Ecco il secondo articolo dedicato alla “sovralimentazione” scritto dall’Ing. Paul.

Dopo aver visto, almeno in via del tutto introduttiva e sintetica, che cosa significhi sovralimentare un motore a combustione interna, vediamo adesso quali sono le applicazioni più comuni e quelle meno convenzionali ma certamente più affascinanti che si sono sviluppate fino ai giorni nostri.

L’applicazione più comune che viene fatta dei sistemi di turbocompressione nel campo della trazione stradale è sicuramente quella di equipaggiare i propulsori diesel. Forse molti di voi sanno già il perché di questa operazione, comunque per chi non ne fosse al corrente ne illustro brevemente le caratteristiche principali. Un motore diesel è definito ad accensione spontanea, questo perché la combustione del gasolio si innesca non con l’arco elettrico generato da una candela, il cui funzionamento viene opportunamente fasato con il ciclo del propulsore, ma avviene in maniera spontanea, cioè per effetto delle alte pressioni e temperature raggiunte dall’aria contenuta nel cilindro al termine della fase di compressione (il motore diesel lavora con rapporti di compressione –cioè il rapporto tra la pressione massima di ciclo e quella minima- molto più elevato di un motore a benzina, proprio per determinare le necessarie condizioni d’innesco della miscela). A causa delle sue modalità di funzionamento tale propulsore non può lavorare a regimi di rotazione troppo elevati perché altrimenti l’eccessiva velocità di scorrimento del pistone nel cilindro (tale velocità è direttamente proporzionale al numero di giri a cui sta ruotando il motore) farebbe sì che la pressione massima di ciclo raggiunta diminuisca venendo così a mancare le condizioni di elevata temperatura e pressione necessarie, di cui si accennava sopra, non garantendo più l’accensione corretta della miscela (o addirittura non causandone nemmeno l’accensione) provocando di conseguenza disfunzioni nel funzionamento della macchina e scadimenti di rendimento. Il limite al numero massimo di giri sostenibile dal propulsore è un vincolo molto pesante per la potenza che tali motori potrebbero erogare, visto che la potenza di una macchina motrice è data semplicemente dal prodotto:

Potenza (in kilowatt) = Coppia (in Newton per metro - Nm) x Numero di giri (giri al secondo)

È logico quindi che diminuendo il numero di giri diminuisce la potenza massima del motore. Per sopperire a questa mancanza si sovralimenta, così si avrà “la botte piena e la moglie ubriaca”, cioè elevata potenza e funzionamento corretto del motore. In molti casi alla sovralimentazione si accompagna anche una fase intermedia di refrigerazione dell’aria compressa che poi finisce nel cilindro. Questo viene

fatto in uno scambiatore di calore ad aria detto “intercooler” (figura a lato). Tale pratica si rende necessaria perché come tutti i gas, anche l’aria se viene compressa ad alte pressioni si riscalda. L’alta temperatura dell’aria, a fine compressione, sarebbe tale da farla espandere lungo il condotto che la porta all’ingresso del cilindro, facendole quindi perdere il surplus di pressione che le aveva conferito il compressore del gruppo di turbocompressione, rendendo vana la pratica della sovralimentazione. Non sempre sulle auto diesel si trova l’intercooler, questo perché è un componente piuttosto costoso e in più non in tutti i casi si rende necessario perché l’entità del rischio sopra descritto dipende poi essenzialmente dalla pressione raggiunta con la compressione, tanto più è alta tanto più ci sarà bisogno di montare un intercooler.

Il problema per eccellenza che si verifica con l’adozione della sovralimentazione è l’accoppiamento di un turbocompressore ad un motore destinato alla trazione stradale. Questo è dovuto al fatto che tale propulsore lavora in un ampio intervallo sia di regimi di rotazione che di potenze erogate, perché andando per strada le condizioni di marcia cambiano rapidamente. Il funzionamento cangiante del motore non favorisce di certo il funzionamento della turbina, che (per chi s’intende di macchine centrifughe) sa benissimo che, per rendere al massimo, dovrebbe lavorare in condizioni costanti, cioè con pressione e portata dei fumi di scarico sempre uguali. Questo però, per quanto detto sopra, è impossibile per cui occorre studiare delle soluzioni che permettano il funzionamento di tale componente nella più estesa gamma di condizioni di funzionamento del motore. Le soluzioni adottate per risolvere questa problematica sono state molte, a me comunque piace citarne due in particolare che a livello ingegneristico, sono più interessanti: la turbina a geometria variabile e la doppia sovralimentazione.

Cercando di non scendere tropo a fondo in considerazioni tecniche che riguardano le macchine centrifughe e il loro funzionamento, si può dire che una volta stabilita la geometria della macchina, ovvero il disegno e gli angoli d’inclinazione delle palette, il diametro d’ingesso e quello d’uscita della macchina, abbiamo stabilito il range di funzionamento della turbina. Ciò significa fissare in quali condizioni di flusso dei fumi di scarico avviene la massima conversione dell’energia di pressione in energia cinetica, cioè in rotazione dell’albero del gruppo di turbocompressione e quindi in energia che poi viene restituita al fluido (aria) in ingresso al compressore centrifugo, di nuovo sotto forma di pressione (tramite appunto la compressione). Compreso questo, è facile pensare che, siccome il motore non lavora in condizioni stabili, la turbina non riuscirà a lavorare correttamente in tutti i regimi di funzionamento del propulsore, fornendo quindi in certi casi energia insufficiente al compressore per determinare il corretto innalzamento di pressione del fluido in ingresso al cilindro.

Nelle soluzioni più semplici a livello costruttivo si utilizza una valvola di sfiato (figura in alto) dei gas combusti che vengono, con l’apertura di questa valvola, deviati allo scarico senza passare per la turbina. Il funzionamento di questo dispositivo non è “a tutto o niente”, ma possiede la possibilità di regolarsi in maniera modulare. La valvola, che in sostanza regola in questo modo la pressione di sovralimentazione, permette di incrementare i valori di quest’ultima ai bassi giri del motore, permettendo di erogare più coppia e quindi avere maggiore guidabilità del mezzo. Tale risultato si ottiene scegliendo una turbina di piccole dimensioni (cioè con diametri d’ingresso ed uscita ridotti) e limitando il flusso di fumi che scorre attraverso la valvola, facendo così passare la quasi totalità di questi attraverso la stessa macchina. Agli alti giri, quando è richiesta dal guidatore più potenza e quindi viene bruciata una quantità di combustibile maggiore e di conseguenza prodotta una portata in massa di fumi più grande, la turbina, dimensionata come si accennava sopra, verrebbe a trovarsi in difficoltà perché non riuscirebbe ad elaborare, per le sue ridotte dimensioni, tutta questa portata, per cui la gran parte di questa viene deviata allo scarico evitando sovraccarichi disastrosi per il gruppo di sovralimentazione. Operare con questa soluzione è semplice anche se la valvola è piuttosto costosa perché dovendo sopportare le alte temperature dei fumi deve essere progettata ad hoc. In più la scelta di una turbina di piccole dimensioni consente di avere un gruppo di turbocompressione più leggero, con quindi minore inerzia e più facilità di rispondere nei transitori cioè in fase di accelerazione.

Una soluzione alternativa al problema, consiste nell’utilizzare una turbina a geometria variabile, che è in grado di variare le sue caratteristiche adeguandole al regime di rotazione del motore (in alto

è riporta una fotografia che mostra lo spaccato di tale dispositivo montato sulla Honda Civic. In rosso è stata evidenziata la sezione della turbina). Questa presenta un distributore palettato in cui è possibile controllare l’area effettiva della sezione di passaggio per il fluido, facendo variare l’angolo della palettatura del distributore in funzione della velocità del motore o della portata di fumi di scarico. Aprendo i canali (detti ugelli) del distributore agli alti regimi e chiudendoli ai bassi, l’utilizzazione dell’energia dei gas di scarico può essere adeguata in modo da ottenere gradi di sovralimentazione soddisfacenti su tutto il campo di funzionamento del motore. Questo buon comportamento si paga però in termini economici visto che realizzare un sistema di controllo della macchina è tutt’altro che cosa facile!

La seconda soluzione tecnica che volevo presentarvi è la doppia sovralimentazione o in inglese “Twin Turbo Technology”. Tale dispositivo prevede l’installazione a bordo del veicolo di un doppio groppo di sovralimentazione disposti in serie uno all’altro, con la possibilità di attivare, secondo le richieste del pilota uno solo dei due gruppi o entrambi. Tale tecnologia non è certo recente soprattutto nel mondo delle corse. Negli anni ’80 (l’era del turbo!) questa soluzione era

spesso adoperata per ottenere formidabili incrementi di potenza e coppia, rendendo i veicoli che li montavano dei veri e propri “mostri”. Una soluzione di questo tipo l’avrebbe dovuta montare anche l’ultima evoluzione della DELTA S4, denominata ECV (acronimo di Experimental Composite Veichle), che oltre alla rivoluzionaria scocca in pannelli di kevlar, montava un motore triflux appunto con doppia sovralimentazione in grado di erogare fino a 600 CV a 8000 rpm (comunque se lo gradite tornerò appositamente sull’argomento con un pezzo ad hoc dedicato al MOSTRO di casa Lancia).

L’impiego in campo non agonistico, anche se non molto frequente, è stato portato avanti da alcune case automobilistiche europee come BMW, OPEL e SAAB.

Vediamo un po’ come funzionano questi sistemi nel caso di Bmw e di Opel.

Innanzi tutto analizziamo il sistema di Opel per spiegare in line a di principio come si comporta un sistema di questo tipo.

Nello schema riportato preciso che le dimensioni dei due gruppi di turbocompressione non sono per caso diverse, ma questo è dovuto al fatto che il gruppo di alta pressione lavora con un fluido (sia aria che gas esausti) ad una pressione più alta quindi ad un volume specifico (è il volume occupato da un kg di massa d’aria o gas) più basso, per cui “occupando meno spazio” il suo contenimento viene eseguito da un dispositivo di dimensioni più piccole.

La prima immagine in alto si riferisce al funzionamento del motore a bassi regimi di rotazione (inferiori a 1800 rpm). A queste basse velocità di rotazione la valvola a farfalla che controlla il flusso dei gas di scarico (exhaust flap), si trova in posizione di chiusura, facendo quindi transitare tutti i fumi nel gruppo di turbocompressione più piccolo: quello di alta pressione, il quale genera da solo tutto l’incremento di pressione necessario per incrementare la potenza del motore come si richiedeva (si ricorda che in condizioni di bassa potenza richiesta la massa di fumi prodotta è piccola per cui si fa lavorare solo la turbina di alta che possiede le caratteristiche geometriche idonee per ricavare lavoro da quella portata di fumi). Intanto il gruppo di bassa pressione gira, in queste condizioni, al minino senza effettuare nessuna compressione dell’aria che viene aspirata dall’esterno.

La seconda immagine si riferisce invece alle condizioni di funzionamento che si verificano qualora il motore ruoti a regimi compresi tra 1800 e 3000 giri/minuto. In questo caso il turbocompressore più grande (quello di bassa pressione) viene chiamato in azione, cosicché entrambi i sistemi ruotano insieme in tali condizioni

di funzionamento. In dipendenza dal carico richiesto, cioè dalla potenza richiesta dal guidatore, la valvola a farfalla si apre sempre di più, andando ad alimentare con i gas di scarico entrambi i gruppi di turbocompressione. Il turbocompressore di bassa precomprime l’aria in aspirazione, che subisce un abbassamento di temperatura nel primo stadio di raffreddamento dell’intercooler (indicato con la sigla LLK), per poi essere inviata la turbocompressore più piccolo dove subirà il definitivo incremento di pressione fino a raggiungere il valore determinato dalle condizioni di progetto. La valvola di controllo (check valve) rimane chiusa, fino a che la pressione del turbocompressore di bassa non rimane più piccola della pressione finale di sovralimentazione sviluppata dal gruppo più piccolo.

Infine la terza immagine riporta le condizioni di funzionamento del gruppo di sovralimentazione per regimi di rotazione del motore che superano i 3000 rpm. In questa situazione entrambe le valvole sono completamente aperte, sia quella di controllo che quella a farfalla, consentendo il funzionamento del solo gruppo di bassa pressione, questo accade perché è richiesta da parte del pilota una potenza maggiore dal mezzo, per cui accelerando viene apportata al motore più aria proprio per garantire l’incremento di potenza richiesto, e quindi tale massa d’aria non potrebbe essere elaborata dal gruppo di più piccole dimensioni per cui questo viene completamente by-passato dal flusso d’aria. Intanto i gas di scarico trovando maggiore resistenza nel passaggio attraverso la turbina di alta pressione, perché viene offerto loro un passaggio troppo stretto per far evacuare un portata così grande (tutti i fluidi sia gassosi che liquidi, come la corrente elettrica tendono a fluire dove viene offerta loro meno resistenza nell’avanzamento), fluiscono completamente alla turbina di bassa pressione che possiede le dimensioni idonee per ricavare dal flusso di gas esausti l’energia necessaria per azionare il compressore ed ottenere così l’effetto utile desiderato.

Vediamo ora come è stato applicato il sistema TTT dalla casa di Monaco di Baviera. Il propulsore adoperato è un diesel 6 cilindri in linea di 3000 cm3 di cilindrata (foto a fianco). Ponendo che almeno in prima approssimazione sia valido lo schema generale proposto precedentemente, vediamo come opera questo sistema è quali sono gli effetti finali sulle prestazioni. Innanzi tutto va precisato che il sistema in BMW prende il nome di “Variable Twin Turbo Technology” e che, come nel caso di Opel, opera in tre condizioni differenti. La prima condizione si verifica quando il motore gira a bassi regimi, in questo caso l’aria in aspirazione fluisce attraverso il turbocompressore di bassa pressione, ma l’innalzamento di pressione viene eseguito interamente dal gruppo più piccolo di alta pressione. Grazie alla sua ottima efficienza in questo intervallo di funzionamento, fornisce l’effettiva quantità d’aria necessaria al motore, iniziando il proprio effetto già alle minime velocità di rotazione senza avere nessun tempo di ritardo apprezzabile (in molti casi infatti l’innesco del turbo -soprattutto in passato- era molto brusco e soprattutto con un certo ritardo rispetto al momento in cui si schiaccia il pedale dell’acceleratore per richiedere più potenza). In questa situazione il motore sopra descritto riesce a sviluppare 530 Nm di coppia già a soli 1500 rpm (roba da rimanere affossati nel sedile!)

Con l’aumentare della velocità di rotazione del motore il turbocompressore di dimensioni maggiori diviene sempre più importante, almeno inizialmente come precompressore. L’aria aspirata viene in questo caso ulteriormente compressa dal turbocompressore di alta pressione, facendo raggiungere al motore la sua coppia massima di ben 560 Nm a 2000 rpm. Come nella trattazione precedente anche in questo caso il flusso di gas esausti viene convogliato in entrambe le turbine, in particolare accrescendo con la velocità di rotazione del motore, la porzione diretta alla turbina di bassa pressione. Ad alte velocità di rotazione il lavoro è completamente eseguito dal turbocharger più grande, in tale modo il motore raggiunge la sua massima potenza pari a 200 kW, cioè 272 CV a 4400 rpm.

Ing. Paul

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