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Tecnica
: I segreti
del motore a scoppio |
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La sovralimentazione |
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La sovralimentazione è un metodo,
adoperato nei motori a combustione interna, per ottenere un
aumento, anche elevato, della potenza del motore. In pratica come
abbiamo visto uno dei limiti dei motori è nella quantità di
carburante ed aria che riempie il cilindro prima della
compressione e dello scoppio. Infatti nei motori aspirati, è il
pistone che con il suo movimento nel cilindro richiama la miscela
dall'esterno. Lo scopo della sovralimentazione
è quello di utilizzare un marchingegno esterno, ad esempio una
pompa, che spari dentro il cilindro una quantità di miscela
superiore o spesso molto superiore a quella normale, ottenendo di
fatto un notevole incremento del coefficiente di riempimento con
il conseguente innalzamento del valore della pme e quindi della
potenza utile.
Per realizzare, nella pratica, la
sovralimentazione,
i metodi sono molteplici, ed assumono vari nomi. Il più usato,
efficiente, ed energeticamente furbo è quello basato sul
turbo-compressione, così che spesso si parla di turbo per parlare
della sovralimentazione
in generale.
Il
turbo-compressore è un marchingegno che recupera l'energia dai gas
combusti espulsi dal motore per poi riutilizzarla per comprimere
la miscela in ingresso e poterla così sparare dentro il cilindro.
E' costituito da una turbina ed un compressore montati sullo stesso
albero che li fanno ruotare alla stessa velocità.
La turbina è un disco munito di palette ed è usata allo scopo di
trasformare l'energia dei gas di scarico in energia.
Il compressore è simile, come costruzione, ma funziona esattamente
all'opposto. Prende energia dalla turbina, tramite l'alberino ed energizza il fluido
dandogli pressione e velocità.
Questo è il funzionamento schematico e nella sua
formulazione più semplice; vediamo ora il tutto in
dettaglio, analizzando pregi e difetti. |
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La turbina e i gas di scarico
I gas di scarico vengono raccolti e
convogliati alla turbina, però essa lavora al meglio con un flusso di gas costante,
ma i gas di combustione vengono espulsi da ogni cilindro in maniera non continua.
Infatti la fase di scarico occupa solo un quarto del ciclo quindi
si manifesta per ogni cilindro ogni due giri dell'albero a gomiti .
Per questo motivo per certi motori (ma non per quelli per auto) si inserisce un "serbatoio" di
raccolta dei gas di scarico che fa si che i gas entrati in maniera
impulsiva, rallentino ed escano da questo come una corrente
continua.
Questo metodo ha il vantaggio di massimizzare il rendimento della
turbina, che è un tipo di macchina adatta a lavorare in condizioni
costanti, ma ha due svantaggi
evidenti: il primo è che spesso sotto il cofano di una vettura non
c'è lo spazio per ospitare questo serbatoio che deve essere di
notevoli dimensioni; l'altro
svantaggio deriva dal fatto che il serbatoio fa si che la turbina
risenta con un grosso ritardo del cambiamento di velocità del
motore e quindi non reagisca in maniera pronta alla richiesta di
potenza dal motore,
per questo motivo tale metodo è usato per motori a regime
costante, quali quelli per produzione d'energia.
Nel caso automobilistico gli scarichi vengono convogliati
direttamente verso la turbina. Questo purtroppo farà lavorare la turbina in
maniera irregolare e quindi meno efficiente ma la risposta sarà sicuramente più
immediata, e seguirà, un pò meglio, le richieste del motore. Anche il modo di collegare gli scarichi,
tra loro, prima di entrare nella turbina, richiede degli accorgimenti: un
ciclo del motore avviene in due giri e ogni cilindro
fa una fase di scarico in mezzo giro (di più se consideriamo anticipi di
apertura e ritardi di chiusura) quindi se avessimo un solo
cilindro avremmo una mandata per solo un quarto del periodo del
ciclo e il
resto del periodo non avremmo flusso.
Se accoppiamo due cilindri le cose già migliorano e ancora meglio
con tre cilindri perchè riusciamo a riempire quasi tutto il
ciclo con del
flusso. Invece se abbiamo più di tre cilindri collegati insieme
direttamente si rischia che i flussi interferiscano fra di loro.
Cioè può capitare che un cilindro che inizi a scaricare, trovi all'uscita
lo scarico di un'altro cilindro
che già aveva iniziato la fase di espulsione. Per questo è bene che i cilindri o
siano adeguatamente sfasati fra di loro (se sono minori meno di 3) o adottino particolari convogliatori
(se sono 4 o più).
Ovviamente se i cilindri sono multipli di tre si possono mettere
più turbine, ognuna alimentata dai tre cilindri. Ad esempio un 12
cilindri a V, da il massimo con 2 gruppi di turbo-compressori , uno
per bancata (BI-turbo), ognuno dei quali alimentati dai 6 cilindri
raggruppati in due blocchi di 3 cilindri divisi tra loro dai
convogliatori. |
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L'aria ambiente e il
compressore
Per quanto riguarda il lato
dell'aspirazione si ha il compressore che aspira aria dall'ambiente
e la manda dentro il motore. Nei sistemi un pò più sofisticati, ma
oggi praticamente sempre, prima di entrare nella camera di scoppio
l'aria compressa passa prima da un "itercooler". Infatti i gas,
quando vengono compressi, per loro
natura aumentano la loro temperatura. Questa alta temperatura
annulla in parte l'effetto della compressione perchè i gas caldi
sono più rarefatti. Quindi per evitare questo, si ricorre, appunto, all'intercooler
che non altro che uno scambiatore di calore aria-aria: è in pratica come il
normale radiatore dell'auto, ma
invece di avere al suo interno acqua, ha l'aria appena compressa; l'aria viene così
raffreddata fino a circa la temperatura ambiente e può finalmente entrare nel motore. |
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I Problemi del
Turbo-compressore
Come accennato, anche con la
soluzione di convogliare gli scarichi verso la turbina non
garantisce una perfetta risposta del turbo alle richieste del
motore. Infatti il motore e la turbina lavorano secondo un circolo
vizioso. Se il guidatore, schiaccia il pedale, perchè ha bisogno
di potenza per accelerare, il motore per far questo, deve
iniettare più aria e più carburante. L'arrivo dell'aria dipende in
buona parte dal compressore, il quale però usa l'energia della
turbina che si alimenta dai gas di scarico. Quindi la turbina per
fornire più energia al compressore ha bisogno di più gas di
scarico, ma questi non si producono se il compressore non alimenta
il motore con maggior aria e carburante. Per uscire da questo circolo il
motore ha bisogno i qualche istante, così che il guidatore, che
richiede potenza se la ritrova dopo un pò, magari quando non serve
più tutta quella potenza o
addirittura non serve proprio. Questo ritardo che è sempre
superiore a quello che può avvenire in un aspirato, in cui è
praticamente inavvertibile, può andare da alcuni millisecondi per
motori raffinati e che stanno girando ad alto numero di giri, a
svariati secondi per motori meno efficienti e che stanno girando a
basso numero di giri, generando notevoli inconvenienti, e
soprattutto rischi per la sicurezza.
Un'altro problerma è che l'effetto
benefico del turbo varia in funzione dei giri del motore, perchè
con i giri varia la portata dei gas di scarico prodotti. Se il
motore gira piano, produce pochi gas e la turbina non
riesce più a prenderene energia, sia perchè appunto
l'energia disponibile è poca sia perchè la turbina lavora in
condizioni estremamente lontane da quelle ottimali cioè con un
rendimento bassissimo. Quindi l'uso del turbo è estremamente utile
per i motori da competizione, o per quelli di serie molto
sportivi, in quanto da il meglio ad alti regimi di rotazione ed ad
alte potenze. Viceversa per i veicoli di serie normali, ha
poco senso utilizzarlo, in quanto, la maggior parte dell'uso del
motore viene fatta a bassi regimi.
Oltre a questo chi ha provato, un'auto
sovralimentata, specie se di vecchia generazione (ad esempio la
FIAT UNO), avrà avvertito un'altro dei suoi problemi. Il fatto è
che, l'effetto positivo del turbo inizia a funzionare solo ad un determinato numero di giri,
mentre al disotto di questo il turbo è addirittura un freno. Così
si ha che all'inizio , in fase di accelerazione il motore stenta a
salire di giri e quando il turbo "entra",
sembra che il motore raddoppi improvvisamente di potenza, dando
per un' istante una fortissima accelerazione, nota anche col
termine "tecnico" di "calcio in culo" ! E' ben comprensibile
che questa brusca accelerazione renda difficile e pericolosa la
guida, sia quella di tutti i giorni che quella al limite in
pista, e soprattutto se il fondo stradale è bagnato o scivoloso, o
se peggio si sta percorrendo una curva. Nelle moto poi questo
problema è ancor più sensibile, così che i modelli di moto turbocompresse,
da quando esistono le moto, praticamente si contanto sulle
punta delle dita.
Per migliorare queste problematiche, sono state inventate le
turbine a geometria variabile, nelle quali le alette all'ingresso
della turbina cambiano d 'incidenza, cioè ruotano su se stesse, in modo che a bassi
giri, i gas abbiano un angolo d'entrata che migliori il funzionamento
dalla turbina, cioè il suo rendimento e quindi di tutto il
turbo-compressore. Al contrario, per quando l'effetto del turbo è
superiore delle richieste del motore, (ad esempio quando dopo
un'accelerazione si frena), oltre a poter sfruttare la geometria
variabile per far peggiorare le prestazioni della turbina, esiste una valvola che permette di scaricare parte
dei gas combusto, abbassando di fatto la pressione nel condotto di
aspirazione.
Per sfruttare a pieno le geometrie
variabili e per compensare i problemi residui, oggi si ricorre ad
un massiccio uso dell'elettronica che fa in automatico quello che
farebbe un bravo pilota, permettendo a chiunque di guidare un
turbo anche di notevole potenza senza grossi problemi, però
peggiorandone, di fatto, l'efficacia, e spesso annullando il
fascino di questa soluzione tecnica. |
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Il
turbo nei motori a benzina : luci ed ombre
Nei motori a benzina l'uso del turbo
è estremamente limitato dalle caratteristiche chimico- fisiche del
carburante, così che il suo impiego per veicoli di serie è in
generale poco utile, se non per dare un carattere particolare al
propulsore.
Immaginiamo, quindi, di avere un motore
aspirato, di applicarci il turbocompressore e di vedere cosa succede. La pressione massima
che si raggiunge nel motore a seguito della combustione della
miscela, aumenterà sensibilmente, per effetto della sovralimentazine, in quanto
viene bruciata,
nella camera di combustione, una quantità di carburante e aria superiore.
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V : Cilindrata
Vc : Volume camera di combustione
Pa : Pressione atmosferica
Pm : Pressione massima
P'm : Pressione massima per il ciclo sovralimentato
Pd : Pressione di inizio detonazione
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Questo comporta, per prima cosa, che il motore subirà
sollecitazioni
maggiori e probabilmente dannosi così che i motori turbocompressi
dovranno essere, in generale, più massicci e quindi più pensati dei
corrispondenti motori aspirati a pari cilindrata, ma spesso più
leggeri a parità di potenza erogata.
Inoltre avremo vari fenomeni di
combustione anomala tra i quali il più grave e preoccupante è
quello della
detonazione, dovuto soprattutto ad una temperatura e pressione
massime troppo elevate. In più la detonazione è totalmente imprevedibile e si
auto-alimenta per cui porta in breve tempo alla rottura degli
organi meccanici. (vedi pagina specifica)
Questo limita moltissimo il livello
di sovrappressione che può sviluppare il turbo, dato che già i
motori aspirati di serie sono tarati al limite della detonazione.
La strada giusta da seguire è quella di diminuire il rapporto di compressione
del motore, cioè aumentare il volume della camera di combustione,
a parità di cilindrata. Agendo in questo modo, la pressione raggiunta
quando il pistone è al pms, tornerà ai
valori ammissibili. Con questo metodo, si perde un pò di
rendimento ideale (che dipende dal rapporto di compressione) ma
si incrementa il coefficiente di riempimento, con la conseguenza
che globalmente aumenta la pme e quindi la potenza. |
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V : Cilindrata
V' : Cilindrata per il ciclo sovralimentato
Vc : Volume camera di combustione
V'c : Volume camera di combustione per il ciclo sovralimentato
Pa : Pressione atmosferica
Pm : Pressione massima
Pd : Pressione di inizio detonazione
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Si può vedere dai grafici le due
situazioni. Nel primo i due motori hanno lo stesso rapporto di
compressione, ma uno è sovralimentato e l'altro no.
Il ciclo aspirato rimane nella zona
sicura, mentre il secondo arriva nella zona della detonazione con
i problemi visti.
Nel secondo grafico la curva del
ciclo ha la stessa altezza massima, ma un rapporto di compressore
minore. Entrambi i cicli hanno una pressione massima che è in zona
"sicura" ma il ciclo sovralimentato ha un' area maggiore che
corrisponde, nella stessa maniera, ad un aumento del lavoro fatto
dal motore, e quindi della potenza. |
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Il turbo nei motori diesel : tutte luci
Quello che limita l'uso del turbo
nel benzina, è invece il grande pregio che ha permesso al motore
diesel di fare il salto di qualità diventando, oggi giorno, il
motore più venduto in Italia. Infatti nel diesel, la miscela di
carburante ed aria, non brucia a seguito dell'innesco tramite
scintilla come nel motore a benzina, ma esplode a causa della
compressione e della temperatura. E' quindi evidente che più
"roba" c'è nel cilindro e più saranno alte le pressioni alla fine
della corsa di risalita del pistone. Questo, da una parte,
permette di usare il sovralimentatore senza particolari limiti,
dall'altro introduce notevolissimi altri vantaggi. In primis la
maggior compressione garantisce una maggior velocità di
combustione, che significa più potenza, meno inquinati, meno
rumore, meno vibrazioni. Poi l'uso del turbo permette dei lavaggi
eccellenti e un' ottimo raffreddamento, perchè la sovrappressione
generata dal compressore fa scorrere molta aria nel cilindro
durante l'incrocio. Infatti il turbo nei diesel lavora solo con
l'aria, mentre il carburante viene vaporizzato direttamente nella
camera di combustione tramite uno o più ugelli , quando le valvole
sono tutte chiuse. Questa tecnica si chiama iniezione diretta. Poi
il turbo permette anche di costruire condotti di aspirazione anche
tortuosi ma con il pregio di poter generare alte turbolenze, che
garantiscono un'eccellente miscelazione tra il gasolio e l'aria
con notevoli benefici per la combustione.
L'unico aspetto negativo dei turbo-diesel moderni è che l'estrema
complicazione tecnica di tutti gli organi che devono lavorare in
perfetto sincronismo e con possibilità di errori ridottissime,
specie per rimanere nei limiti di legge per quanto riguarda le
emissioni inquinanti, obbliga ad un uso spaventoso di elettronica
che rende questi propulsori, complicati, pesanti, costosi, meno
affidabili e nei quali per metterci le mani bisogna essere
laureati in elettronica e in informatica. |
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Il Volumetrico : Poca sostanza,
molto marketing
Il compressore volumetrico, oggi usato
solo su pochissime vetture (ad esempio le Mercedes col nome
commerciale di Kompressor), è un tipo di sovralimentazione
inventato e utilizzato per la prima volta agli albori
dell'aviazione, per compensare la rarefazione dell'aria in alta
quota, ma fu subito abbandonato per i motivi che vedremo. In
pratica il compressore è montato sull'albero motore ed assorbe
energia da questo e comprime l'aria da inviare ai cilindri. Un
piccolo vantaggio come potenza finale si ottiene , ma dal punto di
vista energetico e dei consumi, non ha alcun senso utilizzarlo, in
quanto per generare la compressione si assorbe l'energia che
dovrebbe spingere il motore, invece di quella buttata con i gas di
scarico. In pratica il propulsore deve buttare via del carburante
per generare la potenza che serve ad ignettare altro carburante.
Per capirci meglio faccio un esempio: immaginiamo un motore che è
in grado di generare 10 di potenza con 10 di carburante. Gli
mettiamo il compressore volumetrico che assorbe 2 di potenza. Il
compressore inietta abbastanza carburante (14) da portare la
potenza del motore a 14. In totale quindi la potenza disponibile
per far avanzare il veicolo è 12, ma usiamo 14 di carburante.
Abbiamo quindi ottenuto maggiore potenza ma l'efficienza del
propulsore nel suo complesso è diminuita sensibilmente perchè ci
vuole 1.17 di carburante per 1 di potenza invece di 1a1.
L'unico vantaggio che ha questo tipo di sovralimentazione rispetto
al normale turbo, è che il compressore essendo trascinato dal
motore non ha problemi di ritardi o di brusche accelerazioni. In
pratica, fornisce un incremento di potenza modesto, ma su tutto
l'arco di utilizzo del motore.
Perchè viene usato? La risposta non è facile. Da un lato
probabilmente c'è una carenza tecnica nel saper fare motori
aspirati di buona qualità, ma soprattutto è una questione di
marketing, infatti la pubblicità fa credere che questo sia un
sistema rivoluzionario, innovativo, e raffinato quando
invece è una schifezza. Le auto per essere vendute hanno bisogno
di un qualche "appil" cioè di qualche carattere distintivo, e con
una buna campagna pubblicitaria si fa credere quello che si vuole. |
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Conclusioni
L'adozione del Turbo-compressore ha
in sintesi le seguenti caratteristiche:
PRO:
- riduce imgombro e peso a parità di potenza sviluppata
- può in generale diminuire i consumi specifici
- rende il motore meno rumoroso
- rende i gas di scarico meno inquinanti
- rende il motore poco sensibile alle variazioni di quota
CONTRO:
- aumento dei carichi meccanici e termici sugli organi del motore
- porta al pericolo di detonazione nei motori a benzina
- andamenti di coppia e potenza non adatte alla trazione stradale
- lunghi tempi di risposta nei transitori
Quindi l'adozione del
turbocompressore, porta a motori solidi, affidabili e alta potenza
specifica, ma non particolarmente adatti alla trazione degli
autoveicoli. |
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