L`iniezione delle Harley-Davidson

L'iniezione delle Harley-Davidson
Da alcuni anni a questa parte le stringenti normative stanno obbligando tutti i produttori di
veicoli a motore a passare all'iniezione elettronica per rientrare nelle normative
anti-inquinamento.
Anche la Harley-Davidson che produce moto con il motore più classico (o arcaico che dir si
voglia) ha dovuto abbandonare il carburatore su tutti i suoi modelli.
Lo scopo di questo articolo è quello di dare una minima base teorica sul funzionamento dei
componenti che vengono usati sui sistemi di iniezione delle Harley-Davidson
Differenze tra il sistema Magneti-Marelli e il Delphi
Dopo la prima serie di motociclette con iniezione Magneti-Marelli, la Harley-Davidson è passata
ad un sistema progettato dalla Delphi.
Uno dei vantaggi principali nel passaggio a questo sistema è il modo come viene individuato il
carico a cui viene sottoposto il motore.
Il sistema Magneti-Marelli usava il cosiddetto canale "Alpha-N" che in gergo indica l'unione del
regime di rotazione e dell'apertiura della farfalla; in pratica ad un regime basso ed un'apertura
eccessiva della farfalla il motore va inteso sotto alto carico per cui necessita di maggiore
benzina.
Questo sistema aveva problemi con determinate modifiche alla moto, e soprattutto alcuni tipi di
assi a camme con alzata elevata.
Un altro valore che la tecnica del canale Alpha-N non riesce a recuperare è la pressione
atmosferica dalla quale si desume l'altitudine.
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Il sistema Delphi non usa più il canale "Alpha-N" ma il cosiddetto sensore MAP (Manifold
Absolute Pressure - Pressione Assoluta del Condotto di Aspirazione, detto anche Debimetro). In
pratica se viene rilevata una forte depressione nel condotto di aspirazione (indipendentemente
dalla percentuale di apertura della farfalla) va inteso un carico maggiore del motore.
Questo sistema è più efficiente e compatibile con qualsiasi tipo di assi a camme, ed è più
efficace specie se si vuole modificare la propria moto con assi a camme più performanti.
Un'altra piccola differenza tra il sistema Marelli e il Delphi è stata l'adozione di un corpo
farfallato con un solo venturi contro i due accoppiati del Magneti-Marelli. Il primo vantaggio è
nella possibilità che ha avuto H-D di adattare l'imbocco del corpo farfallato alla forma
dell'imbocco dei carburatori Keihin CV usati fino a quel momento.
Questo ha permesso di poter usare tutti gli accessori come filtri aria e adattatori finora utilizzati
con il carburatore, senza nessuna modifica meccanica.
La centralina (ECU)
La centralina elettronica è un microcomputer, ha infatti microprocessore, memoria ram,
memoria flash programmabile e interfacce di ingresso e uscita e piccoli controller per pilotare
segnale elettrici.
Qui dentro è memorizzata la mappa e tutti i programmi di controllo delle varie funzioni che
svolgono i sensori della moto. Le mappe memorizzate sono quelle per l'efficienza volumetrica
per pilotare gli iniettori, la mappa di accensione per pilotare l'anticipo d'accensione delle
candele, la mappa stechiometrica per la funzionalità closed-loop di autoregolazione con le
sonde Lambda (vedi sotto).
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All'interno della centralina delle Harley ci sono varie funzioni accessorie oltre a quelle
necessarie per il funzionamento dell'iniezione e dell'accensione:
- sensore di inclinazione per lo spegnimento del motore in caso di caduta,
- dialogo con l'impianto di allarme per impostare il blocco motore in caso di tentato furto,
- temporizzazione delle frecce in base al segnale fornito dal sensore di velocità posto sul
cambio,
- controllo del led della 6a marcia sullo strumento,
- codice UIN univoco del veicolo,
- riduzione e memorizzazione dell'impulso di velocità proveniente dal sensore del cambio,
I sensori
Una cosa importante dei moderni sistemi di iniezione elettronica dei veicoli a motore sono i
sensori.
La quasi totalità dei sensori presenti nel motore sono piccoli apparecchi elettrici passivi.
Possono essere delle resistenze, dei solenoidi o delle termocoppie, degli interruttori. In tutti i
casi c'è un carico elettrico applicato e le differenti condizioni fisiche o moviimenti meccanici che
possono verificarsi causano una variazione di resistenza del sensore.
Un discorso a parte va fatto per le sonde Lambda a banda stretta (al diossido di zirconio) che
invece è un generatore di corrente tra 0-1,2volts.
Questi sensori lavorando insieme danno alla centralina preziose informazioni dello stato in cui si
trova il motore e quindi di quali parametri prendere in considerazione per fornire la quantità
adeguata di benzina.
Sensore MAP
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Il sensore MAP (Manifold Absolute Pressure - Debimetro) viene usato per individuare il carico a
cui è stato sottoposto il motore.
In pratica all'apertura del gas e rispettiva farfalla entra aria nel corpo farfallato e all'apertura
della valvola di aspirazione il motore tenta di aspirare questa aria. In base a quanta depressione
(risucchio) c'è nel condotto di aspirazione il sensore MAP viene risucchiato più o meno
intensamente e al suo interno avviene una variazione in una resistenza elettrica che dice alla
centralina (ECU) sotto quale carico si trova il motore.
Spesso al sensore MAP è associato un sensore di temperatura dell'aria, per cui insieme alla
depressione (e quindi il carico motore) la centralina viene a conoscenza della temperatura
atmosferica dell'aria dalla quale riesce a ricavare la densità. Di norma più è fredda l'aria più e
densa e quindi ricca di ossigeno, e quindi potrà combinarsi con più benzina.
Più è calda e più è rarefatta, e quindi ci sarà meno ossigeno al suo interno.
Una funzione del sensore MAP+temperatura è anche quella di individuare l'altitudine in base
alla depressione che avviene nel condotto di aspirazione, che cambia anche in base alla
pressione atmosferica dovuta all'altitudine.
Sensore temperatura aria
Di solito associato al MAP in unico blocco, server per identificare la temperatura dell'aria e
quindi la sua densità.
Sensore Pick-up
Il sensore Pick-up è quello di posizione dell'albero motore. Questo sensore di tipo magnetico
riesce ad individuare l'approssimarsi del punto morto superiore (PMS) e quindi il momento
necessario per far scoccare la scintilla. Insieme al MAP questo sensore aiuta nel capire a quale
carico è stato sottoposto il motore. Sull'albero motore sono praticate delle tacche, di cui alcune
sono più lunghe o ci sono delle interruzioni all'approssimarsi del PMS.
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Sensore TPS
Il sensore TPS (Throttle Position Sensor) è quello che indica quanto è stata aperta la farfalla,
cioè quanto gas è stato dato al motore. Ha una resistenza variabile che fornisce una caduta di
tensione tra 0-5v. Insieme al pick-up è importante per individuare nella mappa carburante nella
centralina, la cella corretta col valore base di carburante da fornire.
Sensore Ossigeno
Il sensore ossigeno è la cosiddetta sonda Lambda . Il suo scopo è vedere quanto ossigeno
residuo dalla combustione è rimasto nei gas di scarico, ed aiutare nel regolare le successive
fasi di spruzzo degli iniettori per correggere la quantità di benzina.
I sensori Lambda esistono di due tipi, quello a banda stretta (Narrow Band) installato di serie
sulle Harley e su quasi tutti i veicoli, e quelli a banda larga (Wide Band) utilizzati da sistemi di
diagnostica e da centraline aggiuntive per alte prestazioni.
Attorno a questo sensore c'è una discussione molto vasta a cui sarà dedicato un paragrafo
apposito.
Sensore di temperatura motore
Il sensore di temperatura del motore è una termocoppia e il suo scopo è informare della
temperatura del motore. Sulle Harley si trova sulla testa del cilindro posteriore e aiuta a
correggere la carburazione in base alla temperatura del motore o a spegnerlo in caso di
surriscaldamento.
Sensore di battito in testa
In passato per individuare il battito in testa causato da benzina inefficiente o anticipo
d'accensione errato si usavano sensori che intercettavano le vibrazioni. Ma su una Harley ci
sono numerose vibrazioni che potrebbero falsare la lettura con questo tipo di sensore.
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Così oggi su quasi tutti i veicoli si usano sensori agli Ioni, posti direttamente dentro la bobina. Si
basa su un fenomeno fisico, in pratica se avviene una detonazione prima che ci sia la scintilla
della candela, vengono prodotti ioni+ che attraversando gli elettrodi della candela generano una
lieve corrente che viene individuata da un circuito speciale posto dentro la bobina. QUI un
disegno esplicativo.
Sensore di velocità
Il sensore di velocità sulle Harley si trova nel cambio e in particolare su un albero collegato
all'ingranaggio di una marcia e serve a vari scopi. Immagazzinando il totale dei suoi impulsi si
memorizzano i km totali del veicolo. Si ritrasmettono i suoi impulsi allo strumento contakm, e si
usa per calcolare la velocità del veicolo. Altri usi sono per lo spegnimento automatico delle
frecce per identificare l'aumento di velocità dopo una svolta.
Sensore 6a marcia
È un sensore che serve a dire allla centralina che si è raggiunta la 6a marcia, viene usato anche
per accendere una luce sulla plancia per indicarlo al conducente.
Sensore di inclinazione
Il sensore di inclinazione non ha una funzione attiva nel rendimento del motore. Il suo scopo è
solo quello di spegnere il motore in caso di inclinazione eccessiva se la moto cadesse in terra o
si ribaltasse in un incidente.
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La sonda Lambda
La sonda Lambda detta anche sensore dell'ossigeno, merita un capitolo apposta. Questo
sensore è molto dibattuto nel mondo Harley perché anche se il suo scopo è quello di dosare
meglio la carburazione, l'adozione di sonde a banda stretta oltre che necessaria per il rispetto
delle emissioni, risulta poco efficace per la natura dei motori Harley.
I motori raffreddati ad aria sono ormai in via di estinzione sia per le potenze specifiche massime
in grado di sviluppare che sono inferiori a quelle dei motori raffreddati a liquido, sia per il
problema della temperatura che possono raggiungere se spinti nell'efficienza e la necessità di
usare carburazioni grasse per favorirne il raffreddamento, che si tradurrebbe in inquinamento
eccessivo.
Con l'avvento della sonda Lambda nel 2007 (2006 per il modello Dyna) arriva anche nelle
centraline delle Harley-Davidson ad aste e bilanceri la funzionalità closed-loop.
Cosa significa closed-loop?
Normalmente senza le sonde Lambda, il dosaggio della benzina sarebbe dato dalla tabella di
efficienza volumetrica della mappatura con le correzioni effettuate leggendo gli altri sensori per
carico, altitudine, temperatura, densità ecc.
La modalità in cui non si usano le sonde Lambda ma la sola mappa base e gli altri sensori si
chiama open-loop.
Nel momento in cui si usa la modalità closed-loop tutti gli altri sensori e la mappa volumetrica
vengono ignorati e si segue una mappa differente, ossia la mappa stechiometrica (AFR - Air
Fuel Ratio). La mappa stechiometrica riporta dei valori di rapporto tra aria e benzina. Per
esempio la posizione Lambda 1 è 14,7:1 ossia 14,7 parti di aria per ogni parte di benzina. La
Harley usa il rapporto 14,6:1 (quasi Lambda 1), una tolleranza permessa dalle leggi sulle
emissioni.
Quando una centralina segue la sonda Lambda, si fa guidare da questa in modo che ad ogni
scoppio e successivo scarico dai gas venga rilevata la quantità di ossigeno e se il valore si
discosta da 14,6:1 la centralina corregge per raggiungerlo nelle fasi di scarico successive.
Ma la modalità closed-loop sulle Harley-Davisdson non è su tutti i regimi e percentuali di
apertura del gas. Ma solo da 0-4500 giri/min e tra 0-60% di apertura del gas. Oltre questi valori
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si torna in open-loop a seguire la mappa volumetrica di base.
Gli iniettori
Gli iniettori sono i dispositivi responsabili del dosaggio del carburante. Sono delle valvole che
vengono aperte con un meccanismo piezoelettrico.
In pratica la pompa situata dentro il serbatoio porta in pressione la benzina in una canula che
arriva a tutti gli iniettori. La pressione resta costante. Su uno dei poli di ogni iniettore ci sono
12volts e il negativo non viene messo a massa finché non arriva l'impulso dalla centralina, fatto
ciò un cilindretto si sposta e la benzina che era già a pressione viene spruzzata e vaporizzata.
Da questo meccanismo si capisce che l'inettore non ha una portata che può variare, ma il
maggiore apporto di benzina avviene semplicemente prolungando il tempo di apertura.
Nel periodo 2004-2005 H-D usava iniettori con una portata maggiore di quelli che ha installato
dal 2006 in poi. I nuovi iniettori non permettono elaborazioni superiori ai 90cv.
Se si prolunga molto il tempo di apertura degli iniettori, per la particolare fasatura del motore
Harley ad aste e bilancieri accade che la benzina non aspirata dal cilindro frontale dopo la
chiusura della valvola di aspirazione viene aspirata dal cilindro posteriore che inizierà da lì a
poco la sua fase di aspirazione.
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In tutte le elaborazioni che prevedono un apporto di carburante al cilindro anteriore di oltre il
30% rispetto alla mappa di base della moto originale, bisogna tenere conto di questa cosa e
prevedere la possibilità di cambiare gli iniettori con altri di portata maggiore.
Circuito del minimo
Il circuito del minimo è un passaggio di aria che scavalca la farfalla controllata dalla manopola
del gas, per permettere alla centralina di regolare autonomamente il regime di minimo. Il minimo
viene alzato a motore freddo (cosiddetto starter automatico) ingrassando nel contempo la
miscela per permettere al motore di stare acceso fino a riscaldamento avvenuto. E per regolare
il regime del minimo a motore caldo.
Il passaggio di aria viene infatti parzializzato da un pistoncino collegato ad un solenoide che in
base al voltaggio fornito muove avanti e indietro il pistoncino.
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La mappatura
Nonostante nell'impianto di iniezione ci siano così tanti sensori che aiutano a regolare la
quantità di benzina da dosare al motore, comunque bisogna partire da una base. Questa è la
base da utilizzare se tutti i sensori si trovano in condizioni normali, condizioni che sono
considerata la norma nell'uso del veicolo.
Per fare questa mappa base, un prototipo di quella moto viene preparata con tutte le
componenti che monterà nel paese dove dovrà essere venduta. Quindi scatola filtro omologata,
scarico catalizzato ecc.
Quindi su dei banchi dinamometrici con anche alcuni sensori aggiuntivi si estrapolani i cosiddetti
valori di Efficienza Volumetrica . L'efficienza volumetrica è la quantità d'aria che in condizioni
ideali senza carico riesce ad entrare nel cilindro. Questa tabella è la base per dire agli iniettori
quanta benzina dare ad ogni fase di aspirazione.
Creata la tabella VE delle condizioni ideali, si aggiungono i parametri in caso di variazioni delle
condizioni rilevate dai vari sensori. Per esempio se abbiamo che a 2500 giri/min e 10% di
apertura del gas il motore sta avendo un'efficienza volumetrica del 100%, con temperatura
atmosferica di 25°C se la temperatura atmosferica scende a 15°C bisogna ingrassare del 5%
per compensare la maggiore densità dovuta alla minore temperatura dell'aria.
Un breve riassunto del cosa avviene al variare delle condizioni:
- Temperatura aria: ingrassare se la temperatura diminuisce, smagrire se aumenta.
- Temperatura motore: ingrassare a motore freddo per favorire la partenza. Smagrire e
portare ai valori di VE a temperature ideali di esercizio. Ingrassare a temperature molto alte per
favorire il raffreddamento dei cilindri. Spegnere il motore a temperatura critica per evitare la
rottura.
- Pressione atmosferica: Seguire la tabella VE al livello del mare. Ingrassare in caso di
depressione (aree sotto il livello del mare). Smagrire man mano che si sale di altitudine per
compensare un'aria più rarefatta e meno ricca di ossigeno.
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- Carico motore: Seguire tabella VE in caso di carico nullo (cruising). Ingrassare per
aumento di carico, cioè apertura repentina del gas e richiesta di accelerazione partendo da
bassi regimi.
Una funzione interessante è la "pompa di ripresa" o di accelerazione. Questo è un componente
presente su molti carburatori che serve a dare uno spruzzo improvviso di una buona quantità di
carburante nel momento in cui la manopola del gas subisce un'apertura repentina. Per
compensare la quantità d'aria che arriva in un istante di tempo troppo breve che impedirebbe al
circuito di massimo regime di fornire rapidamente la quantità di benzina necessaria. Questa
funzione viene simulata anche dal sistema di iniezione che fa la stessa cosa quando vede
aperture repentine del gas senza variazione di carico e viene allungato il tempo di apertura degli
iniettori.
Oltre alla mappatura per l'iniezione, la ECU gestisce anche la mappatura di accensione. Molto
simile a quella del carburante, questa mappatura serve a dire alla centralina ad ogni cella di
regime+apertura farfalla di quanti gradi prima del PMS (Punto Morto Superiore) bisogna
ritardare o anticipare la scintilla delle candele. Questa mappatura è collegata anche al segnale
proveniente dal sensore di battito in testa, che aiuta a regolare i valori fissi nella mappa per
prevenire questo fenomeno dannoso per il motore e per le prestazioni.
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