mercoledì 24 giugno 2015

Come funziona il sensore giri turbocompressore e a cosa serve

In alcuni motori turbocompressi stradali recenti si può incontrare un sensore posizionato dentro la chiocciola di aspirazione del turbo, questo sensore è il sensore giri del turbo e qui vedremo come funziona e per cosa serve


Anche se non una novità assoluta, sempre più spesso vetture stradali turbo compresse vengono equipaggiate con un sensore giri turbo posizionato dentro la chiocciola di aspirazione con un angolo di 45 gradi rivolto verso le pale del compressore.
Il sensore giri del turbo è una aggiunta recente alla crescente "digitalizzazione" dei componenti meccanici dei nostri motori, vuoi perché i costi dell'elettronica sono sempre più bassi, vuoi perché il potere di calcolo dei microprocessori/microcontrollori è in constante crescita e quindi agli ingegneri fa gola metterci tutto quello che potrebbe costituire un miglioramento dei loro prodotti.
In passato essi venivano impiegati solo dai reparti R&D (Ricerca e Sviluppo) delle case automobilistiche e dei fabbricanti di turbocompressori per controllare con accuratezza il range di efficienza del turbo durante il suo funzionamento nei test.

Sensore giri turbo montaggio sul lato adpirazione
Sensore giri turbocompressore montato sul lato compressore


Ma a cosa serve conoscere i giri del turbocompressore in un determinato momento?

Come ogni macchina, anche il turbocompressore ha il suo range di efficienza, in base alle dimensioni e al design delle sue palette, sia di aspirazione che di scarico.
Un turbocompressore viene mosso dall'energia cinetica e termica dei gas di scarico del motore, più questa è intensa, più esso girerà veloce. Da questo scaturisce che il compressore lavora in modo ottimale solo superata una certa soglia di giri (suoi e del motore a cui è vincolato ma non in papporto diretto tra loro) e non può superare un'altra soglia di giri massima pena la sua distruzione (corrispondente alla pressione massima che può fornire in base al Rapporto di pressione (pressure Ratio) e alla portata d'aria.

Esempio di una mappa del compressore con i giri del turbo in evidenza
Mappa Compressore, si osservino le linee orizzontali che curvano verso dx, queste indicano il regime del compressore, si più vedere che a basse portate d'aria (asse X) il rapporto di pressione (asse Y) si mantiene costante fino a raggiungere l'isola centrale (massima efficienza del compressore) mentre che all'aumentare la portata d'aria (asse X) i giri del compressore si mantengono uguali, ma il rapporto di pressione decresce.

Questo limite è dovuto a diversi fattori, il primo è di indole aerodinamico, ad una determinata velocità di rotazione, la parte esterna delle pale del compressore raggiungono la velocità del suono e questo pone un limite alla capacità del compressore di continuare a "pompare" aria, semplicemente, la pressione sale, ma a scapito del rendimento (che scende di molto) e del surriscaldare dell'aria compressa generata (che a sua volta, fa peggiorare anche le prestazioni del motore).
L'altro fattore da considerare nel superare una certa soglia di giri del turbo sono le forze centrifughe a cui vengono sottoposte le giranti del compressore e della turbina (dette anche lato freddo e lato caldo), girare oltre il limite massimo di progetto mette a serio rischio di "esplosione" di questi componenti specie il lato scarico che a sua volta, è anche incandescente quindi più vicino al limite di resistenza del materiale.

Contagiri Turbocompressore in azione
Contagiri per turbocompressori che si può montare il aftermarket, qui vediamo che le pale del turbo stanno girando sui 160000 giri/minuto.

Sempre dovuto alle forze in gioco, l'altro problema che si incontra nel superare il massimo numero di giri del compressore (e quindi della turbina) è la possibilità di spezzare l'alberino che collega le due giranti dovuto alla torsione che si viene a creare, da una parte c'è la turbina che "spinge" il compressore a girare più velocemente, dall'altra il compressore che fa "fatica" a trascinare più aria (e che costituisce comunque un carico, perché ha una massa e deve vincere la forza provocata dall'aria in pressione) e quindi questa torsione, superato il limite di progetto, spesso finisce per spezzare l'alberino nel punto più stretto, con nefaste conseguenze.
I turbocompressori vengono scelti in base alle performance che il motore in studio dovrà raggiungere, potenza in basso, potenza più in alto, molta coppia a bassi giri o agli alti, ridotto turbo lag (risposta del turbo), economia, ecc.

Sezione turbocompressore con inserito sensore giri turbo
Spaccato turbocompressore con sensore giri posizionato sulla chiocciola di aspirazione con angolo di 45 gradi rispetto all'asse della girante.

Per ogni "caratteristica" viene scelto il turbo che più si avvicina alle richieste di progetto, per un motore che deve avere tanta coppia ai bassi e poca propensione ad avere tanta potenza in alto, come lo sono per esempio i moderni motori turbo diesel, si predilige un turbo abbastanza piccolo da dare il meglio di se ai bassi giri senza però penalizzare troppo la potenza agli alti giri (4000 giri/min. o poco più) mentre per un motore ad alte prestazioni turbo benzina, si preferirà un'unità che dia un buon rendimento ai medio-bassi giri, ma che il meglio lo darà in regime tra coppia e potenza massima (che su motori sportivi spesso vuol dire un range di utilizzo ristretto a 2000 giri o meno).

Motore Audi TDi LeMans in sala prova durante un test
Test in sala prove di un motore Audi LeMans TDi, si noti la mole di sensori che popolano il motore per controllare ogni minimo parametro, tra questi, anche la velocità turbina (non visibile in foto)

Durante i test a banco delle unità motrici o del soli turbocompressori, i fabbricanti tengono sotto stretto controllo svariati parametri, pressione di sovralimentazione, portata d'aria, contro pressione allo scarico, temperature allo scarico, giri del turbo.


Sistema da laboratorio per acquisizione giri turbocompressore
Attrezzatura da laboratorio per controllo velocità di rotazione turbocompressore

Di questi parametri, in quest' articolo ci concentreremo sui giri del turbo.  Questi sono tenuti in stretta osservazione perché da esso possiamo velocemente dedurre con molta precisione, in che punto della mappa di efficienza del compressore stiamo in quel momento del test, questo ci fa capire quanto margine di miglioramento o di vicinanza del pericolo abbiamo.

Sistema d'acquisizione giri turbocompressore
Altra attrezzatura da laboratorio per il rilevamento ed acquisizione dati di funzionamento del turbocompressore, specie dei giri della girante.

Come detto in precedenza, conoscere i giri ai quali sta girando il turbocompressore ci aiuta a conoscere in che zona del grafico di efficienza del compressore stiamo operando in un determinato momento, questo ci può anche orientare e far capire quanto vicini siamo alla zona di surge per esempio, infatti, questa è una delle ragioni per la quale questi sensori stanno prendendo piede nell'uso stradale su motori diesel di ultima generazione con turbocompressori a geometria variabile dove spesso si ci avvicina molto vicini alle zone di surge del compressore, specie nelle accelerate a bassi giri, l'insorgere del surge comporterebbe la riduzione della vita utile del turbo anche significativa in casi gravi di questo fenomeno.


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Come funzionano

La misurazione dei giri del turbo viene fatta con dei sensori, questi sensori hanno principio di funzionamento diversi a seconda del fabbricante, alcuni sono ottici, altri magnetici ad effetto hall ed altri che sfruttano l'effetto Eddy-current ovvero le correnti parassite.

Sensore di giri turbina a correnti parassite montato sull'aspirazione
Chiocciola di aspirazione turbocompressore con sensore giri ad effetto Eddy-Current (correnti parassite)

Questi sensori sono posizionati solitamente vicino alle palette del compressore con un'angolazione di 45 gradi rispetto all'asse del compressore, questo valore è importante ai fini della precisione, infatti, tutti i sistemi che conosco, sono così tranne qualche eccezione.
Viene fatta la misurazione del numero di pale che passano davanti al sensore, poi un'elettronica di condizionamento del segnale provvede a generare un segnale in frequenza proporzionale al numero di giri della girante come nel caso del sistema usato dai turbocompressori Borg Warner EFR che prevedono tutti il foro di montaggio del sensore ma normalmente esso non viene fornito di serie ma come optional.

turbocompressore con sensore giri in posizione
Turbocompressore con sensore giri inserito nella chiocciola di aspirazione a 45 gradi rispetto all'asse di rotazione della girante

La maggior parte di questi sensori sono progettati per resistere a temperature di esercizio nell'ordine dei 180°C ma con picchi massimi fino a 250°C, Alcuni sensori forniscono anche la temperatura dell'aria all'interno del compressore come è il caso del sensore per i turbocompressori Borg Warner prima menzionati.

Turbocompressori per uso da competizione con sensore giri
Turbocompressori per uso motorsport compresi di sensori giri girante

Per poter utilizzare i dati forniti dal sensore giri Borg Warner dobbiamo munirci o di un oscilloscopio che ci farà vedere il segnale in frequenza dell'onda quadra 0-5V corrispondente ai giri attuali misurati, per applicazioni pratiche però, questo segnale lo dobbiamo (o vogliamo) far acquisire all'interno di un datalogger o direttamente in centralina (un'ingresso in frequenza), questo può essere fatto solo se si dispone di canali in frequenza adeguati, altrimenti, vi sono in commercio dei moduli di conversione da frequenza in segnale tensione che producono un'uscita proporzionale ai giri misurati in un range di 0-5V dove il valore 0 V corrisponderebbe a 0 giri/minuto, mentre quello a 5V corrisponderebbe al numero massimo di giri che il sistema è progettato a misurare, di solito questo è compreso tra 350000 e 400000 giri/minuto (un turbo piccolo facilmente raggiunge i 250000 giri !).

Turbo speed scaler
Circuito di condizionamento per interfacciare ad una centralina o acquisizione dati in canale analogico con segnale simulato 0-5V in base al range giri, così è possibile indicare i giri tra il range di giri minimi e massimi. 

Problemi di "stacco" per troppa pressione turbo? questa potrebbe essere una soluzione!

Articolo dedicato ad un'utente del forum di Elaborare, gli'è lo avevo promesso, in bocca al lupo per la tesina, e torna a visitarmi in futuro mi raccomando!!


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