Tecnica Automobilistica: la sovralimentazione con turbocompressori
Prendo spunto da una domanda postami dal Ritz a cui ho risposto in modo abbastanza generale e senza addentrarmi in dettagli: come funziona la sovralimentazione.
Partiamo da lontano: la quantità massima d'aria che un motore a combustione interna (ciclo otto o diesel) è limitata dalla capacità di aspirazione dei pistoni. Mi spiego meglio, i pistoni compiono un movimento lineare alternato su e giù per il cilindro, quando scendono a seguito di una esplosione vi è la fase di aspirazione: la valvola di iniezione si apre e la depressione creata dal pistone all'interno del cilindro provoca un risucchio d'aria (unitamente al combustibile). Da questa cosa si deduce che la potenza massima ottenibile da un motore di una certa cubatura è fissa. Il paragone può essere fatto con l'uomo: ci si può allenare fin che si vuole, ma le prestazioni massime ottenbili sono determinate dalla capacità polmonare che deve essere in grado di "alimentare" i muscoli.
Nella tecnica automobilistica è stato possibile bypassare questo limite massimo con la sovralimentazione, cioè l'aumento della quantità d'aria che il motore è in grado di aspirare "naturalmente". In questo modo la potenza erogabile da un motore cresce in maniera sensibile.
La metodologia di sovralimentazione più usata nei motori a combustione interna è quella meccanica, tramite l'uso di un turbocompressore.
Un turbocompressore è composto da due giranti a palette, collegate tra di loro da un alberino. La prima girante riceve la sua rotazione dai gas di scarico e la trasmette alla seconda. Questa a sua volta comprime l'aria in ingresso del motore. Per evitare eccessivi picchi di pressione è presente solitamente una valvola, chiamata waste-gate, che prevede all'eliminazione dei gas in eccesso, espellendone una parte senza che questi contribuiscano alla rotazione delle due turbine.
Tutto oro? Non sempre... La sovralimentazione ha un piccolo problema: le due giranti hanno una certa inerzia e prima di essere messe in moto, i gas di scarico devono vincerla. L'inerzia delle turbine ha effetti sia in accelerazione che in rilascio. Nella fase di rilascio la turbina non si ferma subito causando un aumento indesiderato di pressione nel collettore di aspirazione. Questo problema è facilmente risolto dall'apertura della valvola waste-gate che di fatto "arresta" il compressore.
I problemi in accelerazione si riducono al cosiddetto fenomeno del "turbo-lag" cioè un ritardo nell'azionamento della turbina. Un motore turbo ha un rapporto di compressione più basso rispetto ad uno non turbo, quindi quando la turbina non è in funzione il motore si comporta come un classico motore aspirato ma con prestazioni penalizzate. Il turbo-lag si verifica solitamente sotto i 2500-3000 giri del motore.
Questo è uno dei motivi per cui il turbocompressore è diventato di moda sui motori a ciclo Diesel. Questi infatti hanno storicamente sempre avuto rapporti di compressione più alti e, in ogni caso, offrono più coppia ai bassi regimi, riducendo pertanto l'effetto del lag.
Un sistema abbastanza furbo per migliorare l'efficacia della turbina è rappresentato dai sistemi a geometria variabile. Le palette della turbina sono in grado di variare le dimensione interna della chiocciola della stessa. In tal modo i gas di scarico, dovendo attraversare un condotto a sezione più piccola, acquistano più velocità (vedi principio di Bernoulli) e quindi permettono al compressore un più rapido raggiungimento delle condizioni ottimali di funzionamento.
Un altro problemino della sovralimentazione con turbine è che l'aria comprimendosi si riscalda. Il problema è che alimentando un motore con aria eccessivamente calda il rendimento di quest ultimo si riduce. Per ovviare a questo problema si usano i cosiddetti "intercooler" ovvero degli scambiatori di calore aria-aria o aria-acqua che riducono la temperatura dell'aria di iniezione in modo pressochè identico al radiatore.
Finito, spero di non avervi tediato troppo con questi discorsi un po' tecnici, ma non troppo in fondo. :)
Partiamo da lontano: la quantità massima d'aria che un motore a combustione interna (ciclo otto o diesel) è limitata dalla capacità di aspirazione dei pistoni. Mi spiego meglio, i pistoni compiono un movimento lineare alternato su e giù per il cilindro, quando scendono a seguito di una esplosione vi è la fase di aspirazione: la valvola di iniezione si apre e la depressione creata dal pistone all'interno del cilindro provoca un risucchio d'aria (unitamente al combustibile). Da questa cosa si deduce che la potenza massima ottenibile da un motore di una certa cubatura è fissa. Il paragone può essere fatto con l'uomo: ci si può allenare fin che si vuole, ma le prestazioni massime ottenbili sono determinate dalla capacità polmonare che deve essere in grado di "alimentare" i muscoli.
Nella tecnica automobilistica è stato possibile bypassare questo limite massimo con la sovralimentazione, cioè l'aumento della quantità d'aria che il motore è in grado di aspirare "naturalmente". In questo modo la potenza erogabile da un motore cresce in maniera sensibile.
La metodologia di sovralimentazione più usata nei motori a combustione interna è quella meccanica, tramite l'uso di un turbocompressore.
Un turbocompressore è composto da due giranti a palette, collegate tra di loro da un alberino. La prima girante riceve la sua rotazione dai gas di scarico e la trasmette alla seconda. Questa a sua volta comprime l'aria in ingresso del motore. Per evitare eccessivi picchi di pressione è presente solitamente una valvola, chiamata waste-gate, che prevede all'eliminazione dei gas in eccesso, espellendone una parte senza che questi contribuiscano alla rotazione delle due turbine.
Tutto oro? Non sempre... La sovralimentazione ha un piccolo problema: le due giranti hanno una certa inerzia e prima di essere messe in moto, i gas di scarico devono vincerla. L'inerzia delle turbine ha effetti sia in accelerazione che in rilascio. Nella fase di rilascio la turbina non si ferma subito causando un aumento indesiderato di pressione nel collettore di aspirazione. Questo problema è facilmente risolto dall'apertura della valvola waste-gate che di fatto "arresta" il compressore.
I problemi in accelerazione si riducono al cosiddetto fenomeno del "turbo-lag" cioè un ritardo nell'azionamento della turbina. Un motore turbo ha un rapporto di compressione più basso rispetto ad uno non turbo, quindi quando la turbina non è in funzione il motore si comporta come un classico motore aspirato ma con prestazioni penalizzate. Il turbo-lag si verifica solitamente sotto i 2500-3000 giri del motore.
Questo è uno dei motivi per cui il turbocompressore è diventato di moda sui motori a ciclo Diesel. Questi infatti hanno storicamente sempre avuto rapporti di compressione più alti e, in ogni caso, offrono più coppia ai bassi regimi, riducendo pertanto l'effetto del lag.
Un sistema abbastanza furbo per migliorare l'efficacia della turbina è rappresentato dai sistemi a geometria variabile. Le palette della turbina sono in grado di variare le dimensione interna della chiocciola della stessa. In tal modo i gas di scarico, dovendo attraversare un condotto a sezione più piccola, acquistano più velocità (vedi principio di Bernoulli) e quindi permettono al compressore un più rapido raggiungimento delle condizioni ottimali di funzionamento.
Un altro problemino della sovralimentazione con turbine è che l'aria comprimendosi si riscalda. Il problema è che alimentando un motore con aria eccessivamente calda il rendimento di quest ultimo si riduce. Per ovviare a questo problema si usano i cosiddetti "intercooler" ovvero degli scambiatori di calore aria-aria o aria-acqua che riducono la temperatura dell'aria di iniezione in modo pressochè identico al radiatore.
Finito, spero di non avervi tediato troppo con questi discorsi un po' tecnici, ma non troppo in fondo. :)
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