Panoramica sulla centralina elettronica

Cos'è una centralina elettronica?

Il termine "centralina elettronica" può essere utilizzato in riferimento a un'unità di controllo del motore; tuttavia, esso può riferirsi anche a un'unità di controllo elettronico, che può essere un componente di un qualsiasi sistema meccatronico per autoveicoli, non necessariamente un dispositivo utilizzato per il controllo di un motore.

Nell'industria automobilistica, il termine "centralina elettronica" spesso si riferisce a un modulo di comando elettronico (ECU) o a un modulo di comando del motore (ECM). Quando l'unità controlla sia il motore che il cambio, spesso è denominata "centralina PCM" (Powertrain Control Module).

Nel presente articolo ci occuperemo della centralina elettronica che funge da unità di controllo del motore.

Che cosa fa una centralina elettronica?

Fondamentalmente, la centralina elettronica del motore controlla l'iniezione del carburante e, nei motori a benzina, il tempo necessario per la formazione della scintilla di accensione. Essa determina la posizione dei componenti interni del motore mediante un sensore di posizione dell'albero motore, in modo che gli iniettori e l'impianto di accensione vengano attivati nel momento corretto.  Sembra un compito che potrebbe essere svolto anche meccanicamente (e infatti così avveniva in passato), ma in realtà c'è più di questo.

Un motore a combustione interna è essenzialmente una grande pompa ad aria che si auto-alimenta utilizzando il carburante. Quando viene aspirata l'aria, deve essere erogata una quantità di carburante sufficiente per produrre la potenza necessaria a garantire il funzionamento del motore, oltre ad una riserva sufficiente per far muovere il veicolo quando richiesto. La combinazione di aria e combustibile viene denominata "miscela". Con una quantità eccessiva di miscela, il motore funziona alla potenza massima, mentre con una quantità insufficiente il motore non è in grado di auto-alimentarsi e fornire al veicolo la potenza di cui ha bisogno.

Ma non è importante solo la quantità di miscela, anche il rapporto di miscelazione deve essere corretto. Troppo carburante - poco ossigeno: la combustione è "sporca", con grande spreco di carburante. Poco carburante - troppo ossigeno: la combustione è lenta e debole.

In passato di solito la quantità di miscela e il rapporto di miscelazione dei motori erano controllati da un dispositivo di misurazione completamente meccanico chiamato carburatore, il quale era poco più di un insieme di fori dal diametro fisso (ugelli), attraverso i quali il motore "aspirava" il carburante. Con l'avvento dei veicoli moderni, i quali richiedono una maggiore attenzione ad un uso efficiente del carburante e alla riduzione delle emissioni, la miscela deve essere controllata in modo più accurato.

L'unico modo per soddisfare questi requisiti rigorosi è affidare il controllo del motore ad una centralina elettronica, la centralina elettronica del motore. La centralina elettronica ha il compito di controllare l'iniezione del carburante, l'accensione e i componenti ausiliari del motore utilizzando equazioni e tabelle numeriche memorizzate in formato digitale, piuttosto che strumenti analogici.  

Gestione precisa del carburante

Una centralina elettronica deve considerare molte variabili per determinare il rapporto di miscelazione corretto.

• Potenza richiesta dal motore
• Temperatura del liquido di raffreddamento/motore
• Temperatura dell'aria
• Temperatura del carburante
• Qualità del carburante
• Variazione della restrizione del filtro
• Pressione dell'aria
• Efficienza di pompaggio del motore

È necessario un gran numero di sensori per misurare tali variabili e applicarle alla logica di programmazione della centralina elettronica, in modo che quest'ultima sia in grado di determinare il modo più corretto per compensarle.

Un incremento della richiesta del motore (come un'accelerazione) rende necessario aumentare la quantità di miscela complessiva. A causa delle caratteristiche di combustione del carburante utilizzato, dovrà essere modificato anche il rapporto di miscelazione. Quando viene premuto il pedale dell'acceleratore, l'otturatore della valvola a farfalla si apre per fare entrare più aria nel motore. Questo incremento del flusso d'aria nel motore viene misurato dal sensore di flusso della massa d'aria (MAF), in modo che la centralina elettronica possa modificare la quantità di carburante iniettato, mantenendo il rapporto di miscelazione entro i limiti previsti.

Ma non finisce qui. Per aumentare il livello di potenza e assicurare una combustione sicura, la centralina elettronica deve modificare il rapporto di miscelazione e iniettare una quantità maggiore di carburante durante le accelerazioni a pieno gas rispetto a quella che eroga a velocità di crociera - questa miscela è chiamata "miscela ricca". Viceversa, una strategia di carburazione o un guasto che porti all'iniezione di una quantità di carburante inferiore al normale avrebbe come conseguenza una "miscela magra".

Accanto al calcolo della quantità di carburante sulla base della potenza richiesta dal guidatore, anche la temperatura riveste un ruolo fondamentale nelle equazioni utilizzate. Dato che la benzina viene iniettata in forma liquida, l'evaporazione deve avvenire prima della combustione. In un motore caldo, ciò può essere gestito con facilità, ma in un motore freddo il liquido evapora con difficoltà e deve essere iniettata una quantità maggiore di carburante per mantenere il rapporto di miscelazione entro il range di combustione corretto.

Flashback: Prima dell'introduzione della centralina elettronica, questa funzione era svolta da un sistema di avviamento sul carburatore. Il sistema di avviamento era un semplice otturatore che restringeva il flusso d'aria convogliato verso il carburatore, aumentando il vuoto sugli ugelli allo scopo di incrementare il flusso di carburante. Questo metodo era spesso impreciso, problematico e bisognoso di regolazioni continue. Di frequente la regolazione veniva eseguita manualmente da guidatore durante la marcia.

Anche la temperatura è importante per la qualità della combustione, proprio come la variazione della pressione atmosferica.  

Messa a punto della combustione

Dal momento che il motore di un veicolo per la maggior parte del tempo si trova in un regime di accelerazione parziale, la centralina elettronica opera con la massima efficienza proprio in questo tipo di regime. La miscela ideale, nella quale tutto il carburante iniettato viene bruciato e tutto l'ossigeno viene consumato durante la combustione, viene definita "combustione stechiometrica" o spesso anche "combustione lambda". Nella combustione stechiometrica, Lambda = 1.0.

Il sensore che misura l'ossigeno presente nei gas di scarico (sonda lambda, sensore O2, sensore dell'ossigeno o HEGO) rileva la quantità di ossigeno residua dopo la combustione. Questo permette al motore di determinare se è presente dell'aria in eccesso nella miscela, e ovviamente anche se il carburante iniettato è eccessivo o insufficiente. La centralina elettronica legge questa misurazione e regola la quantità di carburante iniettata in modo continuo, in modo da mantenere la miscela il più vicino possibile al valore Lambda = 1.0. Questo processo, noto come funzionamento "a ciclo chiuso", è un importante contributo all'alta efficienza garantita dall'impiego della centralina elettronica del motore.

A causa delle rigide normative sulle emissioni ora in vigore, sul motore sono installati molti altri sistemi che contribuiscono alla riduzione del consumo di carburante e/o dell'impatto ambientale. Questi includono:

• Sistema di ricircolo dei gas di scarico (EGR)
• Convertitore catalitico e riduzione catalitica selettiva
• Reazione dell'iniezione all'aria di scarico (sistema AIR)
• Filtri antiparticolato diesel (DPF)
• Stratificazione del carburante
• Iniezione additivo durante lo scarico (ad esempio AdBlue)
• Sistema di controllo delle emissioni evaporative (EVAP)
• Turbocompressore e supercharger
• Sistemi di trasmissione ibridi
• Sistemi di distribuzione variabili (come VTEC o MultiAir)
• Sistema di aspirazione a geometria variabile

Ciascuno dei sistemi sopra elencati influisce in qualche modo sul funzionamento del motore, e pertanto deve essere sotto il completo controllo della centralina elettronica.

Come funziona una centralina elettronica?

La centralina elettronica spesso viene definita il "cervello" del motore. Essenzialmente si tratta di un computer, un sistema di commutazione e un sistema di gestione della potenza riuniti in una piccolissima scatola. Per il funzionamento, anche basilare, della centralina, sono necessari 4 diversi elementi.

• Ingressi
  Generalmente i segnali di ingresso includono i segnali dei sensori di temperatura e di pressione, i segnali on/off e i dati provenienti dagli altri moduli installati nel veicolo, i quali vengono raccolti dalla centralina elettronica per svolgere il proprio compito.
• Come esempi di ingresso si possono citare il sensore di temperatura del liquido di raffreddamento oppure il sensore di posizione dell'acceleratore. Vengono prese in considerazione anche le richieste del modulo antibloccaggio dei freni (ABS), ad esempio per l'applicazione del controllo di trazione.
• Processore

Quando la centralina elettronica ha raccolto i dati, il processore deve determinare le specifiche per le uscite, come l'ampiezza dell'impulso dell'iniettore del carburante, in base alle indicazioni del software installato nell'unità.

• Il processore non si limita a leggere il software per decidere qual è il segnale di uscita più appropriato, ma registra anche le proprie informazioni, come le regolazioni programmate per la miscela e il chilometraggio.
• Uscite
  La centralina elettronica può intervenire sul motore al fine di consentire l'erogazione della quantità di potenza corretta e controllare con precisione gli attuatori.
• Gli interventi spaziano dal controllo dell'ampiezza dell'impulso dell'iniettore del carburante al timing preciso del sistema di accensione, dall'apertura di un corpo farfallato elettronico all'attivazione di una ventola di raffreddamento del radiatore.
• Gestione della potenza

La centralina elettronica deve soddisfare numerose richieste di potenza per garantire il funzionamento delle centinaia di componenti interni. In aggiunta, per far funzionare i numerosi sensori e attuatori, la centralina elettronica deve fornire la tensione corretta ai vari componenti montati sul veicolo. Si va dai 5 volt costanti dei sensori alle tensioni di oltre 200 volt dei circuiti degli iniettori di carburante.

• La tensione non deve solo essere corretta; alcune uscite devono gestire più di 30 Amp, il che ovviamente produce moltissimo calore. Il controllo termico è un aspetto chiave della funzionalità delle centraline elettroniche.

Funzioni principali della centralina elettronica

Di fatto, il primo compito in ordine di tempo della centralina elettronica è la gestione della potenza. Vengono regolate le varie tensioni e viene controllato l'avviamento della centralina elettronica stessa. La maggior parte delle centraline elettroniche sono equipaggiate con un sistema di gestione della potenza molto sofisticato a causa della varietà di componenti installati all'interno, il quale regola con precisione le tensioni da 1.8V, 2.6V, 3.3V, 5V, 30V fino a 250V ottenute dall'alimentazione da 10-15V del veicolo. Il sistema di gestione della potenza permette inoltre alla centralina elettronica di avere il completo controllo durante lo spegnimento; il quale non è necessariamente simultaneo al disinserimento dell'accensione.

Una volta che sono state erogate le tensioni corrette, i microprocessori possono iniziare la procedura di avviamento. Il microprocessore principale legge il software installato nella memoria ed effettua un autotest. Poi legge i dati provenienti dai numerosi sensori installati sul motore e li converte in informazioni utilizzabili. Queste informazioni spesso vengono trasmesse via bus CAN - la rete informatica interna del veicolo - agli altri moduli elettronici.

Quando il microprocessore principale ha interpretato l'informazione, consulta le tabelle numeriche e le formule memorizzate nel software e attiva le uscite necessarie.

Esempio. Se il sensore di posizione dell'albero motore mostra che il motore sta per raggiungere la compressione massima in uno dei cilindri, viene attivato il transistor della bobina di accensione interessata. Le formule e le tabelle del software citate in precedenza fanno in modo che l'attivazione del transistor venga ritardata o anticipata in base alla posizione dell'acceleratore, alla temperatura del liquido di raffreddamento, alla temperatura dell'aria, all'apertura della valvola EGR, al rapporto di miscelazione e alle misurazioni precedenti che hanno messo in evidenza una combustione non corretta.

Il funzionamento del processore principale all'interno della centralina elettronica e l'attivazione delle diverse uscite vengono supervisionate da un microprocessore di monitoraggio, essenzialmente un secondo computer che assicura il corretto svolgimento delle funzioni da parte del computer principale. Se il microprocessore di monitoraggio non è soddisfatto di alcuni comportamenti della centralina elettronica, esso può resettare l'intero sistema o spegnerlo completamente. Con l'introduzione del controllo drive-by-wire dell'acceleratore, l'uso del processore di monitoraggio è diventato essenziale per garantire la sicurezza in caso di guasto del microprocessore principale.

Diagnosi della centralina elettronica e delle periferiche

La complessità di implementazione di tutte queste funzioni, questi ingressi e queste uscite richiede una capacità di autodiagnosi relativamente avanzata e rende obsoleta la diagnosi tradizionale dei motori. Gli ingressi e le uscite della centralina elettronica vengono monitorati singolarmente dal processore, spesso dozzine di volte al secondo, per garantire che i valori rientrino nelle tolleranze previste dal software. Se la lettura di un sensore rimane fuori tolleranza per un intervallo di tempo predefinito, viene registrato un guasto e viene memorizzato il relativo codice di guasto, in modo che il tecnico possa recuperarlo.

Codici di guasto

Quando nella memoria viene salvato un codice di guasto, di solito esso viene in una certa misura bypassato dalla logica del software riducendo l'efficienza del motore, sebbene rimangano attive tutte le funzionalità di base. In alcune circostanze, la routine di autodiagnosi può scoprire un guasto grave che sostanzialmente impedisce il funzionamento o spegne il motore per motivi di sicurezza.

Con i moderni sistemi di gestione motore, la prima operazione che compie il tecnico durante la diagnosi dei guasti è quello di accedere alla memoria della centralina elettronica per leggere i codici di guasto. Spesso questi vengono memorizzati come codici alfanumerici a 5 caratteri, il primo dei quali è P, B, C o U, seguito da 4 numeri. È possibile trovare i dettagli e le descrizioni dei codici qui: Codici di guasto OBDII

Oltre a questi codici, il tecnico può anche visualizzare i dati attuali dei sensori con uno strumento diagnostico mentre il veicolo è in funzione. Questo gli consente di verificare se le letture di un sensore sono errate, ma non abbastanza fuori tolleranza da attivare la registrazione di un codice di guasto.

Controllo elettronico dell'acceleratore

Molte persone si chiedono perché sia necessario un sistema "drive-by-wire" per il controllo dell'acceleratore. Introdotto negli anni Novanta, questo sistema ormai viene installato su quasi tutti i motori, ma quali sono i vantaggi rispetto ad un cablaggio tradizionale?

Fino agli anni Ottanta, il comando della valvola a farfalla e dell'acceleratore era gestito da un cavo che collegava il pedale con il carburatore. Il regime minimo veniva impostato regolando semplicemente una vite per tenere leggermente aperto l'otturatore della valvola a farfalla fino a quando il motore non raggiungeva il regime corretto. Questo semplice metodo richiedeva interventi di regolazione continui sul regime minimo ed era soggetto a scostamenti a motore freddo o in caso di usura dei singoli componenti.

Negli anni Ottanta, con l'introduzione delle centraline elettroniche nella produzione di serie, furono adottate delle valvole elettroniche per la regolazione dell'aria al minimo che risolsero molti di questi problemi, anche se la centralina elettronica controllava solo una parte del flusso d'aria e restavano ancora in uso tutti gli altri componenti.

Con l'aumento dell'efficienza dei motori e dei processi di produzione delle automobili, fu introdotto il controllo elettronico dell'acceleratore. Ciò velocizzò il processo di fabbricazione dei veicoli (nessun cavo rigido per l'acceleratore da far passare attraverso la paratia), rese superflua la valvola di regolazione dell'aria al minimo e permise alla centralina elettronica del motore di acquisire un ulteriore controllo sul motore per ottimizzare il funzionamento del sistema EGR, il controllo dello spegnimento del motore e l'avviamento.

Un vantaggio importante del controllo elettronico dell'acceleratore è che la centralina elettronica può regolare l'angolo di accelerazione durante l'accelerazione stessa, in modo da compensare il flusso d'aria che attraversa il motore. Ciò aumenta la velocità di passaggio dell'aria attraverso il collettore di aspirazione e migliora la coppia e la manovrabilità. Questo processo, conosciuto come "mappatura della coppia", è possibile unicamente con un controllo elettronico dell'acceleratore.  

Adattamenti

I veicoli moderni sono costruiti con tolleranze molto più rigide rispetto al passato; ciononostante, essi sono ancora soggetti a scostamenti dovuti al processo di fabbricazione, all'usura meccanica e a influssi ambientali. Pertanto, essi sono in grado di adattarsi ai cambiamenti graduali del funzionamento del motore.

Esempio. Se un filtro aria si blocca a causa della polvere, la centralina elettronica può avviare il motore riducendo leggermente l'iniezione del carburante per ovviare al problema. Ciò permette di raggiungere la massima efficienza sin dal primo giorno di impiego del motore, invece di iniziare dal livello di fabbrica per migliorare costantemente durante ogni ciclo di funzionamento fino a raggiungere la miscela ottimale.  Per fare questo, la centralina salva i valori lambda dei cicli di funzionamento precedenti.

Questi adattamenti non si applicano solo ai filtri aria intasati, ma a molti sistemi del motore o del cambio. Dato che i componenti dei sistemi idraulici sono soggetti a usura, è necessario modificare il tempo di attivazione delle elettrovalvole per compensare il problema. Analogamente, anche il motore nel suo complesso con il tempo si usura, la capacità di pompaggio dell'aria peggiora leggermente e si rende necessaria una modifica dell'angolo di apertura dell'otturatore della valvola a farfalla per mantenere il minimo al livello corretto.

Storia della centralina elettronica

Anni Settanta

Le prime centraline elettriche sono dei semplici dispositivi di controllo costituiti da una coppia di elettrovalvole montata sul carburatore per renderlo più efficiente. Alcune centraline iniziano a controllare la miscela al regime minimo.

Anni Ottanta

Con l'introduzione dei sistemi di iniezione del carburante, alla centralina elettronica viene affidato un nuovo compito: è completamente responsabile per il carburante e il controllo dell'accensione nei motori a benzina.

Presto viene adottato il controllo lambda a ciclo chiuso e la centralina elettronica dà inizio ad una nuova era per quanto riguarda l'efficienza del motore.

Anni Novanta

La centralina elettronica ora gestisce la sicurezza del veicolo. Iniziano a comparire anche le prime centraline elettroniche per motori diesel: queste centraline daranno un contributo fondamentale al successo dei motori turbodiesel nelle due decadi successive.

Anni Duemila

Entrano in scena il controllo "drive-by-wire" dell'acceleratore, il controllo del turbocompressore e numerosi sistemi di controllo delle emissioni, tutti gestiti dalla centralina elettronica.

Anni Duemiladieci e oltre

Ora la centralina elettronica ha il pieno controllo della combustione della miscela, dell'apertura della valvola a farfalla, dell'impianto di raffreddamento e dei sistemi di controllo delle emissioni. Può essere dotata di centinaia e di ingressi e uscite ed è parte di una rete che comprende dozzine di altre centraline elettroniche installate nel veicolo. I sistemi ibridi si affidano alla comunicazione con la centralina elettronica per il proprio funzionamento, mentre le funzioni di assistenza alla guida comunicano con la centralina per assumere il controllo della richiesta di potenza del motore quando necessario.