Per introdurre il concetto di Sovralimentazione di un propulsore a carica atmosferica, sia esso a ciclo Sabathè (Diesel) o a ciclo Otto, dobbiamo aver ben presente come funziona un motore endotermico tradizionale. Se consideriamo "tradizionale" un propulsore con organi a moto alterno ed il relativo cinematismo interno che trasmette il moto all'albero motore (sistema pistone-biella-manovella) sappiamo che la massa d'aria unitaria che è possibile aspirare al proprio interno, in un intervallo finito, è fissa. Quindi anche lavorando con tecnologie spinte tutte le superfici, progettando allo "stato dell'arte" ogni componente, non riusciamo a vincere questa soglia della finitezza. Ma allora con una cubatura unitaria maggiore si aumenta la capacità di ingurgitare aria e quindi avere più potenza? Ni. Perchè se a livello prettamente superficiale si sarebbe portati a pensare questo, poi ci si scontra con problemi di ordine meccanico/fisico (inerzie e complessità meccaniche) e chimiche (fronte di fiamma non uniforme, dispersione molecolare, etc) e di natura fluidodinamica (moti di Tumble, Swirl, etc). In meccanica abbiamo un asso nella manica: sovralimentazione. In questo modo si ha la possibilità di incrementare la massa d'aria aspirata all'interno del propulsore. Una gran bella comodità. In realtà, per "sovralimentazione" s'intende qualsiasi sistema atto ad aumentare la potenza del motore tramite l'immissione nella camera di combustione una quantità di ossigeno (e di combustibile) maggiore rispetto a quanto il motore non ne aspirerebbe "naturalmente". Ma badate sovralimentare non significa Turbina. Altro mito da "sfatare". Non esiste una sola turbina, ma esiste un GRUPPO TURBOCOMPRESSORE, che è costituito da più componenti. Ma questo lo vedremo in dettaglio più avanti. Di base abbiamo tre grandi tipologie di sovralimentazione: la "sovralimentazione dinamica", ottenuta tramite la particolare progettazione dei collettori d'aspirazione, capaci di sfruttare al meglio l'inerzia della colonna d'aria nei condotti; la "sovralimentazione meccanica", ottenuta attraverso la compressione dell'aria all'interno del collettore d'aspirazione; la "sovralimentazione chimica" ottenuta attraverso la miscela dell'aria d'aspirazione con opportune sostanze chimiche. Partendo dalla Sovralimentazione Dinamica dobbiamo aver ben presente i principi della meccanica dei fluidi, dove si considera su un fluido comprimibile ed instazionario (aria o miscela di aria e benzine), vengano ad agire delle forze di inerzia che tendono a modificare la naturale stasi del fluido. Pensiamo alle modifiche della quantità di moto, del gradiente di pressione e di come essi siano responsabili e dei gradienti di velocità e degli sforzi di taglio tangenziale. All'interno del condotto d'aspirazione il fluido che viene aspirato dall'esterno soffre di una dissipazione sotto forma di calore, nel momento in cui viene portato a contatto con le pareti. Questa forma di dissipazione, dovuta alla rugosità, alle perdite di carico e tante altre forze intrafluido, genera una caduta di pressione all'interno del condotto. La colonna d'aria che riempie il condotto dovrebbe, idealmente, mettersi immediatamente in movimento verso la zona a bassa pressione (ossia la camera di combustione) per arrestarsi appena il pistone inizi la sua corsa verso l'alto, verso la compressione. Purtroppo c'è l'inerzia e le cose non vanno come dovrebbero: la colonna d'aria inizia a muoversi con un certo ritardo e si arresta con altrettanta lentezza, ovvero dopo che il pistone ha già iniziato la risalita. Ma non finisce qui. Infatti nella colonna in movimento si creano dei fenomeni pulsatori, delle vere onde di pressione. L'inerzia dei gas e i relativi fenomeni di risonanza, possono essere opportunamente sfruttati, regolando la lunghezza del collettore e la fasatura dell'aspirazione in modo tale che, la chiusura della valvola (o delle valvole...) avvenga molto dopo il punto morto inferiore e coincidendo con l'istante in cui l'onda di pressione viaggia in direzione - ed è in prossimità - della valvola stessa. Così, poco prima dell'inizio della fase di compressione, entra nel cilindro una quantità supplementare di aria, compressa per mezzo dei fenomeni pulsatori creatisi all'interno del collettore, migliorando il rendimento volumetrico sino a renderlo maggiore di 1, il che significa effettuare una vera e propria sovralimentazione. In questo modo si sfruttano le onde di pressione all'interno del condotto generando il cosiddetto effetto "RAM" o Colpo d'Ariete (Ariete in inglese = RAM), che nel caso di condotti fissi si avrà solo ad un determinato regime di rotazione. Mentre nel caso di condotti di aspirazione a fasatura variabile (quindi variando la lunghezza di tali componenti) si può giostrare l'onda di pulsione nei regimi desiderati. E' bene precisare che, nella maggioranza dei casi, l'uso di tali tecniche non è finalizzato ad ottenere il massimo effetto RAM (ossia la sovralimentazione dinamica), bensì al miglioramento dell'elasticità dei propulsori stessi, incrementandone la coppia disponibile ai bassi regimi senza penalizzare la potenza e la regolarità ad elevato numero di giri. Allego immagine esplicativa per i condotti a geometria variabile Sovralimentazione Meccanica Per quanto concerne la sovralimentazione meccanica, abbiamo diversi distinguo da effettuarsi. Questo tipo di sovralimentazione è ottenuta attraverso la compressione dei gas in aspirazione. E' lapalissiano che, per comprimere, ci voglia un "compressore", ma nella maggior parte della pratica automobilistica tale compressore è associato ad una turbina, anche se sono comunque presenti autovetture dotate di compressore meccanico. Definiamo un'autovettura con sovralimentazione mediante turbocompressore come Turbocharged, mentre una con sovralimentazione mediante compressore come Supercharged (secondo nomenclatura anglosassone). Cosa distingue in modo netto le due modalità di sovralimentazione? Il turbocompressore, sfrutta l'energia fornita dai gas di scarico da far espandere in una turbina, per azionare il compressore; Il compressore volumetrico, invece, utilizza una parte della potenza erogata dal motore, dato che è azionato direttamente dall'albero motore. Un terzo tipo di compressore, praticamente non utilizzato, è il sistema "Comprex". Ma ne parleremo dopo. Il Turbocompressore E' la tipologia più diffusa di sovralimentazione meccanica. Il sistema è composto da due chiocciole che racchiudono due giranti a palette, solidamente collegate tra loro tramite un alberino. La prima girante riceve il moto dai gas di scarico (turbina) e lo trasmette alla seconda girante, la quale impartisce il moto alla colonna d'aria nel collettore d'aspirazione, comprimendola (compressore). A garantire il tutto da eventuali, eccessivi, picchi di pressione c'è una valvola, detta waste-gate, che prevede all'eliminazione dei gas in eccesso. C'è da dire che, come sempre, il principale nemico della sovralimentazione è l'inerzia. Infatti, i gas di scarico prima di mettere in rotazione la girante devono vincere l'inerzia di quest'ultima, che è in quiete. Inoltre, in fase di rilascio, la turbina (pur se priva della spinta indotta dai gas combusti), a causa della propria inerzia, continua a girare velocemente causando un aumento di pressione indesiderato nel collettore di aspirazione - che in rilascio, lo ricordiamo, è chiuso dalla farfalla. Di conseguenza la waste-gate si apre sino al quasi completo arresto del compressore. Questo fenomeno prende il nome di "turbo-lag", ovvero un ritardo di risposta tra la richiesta adoperata dall'utente e la risposta invece fornita - o che dovrebbe fornire - il gruppo turbocompressore. Un esempio che posso fornirvi per capire il fenomeno del "turbo-lag", se consideriamo una turbina che ruota con una velocità di 80.000 giri al minuto, questa pompa circa 0,4 metri cubi d'aria al secondo, a 160.000 non ne pompa il doppio ma bensì 4 volte tanto e nello stesso tempo la sovrappressione cresce in modo vertiginoso, passando da 0,2 bar a 1,6 bar con un incremento quindi di ben otto volte ! Onnipresente nei "turbo vecchia maniera" dove i manometri di depressione all'interno del collettore di aspirazione erano presi da violenti extra-sistole, si è andato man mano riducendo con l'utilizzo di turbocompressori dalle giranti più piccole, o con lo "sdoppiamento" di tali gruppi o ancora nei tempi recenti con sistemi a bassa pressione di sovralimentazione (Light Pressure Turbo) o sistemi di tipologia VGT o NGT. Un motore turbocompresso, ricordiamo, dovendo sopportare pressioni superiori a quelle di un atmosferico, ha un rapporto di compressione più basso rispetto a quest'ultimo. Logicamente, quando la turbina non svolge la sua benefica azione "rinvigorente" (ad esempio, al disotto dei 2500/3000 rpm), il nostro propulsore turbo funziona come un'aspirato con ridotto rapporto di compressione. In altre parole è praticamente "addormentato", spuntando prestazioni inferiori alla media. Questo è uno dei motivi per cui il turbocompressore è diventato di gran moda sui motori Diesel, i quali possono permettersi rapporti di compressione più alti rispetto ai benzina e, comunque, offrono più coppia ai bassi regimi. [video=youtube;29gxsPrU9nE]http://www.youtube.com/watch?v=29gxsPrU9nE[/video] Tecniche di riduzione del fenomeno del turbo-lag ed aumento efficienza turbocompressore. Al fine di ridurre tali fenomeni si è ricorso a vari step evolutivi del gruppo turbocompressore. In prima battuta si è andati a lavorare sulle dimensioni esterne. Nei primi anni '90 sono molte sportive ad utilizzare al posto di un unico gruppo, due gruppi sdoppiati e più piccoli, ma che garantiscono - a parità di pressione di sovralimentazione - una inerzia molto più ridotta. Esempio lampante è la Nissan 300ZX o la Ferrari F40, dove entrambe adoperavano due piccoli turbocompressori IHI. Chi non poteva adoperare tale sistema, iniziava a diminuire le pressioni massime di sovralimentazione, adoperando una sorta di "turbo-soft" che aiutava il propulsore ad avere solamente una curva di coppia più dolce e lineare. E' l'avvento dei sistemi Light Pressure Turbo. Molto utilizzati dai costruttori scandinavi, Volvo e Saab, i gruppi LPT avevano una pressione di sovralimentazione sensibilmente inferiore ai sistemi HPT (High Pressure Turbo). Quindi si aveva, a parità di propulsore, una potenza erogata minore, ma una curva di coppia molto differente. Più turistico LPT, più cattivo l'HPT. Nei tempi recenti, con l'aumentare dell'efficienza energetica e prestazionale dei motori a ciclo Diesel, il turbocompressore utilizza un sistema in grado di variare la palettatura interna della chiocciola sul lato caldo (turbina). Tali sistemi prendono il nome di Variable Geometry Turbo (VGT) o Turbo a Geometria Variabile. Ogni costruttore di turbocompressori ha una propria sigla (VGT, VNT, NGT, etc) ma il sistema di funzionamento è sostanzialmente il medesimo. Il sistema VGT, tramite apposite palette mobili - nelle ultime evoluzioni, a controllo elettronico - variano le dimensioni interne della chiocciola (statore) della turbina. In questo modo i gas, dovendo attraversare un condotto di minor sezione, acquistano velocità e permettono al compressore un più rapido raggiungimento del regime di rotazione ideale. Modificando i triangoli di velocità all'interno della turbina abbiamo il massimo prelievo di coppia motrice in funzione della colonna d'aria che arriva all'interno della chiocciola. Ciò significa che ai bassi carichi, avremo un angolo di incidenza delle palettature più spinte, in modo da prelevare la massima coppia possibile dal "minimo" quantitativo di massa d'aria. Allo stesso modo agli alti carichi, dove la coppia non diventa predominante, si avrà un angolo di incidenza molto ridotto, in modo da far fluire quanto più velocemente possibile i gas allo scarico. In questo modo avremo alla guida di tutti i giorni, la possibilità di avere a regimi molto bassi il massimo valore della coppia erogabile dal propulsore e riducendo di molto l'effetto "scalino" che si ha nei regimi transitori dal basso-medio all'alto carico. Inoltre sono presenti all'interno dello statore delle ulteriori palettature "fisse" in grado di aiutare il flusso nel convoglio verso la girante (Distributore Frink) ed aumentare il "prelievo" di energia dalla colonna di fluido. [video=youtube;Gc2awh0O0Bc]http://www.youtube.com/watch?v=Gc2awh0O0Bc[/video]
Valvola Wastegate / Pop-Off / By-Pass Ovviamente la pressione di sovralimentazione massima non può crescere all'infinito, pena l'autodistruzione del propulsore. Per evitare ciò si ricorre ad una particolare valvola, detta Wastegate che, comandata dalla pressione esistente nel lato aspirazione, produce l'apertura della stessa a monte della turbina e lascia fuoriuscire allo scarico parte dei gas combusti che altrimenti porterebbero la turbina a girare ad una velocità eccessiva, causando i danni accennati all'inizio. L'azionamento di questa valvola può essere meccanico, pneumatico o elettronico (gestito da un attuatore) e la sua apertura è regolata da particolari parametri di pressione o eventualmente si può ritardare in modo da ottenere - per un breve periodo - un picco di sovrappressione (funzione di Overboost). Può essere collocata a ridosso della chiocciola o piazzata sul collettore di scarico per indirizzare una porzione dei gas combusti direttamente a valle del turbocompressore senza attraversarlo (schema utilizzato nei propulsori da F1). La valvola di by-pass è chiamata a salvaguardare l'integrità della valvola a farfalla (posta sull'aspirazione), delle tubazioni e della girante del compressore quando si rilascia l'acceleratore. Queste valvole vengono montate quando, nella versione di serie o dopo una profonda elaborazione, vengono utilizzate elevate pressioni di esercizio. Tali valvole hanno il compito di aprirsi e dare sfogo al picco di pressione che si viene a creare nel collettore di aspirazione quando si chiude repentinamente il gas. In questa condizione, infatti, le pale del compressore continuano a ruotare velocemente pompando aria nel condotto che però risulta temporaneamente chiuso; per non danneggiare la delicata girante si apre dunque una via di fuga che lascia sfogare altrove l'eccesso di pressione (in questa fase inutile visto che siamo in fase di rilascio). La valvola è dotata di un tubo di depressione che parte a valle della "farfalla" comandata dall'acceleratore e ne provoca l'apertura. Sono possibili due schemi di utilizzo: nello schema con valvola by-pass (tipico delle vetture di serie) l'aria viene riconvogliata tramite un tubo a valle del filtro dell'aria in maniera silenziosa, si cerca in questo modo di riciclare quest'aria per mantenere comunque elevata la pressione di esercizio e per non far fermare del tutto il compressore anche ad acceleratore chiuso. nello schema con valvola pop-off (tipico delle vetture preparate) l'aria viene deviata verso l'esterno ed è questo che produce il famoso sibilo in fase di rilascio dei motori turbo da gara; normalmente queste valvole sono perfettamente calibrate o regolabili, permettendo quindi un maggior controllo senza inutili abbassamenti di pressione. Il Compressore Volumetrico A differenza del classico Turbocompressore, il solo compressore volumetrico è una macchina che è in grado di innalzare la pressione di un gas mediante l'utilizzo di energia nella forma meccanica. Quindi non si sfrutta l'energia cinetica dei gas di scarico per azionare il compressore, come per il gruppo turbocompressore (dove il compressore è di tipo dinamico), ma si preleva energia meccanica direttamente dal propulsore. E' facile intuire che essendo il moto del compressore strettamente vincolato al regime di rotazione del propulsore, non sarà in grado di esprimere elevate velocità periferiche, ed inoltre vi sarà un prelievo di "coppia" dall'albero motore che si traduce da un lato in un "minus" di potenza e da un "plus" fornito dal compressore volumetrico. Il tutto avviene mediante l'utilizzo di pulegge e cinghie che vengono calettate direttamente sull'albero motore del propulsore. Grazie al rigido collegamento con il motore, il volumetrico entra in azione sin dai regimi più bassi, eliminando ovviamente il turbo lag e permettendo un notevole incremento della potenza e dell'elasticità di marcia. Molto utilizzati per applicazioni postume (elaborazioni), trovano ampia risulta all'interno dei costruttori americani e inglesi (Ford e Jaguar ad esempio), che ne hanno fatto anche una scelta costruttiva. C'è da dire che il rendimento di tali compressori, dato che prelevano energia direttamente dal propulsore, per poi restituirla sotto altra forma, è abbastanza basso (doppi passaggi di scambio di energia fanno abbassare in maniera netta il rendimento), quindi stanno man mano per esser sostituiti grazie a più piccoli ed efficienti unità turbocompresse. Essi si distinguono in due grandi famiglie: A lobi o Roots (a seguito della ditta che li ha maggiormente sviluppati) A vite o Eaton (come sopra) Compressore a Lobi Sono macchine semplici, di lunga durata costruttiva, che trovano ampio impiego soprattutto nell'industria pesante e navale, e sono costituiti da due rotori opportunamente sagomati ad assi paralleli che ruotano in sincronia in senso opposto creando camere progressive dalla bocca di aspirazione a quella di mandata. I rotori sono quasi sempre a due lobi, come in figura; ne esistono a tre lobi, ma di uso sporadico. Esistono anche modelli con numero diverso di lobi, normalmente 2 e 3, configurazione che consente la riduzione dell'ingombro radiale. Compressore a Vite Hanno una maggior possibilità di avere rapporti di compressione minori, ma comunque elevati (3 : 1 - 4 : 1), ed è comunque possibile porre più stadi in serie. Il rendimento meccanico è superiore agli alternativi e quindi, per applicazioni medio-grandi, sono preferibili a questi ultimi. Essi sono costituiti da due viti a passo inverso e di diametro differente che imboccano l'una sull'altra, in modo da creare con il corpo del compressore una cavità che progressivamente si sposta dalla zona di aspirazione a quella di mandata, diminuendo il volume, comprimendo così il gas. Rispetto ai compressori alternativi hanno il vantaggio di una meccanica più semplice - il moto è continuo - e quindi minori sollecitazioni meccaniche. http://www.youtube.com/watch?v=gKViNCZhIqc Compressore G-Lader Il "G-lader", emblema delle Volkswagen sportive dei primissimi anni '90 (Polo 1.3 G40, Golf 1.8 G60, Corrado 1.8 G60 e Passat 1.8 G60), utilizzava, ad esempio, per comprimere l'aria, un elemento a chiocciola. ll "G" Lader non ha giranti, a differenza di altri compressori volumetrici (Rots, Bendix, Eaton, Comprex). Quindi le due parti concentriche a forma di "G" hanno il compito di trasferire l'aria dall'ingresso all'uscita del compressore, non essendo un movimento circolare, la parte esterna rimane fisa, mentre quella interna ha un funzionamento alternato imposto da un eccentrico. Dunque le caratteristiche del "G" Lader permettono di ottenere una curva di coppia piuttosto costante ed un valore massimo elevato a basso numero di giri, abbinato ad un intercooler (scambiatore aria aria) aumenta il suo potenziale. Il compressore volumetrico viene azionato dall'albero motore attraverso una cinghia, azionato direttamente con una puleggia dal rapporto demoltiplicato. Il vantaggio per i motori sovralimentati con questo sistema sta nel fatto che riescono ad erogare una notevole potenza su un regime medio-basso. Essendo un sistema che concettualmente parlando comprime l'aria, lavora a temperature di esercizio molto più basse rispetto al turbo con minori rischi di scarsa affidabilità e rotture dovute alle alte temperature. Sfortunatamente le tolleranze per quei tempi erano molto "blande" tanto da esser abbandonati e soppiantati dal più "affidabile" compressore volumetrico.
ciao becker; ottima "trattazione"; la sovralimentazione è il metodo più razionale per aumentare la potenza di un motore; anche se questa comporta delle complessità e la necessità di tecnologie raffinate per assicurare la dovuta affidabilità; e noi appassionati BMW "sappiamo" che non sempre i risultati sono quelli sperati; nel caso del motori diesel è assolutamente indispensabile per ottenere potenze adeguate e consumi specifici minori; nel caso dei propulsori a benzina la situazione è un poco diversa e solo negli ultimi anni i costruttori hanno imboccato decisamente la strada della sovralimentazione; questa permette anche delle notevoli economie di scala perchè un solo motore ( con piccoli adeguamenti) può coprire range di potenza che altrimenti richiederebbero diverse cilindrate; tuttavia alcuni continuano a preferire i motori aspirati.....almeno per alcune fasce di cilindrata; salutoni
Beck colgo il topic per farti una domanda, sai mica se il mio tce ha la possibilità di aumentare la pressione del turbo in funzione dell' altitudine e quindi della percentuale di ossigeno?
La taratura sull'altitudine e sulla percentuale di ossigeno la legge il debimetro e regola di contrappunto l'iniezione, la pressione massima di sovralimentazione o la gestisce la wastegate o la centralina elettronica.
Perchè quando siamo andati in montagna al colle del moncenisio mi aspettavo che, rispetto alla 100hp aspirata, avendo io il turbo, l'avrei iniziato a staccare nelle ripartenze dai tornanti o riprese. Le due macchine vanno uguali in piano, uguali, alchè, arrivati sui 1500m ho detto: "mo me lo inizio a pappare per bene", invece non lo staccavo.
Sto aggiungendo pezzi pian piano, se avete correzioni da fare, intervenite pure /emoticons/biggrin@2x.png 2x" width="20" height="20">
mi permetto di intervenire:Per l'altitudine c'è il relativo sensore altimetrico. In base alla pressione altimetrica rilevata,la gestione motore adegua la portata carburante e la pressione di alimentazione,coadiuvato dal debimetro (come giustamente hai detto),dal sensore pressione collettore e dalla sonda lambda. Praticamente in base all'altitudine,e quindi all'ossigenazione percentuale dell'aria,la centralina trasla le proprie curve caratteristiche per mantenere più costanti possibile i rendimenti. Ma ad altitudini elevate le prestazioni massime vengono"smorzate" per evitare che il turbocompressore,a causa della rarefazione dell'aria,vada in fuorigiri.
Ecco una cosa che non sapevo, pensavo che tutto il lavoro fosse gestito direttamente del flussometro e non ci fosse un sensore apposito per tale lettura.
Ah..con pressione di alimentazione,intendevo pressione di sovralimentazione.. Ovviamente anche se mi riferivo ai motori turbocompressi,il funzionamento di tale sensore è analogo anche sugli aspirati (dove nei quali,la riduzione di prestazioni è quasi inavvertibile rispetto ai turbo,nelle quote superiori ai 1100-1200 mt)
é meno marcata.Nei turbocompressi,la centralina da una certa altitudine,"sfrutta" meno il turbo per evitare che vada in cavitazione,con il rischio di rovinarlo,se messo sotto stress.. Sugli aspirati invece,data l'assenza,vi è solo l'adeguamento anticipo/portata carburante...detta in soldoni.. Su una strada tortuosa collinare quella 100hp probabilmente l'avresti staccata,non da fartela sparire dagli specchietti ma l'avresti tenuta a distanza...poi dipende anche dal telaio con relativo assetto e dalla guida adottata.
Seguo, appena posso leggo con attenzione... Complimentoni per il 3d e viva la fata turbina!! /emoticons/biggrin@2x.png 2x" width="20" height="20">
La prima parte del discorso è cappellata imho =) la rarefazione dell'aria si avverte molto meno su un turbocompressore imho perchè lavora appunto sovralimentato con un'aspirazione forzata; di conseguenza il deficit di ossigeno è ridotto, mentre sull'aspirato il deficit è esattamente quello presente nell' atmosfera. grossolanamente.
