiunta nel ripartitore carburante e in base a questo segnale agisce sulla valvola di regolazione della portata in modo da modulare la pressione tra 30 e 110 bar. In caso di assenza del segnale, la centralina controllo motore comanda la valvola di regolazione della portata con un segnale fisso di recovery Elettroiniettore. L iniettore è il componente centrale del sistema ad iniezione diretta, deve garantire sia tempi di

40 iniezione contenuti entro i 5 ms, che la generazione del getto con precise caratteristiche geometriche e dinamiche. La loro realizzazione deve far fronte sia all esigenza della riduzione degli ingombri imposta dagli spazi ridotti nelle testate plurivalvole, che alle pressioni di esercizio che raggiungono i 120 bar. Il grafico mette in risalto i tempi di apertura di un iniettore per iniezione indiretta e uno per iniezione diretta. Gli iniettori adottati sono di tipo swirl, generano un getto conico rotante con il vuoto al suo interno. Questo moto rotatorio è impresso dalle microcamere prossime al foro di uscita collegato ad esso da condotti tangenziali visibili nell immagine

41 I ridotti tempi a disposizione richiedono il rapido sollevamento dello spillo dell iniettore, per questo, dopo una breve premagnetizzazione ottenuta dalla corrente di preeccitazione, il solenoide dell iniettore è alimentato con una tensione di circa 90 V che genera una corrente di attrazione di circa 10 A, raggiunta la massima apertura lo spillo è tenuto in posizione dalla corrente di tenuta di intensità di 3-4 A. Modalità di iniezione Per quanto detto la fasatura di iniezione assume valori molto diversi in funzione della modalità di alimentazione decisa dalla centralina controllo motore. Con carica omogenea il carburante è iniettato all inizio della fase di aspirazione, con angoli di anticipo superiori ai 300.

42 Con carica stratificata l iniezione avviene durante la fase finale della corsa di compressione, prima del raggiungimento del PMS. Esiste un ulteriore modalità di iniezione adottata nelle seguenti condizioni: Per arricchire la carica ad elevati carichi con regimi motore non elevati. Per innalzare la temperatura dei gas di scarico per la desolfatazione del De-NOx. Per l arricchimento miscela la carica è suddivisa in due frazioni. La prima pari a circa il 75% è iniettata con ampio anticipo per realizzare l omogenizzazione della carica. La seconda pari al restante 25% è iniettata in modo da essere indirizzata in prossimità degli elettrodi della candela e trovare le migliori condizioni per la combustione. La desolfatazione del De-NOx richiede temperature superiori ai C che devono essere raggiunte rapidamente. Anche in questo caso si suddivide in due frazioni il carburante da iniettare con angoli di fasatura inusuali.

43 La prima iniezione avviene durante la corsa di risalita del pistone, circa 80 prima del PMS, la quantità introdotta varia in funzione dell incremento di temperatura richiesto ed è comunque la frazione maggiore. La frazione restante è introdotta durante la corsa di espansione, circa 50 dopo il PMS. Si generano così molti HC e CO che completano la loro combustione nel precatalizzatore, incrementando così la temperatura dei gas di scarico entro i limiti tollerati dall elemento catalitico. Recupero vapori canister Su questi motori il recupero dei vapori benzina solleva problemi non presenti con la tradizionale iniezione indiretta. La necessità di liberare dai vapori benzina il filtro a carbone attivi condiziona il funzionamento con carica stratificata. In questa modalità il carburante è concentrato in una zona limitata a ridosso degli elettrodi della candela circondata da una zona di aria e gas combusti ricircolati. Se venisse aperta la valvola canister i vapori benzina sarebbero aspirati con l aria e rimarrebbero nella zona esterna alla carica stratificata, la combustione non trovando condizioni ottimali procede con difficoltà con incremento del tasso di HC allo scarico.

44 Pertanto quando il serbatoio canister è saturo ed è necessario rigenerarlo, il sistema non può adottare la stratificazione della carica. Mentre durante il funzionamento con cariche omogenee siano esse stechiometriche o povere, non vi sono controindicazioni al ricircolo dei vapori benzina provenienti dal canister. La centralina controllo motore calcola quanto carburante può essere presente nel serbatoio a carboni attivi, per il suo lavaggio comanda l elettrovalvola canister, adegua la quantità di carburante da iniettare e comanda la valvola a farfalla del DBW per generare la depressione necessaria per facilitare il flusso dei vapori benzina. Per eseguire adeguatamente questa operazione sono necessari i seguenti parametri: Carico del motore Regime motore Temperatura aria aspirata Riempimento effettivo del canister. Quest ultimo dedotto dal rilievo della sonda lambda lineare successiva all apertura della valvola Canister Circuito elettrico ed elettronico Sensore giri e pms Il sensore ad effetto Hall è affacciato ad una ruota polarizzata con 60 settori, di cui due mancanti,

45 per il riconoscimento del P.M.S. L elaborazione del segnale permette di calcolare la velocità media angolare del motore e di rilevare le accelerazioni impresse all albero motore da ogni singolo cilindro durante le fasi d espansione e di dedurre l eventuale insorgenza di misfiring. Su questi motori la ruota fonica di dimensioni ridotte, non è direttamente visibile in quanto è posizionata internamente alla corona del volano. Risulta comunque agevole l accesso al sensore per un eventuale intervento. Sensore di fase Il sensore ad effetto Hall montato in corrispondenza della puleggia di comando albero distribuzione lato aspirazione è formato da un rotore a diaframmi che funge da interruttore del campo magnetico generato da una parte fissa. Il sensore, alimentato a 5V dalla centralina, fornisce in uscita un segnale alto in presenza del campo magnetico, un segnale basso quando il rotore a diaframmi blocca il campo magnetico. Sensore temperatura acqua In tutte le motorizzazioni in esame sono presenti due sensori NTC per il rilievo della temperatura del liquido di raffreddamento: Uno collocato sul ripartitore del circuito. Uno collocato sull uscita dal radiatore di raffreddamento. Questo doppio rilievo è necessario per poter adottare le migliori strategie per l attivazione

46 delle elettroventole di raffreddamento e adeguare l iniezione allo stato termico del motore. Sonda Lambda a monte e a valle CARATTERISTICHE E' montata sul tratto anteriore della tubazione di scarico ed informa la centralina di iniezione sull'andamento della combustione (rapporto stechiometrico). La centralina elettronica identifica la composizione della miscela (magra o ricca) dalla tensione di uscita della sonda lambda. Essa adegua la quantità di combustibile iniettato in modo da garantire una composizione ottimale della miscela (l = 1), per creare condizioni ideali per il trattamento dei gas di scarico nel convertitore catalitico. Se la miscela è troppo ricca (l < 1) la quantità di combustibile deve essere ridotta e se la miscela è troppo magra (l > 1), la quantità di combustibile deve essere aumentata. a, Miscela ricca (mancanza aria) b, Miscela magra (eccesso di aria) La sonda lambda, posta a contatto con i gas di scarico, genera un segnale elettrico, il cui valore di tensione, dipende dalla concentrazione di ossigeno presente nei gas stessi. Questa tensione è caratterizzata da una brusca variazione quando la composizione della miscela si discosta dal valore l = 1. COSTITUZIONE La parte sensibile della sonda è costituita da un corpo ceramico (1), a base di biossido di zirconio, rivestito da uno strato di platino chiuso ad una estremità, inserito in un tubo protettivo (2) ed alloggiato in un corpo metallico (3). La parte esterna (b) del corpo ceramico è esposta alla corrente dei gas di scarico, mentre la parte interna (a) è a contatto con l'aria ambiente.

47 FUNZIONAMENTO Il funzionamento della sonda si basa sul fatto che, con temperature superiori a 300 C, il materiale ceramico diventa conduttore di ioni ossigeno. Di conseguenza, in funzione della differenza in percentuale, della quantità di ossigeno sui lati (a, b) del corpo ceramico, si genera tra le due estremità una tensione, che è indice della differenza di ossigeno tra i due ambienti. Quando la sonda fornisce un livello basso di tensione (inferiore ai 200 mv) la centralina riconosce che il titolo è magro (lambda > 1) e provvede ad aumentare la quantità di carburante iniettato. Quando la sonda fornisce un livello alto di tensione (superiore a 800 mv) la centralina riconosce che il titolo è grasso (lambda < 1) e diminuisce la quantità di carburante iniettata. La sonda lambda fa quindi variare i tempi di iniezione in modo tale che il motore funzioni con un coefficiente lambda continuamente oscillante tra 0,980 e 1,020 circa. La sonda lambda è operativa con temperatura del corpo ceramico superiore a 300 C; con temperature inferiori il segnale non è affidabile e la centralina di iniezione non effettua la regolazione in closed-loop fino al riscaldamento della sonda. Per garantire il rapido raggiungimento della temperatura di funzionamento, la sonda è provvista di una resistenza interna di riscaldamento alimentata da un apposito teleruttore. Il riscaldamento della sonda lambda viene gestito dalla centralina di iniezione proporzionalmente alla temperatura dei gas di scarico. a, Elettrodo (+) a contatto con l'aria esterna b, Elettrodo (-) a contatto con i gas di scarico 1, Corpo ceramico 2, Tubo protettivo 3, Corpo metallico 4, Resistenza elettrica Caratteristiche elettriche: Alimentazione riscaldatore: 12 V Resistenza riscaldatore: ohm. Sensore Pedale acceleratore Per il sensore posizione del pedale acceleratore si è passati dal classico potenziometro a doppia pista alla soluzione Contactless, basato sull effetto Hall generato dall interazione del campo magnetico di un magnete solidale al pedale con un elemento captatore del sensore.

48 Pedale con doppio potenziometro Pedale con contactless Principio di funzionamento del contactless Il magnete solidale al pedale spostandosi davanti al captatore causa una variazione delle linee di flusso del campo magnetico che si concatenano a quest ultimo, si generano così due tensioni di riferimento che elaborate da un processore interno al sensore danno origine a due segnali analoghi a quelli forniti dal tradizionale sensore a potenziometri. Più il pedale viene premuto maggiore è l intensità delle linee di campo che si concatenano con il sensore e le tensioni in uscita dal sensore. Piede sollevato: campo magnetico nullo Piede a fondo: campo magnetico massimo Sensore detonazione Il sensore di detonazione, di tipo piezoelettrico, è montato sul basamento e rileva l'intensità delle vibrazioni provocate dalla detonazione nelle camere di scoppio. Il cristallo piezoelettrico che costituisce il sensore, rileva le vibrazioni generate alla frequenza compresa tra i 12 e 16 khz e le trasforma in segnali elettrici inviati alla centralina di iniezione E di tipo piezoelettrico, ha una schermatura. Le vibrazioni meccaniche sono trasformate in segnali elettrici Effetto piezoelettrico: Sollecitando meccanicamente un cristallo si genera tensione.

49 Segnale generato dal sensore di detonazione, visto all oscilloscopio Il sensore, montato sul basamento motore in posizione simmetrica per permettere il riconoscimento della detonazione in tutti i cilindri, è costituito da un cristallo piezoelettrico che ha la proprietà di trasformare l energia meccanica trasmessa dal basamento sotto forma di vibrazioni in un segnale elettrico. Il segnale filtrato e amplificato, viene acquisito dalla centralina che distingue i picchi di segnale ad elevata energia, tipici della detonazione, dal rumore della normale combustione. CIRCUITO RAFFREDDAMENTO MOTORE Il sistema di raffreddamento dei motori FSI della VW-Audi hanno delle particolarità sulle modalità di funzionamento. Nel 1.6 si adotta un diverso regime termico tra il basamento cilindri e la testa motore, per il 2.0 la centralina controllo motore determina la temperatura di esercizio in funzione delle condizioni di carico del motore. Sui motori 2.0 siglati BLY e BLR il raffreddamento del motore è affidato a un sistema con controllo elettronico che assicura la temperatura del liquido di raffreddamento compresa tra 85 C e 110 C in funzione delle condizioni di funzionamento del motore Ai carichi elevati è impostata ua temperatura compresa tra 85 C e 95 C per evitare che l aria aspirata si riscaldi eccessivamente riducendo la sua densità e quindi il rendimento del motore e per allontanare la soglia di detonazione. Ai carichi parziali la temperatura è compresa tra 95 C e 110 C in modo da aumentare la fluidità dell olio motore e ridurre così gli attriti interni. Il circuito di raffreddamento è suddiviso in un anello piccolo e uno grande che ingloba il radiatore di raffreddamento, una valvola termostatica che può essere comandata in PWM dal controllo motore mette in comunicazione le due sezioni.

50 Legenda 1 Pompa per circolazione forzata liquido di raffreddamento 2 Serbatoio espansione liquido raffreddamento 3 Sensore temperatura liquido raffreddamento 4 Radiatore riscaldamento abitacolo 5 Ripartitore liquido raffreddamento con valvola termostatica 6 Valvola termostatica comandata dal controllo motore 7 Radiatore raffreddamento motore 8 Scambiatore olio raffreddato dal circuito acqua 9 Sensore temperatura acqua uscita radiatore 10 Corpo valvola EGR raffreddato dal circuito acqua Nell immagine il corpo ripartitore dal quale si distinguono le principali diramazioni del circuito di raffreddamento, lo stesso ingloba il sensore della temperatura e la valvola termostatica comandata dal controllo motore. Legenda 1 Afflusso refrigerante 2 Sensore temperatura 3 Al radiatore 4 Al radiatore olio

51 5 Dal riscaldatore abitacolo 6 Dal radiatore olio 7 Alla pompa 8 Valvola termostatica 9 Riflusso liquido La centralina controllo motore quando decide di passare al regime di funzionamento a temperatura più bassa, riscalda forzatamente il termostato modulando opportunamente il segnale PWM, per aprire il circuito del radiatore di raffreddamento. La centralina controllo motore in base ai seguenti dati: Regime e carico motore Temperatura refrigerante motore Temperatura refrigerante in uscita dal radiatore Richiesta riscaldamento abitacolo Determina il regime termico da impostare e comanda: Il termostato con segnale PWM e abilita il circuito grande o piccolo di raffreddamento. L elettroventola del radiatore. FUNZIONI DEL SISTEMA

52 Alla luce di quanto sin qui esposto vediamo di sintetizzare gli aspetti vantaggiosi e i limiti di questa tecnologia. A fronte delle complicazioni tecnologiche affrontate il sistema presenta aspetti favorevoli seppure a scapito di problematiche che ne limitano il campo di utilizzo nelle condizioni che permettono di sfruttarne le migliori potenzialità. L iniezione diretta raffredda la carica di aria nel cilindro Migliora il rendimento volumetrico: può entrare più aria. Allontana il punto di detonazione: si possono adottare rapporti di compressione elevati. Si riducono così i consumi. 1.6 MPI 1.6 FSI Potenza 75 kw- 102 CV 85 kw CV Coppia 115 Nm 148 Nm Rapporto di compressione 10,2: 1 12 : 1 L iniezione diretta permette di stratificare la carica Si può regolare il motore solo con la quantità di benzina iniettata lasciando aperta la valvola a farfalla del DBW. Si eliminano così le perdite dovute alla farfalla parzializzata. La carica è concentrata in una zona ristretta, si allontana il rischio di detonazione e si possono adottare rapporti di compressione elevati. Si riducono così i consumi. Si può stratificare la carica in un campo limitato di funzionamento del motore A regimi elevati la turbolenza dell aria nel cilindro non è facilmente controllabile. Ai carichi elevati la benzina iniettata è troppa per poter bruciare correttamente in condizioni Condizioni di stratificato: aumentano gli inquinanti e la fumosità. Con la carica stratificata aumentano gli NOx L alimentazione di un motore con carica magra aumenta il tenore di NOx allo scarico che non possono essere contenuti con il solo EGR. In queste condizioni il catalizzatore trivalente non è in grado di ridurre gli NOx, funziona correttamente solo con carica stechiometrica. Occorre adottare un nuovo catalizzatore: il De-NOx. Il De-NOx ha delle criticità di funzionamento Il De-NOx è efficiente solo tra C. Il De-NOx si satura di NO2 e per la sua rigenerazione il motore deve abbandonare il funzionamento in stratificato. Il De-NOx accumula lo zolfo presente nello scarico che ne riduce la capacità di trattenere NO2. Per desolforare il De-NOx il motore funziona con miscela ricca. Quando il canister deve essere lavato il motore non può funzionare in stratificato. Non possono essere adottati De-NOx di maggiore capacità in quanto la loro dimensione è ottimizzata anche per far fronte alla funzione catalitica, il De-NOx è comunque un catalizzatore

53 trivalente. Per questi motivi la tendenza è di adottare questa tecnologia su motori di cilindrata maggiore dotati di coppia elevata, in quanto nelle più usuali situazioni di marcia il punto di funzionamento del motore ricade entro le condizioni di funzionamento con carica stratificata. La carica stratificata e la depressione per il servofreno Come visto, il funzionamento con carica stratificata o con omogenea povera prevede il posizionamento alla massima apertura della farfalla del DBW, così facendo nel collettore non si genera la depressione necessaria per il funzionamento dell impianto frenante. Legenda 1 Centralina controllo motore 2 Corpo farfallato motorizzato DBW 3 Collettore aspirazione 4 Valvola unidirezionale 5 Sensore pressione servofreno 6 Servofreno a depressione Se il freno viene azionato più volte in rapida successione la depressione presente nel volume di accumulo del servofreno si scarica e la frenata è inefficace. In questo caso, grazie al rilievo del sensore di pressione del depressore, la centralina controllo motore chiude leggermente la farfalla e se le condizioni sono tali da richiedere un comando più efficace dell impianto frenante, commuta sul funzionamento omogeneo per chiuderla maggiormente.

54 Quindi su strada in discesa, dove le condizioni di marcia permetterebbero di ricorrere alla stratificazione della carica, il controllo motore deve abbandonare questa modalità per garantire l efficacia della frenata. Su alcune versioni della motorizzazione di 2.0 cc l adozione dei più recenti sistemi ABS che richiedono il ricorso al servofreno idraulico ha permesso di aggirare questa limitazione. INGRESSI E USCITE

55 1 Centralina Bosch MED Centralina rete di bordo 3 Sensore pressione e temperatura collettore aria 4 Sensore temperatura aria aspirata 5 Sensore PMS/Giri 6 Sensore di fase 7 Potenziometro corpo farfallato DBW 8 Sensore pedale acceleratore 9 Potenziometro posizione valvola EGR 10 Sensore pressione carburatore bassa pressione 21 Sensore pressione per servofreno 22 Centralina pompa alimentazione carburante 23 Iniettori 24 Bobine accensione 25 Comando corpo farfallato DBW 26 Relè alimentazione centralina MED Regolatore di flusso carburante su pompa 28 Elettrovalvola canister 29 Comando valvola EGR 30 Riscaldatore sonda ossigeno lineare precat.

56 11 Sensore pressione carburatore alta pressione 12 Sensore di detonazione 13 Sensore temperatura liquido motore 14 Sensore temperatura acqua uscita radiatore 15 Interruttore pedale freno 16 Potenziometro valvole parzializzatrici 17 Sonda ossigeno lineare precatalizzatore 18 Sensore temperatura gas di scarico 19 Centralina e sensore NOx 31 Riscaldatore sensore NOx 32 Elettrovalvola comando fasatura variabile 33 Comando valvole parzializzatrici 34 Sonde ossigeno on-off uscita precatalizzatori (2.0) 35 Valvola geometria variabile collettore aspirazione (2.0) 36 Riscaldatore sonde ossigeno on-off precatalizzatori (2.0) 20 Interruttore pedale frizione Per il sistema iniezione diretta FSI Bosch MED 7.5. xx e per MED 9.5.xx AUDI / Volkswagen (1.4/1.6/2.0 FSI) è possibile effettuare la diagnosi seriale con Databox e modulo AMC 02. Per tutte le motorizzazioni 1.4 FSI / 1.6 FSI / 2.0 FSI / 2.0 TFSI è disponibile anche la lettura errori generica del sistema iniezione. Sistema di scarico Per eseguire adeguatamente questa operazione sono necessari i seguenti parametri: Carico del motore Regime motore Temperatura aria aspirata Riempimento effettivo del canister. Quest ultimo dedotto dal rilievo della sonda lambda lineare successiva all apertura della valvola canister

57 Sonda ossigeno lineare Questi motori possono funzionare con miscele molto magre, pertanto per monitorare il titolo e la qualità della combustione si rende necessario l utilizzo del sensore ossigeno lineare a monte del precatalizzatore. Il 1.4 FSI ricorreva a una sola sonda lambda di questo tipo, così come il 1.6 FSI; mentre il motore 2.0 FSI adotta due precatalizzatori in parallelo, con due sonde ossigeno lineari. La sonda lambda lineare UEGO è un sensore di ossigeno che consente di misurare i valori di, vale a dire il rapporto tra la quantità di aria aspirata e la quantità di aria teorica necessaria alla combustione completa. = 0,7 carenza di ossigeno = 2,4 sonda in aria Con questo dato la centralina motore può dedurre il tasso di ossigeno residuo nei gas di scarico ed adattare il valore medio della quantità di carburante iniettato. La sonda confronta la concentrazione di ossigeno presente nella cella di riferimento, alloggiata al suo interno, con il gas di combustione che fluisce in una cella di confronto attigua. In funzione dello squilibrio che ne deriva, la centralina controllo motore regola un segnale di corrente Ip che riequilibra per azione elettrochimica il contenuto di ossigeno della cella di confronto. Il valore di Ip risulta proporzionale al valore di misurato secondo l andamento indicato nel grafico.

58 Sensore di temperatura Gli NOx possono reagire con i sali di bario ed essere immagazzinati dal catalizzatore De-NOx se la temperatura di quest ultimo è compresa tra i 200 e 500 C. Pertanto la temperatura dei gas di scarico deve essere continuamente monitorata per verificare se sussistono le condizioni per il funzionamento con carica stratificata. Questo obiettivo è alquanto critico da raggiungere in quanto i gas in uscita dal precatalizzatore raggiungono temperature superiori al limite superiore ammesso. Sul 1.4 FSI per aumentare il raffreddamento dei gas di scarico il condotto di collegamento tra precatalizzatore e il De-NOx era statto realizzato con una conformazione particolare per aumentare la superficie di scambio termico.

59 Al contrario, per innescare le reazioni necessarie alla desolforazione del De-NOx si devono raggiungere temperature comprese tra 600 e 700. Pertanto il sensore della temperatura è determinante per garantire l efficienza del De-NOx. A fronte delle temperature misurate, si adotta un sensore nel quale l elemento sensibile è costituito da platino PT200 che modifica il proprio valore di resistenza con la temperatura analogamente a un classico NTC, (200 Ω - 0 C). In caso di malfunzionamento del sensore la centralina controllo motore non può verificare se sussistono le condizioni per il corretto funzionamento del De-NOx e di conseguenza non abilita il funzionamento del motore con carica stratificata

60 Sensore Nox Collocato a valle del catalizzatore De-NOx, il sensore NOx rileva la percentuale di ossidi di azoto e di ossigeno nei gas di scarico. Si basa sul principio di funzionamento delle sonde lambda lineari e permette di: Monitorare il funzionamento dei catalizzatori Monitorare il punto di regolazione = 1 della sonda ossigeno lineare a monte, reso possibile da un circuito della centralina della sonda NOx che permette di ricostruire dai dati ricevuti un segnale analogo a quello di una sonda lambda ON-OFF. Monitorare l esaurimento della capacità di accumulo del De-NOx. Legenda 1 Catalizzatore De-NOx 2 Sensore NOx 3 Centralina sensore NOx I segnali emessi dal sensore, sono elaborati da un apposita centralina attigua al catalizzatore De-NOx in modo da ridurre le perturbazioni sul segnale in transito e da questa inviata alla centralina controllo motore. Infatti le correnti scambiate tra il sensore e la centralina sono dell ordine di qualche ma. Il sensore di NOx costituisce con la sua centralina un unico sistema ed esegue la misurazione per via indiretta del tenore di questo inquinante nei gas di scarico. Esso è costituito da due celle pompa con i relativi elettrodi, da due camere di misura e una camera di riferimento, un riscaldatore porta a temperatura di lavoro il sensore.

61 L elemento base costituente è il biossido di zirconio che ha la caratteristica di far transitare l ossigeno se alle sue estremità è applicata una data tensione. Il principio di funzionamento è analogo a quello delle sonde ossigeno lineari. I gas di scarico fluiscono nella 1ª cella di misura. Se il = 1, il motore è alimentato con carica stechiometrica e non vi è presenza di ossigeno allo scarico, la centralina rileva una tensione tra la prima cella di misura e quella di riferimento pari a 425 mv. In condizioni di carica magra i gas presentano un tenore di ossigeno che è funzione del rapporto adottato, la tensione si discosta dal valore di riferimento. La centralina per ristabilire il valore di tensione di riferimento pari a 425 mv, applica una corrente tra gli elettrodi della pompa per il trasferimento dell ossigeno presente nella cella dei gas di scarico. Dall intensità di questa corrente, dell ordine di qualche ma, la centralina risale al tenore di ossigeno iniziale e quindi al valore effettivo del della carica motore. Nella sonda degli NOx questa funzione è finalizzata alla sottrazione di tutto l ossigeno presente nei gas di scarico che entrano nella cella di misura. I gas privi dell ossigeno fluiscono nella seconda cella per la misura del tenore degli NOx, la misura