Diversi tipi di sensori dell'albero motore

Il ruolo del sensore dell'albero motore nei sistemi di gestione del motore

Funzione e importanza del sensore della posizione dell'albero motore nei sistemi di accensione moderni

Il sensore della posizione dell'albero motore, spesso indicato con l'acronimo CPS, svolge un ruolo fondamentale nel funzionamento dei motori. Tieni traccia della velocità di rotazione dell'albero motore e della sua posizione esatta in ogni momento. Le informazioni provenienti da questo sensore aiutano il computer dell'auto a determinare il momento giusto per accendere le candele, la quantità di carburante da iniettare e la gestione delle emissioni attraverso il tubo di scarico. Piccoli problemi nelle letture del CPS possono causare malfunzionamenti del motore o far aumentare il consumo di carburante invece di garantire un funzionamento efficiente, riducendo talvolta l'economia di carburante fino al 15 percento, secondo alcuni studi dell'anno scorso. Quello che la maggior parte della gente non si rende conto è che questi sensori fanno molto di più che mantenere il motore in funzione regolare. In realtà permettono funzionalità che oggi diamo per scontate, come lo spegnimento dei cilindri quando non necessari e la regolazione istantanea della pressione del turbo. È per questo motivo che i veicoli moderni non potrebbero funzionare correttamente senza di essi.

Come il sensore dell'albero motore sincronizza l'inalazione del carburante e il tempo della scintilla

Monitorando la posizione dell'albero motore rispetto al movimento dei pistoni, il sensore CPS permette all'ECU di regolare con elevata precisione i tempi di iniezione del carburante e della scintilla:

• Gli iniettori vengono attivati pochi millisecondi prima dell'apertura della valvola di aspirazione
• Le candele producono la scintilla nel punto ottimale della corsa di compressione
  Questa sincronizzazione evita la detonazione e massimizza la potenza erogata. Nei sistemi di iniezione sequenziale a fasi, l'accuratezza del sensore CPS è particolarmente vitale: errori di temporizzazione anche di soli 2° possono aumentare le emissioni di idrocarburi del 22% (SAE 2023).

Impatto della mancata operatività del sensore sulle prestazioni del motore e sulla diagnostica

Quando il sensore della posizione dell'albero motore si guasta, i veicoli mostrano tipicamente sintomi come difficoltà di avviamento, regime di minimo irregolare o addirittura stallo completo durante la guida. La maggior parte dei meccanici indica il codice DTC P0335 quando c'è un problema con il sensore stesso, ma non bisogna dimenticare nemmeno i problemi relativi ai cablaggi. Secondo alcuni dati del settore dello scorso anno, circa un caso su cinque si rivela effettivamente legato ai cablaggi piuttosto che a un sensore difettoso. Il computer delle auto moderne di solito passa automaticamente a un'impostazione base di accensione quando perde il segnale dal CPS, e questo può compromettere notevolmente il funzionamento del motore, riducendone le prestazioni anche di quasi la metà. Per questo motivo, i tecnici esperti consigliano di sostituire questi sensori prima che si rompano del tutto, specialmente intorno ai 160.000 km. Ciò permette di risparmiare nel lungo periodo, evitando costose riparazioni ad altri componenti del sistema di scarico, inclusi i catalizzatori e i sensori di ossigeno, che tendono a danneggiarsi quando il motore non funziona correttamente.

Principali tipi di sensori della posizione dell'albero motore in base al principio di funzionamento

Sensori magnetici induttivi (a riluttanza variabile) e funzionamento per induzione elettromagnetica

I sensori magnetici induttivi funzionano sfruttando i principi dell'induzione elettromagnetica per rilevare il movimento dell'albero motore. Quando una ruota dentata ruota vicino all'insieme composto da bobina e magnete del sensore, il campo magnetico variabile genera una tensione in corrente alternata che varia in base alla velocità del motore. Il vantaggio di questi sensori è che non richiedono una fonte di alimentazione esterna, il che riduce i costi nei motori più semplici dove il budget è un fattore determinante. Tuttavia, esiste un limite: a velocità inferiori a circa 100 giri al minuto, il segnale diventa molto debole e poco affidabile, pertanto non sono adatti a situazioni in cui sono necessarie misurazioni precise a velocità molto basse.

Sensori dell'albero motore analogici e comportamento del segnale di uscita in corrente alternata

I vecchi sensori analogici dell'albero motore generano quei classici segnali in corrente alternata ad onda sinusoidale che variano in base alla velocità di rotazione del motore. Il computer dell'auto legge queste oscillazioni per determinare la posizione di ciascun pistone e stabilire così il momento esatto in cui iniettare il carburante e far scoccare la scintilla alle candele. Questi sensori funzionano correttamente quando il motore gira a velocità normali o elevate, ma si verificano problemi durante il regime di minimo o in accelerazioni rapide. Un rapporto dell'Autorimotive Sensors Institute del 2022 ha evidenziato un aspetto interessante riguardo a questi dispositivi: a circa 800 giri/minuto, i modelli analogici possono presentare uno scostamento di circa ±1,5 gradi nella temporizzazione rispetto ai loro equivalenti digitali. Potrebbe non sembrare molto, ma in termini motoristici fa una differenza reale.

Sensori dell'albero motore a effetto Hall con trasmissione del segnale digitale

I sensori ad effetto Hall funzionano utilizzando la tecnologia a semiconduttore per generare segnali digitali di tipo onda quadra quando i campi magnetici cambiano intorno a loro. Questi dispositivi a tre fili possono effettivamente fornire informazioni di posizione piuttosto precise anche quando non c'è movimento, il che aiuta nelle funzioni start-stop presenti sulle auto odierne e garantisce l'avviamento del motore in modo affidabile anche con temperature basse. Il segnale digitale prodotto mantiene una tempistica estremamente precisa, entro circa un quarto di grado, indipendentemente dalle condizioni operative. La maggior parte delle nuove auto dal 2023, più di 7 modelli su 10 in realtà, dipende da questi sensori per determinare la posizione dell'albero motore poiché funzionano semplicemente molto bene e hanno una durata pressoché illimitata rispetto alle altre soluzioni disponibili.

Utilizzo di sensori fotoelettrici e ottici in applicazioni motore specializzate

I sensori ottici funzionano utilizzando un LED insieme a una ruota scanalata per rilevare quando l'albero motore ruota, in base a come la luce viene bloccata. Questi non sono comunemente presenti nei normali motori a combustione perché tendono a essere facilmente compromessi da sporcizia e umidità. Tuttavia, in condizioni dove l'ambiente rimane pulito e asciutto, come nelle auto da corsa o nelle barche, i sensori ottici possono essere estremamente precisi, arrivando a volte a una precisione di soli 0,1 gradi rispetto alla posizione reale. Richiedono però una manutenzione più accurata rispetto ad altri tipi. Nonostante ciò, molti costruttori di motori li preferiscono per macchine ad alte prestazioni, dove aprire le valvole esattamente nel momento giusto è fondamentale per l'erogazione della potenza e la affidabilità.

Sensori dell'albero motore analogici vs. digitali: confronto tra prestazioni e affidabilità

Differenze nell'uscita del segnale e precisione tra sensori dell'albero motore analogici e digitali

I tradizionali sensori analogici generano tensioni alternate variabili che vanno da circa 3 volt quando il motore è fermo fino a circa 50 volt a regimi più elevati. Nel frattempo, i sensori ad effetto Hall emettono segnali in corrente continua a forma d'onda quadra costanti, di 5 volt o 12 volt, indipendentemente dalla velocità di rotazione. Analizzando l'accuratezza di posizione, i sensori digitali si distinguono particolarmente, raggiungendo una precisione di ±0,2 gradi secondo recenti studi SAE del 2023. Questo valore è molto migliore rispetto ai sensori analogici, il cui scostamento tipico si attesta tra ±1,5 gradi. Grazie a questo vantaggio in termini di precisione, i sensori digitali funzionano molto meglio in situazioni in cui la tempistica precisa è fondamentale, specialmente quando i motori non girano molto velocemente, al di sotto della soglia approssimativa di 1500 giri al minuto.

Vantaggi dei sensori ad effetto Hall rispetto ai tipi induttivi nella tempistica precisa

I sensori ad effetto Hall forniscono segnali costanti anche quando il motore è completamente fermo, il che significa che le auto possono avviarsi molto più velocemente e con maggiore precisione. Questo aspetto è particolarmente importante per i motori turboalimentati, in cui la tempistica deve essere perfetta, a volte entro soli 0,1 millisecondi. Durante i test effettuati su banco prova, i veicoli dotati di sensori ad effetto Hall hanno completato gli avviamenti a freddo circa il 30 percento più rapidamente rispetto a quelli equipaggiati con vecchi sensori induttivi. Un altro vantaggio significativo è la capacità di mantenere segnali robusti anche a velocità molto basse. Ciò migliora il funzionamento nelle frequenti situazioni di guida stop-and-go che gli automobilisti affrontano ogni giorno nel traffico urbano.

Limiti dei sensori con uscita in corrente alternata a bassi regimi del motore

Sotto i 800 giri/minuto, i sensori analogici incontrano tre principali difficoltà:

• L'ampiezza del segnale può scendere al di sotto della soglia di rilevamento dell'ECU (<2 V)
• La distorsione di fase aumenta del 12-18% (SAE Technical Paper 2021-01-0479)
• La suscettibilità alle interferenze elettromagnetiche cresce del 40% rispetto ai sistemi digitali
  Queste limitazioni richiedono una ricalibrazione nei motori diesel industriali con regime di minimo prolungato, riducendo l'affidabilità a lungo termine.

Affidabilità dei sensori digitali e analogici dell'albero motore in condizioni estreme

I sensori ad effetto Hall funzionano piuttosto bene in un intervallo di temperature che va da meno 40 gradi Celsius fino a 150 gradi Celsius (circa -40 Fahrenheit fino a 302 Fahrenheit). Coprono approssimativamente il 35 percento in più di escursione termica rispetto ai vecchi sensori induttivi. Considerando i risultati dei test sul ciclo di vita, le versioni digitali possono sopportare circa 200.000 cicli termici prima di mostrare segni di usura. Questo li pone avanti di quasi due volte e mezzo rispetto ai loro fratelli analogici. Tuttavia, molti ingegneri continuano a utilizzare sensori induttivi quando devono operare in condizioni particolarmente difficili con scuotimenti costanti. Si pensi, ad esempio, ai motori marini, specialmente quelli che vibrano a frequenze superiori a 500 Hz. Questi modelli induttivi godono di un vantaggio perché sono costruiti come dispositivi allo stato solido, senza componenti semiconduttori sensibili che potrebbero danneggiarsi durante vibrazioni intense.

Analisi approfondita della tecnologia dei sensori albero motore a riluttanza variabile (induttivi)

Come l'induzione elettromagnetica genera tensione utilizzando ruote dentate reluctori

Questi sensori a riluttanza variabile funzionano in base al principio di Faraday dell'induzione elettromagnetica. All'interno della maggior parte dei motori, c'è solitamente un sistema composto da un magnete permanente e una bobina che lavorano insieme a una speciale ruota dentata collegata all'albero motore. Quando i denti passano, alterano il campo magnetico modificando lo spazio tra i componenti, generando così picchi di tensione nella bobina. Il risultato è un segnale in corrente alternata che indica esattamente la posizione dell'albero motore e la velocità con cui sta ruotando. Questa informazione risulta fondamentale per l'unità di controllo del motore nel determinare il tempo d'accensione, specialmente nelle auto più vecchie che si basano ancora su sistemi analogici piuttosto che digitali.

Caratteristiche del segnale dipendenti dalla velocità nei sensori induttivi dell'albero motore

L'output dei sensori induttivi aumenta all'aumentare della velocità del motore. A regime di minimo si registra solitamente circa 0,3 volt in corrente alternata, ma quando si raggiungono i 6.000 giri/min, questi sensori possono produrre fino a 4,8 volt in corrente alternata. Le cose si complicano sotto i 100 giri/min perché il segnale diventa molto debole in quel range. Ciò rende i dati di accensione poco affidabili, motivo per cui molti meccanici passano a sensori digitali per applicazioni a bassa velocità. Anche il giusto traferro è molto importante. La maggior parte dei produttori consiglia di mantenerlo tra 0,5 e 1,5 millimetri. Se il gioco non è preciso, la qualità del segnale peggiora e il motore comincia a perdere scintille. I moderni design dei sensori includono ora circuiti adattivi con soglia variabile che mantengono un funzionamento regolare su diversi intervalli di giri. Secondo i dati SAE del 2022, circa 9 motori a combustione interna su 10 utilizzano questa tecnologia oggigiorno.