“The winner takes it all!” Nella corsa il mondo si divide in vincitori e perdenti. Il pilota vincente si gode la doccia di champagne. Eppure la decisione preliminare vincente, si prende al banco di prova degli sviluppatori di motori. Sensori di pressione efficienti sono il vantaggio competitivo decisivo.

La STS fornisce sensori di pressione a clienti provenienti dal mondo degli sport motoristici, tra cui esponenti della Formula 1 e della NASCAR. Entrambe le gare di corsa, nonostante tutte le differenze, hanno una cosa in comune: ogni cavallo vapore conta e rappresenta un vantaggio determinante in pista. Se ai banchi di prova, durante le costose prove, si lotta per ogni decimo di cavallo vapore, i risultati dei test devono essere totalmente affidabili fino all’ultimo decimale.

Tecnica di misurazione della pressione nello sviluppo dei motori nella Formula 1 

L’attuale regolamento sui motori della Formula 1 è stato introdotto nel 2014. Sono stati adottati motori a V a 6 cilindri, cilindrate da 1,6 litri e mono-turbocompressori. I numeri di giri ammontano a 15.000 min⁻¹. Il Kinetic Energy Recovery System (KERS), un sistema elettrico per il recupero dell’energia in frenata applicato dal 2009, è stato sostituito dall’Energy Recovery System (ERS). I moderni motori della Formula 1 sono dunque motori ibridi. Con loro il futuro nella Formula 1 è già diventato presente. La gara forse di maggior successo al mondo è anche un laboratorio sperimentale per la strada. Che si tratti di freni a disco o diagnosi computerizzate, molte tecnologie appartenenti alla quotidianità del traffico stradale hanno origine nelle operazioni di sviluppo della Formula 1.

Il regolamento attuale in vigore sui motori in vigore, che delimita le possibilità di intervento per tutti i team allo stesso modo, rende necessaria la grande meticolosità al banco di prova per tirare fuori il vantaggio decisivo. Ogni cavallo vapore conta. Rispetto ai test per le auto nel normale traffico valgono in parte altre esigenze. La pressione dell’olio e dell’acqua sono più elevate, così come sono più elevate le temperature che si verificano. Quando si tratta di abbassare i consumi e aumentare le prestazioni occorrono ampi test in condizioni di gara. Inoltre, l’esattezza dei risultati delle misurazioni nel range di temperatura richiesto è di estrema importanza. Spesso nella Formula 1 non si parla di grandi salti per quanto riguardo i cavalli vapore – a questi alti livelli di prestazioni già miglioramenti in ambito dei decimali sono motivo di gioia.

A proposito di queste sfide una famosa scuderia della Formula 1 si è rivolta alla STS poiché la tecnologia dei sensori fino ad allora utilizzati non era all’altezza delle elevate esigenze. Gli strumenti di misurazione impiegati erano troppo grossi e troppo pesanti. Ancora più grave era poi il problema per cui dovevano essere introdotte al banco di prova ulteriori tecniche di raffreddamento, altrimenti la temperatura dei sensori schizzava al massimo, inficiando i risultati.

L’obiettivo degli sviluppatori era quindi realizzare sensori di pressione che permettessero una standardizzazione e rendessero obsoleti ulteriori elementi di raffreddamento. Anche la questione del peso e delle dimensioni hanno avuto un ruolo – in fondo questi fattori influenzano le performance dei bolidi.

La STS ha messo a disposizione della scuderia un nuovo sensore della serie ATM, disponibile sul mercato nell’autunno di quest’anno. Questo sensore non solo offre la precisione richiesta nell’intervallo di temperatura richiesto, ma ha portato anche un altro decisivo vantaggio che lo sviluppo dei motori ha potuto ottimizzare in modo duraturo: tra i sensori di un altro produttore finora utilizzati ci sono stati dei guasti quando si è passati al sistema ibrido adottato dal 2014. Il risultato: il banco di prova falliva. In pratica era impossibile effettuare misurazioni a lungo termine. I sensori ATM dell’azienda STS sono a prova di guasto e pertanto permettono test estesi sulla strada verso il podio.

Tecnica di misurazione nello sviluppo dei motori della NASCAR 

Se è vero che le stock car della NASCAR non montano motori ibridi, è pur vero che sono necessari vasti test per raggiungere prestazioni ottimali. Anche qui un famoso produttore di motori punta sulla tecnica di misurazione della STS. Con i numerosi test si ha un quadro della pressione dell’olio, dell’acqua, della benzina e dell’aria in circa 200 trasmettitori di pressione ATM.1ST. Dalla pressione dell’aria presente nel motore fino al miglioramento del flusso dell’olio è necessario analizzare correttamente diversi fattori per ottenere aumenti di potenza minimi (ci muoviamo qui a circa 900 CV). Come per la Formula 1 è richiesta massima precisione. Stiamo parlando di un decimo di cavallo vapore!

La scelta del produttore ricade sul trasmettitore di pressione ATM.1ST, perché in quanto a caratteristiche operative fornite non ha concorrenti:

• La modularità dei sensori della STS permette al produttore di collegare uno speciale adattatore per la pressione.
• L’errore totale di ≤ ± 0.30 % FS permette analisi significative per il miglioramento dell’efficienza del motore.
• La stabilità a lungo termine minimizza in modo considerevole lo sforzo di calibrazione.
• L’intervallo di misurazione della pressione di 100 mbar…1000 bar soddisfa le pressioni che si verificano nello sviluppo dei motori.
• L’eccellente compensazione della temperatura permette risultati precisi in un ampio range di temperatura – un criterio decisivo con le temperature in rapido aumento durante il test di valutazione al massimo livello.

Che sia la Formula 1 o il NASCAR: la strada verso il podio passa per i banchi di prova. Soprattutto nel competitivo settore degli sport motoristici occorrono sensori ad alta precisione che valutino tutte le importanti misure, dalla pressione dell’olio e dell’acqua fino alla pressione del carburante e dell’aria. Accanto alla precisione anche la sicurezza che non si verifichino guasti svolge un ruolo importante per poter condurre i test a lungo termini necessari e ottenere risultati affidabili.

Di fronte a normative sulle emissioni globali sempre più restrittive, il settore automobilistico ha adottato rapidamente tecnologie pulite per ridurre i gas serra nocivi. Fondamentale per il funzionamento dei moderni motori a combustione magra è il controllo preciso dei rapporti aria-carburante (A/F) a valori stechiometrici per raggiungere un’elevata efficienza del convertitore catalitico e ridurre al minimo le emissioni di scarico.

Per ottimizzare il rapporto A/F in condizioni transitorie, i produttori utilizzano sia i sistemi a circuito chiuso che i sistemi a circuito aperto:

• Il sistema a circuito chiuso è un sistema in cui un segnale proporzionale al rapporto A/F viene generato da un sensore di ossigeno del gas (EGO), noto anche come sensore Lambda, situato nel flusso di scarico.
• Il sistema a circuito aperto, o sistema di feedforward,controlla il flusso del carburante dell’iniettore attraverso i segnali ricevuti da un misuratore del flusso d’aria.

In entrambi i casi, i segnali vengono trasmessi indietro attraverso un regolatore digitale PI per regolare l’ampiezza di impulso dell’iniezione del carburante. Tuttavia, questi sistemi presentano due svantaggi significativi:

• A causa del relativamente lungo ritardo inerente al ciclo di induzione, compressione, alimentazione e scarico del motore, il feedback, o la porzione ad anello chiuso del sistema di controllo A/F, è pienamente efficace solo in condizioni di funzionamento stazionario.
• Un segnale del sensore EGO affidabile è disponibile solo dopo che il sensore si è riscaldato, dunque non è possibile disporre del controllo A/F ad anello chiuso direttamente all’avvio del motore.

In condizioni transitorie e di avviamento a freddo, la porzione di feedforward del regolatore A/F è dunque di particolare importanza.

Per ottimizzare il rapporto A/F in tutte le condizioni, i motori moderni sono comunemente dotati di un sensore di pressione del collettore d’aria (MAP, dall’inglese Manifold Air Pressure) che misura la pressione dell’aria nel collettore di aspirazione.

Il sensore MAP sa quali sono le esigenze del motore

Il sensore MAP misura continuamente la pressione dell’aria e invia queste informazioni al modulo ECU, l’unità di controllo del motore, che inserisce i dati in una tabella usata per controllare l’ampiezza di impulso di iniezione e la fasatura dell’accensione. Questi valori della pressione sono collegati all’ECU come segnali di tensione di uscita.

Durante la fase di sviluppo è fondamentale che le pressioni misurate nel collettore siano accurate. I sensori MAP di produzione di serie, mentre sono ottimi per la trasmissione dei segnali all’ECU, hanno spesso tolleranza più ampie di quelle considerate accettabili per lo sviluppo: pertanto, i trasmettitori di pressione di alta qualità, come quelli prodotti dalla STS, sono solitamente montati in tandem con i sensori MAP di serie durante la fase di sviluppo. Le letture ottenute da questi sensori sono utilizzate per misurare eventuali deviazioni o errori durante la registrazione delle pressioni del collettore a diverse aperture della valvola a farfalla.

Il processo è molto complesso e richiede che le tensioni di uscita siano misurate su centinaia di punti di apertura della valvola a farfalla, per far sì che l’ECU del motore possa creare una mappa efficace dei requisiti del motore.

Uso del sensore MAP per insegnare all’ECU del motore

Durante la fase di sviluppo, usando un sensore MAP calibrato, la pressione del collettore viene misurata a piccoli incrementi dell’apertura della valvola a farfalla e le tensioni di uscita vengono misurate ad ogni configurazione.

A regime minimo, con la valvola a farfalla parzialmente aperta, questa pressione viene misurata a circa 1/3 della pressione atmosferica o 0.338 Bar in un motore aspirato. Poiché la tensione di uscita del sensore MAP è proporzionale all’incremento della pressione, la tensione di uscita al minimo sarà approssimativamente 5/3 = 1.67 V, dove l’uscita di fondo scala nominale è 5 V.

Tuttavia, nella pratica, l’uscita di fondo scala di un sensore MAP di produzione può variare ed è generalmente inferiore a 5 V. Questo a causa di variazioni tra i produttori di sensori, con il risultato che una tipica tensione di fondo scala è di circa 4.6 V. Per via di queste variazioni, durante il normale funzionamento la lettura del sensore MAP varierà tra circa 1.5 V e 4.5 V, con l’eccezione del vuoto creato al superamento, dove si possono registrare tensioni di uscita inferiori a 1 V.

Inoltre, poiché la pressione barometrica ha un impatto significativo sulla miscela del carburante, l’ECU deve capire qual è la pressione barometrica. A tale scopo le misurazioni della pressione ambientale sono solitamente registrate appena prima che il motore venga acceso, appena dopo che venga spento o in entrambe le circostanze.

Queste misurazioni vengono utilizzate per stabilire una condizione di riferimento che corregge la pressione del collettore per il tempo e l’elevazione. In pratica, ciò si ottiene utilizzando i segnali dell’accensione e dello spegnimento del motore. In questo modo, lo stesso sensore che controlla il motore mentre è acceso viene usato anche per la misurazione barometrica mentre il motore è spento.

L’induzione forzata aumenta la pressione sui sensori MAP 

Quando un motore ad aspirazione naturale viene convertito all’induzione forzata attraverso l’aggiunta di un turbo o compressore, l’intervallo della pressione del collettore deve essere esteso per includere l’incremento prestazionale così come del vuoto.Per coprire l’intervallo di pressione completo deve essere usato un sensore MAP che copre almeno 1.5 bar di pressione o un intervallo che corrisponde ai parametri di progettazione del motore.

Nel caso in cui le pressioni di avvio superino 1.5 bar è importante che, al fine di mantenere una lettura di fondo scala, all’aumentare della pressione venga aggiunta una diminuzione di compensazione alla lettura. Questo è di particolare importanza poiché nei sistemi di gestione del motore basati sui sensori MAP è facile raggiungere un interruzione del carburante generare un errore nell’ECU se la lettura nominale di fondo scala viene superata. Ecco perché viene mappata una diminuzione di compensazione quando si usa un sensore 2 bar per leggere le pressioni superiori alla pressione nominale di fondo scala.

Reperire i sensori MAP per soddisfare in modo efficace questi requisiti di ampia portata non è sempre facile. Tuttavia, con il fatto che il sensore MAP svolge un ruolo cruciale nella gestione efficace del processo di combustione, è importante che venga utilizzato un sensore MAP di alta qualità accuratamente calibrato per poter registrare in modo preciso le pressioni del collettore nella fase di sviluppo. E con i produttori messi sotto pressione per ridurre ulteriormente le emissioni e migliorare le prestazioni, gli ingegneri applicativi continueranno a richiedere miglioramenti nella precisione dei sensori utilizzati per lo sviluppo.