Iniziamo con questo post una serie di articoli tecnici a cura del mio amico Ing. Paul che cercheranno di spiegare molte delle soluzioni adottate nel campo dell’automobilismo stradale e sportivo, buona lettura!

INTRODUZIONE ALLA SOVRALIMENTAZIONE

Con il termine «sovralimentazione» si definisce l’operazione mediante la quale si precomprime l’intera (o una parte della) carica fresca al di fuori del cilindro di lavoro, con lo scopo principale di aumentare la massa d’aria o miscela (aria + combustibile) che un motore riesce ad aspirare per ogni ciclo. Tale pratica ebbe l’iniziale sviluppo in campo aeronautico. Infatti i primi sistemi di sovralimentazione equipaggiavano i motori a pistoni degli aeromobili (la cui architettura viene definita a stella per la disposizione caratteristica dei pistoni) prima dell’avvento del motore turbogetto. Lo scopo di questo sistema era quello di evitare i cali di potenza del motore alle alte quote dove l’aria si fa meno densa e la massa d’aria aspirata per ciclo diviene inferiore, diminuendo l’entità della carica fresca.

L’utilizzo di sistemi di incremento della potenza dei propulsori viene adoperato sia nei motori due tempi (soprattutto nei grandi diesel applicati in campo nautico) che nei motori a quattro tempi, sia ad accensione comandata che ad accensione spontanea (Diesel). Tralasciando la prima applicazione, concentriamoci sulla seconda cercando di fare raffronti con i motori applicati in campo automobilistico.

Come si diceva lo scopo della sovralimentazione è quello di introdurre nel cilindro una massa di carica fresca superiore a quella corrispondente all’«aspirazione naturale» (cioè il meccanismo di aspirazione utilizzato nei motori aspirati ovvero in quelli che aspirano aria a pressione ambiente), per ottenere una potenza maggiore a parità di cilindrata. Tale aspetto è facilmente comprensibile osservando la formula qui sotto:

Dove:

  • V è la cilindrata del motore;
  • pme è la pressione media effettiva a cui esso lavora;
  • n è il numero di giri;
  • ε è il numero di giri che l’albero motore deve compiere per realizzare un ciclo completo (per un 2T è pari ad 1, per un 4T è invece 2).

È comprensibile che per incrementare la potenza del motore si possa agire su due parametri: il numero di giri a cui il motore lavora, oppure la pressione media effettiva di ciclo.

Il primo meccanismo, tanto per parlare chiaro, è quello adoperato in F1 dove i propulsori, non potendo più disporre per ragioni regolamentari di turbo ed essendo bloccati ad una cilindrata massima di 2800cc, sono giunti a girare fino a 20000 giri al minuto, soglia ritenuta massima per non incorrere in eccessivi problemi di affidabilità. Infatti aumentando notevolmente la velocità di rotazione dell’albero aumentano le sollecitazione sui cuscinetti, sulle fasce elastiche dei pistoni (soggette a maggiori sollecitazioni d’attrito) e sugli snodi di bielle e manovelle. Per un auto comune tale possibilità non è applicabile visto che nessuno sarebbe disposto ad avere un mezzo che al massimo può reggere tali ritmi per 5000 km e poi si è costretti a sostituire l’intero propulsore!

Un aspetto romantico della questione può essere trovato nel rumore che tali motori emettono, solitamente molto acuto, dovuto proprio all’alta frequenza di combustioni che avvengono nell’unità di tempo.

Nel secondo caso si lavora invece sulla pressione media innalzandone il valore. Tale incremento può essere ottenuto aumentando il volume della camera di combustione, oppure, lasciando inalterata l’architettura del motore, si può incrementare il rapporto di compressione. In entrambi i casi però l’effetto benefico di incremento di potenza si paga con maggiori sollecitazioni sugli organi meccanici dovuti in entrambi i casi ad un eccessivo aumento della pressione massima di ciclo. Con la sovralimentazione si ottiene l’effetto di gonfiare il ciclo indicato del motore, aumentando la pme senza elevare eccessivamente la pressione massima.

Vediamo ora come viene installato e come funziona un gruppo di sovralimentazione. Innanzi tutto tale gruppo è composto da due macchine entrambe calettate sullo stesso asse. Queste macchine sono entrambe macchine dinamiche centrifughe (o radiali), questo perché esse cedono o ricevono lavoro dal fluido facendolo evolvere all’interno dei loro vani palari in maniera radiale, cioè seguendo linee di flusso dirette come i raggi di una circonferenza. Con la lettera T viene indicata la turbina che riceve lavoro dai gas di scarico in uscita dai cilindri, mentre con la lettera C è indicato il compressore, il quale comprime l’aria in ingresso al cilindro compiendo su questo lavoro. Il gruppo si autosostiene, cioè il lavoro necessario per comprimere la carica fresca è lo stesso che la turbina riceve dai gas di scarico che escono ad alta pressione e temperatura dal cilindro. Nella turbina infatti la pressione dei gas esausti viene convertita in spinta sulla pale e quindi in rotazione, questa farà girare l’asse comune trascinando il compressore che potrà in questo modo esercitare la sua attività di incremento della pressione del fluido.

L’architettura classica della sovralimentazione può essere schematizzata con l’immagine sotto. Tali configurazioni differiscono poco tra loro a livello visivo ma moltissimo a livello progettuale ed operativo. Lo schema (b) viene definito TURBOSOVRALIMENATZIONE A PRESSIONE COSTANTE, mentre lo schema (c) prende il nome di TURBOSOVRALIMENTAZIONE AD IMPULSI.

Nel primo caso il motore presenta condotti di scarico sufficientemente ampi da smorzare le oscillazioni di portata e pressione, in modo tale che alla turbina arrivi un flusso praticamente costante. Purtroppo questa configurazione pur essendo più semplice a livello costruttivo in quanto è più facile trovare posto per il suo alloggiamento, semplifica lo schema dei collettori di scarico e consente di avere una turbina ad un solo ingresso, presenta un minor sfruttamento dell’energia posseduta dai gas di scarico ed inoltre poco si adatta alla trazione stradale perché presenta risposte troppo lente nei transitori del motore, ovvero in accelerazione. Lo sfruttamento più scarso dell’energia dei gas esausti è dovuto al fatto che il grande collettore comune di scarico appiattisce la pressione uniformandola ad un valore comune facendo perdere quindi quel surplus che il fluido possedeva all’uscita della valvola di scarico diminuendo quindi il suo potenziale. (la turbina converte quindi una porzione in meno di energia!).

Nel secondo caso ci sono dei piccoli condotti (collettori di scarico) che collegano ciascun cilindro con la turbina, in modo che l’energia cinetica dei gas venga conservata e trasferita ad essa sotto forma di un’onda di pressione. Con questa soluzione è possibile ottenere una maggiore efficienza di conversione dell’energia posseduta dai gas esausti previa applicazione all’imbocco della turbina di un convertitore d’impulsi che ha la funzione di evitare che onde anomale di pressione risalgano i condotti di scarico andando a disturbare lo scarico degli altri cilindri. In questa seconda configurazione, soprattutto nel caso di motori a 6, 8 ,10 e 12 cilindri, si opera raggruppando i collettori di scarico dei cilindri che hanno fasature identiche o piuttosto ravvicinate. Pur causando maggiori problemi costruttivi tale soluzione è la più adoperata in ambito automobilistico perché offre un bilancio energetico positivo.

Nel prossimo articolo discuteremo alcuni schemi applicativi dei sistemi di sovralimentazione adoperati nelle comuni autovetture ma anche in quelle da competizione.

Ing. Paul

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