Il circuito di alimentazione del motore a ciclo Otto richiede almeno due attuatori che dosano l'aspirazione durante il normale funzionamento e al minimo; entrambi sono posti sotto il controllo della ECU
Uno dei principali sistemi del motore endotermico e nello specifico di quello funzionante a ciclo Otto, è quello che regola l’alimentazione di aria allo scopo di far accompagnare il combustibile da una massa di comburente (ossigeno) che rientri nel cosiddetto “rapporto stechiometrico” ossia di mantenere il rapporto aria/benzina (nel caso del motore alimentato con questo idrocarburo) intorno a 14:1 allo scopo di ottenere la migliore combustione possibile. Il circuito di aspirazione incorpora una valvola a farfalla che permette di variare la portata dell’aria aspirata, operando una parzializzazione del condotto principale di aspirazione o, addirittura, chiudendo lo stesso, in virtù del fatto che la valvola consta di un piattello incernierato, la cui forma tonda “veste” perfettamente la sezione interna del manicotto di passaggio dell’aria che dal filtro va al collettore di aspirazione. Se nei motori di qualche decina d’anni fa questa “farfalla” veniva ruotata attraverso un comando meccanico e nello specifico da una leva tirata dal filo del pedale acceleratore (opportunamente contrastata da una molla di chiusura) ed il flusso d’aria che la sua modulazione determinava andava a risucchiare la benzina nel Tubo di Venturi del carburatore, con la gestione elettronica degli autoveicoli è stata motorizzata; inoltre la quantità di combustibile non viene più decisa dal “risucchio” causato dalla depressione esercitata nei condotti di aspirazione dal movimento di discesa dei pistoni, ma da un’attenta gestione elettronica che prende a riferimento la massa d’aria aspirata attraverso due sensori, spesso combinati, che rilevano il volume e la temperatura dell’aria che attraversa il manicotto di aspirazione a monte della valvola a farfalla. Quest’ultima rimane comunque l’elemento che determina la massa d’aria aspirata dal motore, fermo restando che quando è tutta aperta la depressione è minima e viceversa, ovvero che man-mano che si chiude aumenta la velocità dell’aria che arriva al motore, contribuendo a creare una certa turbolenza nella camera di combustione.
Il corpo farfallato
La valvola a farfalla è montata in un raccordo chiamato “corpo farfallato” che oltre ad essa contiene il relativo perno di rotazione ed un servomotore o un comune motoriduttore comandato dalla ECU motore per determinare e stabilizzare la rotazione; il corpo si colloca fra il manicotto in arrivo dal filtro dell’aria e quello che porta al collettore di aspirazione, a volte anche sopra quest’ultimo. Sebbene sia nato per i motori a ciclo Otto, dove serve a regolare il flusso d’aria aspirata che viene accompagnato, come esposto poc’anzi, dalla quantità di combustibile determinata grazie ai segnali del misuratore di massa d’aria, da anni si adotta anche nel ciclo Diesel, allo scopo di coadiuvare le strategie di abbattimento delle emissioni inquinanti e nel portare il motore alla temperatura di regime (warm-up). Più esattamente, nel motore a benzina la valvola a farfalla serve anche per aumentare la turbolenza in camera di combustione e risucchiare la porzione di gas di scarico retrocessa dalla valvola EGR nell’ambito dell’abbattimento delle emissioni di ossidi d’azoto (i famigerati NOx) e durante la fase di riscaldamento negli avviamenti da motore freddo; nel propulsore a ciclo Diesel a gestione elettronica la funzione è simile, però il corpo farfallato non determina la massa d’aria aspirata e se non fosse per la sinergia con l’EGR e il post-riscaldo nel warm-up, si potrebbe anche eliminare.
Qualunque sia la sua funzione, la valvola a farfalla elettroattuata è fatta tipicamente come proposto nella Figura 1, ossia è composta dalla valvola tradizionale montata in un corpo metallico da applicare a vite, sul quale è applicata lateralmente un’elettronica (contenuta nella calotta nera) terminante con un connettore, la quale comanda un servomotore o motoriduttore a 12V di piccola potenza che ruota l’alberino della farfalla metallica in funzione del segnale impartito dalla ECU al fine di ottenere una determinata angolazione.
Nei sistemi del genere la posizione della farfalla viene costantemente verificata dalla ECU, mediante un potenziometro (o altro sensore di posizione angolare) il cui albero è solidale
con quello su cui ruota la farfalla stessa, in modo da ottenere una tensione analogica proporzionale all’inclinazione del piattello (nella versione con potenziometro) ovvero un’informazione digitale corrispondente all’inclinazione stessa (nella versione con uscita digitale o sensore basato sulla tecnica di rilevamento induttivo).
In tutti i casi la stabilizzazione della valvola a farfalla nella posizione desiderata in base alle prestazioni richieste dal conducente con il pedale acceleratore (o automaticamente da sistemi di assistenza di basso livello come il Cruise Control) alla temperatura del motore e del combustibile, ovvero alla necessità di contenere le emissioni inquinanti, è resa indispensabile dal fatto che non basta fornire al motorino elettrico una certa tensione affinché l’alberino rimanga stabile, ma occorre adeguare la potenza fornita in base allo sforzo imposto alla sezione del piattello dalla depressione a valle, causata dal motore, che varia in base alle condizioni di esercizio e che fluttua a causa delle pulsazioni dovute all’apertura e chiusura delle valvole di aspirazione (RAM).
Nel caso si utilizzi un servomotore, il feedback sulla posizione è gestito internamente e teoricamente non servirebbe alla ECU motore, ma nella realtà il segnale sulla posizione angolare deve essere gestito allo scopo di verificare che al comando inviato all’attuatore corrisponda realmente la posizione attesa, così da poter identificare un eventuale guasto del corpo farfallato.
Invece se la valvola a farfalla viene azionata da un motoriduttore o da uno stepper-motor, il feedback è indispensabile alla ECU sia per verificare il mantenimento della posizione angolare attesa, sia per adeguare la corrente nel motorino elettrico aumentandola se la farfalla tende a tornare indietro o diminuendola se si inclina troppo. Il meccanismo di regolazione è quello descritto nella Figura 2.
Nel corpo farfallato, all’alberino della valvola a farfalla è applicato un sensore di posizione angolare (detto “potenziometro valvola a farfalla”) che di fatto è un potenziometro che informa la ECU motore sull’angolo di apertura della valvola. Il segnale di questo sensore risulta necessario, tra l’altro, per il calcolo della quantità di combustibile da iniettare in ogni ciclo attivo.
Il potenziometro della valvola a farfalla ha un connettore tipicamente tripolare che porta all’esterno i tre terminali del potenziometro: estremi e centrale (cursore); il potenziometro è alimentato a 5 o 12 Vcc e si comporta da trasduttore di posizione angolare con curva caratteristica lineare e converte quindi l’angolo di apertura della farfalla in una tensione continua proporzionale. La tensione analogica prelevata dal cursore viene letta dalla ECU motore che la utilizza per calcolare la quantità di carburante necessaria.
Il potenziometro viene fissato all’asse della valvola a farfalla tramite una flangia adattatrice, come appare nella Figura 3, che ritrae un potenziometro prodotto dalla tedesca Hella: in essa è possibile notare il connettore, che è a tre poli, esattamente quanti sono i terminali di un potenziometro.
La struttura interna di questo tipo di potenziometro è meglio descritta dal disegno proposto nella Figura 4, riguardante i dispositivi della Hella; da essa si vede come, per fornire una lettura precisa e d affetta il meno possibile da guasti, la traccia resistiva sia multipla anziché singola come in un trimmer o potenziometro da eletttronica.
Oltre al sensore a potenziometro, nel corpo farfallato può essere montato un ulteriore componente noto come “interruttore valvola a farfalla” il quale serve per rilevare la posizione della farfalla in determinate condizioni limite; l’interruttore della farfalla viene fissato e azionato direttamente dall’asse della valvola a farfalla. Le posizioni dell’interruttore vengono trasmesse alla centralina di
controllo del motore e contribuiscono a calcolare la quantità di carburante necessaria nelle condizioni limite, ossia tipicamente tutta aperta e tutta chiusa.
Nell’interruttore valvola a farfalla sono alloggiati due interruttori azionati con un apposito meccanismo; entrambi forniscono alla ECU motore le informazioni sulle condizioni operative del motore al minimo e a pieno carico, per garantire il calcolo esatto della quantità di combustibile. Un esempio di interruttore della valvola a farfalla è proposto nel disegno in Figura 5. Il connettore di questo sensore è normalmente a tre poli, due dei quali sono gli estremi dell’interruttore e il terzo è il comune.
Per rilevare la posizione angolare e quindi l’apertura della valvola del corpo farfallato esiste anche una tecnica senza contatto, che di fatto implementa un encoder induttivo e che viene proposta ad esempio dalla Hella con la sua tecnologia CIPOS (Contactless Inductive Position Sensor); questa soluzione, già descritta nel fascicolo di Giugno 2024 di Selezione di Elettronica, permette di misurare con precisione la posizione ma senza contatto, quindi con sensori che hanno una durata molto più elevata di quella dei potenziometri, in quanto non c’è lo strisciamento del cursore né l’usura che ne deriva. I sensori di posizione CIPOS hanno una migliore tolleranza nei confronti della temperatura e risultano insensibili alle condizioni dell’ambiente automotive, particolarmente impegnative nel vano motore. Un esempio di valvola a farfalla dotata di encoder della posizione angolare in tecnologia CIPOS è proposto dalla Figura 6.
Aspirazione e regolatore del minimo
Nel motore Diesel la valvola a farfalla non si chiude mai del tutto, perché altrimenti la combustione non potrebbe avere luogo, mentre in quello a ciclo Otto, con l’acceleratore in posizione di riposo viene chiusa completamente, quasi a tenuta, tanto che la depressione sviluppatasi nel collettore di aspirazione in fase di rilascio viene sfruttata dal servofreno pneumatico; però senza passaggio d’aria il motore, quando non viene trascinato dalle ruote, tende a spegnersi, ragion per cui occorre garantire un minimo passaggio d’aria, che nei propulsori di una volta veniva assicurato dal condotto del minimo posto all’interno del carburatore e dotato del relativo getto.
Nei motori a gestione elettronica, il passaggio d’aria corrispondente al regime del minimo viene aperto e modulato, in condizioni di valvola a farfalla chiusa, da uno specifico elettroattuatore chiamato “regolatore del minimo” o anche “attuatore del minimo”: si tratta di un dispositivo (Figura 7) che si applica al motore a ciclo Otto, dove serve a mantenere costante il regime del minimo in tutte le condizioni di carico che possono verificarsi ad acceleratore rilasciato. Questo attuatore (anche noto come IAC o Idle Actuator Controller) consente la regolazione della quantità di aria aspirata dal motore quando la valvola a farfalla è chiusa.
L’attuatore del minimo è una valvola pneumatica di bypass costituita da un alloggiamento in metallo chiuso contenente un’unità servo che comanda un’elettrovalvola accoppiata tramite una flangia. Qui è fissato un supporto che consente di variare la sezione trasversale del condotto di bypass ruotando l’unità servo, così da controllare il flusso dell’aria aspirata cui è correlata una certa quantità di combustibile necessaria al motore per rimanere in rotazione ad un regime di giri minimo costante.
Le due luci di cui l’attuatore dispone si affacciano una a monte e l’altra a valle del corpo farfallato, così da implementare un bypass modulabile dall’elettrovalvola azionata dal servomotore, secondo il segnale di comando impartito dalla ECU motore; quando il piattello della valvola è in battuta, le due luci non comunicano, mentre man mano che il solenoide della valvola viene alimentato (tipicamente in PWM) le due luci entrano in collegamento attraverso il condotto di bypass.
L’attuatore del minimo è responsabile della regolazione del regime del motore nell’ambito dell’intera regolazione del minimo del sistema di gestione del motore; per esempio se si verifica una variazione improvvisa delle condizioni di carico, dovuta ad esempio all’inserzione del compressore del climatizzatore, l’andatura a velocità ridotta in 1° marcia o l’inserimento di un’utenza elettrica energivora, è necessaria una quantità maggiore di aria e carburante per prevenire lo spegnimento del motore. Se il regime del motore scende al di sotto del valore critico, registrato come costante nella memoria della ECU motore, l’elettrovalvola viene attivata e il suo canale di bypass si apre maggiormente, consentendo una maggiore portata d’aria; contestualmente viene esteso il tempo di apertura delle elettrovalvole degli iniettori e corretto il quantitativo di combustibile in modo da sostenere la rotazione del motore. A ciò provvede un’apposita routine firmware della ECU.
