Alimentazione forzata

0
Sezione di un turbocompressore
Sezione di un turbocompressore

Immettere nei cilindri una quantità di aria superiore a quella che essi sono in grado di aspirare da sé significa poter bruciare una maggiore quantità di carburante e quindi rendere più “vigorose” le singole fasi di espansione. Di conseguenza, a parità di regime di rotazione (e ferma restando la cilindrata), il motore può erogare una potenza più elevata. La sovralimentazione dunque consiste nel fornire ai cilindri aria con una pressione più alta di quella atmosferica, cosa che si ottiene impiegando appositi dispositivi detti compressori. Questo equivale a dire che l’aria introdotta nel motore è più densa, rispetto a quella dell’ambiente esterno; uno stesso volume quindi contiene un maggior numero di molecole di ossigeno (che possono combinarsi con un maggior numero di molecole di carburante!). I compressori possono essere volumetrici (e in tal caso “pompano” uno stesso volume di aria ad ogni ciclo) o centrifughi. Questi ultimi hanno una portata che non cresce linearmente con la velocità di rotazione, come i primi, ma aumenta secondo una legge esponenziale. I compressori volumetrici vengono trascinati in rotazione dal motore, al quale sono collegati meccanicamente, per mezzo di ingranaggi, catene o cinghie. I centrifughi invece sono in genere azionati da una turbina mossa dai gas di scarico; questi due dispositivi sono di norma abbinati in modo da formare un unico complessivo detto turbocompressore. La grande maggioranza dei motori sovralimentati oggi è appunto munita di uno o più turbocompressori.

I compressori volumetrici
I compressori volumetrici più diffusi sono i Roots, dotati di due rotori lobati che girano (sfiorandosi ma senza toccarsi) all’interno del carter nel quale sono alloggiati. Spostano l’aria, ma non la comprimono; siccome ne “pompano” una quantità superiore a quella che il motore potrebbe aspirare da sé, la compressione avviene esternamente ad essi. Sono invece a compressione interna (e a flusso assiale) i compressori a vite (Lysholm), dall’ottimo rendimento ma dal costo assai elevato.  I compressori volumetrici presentano il grande vantaggio di assicurare una elevata pressione di sovralimentazione sin dai bassi regimi, unitamente a una pronta risposta del motore all’azionamento del gas. D’altro canto, assorbono energia meccanica: per trascinarli in rotazione, il motore “spende” della potenza, sottraendola a quella prodotta al suo interno. L’incremento prestazionale che si può ottenere è cospicuo, ma è abbinato a un aumento del consumo specifico: per ogni cavallo occorre una quantità di carburante maggiore rispetto a quella che sarebbe necessaria senza la sovralimentazione.

I turbocompressori
Il turbocompressore è costituito da un carter centrale ai lati del quale sono fissate le due “chiocciole” del compressore centrifugo e della turbina centripeta. Quest’ultima funziona sfruttando l’energia “contenuta” nei gas di scarico, che lasciano il motore con una notevole velocità e a elevata temperatura. Parte di questa energia viene recuperata nella turbina stessa, ove è utilizzata per fare ruotare la girante palettata. Tale elemento mobile è vincolato alla estremità di un albero che attraversa il carter centrale e reca, alla estremità opposta, la girante del compressore centrifugo. Il collegamento al motore è quindi solo di natura fluidodinamica (e non meccanica), e ciò consente ai progettisti una grande libertà, per quanto riguarda il posizionamento del turbocompressore all’interno del vano motore. Non si deve però pensare che l’azionamento sia davvero “gratuito”! La presenza della turbina lungo il percorso dei gas di scarico determina infatti una contropressione, che può anche essere di entità cospicua, se il grado di sovralimentazione è elevato.
I turbocompressori, compatti e di agevole installazione, sono in grado di fornire, con ottimo rendimento, pressioni di sovralimentazione molto alte. Inoltre, il loro costo oggi è in genere sensibilmente inferiore rispetto a quello dei compressori volumetrici. I loro punti deboli sono un sensibile ritardo nella risposta all’azionamento del pedale dell’acceleratore e una pressione che, se adeguata agli alti regimi, è decisamente scarsa ai bassi, e viceversa. Per quanto riguarda il primo punto, occorre fare i conti con l’inerzia delle giranti e con il ridotto volume di gas che attraversa la turbina ai bassi regimi e, nei motori a ciclo Otto in particolare, quando il gas è chiuso (pedale dell’acceleratore sollevato). L’abbinamento tra motore e turbocompressore è critico: se le caratteristiche di quest’ultimo gli consentono di fornire una pressione elevata ai regimi medio-bassi, esso non è all’altezza della situazione quando il motore gira forte, situazione nella quale si rivela sottodimensionato. Al contrario, se si adotta un turbocompressore che assicura una valida sovralimentazione agli alti regimi, il motore risulta decisamente “fiacco” ai bassi e medi regimi. Questi svantaggi dei turbocompressori sono stati notevolmente ridotti con l’adozione di una valvola di sfogo (wastegate), che consente ai gas combusti di bypassare la turbina quando la pressione di sovralimentazione ha raggiunto un dato valore (e permette pertanto di impiegare turbocompressori che forniscono una buona pressione già ai regimi medio-bassi); l’impiego di turbine con lo statore a palettatura variabile, di recente sviluppo, ha ulteriormente migliorato la situazione. Pure l’impiego di due turbocompressori di minori dimensioni (e quindi con giranti dotate di una inerzia inferiore) invece di uno solo più grande si rivela vantaggioso, in molti casi.

In caso di motori a ciclo otto
La realizzazione dei turbocompressori non solo efficienti, ma anche longevi e affidabili, ha richiesto molto tempo, dati i seri problemi che occorreva superare, particolarmente per quanto riguarda l’applicazione ai motori a ciclo Otto, nei quali la temperatura dei gas di scarico è notevolmente più alta di quella che si ha nei diesel. Non c’è da sorprendersi quindi che questi dispositivi si siano affermati prima nel settore dei motori a gasolio, ove da tempo dominano la scena. Tra l’altro i diesel respirano sempre liberamente e quindi il volume di gas che investe la turbina è cospicuo anche in fase di rilascio, il che riduce grandemente il problema del ritardo di risposta.
Per realizzare turbine in grado di lavorare a temperature elevate come quelle che raggiungono quando sono investite dai gas combusti dei motori a ciclo Otto, è stato necessario fare ricorso a superleghe a base di nichel (Nimonic e Inconel). Al crescere della pressione di sovralimentazione aumentano tanto le sollecitazioni meccaniche quanto quelle di natura termica che devono sopportare i vari componenti del motore che vengono lambiti dai gas, a cominciare dai pistoni. Oggi nei turbodiesel di elevata potenza specifica si raggiungono pressioni massime di combustione dell’ordine di ben 200 bar. I pistoni sono particolarmente sollecitati e questo ha portato allo sviluppo di soluzioni innovative a livello di disegno e di materiali. Il carico termico al quale sono sottoposti è imponente e la temperatura in corrispondenza del margine della camera di combustione può addirittura avvicinarsi ai 400 °C. Per ottenere una elevata sottrazione di calore si impiegano canalizzazioni anulari, praticate alla altezza delle cave per i segmenti, ma in certi casi è stato necessario adottare pistoni in acciaio (oramai relativamente comuni nei motori per veicoli industriali) o fare ricorso a soluzioni come la rifusione della lega di alluminio in corrispondenza del bordo della camera. L’elevata pressione di lavoro, abbinata alla temperatura considerevole (che comporta uno scadimento delle caratteristiche meccaniche delle leghe di alluminio) ha reso anche indispensabile, in svariati casi, il ricorso a bussole riportate nelle portate per lo spinotto. Nei motori a benzina oltre alle temperature dei gas di scarico più elevate, l’adozione della sovralimentazione è resa più difficoltosa dal fatto che, al di sopra di certe condizioni di pressione e di temperatura all’interno della massa gassosa non ancora raggiunta dal fronte di fiamma, può insorgere la detonazione. L’ottimizzazione della turbolenza abbinata a una accurata gestione elettronica della iniezione e della pressione di sovralimentazione ha comunque migliorato notevolmente le cose. Oggi, nell’ottica del downsizing, vengono realizzati motori a benzina con pressioni di sovralimentazione considerevoli e potenze molto più elevate di quanto non fosse ipotizzabile fino a pochi anni or sono. 100-120 CV/litro sono oramai valori relativamente comuni, che vengono conseguiti con pressioni massime di combustione dell’ordine di 110 – 125 bar. I diesel girano di meno ma possono adottare pressioni di sovralimentazione più elevate, dato che per loro non vi è il problema della detonazione. Fino a qualche tempo potenze specifiche di 85-95 CV/litro erano ritenute autentiche conquiste, ma di recente è stata superata, e non di poco, la barriera dei 100 CV/litro!

LASCIA UN COMMENTO

Please enter your comment!
Please enter your name here