La sovralimentazione: Cos’è e cosa implica?

La sovralimentazione di un motore endotermico è l’introduzione della carica (miscela di combustibile-comburente), compressa esternamente ai cilindri, con lo scopo di aumentarne la quantità elaborata.

Dal libro G.Ferrari, Motori a combustione interna:

“Si definisce sovralimentazione l’operazione mediante la quale si precomprime l’intera (od una parte della) carica fresca al di fuori del cilindro di lavoro, con lo scopo di aumentare la massa di aria o miscela che un motore riesce ad aspirare per ogni ciclo”

Nei motori a combustione interna la quantità di combustibile ed aria che viene introdotta nei cilindri è limitata, infatti negli aspirati è con il movimento del pistone che si permette l’ingresso della miscela; per superar questo, si utilizza la pratica della sovralimentazione che immette la carica nei cilindri ad una pressione superiore a quella atmosferica, aumenta la sua densità e ciò consente di bruciare una maggiore quantità di combustibile, ottenere un incremento della potenza specifica ed un miglioramento del rapporto peso/potenza di un dato motore.

Correliamo il grado di sovralimentazione alla portata d’aria elaborata dal motore per capire da dove si origina l’aumento di potenza nei motori sovralimentati.                                   La portata d’aria in ingresso al condotto d’aspirazione risulta direttamente proporzionale alla pressione a monte del condotto (Po) ed inversamente proporzionale (sotto radice) alla temperatura(To) a monte dello stesso.                                                           Aumentando Po e non eccessivamente la To la portata d’aria aumenterà e quindi aumenterà di conseguenza la potenza; più efficiente sarà il sistema di compressione e più bassa sarà la temperatura a pari pressione finale.                                                             Osserviamo la seguente relazione tra la portata massica di un motore aspirato e di uno sovralimentato che rappresenta quindi una relazione tra le potenze:

Siano PR il pressure ratio(P2/P1:pressione alla fine della compressione/pressione inizio compressione),  il rendimento del compressore, K il rapporto tra cp e cv; al diminuire di cala il rapporto tra le due portate e quindi si riduce l’efficacia della sovralimentazione. Utilizzando un intercooler (uno scambiatore di calore che serve ad abbassare la temperatura della carica compressa) aumenta l’efficienza della sovralimentazione ed ho una minore produzione di NOx che dipende dai picchi di temperatura in camera.

I sistemi di sovralimentazione più diffusi in campo automotive sono la:

Sovralimentazione meccanica(volumetrica):

Il motore ed il compressore sono collegati mediante un dispositivo come una cinghia, una serie d’ingranaggi o un motore elettrico; solitamente si utilizza un compressore volumetrico che ad ogni giro del motore elabora un volume fisso d’aria.                                               Il compressore non determina la pressione di sovralimentazione ma la subisce, poiché essa dipende dal rapporto di trasmissione(tra motore e compressore), dalla cilindrata del compressore e del motore ed è quindi dettata dalle condizioni del sistema.

Compressore Roots, motorimania.net

Sovralimentazione con turbocompressore:

larapedia.com

La sovralimentazione avviene mediante un turbogruppo costituito da una turbina ed un compressore montati sullo stesso asse; in turbina espando i gas di scarico producendo lavoro per azionare il compressore, esso, trascinato in rotazione dalla turbina, comprime l’aria e la immette nel collettore d’aspirazione, fornendo ai cilindri una quantità d’aria maggiore di quanta ne potrebbero aspirare.

Sovralimentazione Turbomeccanica:

Si utilizza un compressore volumetrico collegato al motore ed uno centrifugo trascinato dalla turbina, quindi è una soluzione mista tra le due precedenti.

Sovralimentazione Turbocompound:

Questo sistema è costituito da un turbocompressore ed una seconda turbina collegata all’albero motore; i gas di scarico si espandono in quest’ultima e restituiscono energia al motore. Tale turbina essendo accoppiata al motore deve avere una velocità di rotazione moderata e quindi per generare lavoro, deve essere di maggiori dimensioni.

La sovralimentazione influenza oltre all’intera architettura del motore anche i suoi rendimenti:

Rendimento organico (ci dice quanto è il peso relativo agli attriti,ηo):

In seguito alla sovralimentazione con turbocompressore si ha un aumento di pressione nei cilindri, ciò implica maggiori sollecitazioni sul manovellismo di spinta e un incremento dell’fmep(pressione media di attrito); crescendo però notevolmente l’imep(pressione media indicata), l’fmep assume un peso relativo minore e quindi aumenta il rendimento organico(perché espresso come :ηo = 1-fmep/imep ).

Rendimento di ciclo indicato(ηci) e rendimento termodinamico(ηth):

Il primo tiene conto della non idealità del ciclo termodinamico, il secondo, rappresenta il rendimento con cui il motore sfrutta il calore prodotto attraverso un ciclo termodinamico considerato perfetto.                                                                                                 Con la sovralimentazione si ottengono maggiori temperature nella camera di combustione, ciò aumenta il rischio di detonazione nei motori ad accensione comandata, le sollecitazioni sui componenti e perciò non posso aumentare pressione e temperatura a dismisura; passando da un motore aspirato ad uno sovralimentato per non incorrere nei fenomeni prima citati, si riduce il rapporto di compressione(=> <ηth ) e anticipo accensione (=> <ηci) ottenendo una riduzione di pressione e temperatura massime in camera, perciò il prodotto tra i due rendimenti cala.

Rendimento di pompaggio(ηp):

Ci indica quanto è efficiente il motore nel ricambio della carica; maggiore è l’energia spesa nel pompaggio, minore è il rendimento di pompaggio.                                                       Se con la sovralimentazione riesco ad ottenere che il valore medio della pressione della carica aspirata sia maggiore di quello della pressione allo scarico, è la pressione in aspirazione che compie lavoro sul pistone e si fornisce lavoro positivo nel pompaggio.   Nella sovralimentazione volumetrica questo si ottiene più facilmente(rispetto alla sovralimentazione con turbogruppo) poiché non ho nessuna ostruzione allo scarico costituita dalla turbina; con il turbocompressore posso avere il rendimento di pompaggio > 1 per alcuni regimi, mentre in altri, dove la turbina costituisce una sorta di “tappo”, la contropressione allo scarico cresce notevolmente e crolla ηp.

Rendimento di combustione(è un’indicazione sull’efficienza della combustione,ηc):

Aumentando la pressione di aspirazione, aumenta la velocità d’ingresso dell’aria in camera e quindi aumenta la turbolenza(=> >ηc); nei motori ad accensione spontanea aumentando la massa d’aria elaborata posso utilizzare dosature più magre e ridurre la fumosità; nei benzina per abbassare le temperature alte dovute alla sovralimentazione, uso miscele molto ricche e ηc crolla perché parte del combustibile non viene usato per la combustione.

Rendimento di adiabaticità:

È indicato come il rapporto tra il calore(Qth) ottenuto in una trasformazione ideale fratto quello ottenuto dalla combustione reale.                                                                     Nella sovralimentazione diminuendo il calore perso per trasferimento alle pareti del motore, aumenta il numeratore del rendimento e quindi esso stesso aumenta.

Abbiamo visto come la sovralimentazione abbia innumerevoli effetti sulle componenti di un motore, quindi la sua utilizzazione necessita una profonda conoscenza fluidodinamica e strutturale del problema ed anche un’ elevata padronanza nella gestione e controllo dei sistemi che garantiscono tale pratica, perciò non può essere affidata a tecnici poco esperti.