Ottimizzazione dei parametri di saldatura di un elettroiniettore mediante metodi DOE e FEM

Negli ultimi decenni l’avvento delle nuove tecnologie automobilistiche ha portato notevoli miglioramenti per quello che riguarda il settore “Fuel-Management”, ovvero quello della preparazione della miscela aria/combustibile e distribuzione della stessa tra i vari cilindri. Queste operazioni, precedentemente effettuate meccanicamente con i carburatori, vengono attualmente gestite da sistemi elettronici che, grazie ai segnali inviati da una serie di sensori, tengono conto dei regimi di funzionamento del motore e della composizione dei gas di scarico, adeguando ad ogni ciclo le caratteristiche della miscela. Un sistema di questo tipo necessita di un livello di controllo e di una precisione che i classici carburatori, anche se a controllo elettronico, non sono in grado di garantire. I problemi precedentemente illustrati sono stati superati con l’introduzione degli elettroiniettori, che intervengono sulla distribuzione del combustibile nel condotto di aspirazione (iniezione indiretta) o direttamente nel cilindro (iniezione diretta). In entrambi i casi gli elettroiniettori vengono controllati da una centralina elettronica che invia degli impulsi ad un solenoide.
La circolazione di corrente all’interno del solenoide genera un campo magnetico indotto che provoca l’alzata di una piccolo spillo e l’apertura dell’ugello. Lo spostamento dello spillo definisce la corsa dell’iniettore che, in condizioni ottimali, è di qualche decina di micron.
Questa breve descrizione del funzionamento rende l’idea della complessità e della precisione necessarie per la realizzazione degli elettroiniettori sia per l’alto numero di componenti presenti (corpo, fondello, spillo, filtro, molla, ecc.) sia per le loro ridotte dimensioni (dell’ordine del millimetro o addirittura decimi di millimetro).
Una delle fasi più critiche nella realizzazione degli elettroiniettori è quella di assemblaggio e in particolare l’operazione di inserimento del filtro all’interno del fondello. Un basso livello di precisione di questa operazione comporta un malfunzionamento dell’iniettore stesso e quindi del propulsore.
Scopo del presente lavoro è appunto quello di valutare la criticità della fase di assemblaggio di un elettroiniettore, di produzione di Magneti Marelli, nonché quello di cercare di ottimizzare il processo al fine di rendere più affidabile il prodotto, diminuendo di conseguenza gli scarti di produzione.
Le fasi ritenute più importanti sono la giunzione mediante saldatura laser, tra il corpo e il fondello dell’iniettore e l’inserimento del filtro che genera uno sforzo di compressione generato. Al variare dei parametri di saldatura (ampiezza, profondità e arco) infatti, la sollecitazione di compressione causata per inserire il filtro può provocare deformazioni permanenti con conseguenti riduzione di corsa dell’iniettore che determinano variazioni di portata e ripercussioni sul funzionamento del propulsore.
A tale scopo è stato modellato l’insieme corpo-fondello-saldatura e mediante analisi agli elementi finiti, è stata simulata la fase di assemblaggio del filtro con l’applicazione di una pressione uniforme sulla base superiore del fondello, per diversi valori dei parametri di saldatura.
Le analisi agli elementi finiti effettuate hanno permesso di determinare lo stato tensionale nelle varie sezioni e le variazioni di corsa dell’iniettore al variare dei parametri di saldatura. Al fine di valutare la sicurezza della struttura, nel caso in cui la saldatura non venga eseguita correttamente, sono stati inoltre analizzati valori dei parametri inferiori a quelli critici, ammessi dalla norma interna della casa costruttrice.
La convergenza del modello è stata verificata simulando la prova di collaudo della saldatura e confrontando i risultati ottenuti con quelli sperimentali, forniti dal costruttore.