Elaborazione centraline
Gli impianti di iniezione integrati con l’accensione, comandati dalla centralina elettronica
sono ormai comunemente utilizzati sulle vetture ed anche sulle moto vengono impiegati con crescente frequenza, in sostituzione dei classici carburatori. L’introduzione di tali sistemi è principalmente dovuta alle norme antinquinamento, che diventando sempre più rigide hanno obbligato i progettisti ad avvalersi di dispositivi che permettono una migliore formazione della miscela aria – benzina, ovvero una più fine atomizzazione del combustibile ed un dosaggio più preciso. Inoltre con il controllo motore di tipo elettronico, si ottiene indubbiamente una ottima erogazione del propulsore a tutti i regimi e prestazioni maggiori. Il cuore di tali impianti è la centralina, che contiene una unità di calcolo detta microprocessore (analogo a quello presente anche nei normali PC). Questo circuito sfrutta diverse informazioni inserite in una apposita memoria, comunemente chiamata EPROM, anche se oggi tale componente si è notevolmente evoluto, è integrato con altri dispositivi e dunque ha cambiato nome. Si chiama infatti FlahEPROM e può essere riprogrammato con un procedimento molto più semplice rispetto a quello utilizzato per la EPROM. Per effettuare questa operazione si sfrutta un apposito tool che dialoga con il microprocessore, in modo da poter avere accesso alla memoria stessa. I dati contenuti nella centralina (un vero e proprio calcolatore), sono molteplici e servono per controllare moltissime funzioni, tra le quali quelle che permettono al dispositivo di comunicare con gli altri apparati elettronici presenti a bordo del veicolo. In questi ultimi anni sono infatti state notevolmente sviluppate le reti di comunicazione tra i diversi controllori, in modo da avere un sistema con dati distribuiti, ovvero condivisi. Le funzioni più importanti servono ovviamente per definire l’anticipo dell’accensione (nel caso di alimentazione con benzina) e il tempo di iniezione, da applicare ad ogni ciclo di funzionamento del motore, ma non bisogna sottovalutare quelle relative alle capacità autoadattative del calcolatore. Tale funzione può infatti modificare permanentemente l’intervallo di correzione della carburazione, fatta in funzione del segnale inviato dalla sonda lambda, in modo da adeguarla alle mutate condizioni di lavoro del motore dovute all’invecchiamento delle sue parti meccaniche, o dei sensori ed attuatori del sistema di alimentazione ed accensione. I tempi di iniezione e gli anticipi dell’accensione (ovviamente presenti solo se il combustibile è la benzina) sono raccolti in mappature specifiche scritte all’interno della memoria, che come coordinate usano solitamente il regime del propulsore ed il suo carico. La funzione di queste mappature è fondamentale, perché permette al microprocessore di determinare i parametri corretti che devono essere applicati per far funzionare perfettamente il motore in qualsiasi condizione e per limitare l’inquinamento. Il tempo di iniezione è l’intervallo in cui l’iniettore viene mantenuto aperto dalla centralina, mentre se si usa la benzina, l’anticipo dell’accensione rappresenta i gradi che precedono il raggiungimento del PMS da parte del pistone, ai quali viene fatta scoccare la scintilla sulla candela. Il tempo di iniezione è direttamente legato alla quantità di combustibile erogato: più sarà lungo, più carburante verrà immesso nel motore e viceversa. Per cercare di capire in modo
semplice il funzionamento della centralina, immaginiamo di percorrere una salita con un veicolo, mantenendo il regime del propulsore a 5000 g/min. e l'acceleratore quasi completamente aperto (elevato carico motore). Il sistema di controllo determina la giusta quantità di combustibile da iniettare (e cioè l’esatto tempo di iniezione) e l'idoneo comando delle bobine (l'anticipo accensione corretto), leggendo dalla mappatura i dati appropriati per il particolare funzionamento del motore appena descritto e correggendoli utilizzando una serie di altri parametri. Come già osservato, per poter accedere a questi dati, il calcolatore (la centralina) deve conoscere attraverso i sensori due grandezze indispensabili: il regime di rotazione e il carico. Per ciascuna di queste grandezze (opportunamente discretizzate nel loro intervallo), il costruttore, svolgendo lunghi rilevamenti al banco prova, avrà preventivamente determinato i valori da inserire all'interno delle mappature. E' evidente che con una accensione-iniezione integrata e a comando elettronico, è possibile ottimizzare il funzionamento del propulsore in diverse condizioni di regime e apertura farfalla, indipendentemente da quanto accade in altri punti di lavoro. Se ad esempio si vuole migliorare la potenza con gas spalancato ed elevati regimi di rotazione, occorrerà intervenire in una particolare zona della mappatura. Naturalmente non verrà alterato il funzionamento del motore in fase di progressione o al regime del minimo, poiché i valori corrispondenti saranno lasciati inalterati. Questo non può ovviamente accadere con il carburatore. Infatti se si cambia il getto del massimo, non si mutano unicamente le condizioni di massima potenza, ma sicuramente anche quelle di progressione (medi regimi e medi carichi motore). Identica osservazione deve essere fatta per la mappatura degli anticipi dell'accensione (nel caso di motori alimentati a benzina) ricordando che, eccetto le ultime versioni delle centraline montate sui veicoli alimentati con carburatore, l'anticipo era costante dall'avviamento fino ad un certo regime di rotazione del motore, oltre il quale i vecchi sistemi elettronici lo incrementavano fino ad un ulteriore valore, che rimaneva sostanzialmente costante per i giri successivi. Da quanto fino ad ora detto è semplice immaginare quali sono gli interventi fatti per modificare una memoria, al fine di ottenere più prestazioni da un motore. Oltre a svolgere complesse operazioni che non è il caso di descrivere, vengono variati i tempi di iniezione e gli anticipi dell’accensione contenuti nelle mappature, in modo da modificare l’erogazione in punti di funzionamento del propulsore ben stabiliti. Occorre notare però che con l’evolversi della tecnologia elettronica, gli strumenti necessari per effettuare questi cambiamenti hanno subito notevoli cambiamenti. Si è infatti passati dai semplici programmatori di EPROM che permettevano di leggere il contenuto delle memorie in formato esadecimale, ai ben più complessi programmi che collegandosi con il microprocessore della centralina, riescono ad intervenire sulla FlashEPROM, riprogrammandola. Ovviamente per svolgere una modifica delle mappature, è necessario conoscere i dati che occorre variare e come questi vanno alterati, in modo da migliorare le prestazioni senza ridurre eccessivamente l’affidabilità meccanica del propulsore. Dunque deve essere fatta una attività di reverse - engineering in grado di svelare il significato e l’organizzazione delle mappature stesse. E’ spontaneo domandarsi quale è il margine di guadagno che si può avere sulla coppia e di conseguenza sulla potenza, con
modifiche realizzate solo sulla centralina. Non è facile dare una risposta precisa a questo quesito. Il risultato che si può ottenere con tali elaborazioni, dipende dalla taratura iniziale che il costruttore ha inserito in funzione delle norme sull’inquinamento e della affidabilità meccanica. Se il motore è stato correttamente progettato, nella parte termica e fluidodinamica e gli organi meccanici sono stati adeguatamente dimensionati, probabilmente le mappature originali conterranno dati tali da far ottenere le massime prestazioni, senza bisogno di ulteriori modifiche. Contrariamente se il costruttore per garantire un basso inquinamento ed una accettabile affidabilità meccanica, ha dovuto mortificare il carattere del propulsore, lavorando adeguatamente sulla centralina è possibile senza dubbio migliorare l’erogazione. Occorre però ricordare che il motore subirà sempre maggiori sollecitazioni a scapito della sua durata e non saranno più rispettate le norme di omologazione relative all’inquinamento. In generale si può perciò affermare che la elaborazione elettronica è una operazione complessa e se non accompagnata da una precedente e sostanziosa preparazione meccanica, non porta quasi mai a risultati eclatanti. Si noti che la difficoltà che deve essere affrontata nelle modifiche delle centraline, non risiede unicamente nella interpretazione ed alterazione delle mappature, ma anche nella possibilità di violare tutte le protezioni software (e in alcuni casi anche hardware) che ovviamente il costruttore ha predisposto per evitare azioni di tampering, come previsto dalle normative. Infatti una manomissione del controllo motore, porta sicuramente ad emissioni inquinanti più elevate rispetto a quelle previste in sede di omologazione. A volte queste protezioni non possono essere eluse, o comunque sarebbe possibile ma con costi troppo elevati. In questi casi sono state messe a punto dei moduli aggiuntivi, che, applicati esternamente alla centralina, permettono di manipolare adeguatamente i parametri diretti agli attuatori. Si riescono così ad ottenere tempi di iniezione ed anticipi dell’iniezione, diversi da quelli che il sistema avrebbe normalmente applicato. Ovviamente questi dispositivi offrono risultati meno efficaci, rispetto alla modifica diretta delle mappature. Al termine di queste elaborazioni è sempre fondamentale verificare i risultati ottenuti in fatto di prestazioni, utilizzando un adeguato banco prova.
Questa è la Memoria di tipo EPROM utilizzata in una centralina di una DUCATI 916 Racing. E’ posizionata su uno zoccolo per agevolare la sua sostituzione.
Le centraline della prima generazione erano ingombranti ed alcuni moduli elettronici di potenza erano posizionati all’esterno del suo hardware. Usavano tutte delle EPROM come supporti di memoria.
La prova al banco è indispensabile per poter verificare i miglioramenti ottenuti con diverse calibrazioni delle mappature.
Questi sono i corpi farfallati
di un motore Ducati 748. Sono ben evidenti in colore verde, gli iniettori che assicurano l’alimentazione del motore con la necessaria benzina.
Una centralina Magneti Marelli per impianti di accensione – iniezione. La EPROM (in questo caso per la precisione è utilizzata una FlashEPROM) è situata sul lato opposto del circuito stampato ed è saldata ad esso (non è usato lo zoccolo).
Ancora una centralina Magneti Marelli della seconda generazione. Migliora l’hardware che è un poco più compatto e le caratteristiche software. In questa immagine è ben visibile la EPROM, anche in questo caso montata su zoccolo per facilitare la sua sostituzione.
Durante i test del veicolo con centralina elaborata, è bene utilizzare una sonda lambda per avere l’indicazione del rapporto aria-benzina realizzato dalla centralina stessa. Questo rapporto andrà corretto modificando i tempi di iniezione, in modo da garantire le migliori prestazioni.
Questa immagine mostra come sono cambiate le curve di potenza e coppia di un motore, che presentava un vistoso “buco” di erogazione a 8000 giri/min. (curve di colore rosso). Dopo l’intervento sulla centralina si sono ottenute le curve blu, la sostituzione degli scarichi ed una ulteriore nuova programmazione del calcolatore elettronica, ha fatto ottenere le curve verdi.
Ecco come si presenta una centralina opportunamente modificata
per rendere estraibile la memoria, altrimenti saldata sul circuito. Queste operazioni sono molto complesse da effettuare e servono solo in sede di sviluppo, per determinare la calibratura che consente di raggiungere le migliori prestazioni.
Prima di portare il veicolo in sala prova motore, occorre strumentarlo con i sensori
necessari al fine di monitorare il funzionamento di alcuni parametri del motore, indispensabili per valutare con precisione quale intervento occorre fare sul sistema di controllo motore.
Su alcuni veicoli, specialmente quelli destinati alle corse, la centralina originale viene completamente sostituita con una “aperta” e cioè con la quale è possibile dialogare tramite uno specifico software, in modo da modificare liberamente e semplicemente tutti i suoi parametri.
