Pedeorelha | Come funzionano i sistemi di iniezione del carburante

Jacob Hoover
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Un tipico iniettore di carburante elettronico. Guarda altre foto del motore dell'auto.

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Nel tentativo di tenere il passo con le leggi sulle emissioni e sull'efficienza del carburante, il sistema di alimentazione utilizzato nelle auto moderne è cambiato molto nel corso degli anni. La Subaru Justy del 1990 è stata l'ultima auto venduta negli Stati Uniti ad avere un carburatore; l'anno modello successivo, il Justy ebbe iniezione di carburante. Ma l'iniezione di carburante esiste dagli anni '50 e l'iniezione elettronica di carburante è stata ampiamente utilizzata sulle auto europee a partire dal 1980. Ora, tutte le auto vendute negli Stati Uniti hanno sistemi di iniezione di carburante.

In questo articolo impareremo come il carburante entra nel cilindro del motore e cosa significano termini come "iniezione di carburante multi-porto" e "iniezione di carburante nel corpo farfallato".

-Per la maggior parte dell'esistenza del motore a combustione interna, il carburatore è stato il dispositivo che ha fornito carburante al motore. Su molte altre macchine, come tosaerba e motoseghe, lo è ancora. Ma con l'evoluzione dell'automobile, il carburatore è diventato sempre più complicato cercando di gestire tutti i requisiti operativi. Ad esempio, per gestire alcune di queste attività, i carburatori avevano cinque circuiti diversi:

Circuito principale - Fornisce il carburante sufficiente per una crociera a basso consumo
Circuito inattivo - Fornisce carburante appena sufficiente per mantenere il motore al minimo
Pompa dell'acceleratore - Fornisce una scarica di carburante extra quando il pedale dell'acceleratore viene premuto per la prima volta, riducendo l'esitazione prima che il motore acceleri
Circuito di arricchimento di potenza - Fornisce carburante extra quando l'auto sale su una collina o traina un rimorchio
Soffocare - Fornisce carburante extra quando il motore è freddo in modo che possa avviarsi

Per soddisfare i requisiti di emissioni più severi, sono stati introdotti convertitori catalitici. Perché il convertitore catalitico fosse efficace, era necessario un controllo molto attento del rapporto aria / carburante. I sensori di ossigeno monitorano la quantità di ossigeno nello scarico e il unità di controllo motore (ECU) utilizza queste informazioni per regolare il rapporto aria / carburante in tempo reale. Questo è chiamato controllo ad anello chiuso -- non era possibile ottenere questo controllo con i carburatori. C'è stato un breve periodo di carburatori controllati elettricamente prima che i sistemi di iniezione del carburante prendessero il sopravvento, ma questi carboidrati elettrici erano ancora più complicati di quelli puramente meccanici.

In un primo momento, i carburatori sono stati sostituiti con sistemi di iniezione del carburante del corpo farfallato (conosciuto anche come punto singolo o iniezione centrale del carburante sistemi) che incorporavano valvole di iniezione del carburante controllate elettricamente nel corpo farfallato. Questi erano quasi un sostituto imbullonato per il carburatore, quindi le case automobilistiche non dovevano apportare modifiche drastiche ai loro progetti del motore.

A poco a poco, con la progettazione dei nuovi motori, l'iniezione del carburante nel corpo farfallato è stata sostituita da iniezione multiporta (conosciuto anche come porta, multipunto o sequenziale iniezione di carburante). Questi sistemi hanno un iniettore di carburante per ogni cilindro, solitamente posizionato in modo da spruzzare direttamente sulla valvola di aspirazione. Questi sistemi forniscono una misurazione del carburante più accurata e una risposta più rapida.

Il pedale dell'acceleratore nella tua auto è collegato al valvola a farfalla -- questa è la valvola che regola la quantità di aria che entra nel motore. Quindi il pedale dell'acceleratore è davvero il pedale dell'aria.

Una valvola a farfalla parzialmente aperta

Quando si preme il pedale dell'acceleratore, la valvola a farfalla si apre di più, lasciando entrare più aria. L'unità di controllo del motore (ECU, il computer che controlla tutti i componenti elettronici del motore) "vede" la valvola a farfalla aperta e aumenta la portata del carburante in previsione di più aria che entra nel motore. È importante aumentare la portata del carburante non appena si apre la valvola a farfalla; altrimenti, quando il pedale dell'acceleratore viene premuto per la prima volta, potrebbe esserci un'esitazione poiché un po 'd'aria raggiunge i cilindri senza abbastanza carburante in esso.

I sensori monitorano la massa d'aria che entra nel motore e la quantità di ossigeno nello scarico. L'ECU utilizza queste informazioni per mettere a punto l'erogazione del carburante in modo che il rapporto aria-carburante sia giusto.

-Un iniettore di carburante non è altro che una valvola controllata elettronicamente. Viene fornito con carburante pressurizzato dalla pompa del carburante della tua auto ed è in grado di aprirsi e chiudersi molte volte al secondo.

All'interno di un iniettore di carburante

Quando l'iniettore è eccitato, un elettromagnete muove uno stantuffo che apre la valvola, consentendo al carburante pressurizzato di fuoriuscire attraverso un minuscolo ugello. L'ugello è progettato per atomizzare il carburante - per creare una nebbia il più fine possibile in modo che possa bruciare facilmente.

Un iniettore di carburante che spara

La quantità di carburante fornita al motore è determinata dalla quantità di tempo in cui l'iniettore di carburante rimane aperto. Questo è chiamato larghezza di impulso, ed è controllato dalla ECU.

Iniettori di carburante montati nel collettore di aspirazione del motore

Gli iniettori sono montati nel collettore di aspirazione in modo da spruzzare carburante direttamente sulle valvole di aspirazione. Una pipa chiamata rotaia del carburante fornisce carburante pressurizzato a tutti gli iniettori.

In questa immagine puoi vedere tre degli iniettori. Il rail del carburante è il tubo a sinistra.

Per fornire la giusta quantità di carburante, la centralina motore è dotata di moltissimi sensori. Diamo un'occhiata ad alcuni di loro.

-Al fine di fornire la corretta quantità di carburante per ogni condizione operativa, l'unità di controllo del motore elettronico (ECU) deve monitorare un numero enorme di sensori di ingresso. Qui ci sono solo alcuni:

Debimetro - Indica alla ECU la massa d'aria che entra nel motore
Sensore (i) di ossigeno - Monitora la quantità di ossigeno nello scarico in modo che l'ECU possa determinare quanto sia ricca o magra la miscela di carburante e apportare le regolazioni di conseguenza
Sensore di posizione dell'acceleratore - Monitora la posizione della valvola a farfalla (che determina la quantità di aria che entra nel motore) in modo che l'ECU possa rispondere rapidamente alle modifiche, aumentando o diminuendo la portata del carburante secondo necessità
Sensore di temperatura del liquido di raffreddamento - Consente all'ECU di determinare quando il motore ha raggiunto la temperatura di esercizio corretta
Sensore di tensione - Monitora la tensione del sistema nell'auto in modo che l'ECU possa aumentare la velocità del minimo se la tensione diminuisce (il che indicherebbe un carico elettrico elevato)
Sensore di pressione assoluta del collettore - Monitora la pressione dell'aria nel collettore di aspirazione
La quantità di aria aspirata nel motore è una buona indicazione di quanta potenza sta producendo; e più aria entra nel motore, minore è la pressione del collettore, quindi questa lettura viene utilizzata per misurare quanta potenza viene prodotta.
Sensore di velocità del motore - Monitora la velocità del motore, che è uno dei fattori utilizzati per calcolare l'ampiezza dell'impulso

Esistono due tipi principali di controllo per multiporta sistemi: Gli iniettori di carburante possono aprirsi tutti contemporaneamente, oppure ognuno può aprirsi appena prima che la valvola di aspirazione del proprio cilindro si apra (questo è chiamato iniezione multiporta sequenziale).

Il vantaggio dell'iniezione sequenziale del carburante è che se il guidatore fa un cambio improvviso, il sistema può rispondere più rapidamente perché dal momento in cui viene effettuato il cambio, deve solo aspettare solo fino all'apertura della successiva valvola di aspirazione, invece che per il successivo completo rivoluzione del motore.

-Gli algoritmi che controllano il motore sono piuttosto complicati. Il software deve consentire all'auto di soddisfare i requisiti di emissioni per 100.000 miglia, soddisfare i requisiti di risparmio di carburante EPA e proteggere i motori dagli abusi. E ci sono anche dozzine di altri requisiti da soddisfare.

La centralina motore utilizza una formula e un gran numero di tabelle di ricerca per determinare l'ampiezza dell'impulso per determinate condizioni operative. L'equazione sarà una serie di molti fattori moltiplicati l'uno per l'altro. Molti di questi fattori verranno dalle tabelle di ricerca. Eseguiremo un calcolo semplificato del file larghezza di impulso dell'iniettore di carburante. In questo esempio, la nostra equazione avrà solo tre fattori, mentre un vero sistema di controllo potrebbe averne cento o più.

Larghezza dell'impulso = (Larghezza dell'impulso base) x (Fattore A) x (Fattore B)

Per calcolare l'ampiezza dell'impulso, l'ECU cerca prima il file larghezza dell'impulso di base in una tabella di ricerca. L'ampiezza dell'impulso di base è una funzione di velocità del motore (RPM) e caricare (che può essere calcolata dalla pressione assoluta del collettore). Supponiamo che il regime del motore sia 2.000 giri / min e il carico sia 4. Troviamo il numero all'intersezione di 2.000 e 4, che è 8 millisecondi.

RPM	Caricare
RPM	1	2	3	4	5
1.000	1	2	3	4	5
2.000	2	4	6	8	10
3.000	3	6	9	12	15
4.000	4	8	12	16	20

Nei prossimi esempi, UN e B sono parametri che provengono dai sensori. Diciamolo UN è la temperatura del liquido di raffreddamento e B è il livello di ossigeno. Se la temperatura del liquido di raffreddamento è uguale a 100 e il livello di ossigeno è uguale a 3, le tabelle di ricerca ci dicono che il fattore A = 0,8 e il fattore B = 1,0.

UN	Fattore A	B	Fattore B
0	1.2	0	1.0
25	1.1	1	1.0
50	1.0	2	1.0
75	0.9	3	1.0
100	0.8	4	0.75

Quindi, dal momento che lo sappiamo larghezza dell'impulso di base è una funzione del carico e dell'RPM, e questo larghezza dell'impulso = (larghezza dell'impulso di base) x (fattore A) x (fattore B), la larghezza complessiva dell'impulso nel nostro esempio è uguale a:

8 x 0,8 x 1,0 = 6,4 millisecondi

Da questo esempio, puoi vedere come il sistema di controllo effettua le regolazioni. Con il parametro B come livello di ossigeno nello scarico, la tabella di ricerca per B è il punto in cui c'è (secondo i progettisti del motore) troppo ossigeno nello scarico; e di conseguenza, l'ECU riduce il carburante.

I sistemi di controllo reali possono avere più di 100 parametri, ciascuno con la propria tabella di ricerca. Alcuni parametri cambiano addirittura nel tempo per compensare i cambiamenti nelle prestazioni dei componenti del motore come il convertitore catalitico. E a seconda della velocità del motore, l'ECU potrebbe dover eseguire questi calcoli più di cento volte al secondo.

Chip di prestazioni
Questo ci porta alla nostra discussione sui chip ad alte prestazioni. Ora che abbiamo capito un po 'come funzionano gli algoritmi di controllo nell'ECU, possiamo capire cosa fanno i produttori di chip di prestazioni per ottenere più potenza dal motore.

I chip ad alte prestazioni sono realizzati da aziende aftermarket e vengono utilizzati per aumentare la potenza del motore. C'è un chip nell'ECU che contiene tutte le tabelle di ricerca; il chip delle prestazioni sostituisce questo chip. Le tabelle nel chip delle prestazioni conterranno valori che si traducono in tassi di carburante più elevati durante determinate condizioni di guida. Ad esempio, possono fornire più carburante a tutto gas a ogni regime del motore. Possono anche cambiare i tempi della scintilla (ci sono anche tabelle di ricerca per quello). Poiché i produttori di chip per le prestazioni non sono interessati a problemi come l'affidabilità, il chilometraggio e il controllo delle emissioni come lo sono le case automobilistiche, usano impostazioni più aggressive nelle mappe del carburante dei loro chip di prestazioni.

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