Driver per iniettori gas/benzina
Questo studio è dedicato a tutti coloro che vogliono poter comandare a piacere iniettori di carburante auto, quali, benzina e GPL. Sia che si tratti di studio, di verifica della funzionalità, pulizia o sviluppo di qualche applicazione motoristica i problemi da affrontare e risolvere non mutano sostanzialmente e cercheremo nelle pagine seguenti di approcciarli nel modo più semplice e proporre una soluzione.
L’iniettore
Struttura e funzionamento
Ogni iniettore per benzina o gas liquefatto ha peculiarità specifiche in base all’applicazione motoristica per cui è destinato e al combustibile da elaborare. E’ però possibile per i nostri scopi concentrarsi sulle parti comuni: infatti ogni iniettore è di fatto una valvola idraulica con un comando elettromagnetico.
Vediamo nel disegno seguente una schematizzazione in sezione:
Illustrazione 1: Schematizzazione di un generico iniettore
Il flusso del fluido (gas o liquido) viene intercettato da un piccolo equipaggio mobile, detto spillo, che sotto la spinta di una molla e del carburante chiude il passaggio del carburante. Lo spillo è collegato ad un equipaggio magnetico e quando si alimenta la bobina, il campo generato lo fa muovere, aprendo una luce di passaggio. Il principio di funzionamento è quindi abbastanza semplice e comune a molte elettrovalvole. E’ la loro miniaturizzazione, precisione e velocità di attuazione che li rende così “speciali” ed importanti per il buon funzionamento del motore.
Il comportamento elettrico
Il comportamento elettrico degli iniettori di carburante può essere di solito essere modellato con un un semplice circuito RL. La figura sottostante, ne riporta un esempio:
Illustrazione 2: Schematizzazione semplificata circuito elettrico equivalente di un iniettore
Nel funzionamento reale però, il valore di L1 dipende dallo stato del solenoide. In altre parole, L1 cambierà il suo valore a seconda che lo spillo sia aperto o chiuso. Questo effetto, se pronunciato abbastanza, può essere un aiuto prezioso nel determinare la corrente necessaria per aprire un particolare tipo di iniettore. Il cambiamento di induttanza (e quindi momento in cui lo spillo cambia posizione) si manifesta come punto di discontinuità nell'innalzamento iniziale della corrente del solenoide.
Il pilotaggio
Nella storia degli iniettori si sono susseguite varie evoluzioni tecnologiche che hanno modificato anche il modo di alimentarli. Come visto nel capitolo precedente, la velocità di salita della corrente è limitata dall’induttanza della bobina, mentre la corrente massima dipende dalla sua resistenza oltre che ovviamente dalla tensione di alimentazione. Iniettori che devono muovere magari rapidamente grandi spilli hanno bisogno di elevate forze magnetiche, prodotte con rapidità. Quindi resistenza e induttanza bassa. Per contro questo porta ad una dissipazione elevata nell’avvolgimento che può essere in contrasto con le esigenze di miniaturizzazione. Per questo, il pilotaggio migliore è sempre stato quello che nei limiti economici di progetto assicurava di far aprire rapidamente il passaggio di carburante senza far eccedere al componente i limiti termici. Sostanzialmente, le tecniche usate sono due:
Comando on/off
Comando peak&hold (P&H)
Nel primo caso, al dispositivo viene applicata la tensione di batteria (al netto delle cadute sui componenti) per tutta la durata del comando. La corrente cresce secondo il rapporto R/L e si stabilizza al valore V/R. Il sistema è semplice ed economico, ma può peccare in efficienza energetica, facendo dissipare parecchia potenza nell’attuatore. Per questo gli iniettori che lo usano hanno generalmente resistenze elevate, nell’ordine dei 10-20 Ohm.
Nel secondo caso, il dispositivo viene pilotato con tutta la tensione di pilotaggio solo per un breve tempo iniziale, sufficiente a farlo aprire. Raggiunta questa condizione, la corrente viene ridotta ad un valore contenuto (circa ¼ del picco). Questa tecnica richiede un circuito di pilotaggio più complesso rispetto al precedente, ma riduce a meno del 10% (a parità di altri parametri elettrici) la dissipazione termica nell’iniettore.
Vediamo a grandi linee i vari tipi di pilotaggio impiegati nel tempo e per famiglia di prodotto.
Tipologia iniettore | Immagine tipica | Pilotaggio |
Iniettori benzina single point | Peak & hold | |
Iniettori benzina multi point 1° generazione | On/Off | |
Iniettori benzina multi point 2° generazione | Peak & hold | |
Iniettori benzina multi point 3° generazione | On/off | |
Iniettori GPL | Peak & hold |
Il circuito di pilotaggio proposto
Mentre per un comune pilotaggio on/off il circuito di comando è molto semplice e in estrema ratio realizzato con un semplice interruttore, nel caso del P&H occorre un minimo di complessità aggiuntiva. Volendo realizzare tutto con componenti discreti si potrebbe ad esempio comporre il seguente circuito:
Illustrazione 3: Schema di un driver P&H con componenti discreti
Il principio di funzionamento è molto semplice: il transistor a destra è comandato sia direttamente per garantire l’alimentazione durante la fase di hold sia tramite il condensatore C per fornire un “extra” durante l’apertura dello spillo, mentre quello a sinistra è comandato per il tempo richiesto a raggiungere la corrente di picco. In buona sostanza, un dispositivo “lancia” l’equipaggio mobile dell’iniettore, mentre l’altro ha il compito di mantenerlo aperto.
Il circuito nella sua semplicità ha però dei limiti: al variare delle caratteristiche dell’iniettore, della sua temperatura e della tensione di alimentazione non può garantire ripetibilità delle correnti di pilotaggio, nonché richiede due fonti di segnale.
Una evoluzione semplice ed efficace è l’impiego del circuito integrato LM1949 che racchiude al suo interno vari blocchi funzionali come sotto riportato:
Illustrazione 4: Schema a blocchi del LM1949. Fonte: datasheet Texas Instrument
Una applicazione circuitale, flessibile per quasi qualunque impiego è la seguente: