Rapporto aria/benzina e gestione con utilizzo valvola a farfalla: tra controllo di delle emissioni e analisi di base di sistemi con gestione valvola a farfalla e sensoristica applicata - come è nato il concetto di centralina e mappatura

Rapporto aria/benzina e gestione con utilizzo valvola a farfalla: tra controllo delle emissioni e analisi di base di sistemi con gestione valvola a farfalla e sensoristica applicata - come è nato il concetto di centralina e mappatura

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Oggi vi propongo un trattato sulla gestione elettronica della valvola a farfalla su motori benzina degli ultimi 20 anni circa, ovviamente solo in quelli dove è prevista la valvola a farfalla.

Partendo dalla base del ragionamento: perché ci serve avere una valvola a farfalla su motore benzina?

Bisogna partire da un concetto, il rapporto stechiometrico, e qui partiamo con i paragoni per capirci subito.

Nei motori a benzina, specialmente quelli dotati di catalizzatori, ogni "tot" di benzina deve corrispondere a una quantità di aria ben proporzionata.

Possiamo pensare alla classica ricetta da cucina: aggiungere 14.7 g di sale ogni 1g di acqua.

I numeri non sono detti a caso, nei motori benzina il rapporto stechiometrico si ottiene avendo in camera di scoppio 14.7 particelle di aria ogni singola particella di benzina, quindi un rapporto di 14.7:1. Bisogna fare attenzione che questo ovviamente è un valore aleatorio, se un motore girasse con un valore di 15.8:1 o di 13:1 funzionerebbe lo stesso, ma a seconda di quanta benzina e aria diamo al motore possiamo variare questa miscela in infiniti modi diversi.

L'importanza di avere una miscela stechiometrica deriva dal fatto che a 14.7:1 si ha all'incirca il miglior rapporto per il quale si riesce ad avere una spinta senza vuoti in fase di scoppio e perché la benzina riesce a bruciarsi totalmente, in modo di non creare particelle di benzina incombusta, che soprattutto su sistemi con catalizzatore lo vanno a rovinare e portano a un inquinamento superiore del motore. Il rapporto aria/benzina è anche detta carburazione.

Parto da questo concetto per spiegarvi quindi che per avere un perfetto rapporto stechiometrico dobbiamo dare una miscela perfetta, ma come la possiamo regolare?

Il metodo più semplice e utilizzato è creare due "valvole di apertura", una sorta di rubinetto uno per la benzina e uno per l'aria, in modo che il motore funzioni di conseguenza: quindi abbiamo da un lato il motore che "tira" aria al suo interno (per la depressione che si crea dovuta al pistone che scende) e dobbiamo in qualche modo mettere una sorta di tappo davanti all'ingresso dell'aria in modo che il motore non abbia troppa aria rispetto alla benzina.

Da qui ne deriva il concetto che il motore benzina ha una pressione esterna che è quella atmosferica (circa 1bar) ma nel collettore di aspirazione (dove arriva l'aria o miscela del nostro motore) avremo una pressione inferiore, su motori al minimo spesso è intorno ai 0.3/0.4 bar. Se dessimo più aria, dovremmo dare più benzina per mantenere il rapporto aria/benzina di cui abbiamo parlato prima, quindi il motore andrebbe in accelerazione.

Nei vecchi sistemi a carburatore (con carburatore a depressione), avevamo una valvola a farfalla (per i puristi, poteva essere anche a ghigliottina come la foto qui di lato) che in pratica faceva passare più o meno aria e tramite la depressione che si creava (e il passaggio da uno spillo per la benzina) si riusciva a creare una miscela approssimativa che permetteva di avere un buon rapporto aria/benzina.

Purtroppo per quei sistemi, bellissimi e affascinanti, essendo puramente a iniezione meccanica non permettevano una carburazione perfetta poiché la quantità di ossigeno presente nell'aria varia in base alla temperatura dell'aria, all'umidità e alla rarefazione (quindi l'altitudine), ma il sistema prevedeva un getto di benzina che poteva essere regolato manualmente ma era poi fisso e non regolabile durante l’utilizzo. Così facendo quindi non era così raro avere d'inverno un motore che "girava magro" (quindi valore superiore, ad es. 17:1, con troppa aria) oppure "girava grasso" (quindi valore inferiore, ad es: 10:1).

Questo sistema come potete capire non permetteva di montare un catalizzatore senza danneggiarlo poiché non c'era un controllo ‘fine’ della miscela (e si doveva sempre regolare d'inverno a dare più benzina e d'estate a toglierla per far girare il motore al suo meglio).

Passando all'iniezione elettronica si sono fatti passi avanti in questo senso: dal carburatore si è passati ad avere dapprima un iniettore di benzina o nei sistemi evoluti tanti iniettori quanti sono i cilindri. (parlo sempre di sistemi stradali tradizionali, alcune soluzioni pistaiole hanno più iniettori per ogni cilindro)

Quindi nei primi sistemi in sostanza il getto a depressione del carburatore veniva sostituito da una normalissima valvola a farfalla che permetteva passaggio di aria più uno o più iniettori che mandavano la benzina, pilotati dalla centralina.

In questa gestione si sono create alcune esigenze:

non avendo più un collegamento fisico tra aria e benzina è necessario che la centralina sappia quanta benzina dare al motore, quindi ci sarà un sensore di posizione della valvola a farfalla (per i più smaliziati, parliamo normalmente di un sensore che indica l'angolo di apertura della farfalla) in maniera che la centralina sappia quanto stiamo accelerando in modo di dare più benzina.

·         ma la quantità di benzina dipende anche dal numero di giri del motore, quindi come faccio a far sapere alla centralina a quanti giri è il motore? Quindi è stato aggiunto un sensore di giri (per i più smaliziati: nei primi sistemi è stata aggiunta una ulteriore puleggia collegata normalmente dal lato distribuzione del motore con una "dentellatura" e il sensore che rileva il passaggio in diversi punti; questa viene detta ruota fonica)

• tutto a posto quindi, ma ogni motore ha una depressione diversa e un collettore di aspirazione può essere anche sporco e non poter arrivare alla pressione "stabilita" dall'apertura farfalla e dai giri, quindi si rischierebbe di avere mancanza di aria rispetto a quanto ci si aspetta.....quindi è stato aggiunto un sensore di depressione (normalmente posto sul collettore di aspirazione o tramite un tubetto in gomma collegato ad esso. Un particolare è che questo sensore indica solo quanta depressione crea il motore, non dice al motore "quanta" aria sta entrando. Questo problema è stato risolto successivamente con l'utilizzo del debimetro, una membrana a filo caldo in grado di dare alla centralina un dato sulla quantità di aria in ingresso).

·         ora la miscela sembrerebbe perfetta, ma quanta benzina ci vuole dipende anche dalla temperatura dell'aria e del motore, questo perché un motore con temperature più elevate farà meno fatica a bruciare la benzina (detto in modo un po' più formale, a temperature più elevate la propagazione di fiamma è diversa rispetto a quando il motore è freddo) e la temperatura dell'aria è un indice della rarefazione e ne modifica la velocità di flusso nei vari passaggi fino al motore, quindi sono stati aggiunti il sensore liquido raffreddamento e il sensore temperatura aria aspirata

• ora dovremmo esserci, ma come possiamo verificare che tutti i parametri impostati siano corretti? Per capire se la carburazione va bene (stechiometrico) o meno, un metodo efficace è quello di verificare la quantità o percentuale di ossigeno dei gas di scarico, quindi è stata inserita nello scarico una sonda in grado di rilevare quanto ossigeno è presente nei nostri gas di scarico e informa direttamente la centralina in modo che possa "correggere" la carburazione dando più o meno benzina per arrivare a un risultato pressoché perfetto. In sistemi evoluti sono presenti fino a 3-4 sonde lambda su un motore 4 cilindri in linea, questo permette anche di vedere se prima o dopo il catalizzatore abbiamo risultati diversi dalle sonde per valutare l'usura o il malfunzionamento di eventuali componenti

ovviamente con l'andare avanti del tempo si sono aggiunti anche altri sensori e altre funzionalità, ma questo è per spiegare il funzionamento di base.

Per stabilire quindi quanta benzina dare al motore, la centralina ha adesso tantissimi parametri, in cui però si pone il problema di unirli in un singolo risultato finale (durata di apertura dell'iniettore).

Per questo è stato deciso che di base c'è un valore X di iniezione di benzina basato su ogni sensore che dà un valore predefinito. Facendo un esempio terra terra: se la temperatura aria è 18 gradi, il liquido radiatore è 90 gradi, i giri motore sono 3000rpm (e così via per ogni sensore) dai X di benzina.

Al variare di ogni singolo valore quindi la centralina andrà a correggere la benzina fornita in base a come è stata programmata, da qui il fatto che ogni valore avrà tutta una serie di valori con una indicazione di come variare la benzina, potete pensarla come una tabella di excel. Questa si chiamerà "mappa" proprio perché la centralina in base ai valori dei sensori va a "prendere" tutte le correzioni per darne un valore finale

Successivamente, nei sistemi ancora empirici, c'è stato un altro problema. Tenendo la valvola a farfalla collegata direttamente all'acceleratore si ottiene un'ottima risposta immediata nel momento in cui si accelera, ma proprio in questi frangenti i sensori hanno

un salto di lettura che comporta alla centralina di dover modificare di tanto la quantità di benzina che viene data al motore. Per evitare di far girare il motore con carenza di benzina (il che comporterebbe carenza di spinta, temperatura più elevata di scoppio e possibilità di battiti in testa) viene prevista una spruzzata di benzina aggiuntiva che però comporta una non perfetta gestione, possiamo dire quindi che la centralina sia "passiva" rispetto a quello che richiediamo con l'acceleratore, a volte quindi inquinando perché non riesce a correggere abbastanza velocemente. Noi diamo l'input (acceleratore) e la centralina prova a correggere.

Questo approccio è stato accantonato con l'avvento delle normative euro 3, per cui era richiesto un controllo migliore del rapporto aria/benzina in modo di non inquinare, è stata così modificata la logica di funzionamento.

L'acceleratore, da leva meccanica tirata un cavo, diventa un potenziometro, come una sorta di joystick collegato al computer (la centralina).

Come quando siamo davanti al pc che giochiamo a un videogioco di auto; noi acceleriamo dicendo quindi al computer che la nostra intenzione è accelerare, ma sarà poi lui a decidere con che velocità e quanto aprire la valvola a farfalla.

In questo senso quindi è stato messo un attuatore elettronico della valvola a farfalla, togliendo il comando manuale, ed è quindi la centralina a decidere se e quanto aprire la valvola a farfalla.          -        In questo modo la centralina saprà esattamente calcolare quanta benzina si necessita, l'erogazione potrà essere più dolce rispetto all'acceleratore a cavo e non si avrà più la situazione che la centralina non si aspetta un determinato funzionamento.

Questo sistema porta al paradosso per il quale alcuni motori oggigiorno, come ad esempio il 1242 fire Fiat da 69cv che motorizza la 500, non arrivano mai in nessun caso ad avere la farfalla completamente aperta, tanto è vero che è una delle modifiche più attuate da chi mette mano a questo motore (tramite la modifica della mappatura del modulo elettronico della valvola a farfalla)

Turbocompressore a geometria fissa "tradizionale", azionato dai gas di scarico. Guida e studio del sistema

Ecco come funziona un singolo turbo tradizionale azionati dai gas di scarico. Piccola guida supersemplice per appassionati.


(la foto è puramente indicativa)

I gas di scarico escono dalla testata, confluiscono nel collettore di scarico, che di prassi fino a 4-5 cilindri in linea (sistemi più convenzionali) è un 4-1 o un 5-1. I gas vengono tutti fatti confluire insieme in modo di avere un unico flusso che arriva alla girante calda della turbina. Questa chiocciola è conformata in modo di ricevere aria sulle palette in modo che possa "cominciare a girare" una volta investita dai gas di scarico.

Come potrete immaginare, la velocità della girante è direttamente proporzionale all'uscita dei gas di scarico, quindi in un semplice sistema senza ulteriori accorgimenti, aumenterebbe la velocità della girante calda fino alla rottura della stessa.

Per questa ragione, è stata introdotta una valvola di pressione massima (per gli addetti ai lavori wastegate) , normalmente pilotata dalla centralina, che in sostanza al raggiungimento di una determinata pressione generata dalla turbina, apre una paletta che fa confluire direttamente i gas di scarico nel tubo di scarico e non più nella chiocciola calda. Possiamo pensarlo come un rubinetto a T messo fisso tra i gas in arrivo dal collettore di scarico e che "sposta" il flusso alla chiocciola calda o direttamente allo scarico in modo graduale: quando acceleriamo da 0 il rubinetto è tutto aperto, man mano che la turbina raggiunge la pressione massima (impostata in centralina, ndr) , il rubinetto si chiude parzialmente facendo andare i gas nello scarico. Ovviamente quanto e con quale progressione chiudersi, lo decide sempre la centralina.

Adesso che abbiamo capito come funziona la girante calda, passiamo oltre: perché far girare una chiocciola collegata ai gas di scarico?

La chiocciola collegata ai gas di scarico, è collegata in modo solidale a un alberino rotante (sempre per gli addetti ai lavori, il core-assy) che trasmette il movimento a un'altra chiocciola posta sul lato opposto, chiamata girante fredda.

Questa chiocciola ha un "pescaggio" dall'esterno per poter prendere aria fresca (normalmente questo tubo di partenza arriva dalla scatola filtro aria o comunque dal filtro aria), quindi "prende" l'aria fresca dall'esterno, e con canaletti simili a quelli che abbiamo visto tra collettore di scarico e girante calda, la girante fredda "invia" l'aria appena compressa in una tubazione che va al motore dal lato aspirazione, quindi genera una pressione nel collettore di aspirazione superiore alla pressione atmosferica.

Integrazione 1: questo sistema genera un "problema congenito", ovvero la girante fredda deve essere solidale all'alberino rotante (sempre il core-assy) che però è collegata anche alla girante calda. Per questa ragione, l'alberino soffre delle sollecitazioni dovuti a questi sbalzi di temperatura poiché da un lato c'è la girante calda (che può arrivare ipoteticamente a temperature comprese tra 800 e 1200 gradi) mentre la girante fredda normalmente opera a una temperatura tra i 180 e i 200 gradi. Ne consegue che questo alberino, per non soffrire di pericolosissime dilatazioni e deformazioni termiche, dovrà avere un sistema di raffreddamento e lubrificazione per essere durevole nel tempo. Per tale ragione è stato ovviamente portato l'olio motore per la lubrificazione dell'alberino (che essendo solidale alle chiocciole ma "fermo" nel nostro cofano gira su cuscinetti), quindi l'olio motore "raffredda" e livella le temperature dell'alberino di rotazione tra le due giranti per avere meno sollecitazioni possibili.

Da questo funzionamento possiamo dedurre un comportamento particolare da tenere nell'utilizzo di un motore turbo. Se facciamo una grande accelerata a tutto gas, poniamo di avere la girante calda a 1000 gradi e la fredda a 200 gradi, e ci fermiamo spegnendo subito il motore, facciamo mancare "il raffreddamento" alla turbina, rischiando che il nostro alberino cominci a prendere gioco sulla sede del cuscinetto.

Una volta preso questo gioco, gli oring del cuscinetto che fanno da tenuta per l'olio motore non terranno più, e a causa del tiraggio dato dalle pressioni avremo la girante calda che, oltre ai gas di scarico, espellerà anche olio motore. L'utilizzo migliore sarebbe di far girare 1-2 minuti al minimo o meglio ancora a regimi in cui la pompa dell'olio gira a una pressione superiore (1200-1300giri) prima di spegnere il motore, in modo di mantenere il raffreddamento sull'alberino del turbo quel tanto che basta per conservarne le caratteristiche e non procurare danni nel lungo periodo.

L'alberino di rotazione del gruppo turbina viene lubrificato da un piccolo condotto dell'olio che funziona assieme a tutto il circuito lubrificazione del motore; questo ugello ha la dimensione di qualche millimetro di diametro; se si spegne il motore caldo con temperature alte può accadere che in quel condotto l'olio si fermi e di conseguenza con temperature alte inizia a "friggere", portando nel tempo ad incrostazioni dentro al condotto fino ad ostruirlo del tutto,con la conseguente mancata lubrificazione di tutto l'apparato e quindi la rottura dei cuscinetti e deformazione dell'alberino stesso.

Integrazione 2: l'aria in aspirazione viene presa e compressa, ma come tutti sappiamo per leggi fisiche se io prendessi un gas e ne aumentassi la concentrazione in una parte di spazio comprimendolo, questo trasformerà parte dell'energia in calore. L'aspirazione del motore però, per far funzionare correttamente la combustione, avrebbe bisogno di aria fresca. Quindi abbiamo da un lato la turbina che farà uscire l'aria compressa a, poniamo, 80 gradi, e il motore che la vorrebbe invece fresca (tra i 18 gradi e poco sopra sarebbe l'ideale) per poter attuare una combustione ideale.

Per questa ragione, tra l'uscita della girante fredda della turbina e l'ingresso di aria del motore, viene interposto un radiatore di raffreddamento (per gli appassionati, l'intercooler), che consente il raffreddamento dell'aria prima di arrivare in aspirazione. Nei sistemi più semplici troviamo un radiatore aria-aria, quindi a cui arriva l'aria compressa dalla turbina e viene "ridata" al motore compressa, il tutto con radiatore raffreddato dall'esterno con l'aria che impatta sulla nostra vettura con un vero e proprio radiatore.

Integrazione 3: la valvola di sovrapressione (sempre la wastegate) è pilotata dalla centralina sia come pressione massima di sovralimentazione sia come gradualità di deviazione dei gas verso lo scarico, quindi come immaginerete è il fulcro per ottenere maggiori prestazioni da una vettura turbo. Le modifiche che normalmente vengono effettuate in fase di mappatura sono di tenere il più chiusa possibile la valvola wastegate (quindi +gas su turbina +pressione) per l'arco di giri più ampio e di aprire la valvola wastegate il più tardi possibile. Ovviamente di solito viene colmato il gap che alcuni produttori (quasi tutti per la verità) tengono come margine di affidabilità, normalmente tra 0.2 e 0.4 bar di sovrapressione, per il quale una turbina a 1bar viene fatta girare a 1.2-1.4 bar.

Diffidate da mappatori che effettuano l'operazione in poco tempo ("un'ora e mezza e la può ritirare"), ancor peggio senza mettere la macchina sui rulli o provarla. Normalmente in questi casi se vi va bene viene caricata una mappatura "standard" che aggiunge sovralimentazione ma mantiene normalmente i margini di sicurezza; per capirci con un esempio, se il vostro turbo reggerebbe un +0.4bar secondo specifiche, queste mappature danno un +0.25bar (numeri sempre di esempio), quindi otterrete meno di quello che si potrebbe ricavare dal vostro sistema così com'è. Il pericolo deriva dal fatto che essendo mappature "standard", sono state testate in generale per il vostro tipo di motore ma non potrete sapere se il vostro motore risponderà allo stesso modo di quelli "standard". Ogni costruttore ha le sue tolleranze, è bene migliorare dove si può ma farlo con attenzione sapendo cosa abbiamo di fronte. Questo esempio è il medesimo in caso si utilizzino centraline aggiuntive, dove il funzionamento è leggermente diverso ma il risultato è medesimo (è una modifica standard e non fatta su misura).

Un mappatore serio invece saprà già dove agire, magari terrà la vostra vettura anche un paio di giorni o più in officina, ma effettuerà delle prove al banco e in strada per verificare le curve di coppia e di potenza e la risposta dei vari componenti alle modifiche. Bisogna sempre tenere conto comunque che la rimappatura compromette l'omologazione del veicolo e con essa anche l'affidabilità, che dipenderà sostanzialmente dalla "bravura" del mappatore insieme al margine di sicurezza che viene mantenuto o meno.

Integrazione 4: essendo che il core-assy viene tenuto lubrificato e raffreddato dall'olio motore, è IMPORTANTISSIMO utilizzare olio di qualità, con ottime specifiche e impegnarsi a seguire la cadenza di chilometraggio o età dell'olio motore, tenete conto che i produttori tendono a considerare sempre chilometraggi e età negli ambiti peggiori di utilizzo, quindi teoricamente si potrebbe rimandare eventuale manutenzione (es. se cambiate l'olio a 22mila km invece che 20mila ma avete sempre fatto strade senza mettere sotto torchio il motore), ma personalmente consiglio di seguire scrupolosamente le scadenze. 150-250 euro di cambio olio (fatto da officine) può pesare sul conto della famiglia, ma 1500 euro di cambio turbina incidono decisamente di più. Personalmente preferisco (magari a parità di prezzo negli anni) uno o due cambi olio in più rispetto a trovarmi magari a 1000km da casa con il motore che brucia olio perché si è disassato il core-assy, ma la decisione è solo vostra.

Integrazione 5 (benzina): avendo una pressione superiore nel collettore di aspirazione e nel tratto tra la girante fredda e l'aspirazione del motore, si genera un problema di funzionamento nel momento in cui si va a smettere di accelerare di colpo, il cosiddetto "colpo d'ariete". Pensiamo a un sistema con un flusso d'aria compresso, poniamo un esempio di pressione tra girante fredda e collettore di aspirazione di 2.4bar, se noi andiamo a smettere di accelerare, si chiude la valvola a farfalla generando una depressione nel collettore di aspirazione (che serve a smettere di accelerare, ndr, potrebbe essere anche di 0.4bar sempre con un esempio). L'aria compressa che batte sulla farfalla però tornerebbe pericolosamente indietro verso la girante fredda del turbo, danneggiandola, quindi viene inserita una valvola di sovrapressione dell'aspirazione, chiamata blow-off o pop-off, che scarica la pressione verso una parte dell'impianto di aspirazione, di solito verso la scatola filtro aria. In applicazioni aftermarket talvolta viene applicata una valvola blowoff che scarica direttamente in aria, con il classico "sbuffo" al rilascio dell'acceleratore che dipende dalla grandezza di ugello della valvola. Per chi si chiedesse invece a cosa è dovuto l'effetto sonoro "stutututu" tipico delle Nissan degli anni 90, si tratta di una valvola blowoff che scarica troppa poca aria, dove ogni "colpo" corrisponde al rilascio della valvola che non riuscendo a scaricare tutta la pressione ne lascia passare parte e ne rilascia al passaggio successivo, dopo che l'aria compressa ha pericolosamente impattato sulla girante fredda della turbina. Questo comportamento è molto deleterio per il core-assy poiché la girante fredda prenderebbe uno o più colpi laterali

Spero questo piccolo recap possa esservi piaciuto, se ci sono imprecisioni ditemelo che correggo ;)

Guida fatta completamente da me medesimo (Whity Doxon) cercando di utilizzare parole semplici per farmi capire da tutti Schema tecnico del turbo-compressore. Le frecce indicano le direzioni dei flussi in entrata ed uscita.