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)