Vehicle CuEriosity 01×13 – Perché è così fondamentale il Turbo Compounding nelle PowerUnit?

La sovralimentazione nasce nei motori aeronautici per sopperire alla riduzione di densità dell’aria in quota. Per permettere al motore di respirare correttamente e mantenere il giusto dosaggio d’aria richiesta nel funzionamento, si adotta un sistema di sovralimentazione meccanica o dinamica. Oggi parleremo di un sistema adottato in campo automobilistico da Audi e che consente un’efficacia di recupero d’energia e di matching col motore eccellente. Il Turbo compounding è fondamentale e insieme proveremo a capire il perché.

Prima cerchiamo di capire brevemente i vantaggi di un sistema sovralimentato, lasciandovi un paio di riferimenti utili:

• La sovralimentazione: cos’è e cosa implica.
• Sovralimentazione meccanica e chimica.
• Sovralimentazione dinamica.
• Sovralimentazione triflux.

Vantaggi:

Essenzialmente, sovralimentare ha tanti vantaggi come la possibilità di avvicinare il ciclo reale di funzionamento a quello ideale a livello di fasatura delle valvole. Pur mantenendo alta efficienza partendo da punti di inizio compressione a pressioni più alte.
Consente di risolvere molti problemi e soluzioni di compromesso per l’ottenimento di una buona permeabilità all’aspirazione. Cioè? La capacità delle valvole a farsi attraversare da una portata di aria maggiore alle varie alzate.

Garantisce pressioni medie di lavoro maggiori, maggiori potenze, ma ciò richiede uno scambiatore di calore nella post-compressione d’aria fresca in ingresso. Si interpreta in costi, inoltre le temperature alte favoriscono il rischio di detonazione anomala e autoaccensione gravosa: da evitare assolutamente!

Come è possibile intuire dai precedenti approfondimenti (presenti nella mia pagina autore o rintracciabili col tag “Vehicle CuEriosity” nel sito VehicleCuE), abbiamo capito come far lavorare un motore a carichi alti (BMEP e G-IMEP, cioè parametri di pressione che quantificano il lavoro netto e lordo indicato rispettivamente indipendentemente dalla cilindrata), consente per bassi- medi regimi di rotazione il massimo rendimento termico del motore.

Il massimo rendimento si traduce in minori consumi specifici (g/kWh) di potenza.

Lavorare in queste condizioni lo si può ottenere facilmente riducendo la cilindrata del motore, rendendolo a livello componentistico più efficiente, robusto. Una riduzione vuol dire una powerunit complessivamente più compatto.

Difetti:

Difetti possono essere sicuramente l’incremento della contropressione allo scarico, con conseguente aumento dell’area di pompaggio nel ciclo di indicatore di un motore. Traduciamo in parole povere: metterci un turbo e, peggio, non sfruttare l’energia di tutti i gas di scarico, ma bypassarli direttamente allo scarico a p_amb aumenta tale contropressione. Perché si crea una sorta di effetto tappo e il lavoro speso dal pistone per effettuare il ricambio della carica aumenta e conseguentemente si riduce la potenza estraibile all’albero.

Ricordando che avrò bisogno di regolare la portata agli alti regimi di rotazione, per tener conto dell’aumento di velocità della mia turbina (e conseguentemente, compressore). Come regolo? Nei Diesel essenzialmente adotto una turbina a geometria variabile che rende più ampia la coperta di punti di funzionamento garantita dalla macchina (figura sotto). Nei Benzina, invece adotto una valvola waste-gate, entrambe hanno pregi e difetti e le ragioni del loro utilizzo saranno approfondite a breve in un nuovo articolo.

Concentriamoci sulle soluzioni progettuali di turbo compounding.

Soluzioni adottate:

Le soluzioni adottate nel panorama Automotive sono svariate, si possono adottare turbocompressori dinamici, creando vari stadi di sovralimentazione (più turbine) in serie o parallelo che muovono più compressori, in modo da differenziare le diverse esigenze di risposta On-Demand del turbo.

Alla partenza avrò bisogno di massima potenza per muovere il veicolo rapidamente, man mano che aumentano i regimi, dovrò tener conto che la mia macchina dinamica ha delle limitazioni fisiche. Parliamo di turbomacchine centrifughe: non possono girare più di tanto, hanno un loro limite.

Stesso discorso per basse velocità di rotazione, si arriverebbe al surge di macchina. Vale a dire che il palettamento rotorico del compressore, non riuscirebbe più a trasferire momento della quantità di moto al fluido in ingresso. Non sarebbe più efficiente.

La controparte è il choking: si arriva alle condizioni di flusso sonico, non posso tirare più aria di quella che sto introducendo. Bisogna fare un buon matching con la mappa di funzionamento (coppia T, potenza P) del motore, in modo da ricoprire con il turbo più punti possibili di funzionamento. (Ottimo turbocompounding).

Altre soluzioni? (in generale)

Possiamo adottare strategie come compressore volumetrico elettrico, che garantisce lo stesso grado di sovralimentazione a prescindere dal numero di giri del motore (o quasi, lo approfondiremo in seguito questo aspetto).

Oppure una soluzione mista, in grado di sfruttare l’energia dei gas di scarico nella macchina centrifuga ad azione in questione, ma che sfrutti l’alternatore e un motore asincrono. Il tutto controllato in retroazione con un sensore simil dinamo-tachimetrico sul compressore, per controllare la velocità di rotazione del compressore stesso.
Se vi interessasse approfondire: Novità in casa Ferrari: Tra brevetto e turbo-elettrico

Un’altra scelta interessante ed efficiente l’ha proposta Audi, combinando tutti questi aspetti e progettando un sistema responsivo, efficiente e in matching con il motore termico.

Scopritelo →  Audi SQ7 V8 TDi.