Sovralimentazione: Chimica e Meccanica (Volumetrica)

La sovralimentazione di un propulsore endotermico è una caratteristica ormai frequentemente utilizzata. Ma perché nasce e soprattutto in cosa consiste?

Per sovralimentazione si intende una sorta di introduzione “forzata” di aria nei cilindri, maggiore di quella ottenibile con la normale fase di aspirazione. La sovralimentazione può essere ottenuta per via: Meccanica e chimica. L’obiettivo? Quello di garantire maggiore potenza erogata e coppia ottenibile. Raramente viene utilizzata la sovralimentazione chimica per problemi legati all’affidabilità.

• Per una panoramica generale sul mondo sovralimentato, vi consiglio di guardare anche questo interessante articolo ==> https://vehicle.closeupengineering.it/la-sovralimentazione-cose-cosa-implica/9395/

• Procediamo per gradi:
Iniziamo col definire meglio la natura scientifica della sovralimentazione per evitare confusioni.

• Principio scientifico: 

La sovralimentazione, come abbiamo già affermato, nasce per ottenere maggior lavoro uscente netto (e quindi maggiore potenza erogata) da propulsori endotermici ad accensione comandata (benzina) o Diesel. Maggior lavoro (potenza) implica maggiore energia termica sprigionata in fase di combustione, ottenibile non tanto da una maggior quantità di combustibile introdotto ad ogni ciclo, quanto da un maggior riempimento di aria nel cilindro.
Tutti i combustibili fossili presenti in natura (benzina, gasolio, petrolio, metano, GPL-Gas Propano Liquido) hanno bisogno di un comburente, come l’aria, per far avvenire la reazione di combustione: rapida reazione di ossidazione, ossia di creazione di legami del carbonio con atomi di ossigeno.
Maggiore è il riempimento, a parità di volume disponibile nel cilindro, maggiore sarà l’ossigeno introdotto, maggiore sarà quindi l’energia chimica di reazione sprigionata e di conseguenza, la potenza.

Come ottenere questo “maggior riempimento”?

L’unica possibilità è quella di comprimere l’aria in ingresso ai cilindri. Un aumento del valore della pressione corrisponde ad un vero e proprio aumento del rendimento termico del motore stesso. Il grafico pressione-volume specifico mostra chiaramente come l’aumento di calore (entrante) fornito in fase di combustione, faccia aumentare l’area di ciclo termodinamico; ossia il rendimento del ciclo di funzionamento stesso.
E’ errato pensare che l’aumento di pressione nel cilindro comporti direttamente l’aumento del lavoro prodotto dal motore stesso; bensì è l’aumento della miscela bruciata a favorire questo.

• Sovralimentazione Chimica:

La sovralimentazione chimica è dovuta ad un’iniezione di maggiori quantità d’ossigeno nel cilindro. L’aria (atmosferica) comunemente prelevata contiene solo il 20% di ossigeno; pertanto viene iniettato del protossido d’azoto (N₂O) e miscelato con l’aria atmosferica.
Come dimenticare il famigerato “NOS” di Fast And Furious?

L’ N₂O ha un suo perchè!
Questa molecola contiene circa il 36% di ossigeno in peso e viene iniettata, tramite particolari ugelli, nel condotto di aspirazione; reagendo con l’aria ad alta temperatura e liberando ossigeno ancora più puro. Da ciò si nota un incremento di potenza NON trascurabile: 50%/60% di CV in più.
E per quale motivo allora non è commercializzato su ampia scala?
I motivi sono tanti,principalmente ricordiamo:

• Problemi legali legati ai consumi e alle normative europee antinquinamento;
• costi eccessivi: il fine, in questo caso, non giustifica i mezzi;
• problemi legati all’affidabilità dell’iniezione;
• scarso controllo termico del sistema nella fase di iniezione;
• rapida usura delle componenti meccaniche, in quanto “stressate” eccessivamente;
• poca omogeneità nell’erogazione della potenza e delle sollecitazioni applicate al motore;
• pericoli legati all’instabilità della vettura (in quanto la potenza viene erogata in modo brusco e rapido);
• sovralimentazione limitata a pochi secondi;

Per questi motivi viene utilizzata per lo più nelle competizioni di accelerazione (Drag Racing) e nelle manifestazioni (eventi e spettacoli). Il sistema di iniezione al N₂O è conosciuto generalmente come NOS; in realtà NOS è l’acronimo dell’azienda che nel 1978 decise di produrre un sistema per impiantarlo sui veicoli: L’ancor oggi esistente Nitrous Oxide Systems Inc.

 

• Sovralimentazione meccanica:

Per sovralimentazione meccanica intendiamo la compressione dell’aria mediante appositi sistemi energetici di natura meccanica. L’aria compressa viene indirizzata tramite condotti d’aspirazione ad alta pressione ai cilindri.
Arrivati a questo punto dobbiamo distinguere due categorie principali di compressori: I volumetrici e quelli dinamici.

• Compressori Volumetrici

Il compressore volumetrico è un dispositivo collegato all’albero motore mediante un collegamento meccanico rigido: la cinghia. La velocità di rotazione dell’asse del compressore è proporzionale alla velocità di rotazione dell’albero motore e al rapporto di trasmissione nel collegamento rigido.
I compressori volumetrici sono nati per ovviare al problema limitante dei sistemi di sovralimentazione dinamica: il ritardo nella risposta all’accelerazione,TurboLag.
Essi lavorano con una buona pressione di sovralimentazione garantendo una buona coppia, INDIPENDENTEMENTE dal regime di rotazione dell’albero motore.

Abbiamo numerosi compressori volumetrici. Analizziamoli sinteticamente uno per volta; in un altro articolo approfondiremo con i pro e i contro nei sistemi di sovralimentazione.

• Compressore a lobi (Roots):

La compressione dell’aria viene realizzata mediante continue variazioni di volume della stessa.

E’ costituito principalmente da due (o tre) lobi che comprimono l’aria seguendo un ciclo ben definito e costituito da tre fasi principali: Aspirazione, compressione e scarico. Il compressore è quindi azionato dall’albero motore mediante cinghia, a cui è direttamente connesso tramite un rapporto demoltiplicato (di riduzione).

L’aria entra dal canale di ingresso, viene compressa dai due (o tre lobi) che ruotano con un rapporto di riduzione rispetto all’albero motore. La rotazione spinge l’aria sul bordo della geometria ellissoidale, comprimendola. L’aria compressa è pronta per uscire e canalizzarsi nei condotti di aspirazione.
•  Ecco una gif molto interessante per comprendere al meglio la compressione volumetrica a lobi.

• Compressore “Volumex“:

Come abbiamo già detto in un nostro precedente articolo legato alle invenzioni italiane, il volumex è un compressore volumetrico brevettato dall’Abarth e utilizzato sia nelle automobili di serie, sia in quelle da competizione. Montato e
Il gruppo meccanico è costituito da un involucro di alluminio in cui vi sono collocati due rotori a lobi, supportati da cuscinetti alle estremità dell’organo meccanico. I rotori venivano azionati tra loro contemporaneamente mediante ingranaggi e collegati al motore tramite puleggia.

Gli ingranaggi e cuscinetti sul lato del collegamento motore-puleggia sono lubrificati mediante un serbatoio d’olio; a differenza dei cuscinetti sull’estremità opposta, i quali sono lubrificati esclusivamente con del grasso.

• Compressori “A vite“:

I compressori volumetrici a vite partono da una diretta evoluzione dei compressori a lobi. Il flusso d’aria viene progressivamente e continuamente spinto nell’aspirazione del motore. L’aria non scorre quindi attraverso i lobi come nel Volumex, bensì scorre lungo di essi con un andamento a spirale (in modo analogo alla filettatura di una vite, da cui prende il nome il sistema).

Viene aumentata l’omogeneità di flusso grazie all’inclinazione del sistema e dal forte avvitamento dei lobi.

• Compressore ” A palette“:

Il sistema si basa su una girante, la quale, disposta eccentricamente su di un cilindro, è munita di palette, che tendono a sigillare le diverse parti del cilindro in camere ancora più piccole. Tale meccanismo, messo in moto allo stesso modo di tutti gli altri compressori, permette alla girante di convogliare l’aria da un lato all’altro del compressore. Nella rotazione, chiaramente, l’aria vedrà aumentare la propria pressione in quanto viene compattata e sigillata in queste piccole camere (createsi dalle palette della girante e il cilindro del compressore).

I compressori volumetrici a palette i più famosi sono i Zoller ed i Centric.
Da ricordare anche il vecchio compressore a palette Judson: le palette erano azionate in modo centrifugo dal rotore, il quale alimentava la rotazione dalla base del compressore. Per tale funzionamento è richiesto una lubrificazione a perdere. Non essendo ai livelli di efficienza dei suoi rivali, non è più prodotto. Fu realizzata anche una versione azionata da un rotore elettrico.

 

• Compressore Misto: volumetrico–dinamico:

Questa soluzione, come molti lettori ci hanno ben ricordato, è stato applicato per la prima volta sulla storica e leggendaria Lancia Delta S4. Sull’idea di Lancia, adesso il sistema è stato riproposto dal gruppo Audi-VW(Volkswagen).
Il potente motore della Lancia Delta S4 era dotato di un turbocompressore KKK accoppiato al compressore volumetrico Volumex. Questo vincente accoppiamento era capace di fornire ad un motore di appena 1750 cc, una potenza di 500 cavalli. Il Volumex, come molti di voi ricorderanno, era già stato usato sulla Lancia Rally 037 (altra leggenda italiana nel mondo del rally).

Tornando ai giorni nostri:

Il gruppo AUDI-VW ha presentato un motore benzina da 1,4 L TSI (Turbocharged Stratified Injection) da 140 CV e 185 CV. Anch’esso monta entrambi i sistemi di sovralimentazione meccanica: Turbocharger e volumetrico.

Come hanno unito le due tecnologie sia Lancia, sia Audi-VW?

Il funzionamento è semplice. Il compressore è collegato all’albero motore solo nei bassi regimi per sfruttare al meglio il vantaggio di quest’ultimo, vale a dire: assenza di TurboLag e sviluppo di coppia indipendentemente dal regime di giri del motore. Non appena viene superato un certo numero di giri, per garantire rendimento termico e durata del sistema di sovralimentazione (uno dei pochi difetti del compressore volumetrico) viene azionato il sistema TurboCharger con una turbina ad elevato A/R garantendo potenza.
– A/R sta ad indicare la geometria della turbina/compressore del sistema di sovralimentazione dinamico. E’ un dato di fabbrica e lo si può leggere spesso sulla chiocciola della turbina/compressore.

• Per il compressore: Rapporto tra l’area della sezione di uscita della chiocciola e la distanza del suo centro rispetto all’asse della girante.
• Per la turbina: Rapporto tra l’area della sezione in ingresso alla chiocciola e la distanza del suo centro rispetto all’asse della girante.

Da ricordare:
Il compressore volumetrico è generalmente utilizzato nei motori a ciclo Otto e non su quelli a ciclo Diesel, in quanto l’aumento del riempimento volumetrico all’aumentare dei giri, in caso di guasto del sistema di regolazione della pressione potrebbe danneggiare pesantemente il propulsore. Nei motori a ciclo Diesel, dato il funzionamento differente dal ciclo Otto, è necessario che il sistemi lavori con un altro tipo di sovralimentazione meccanica.

•Non è finita..

Questa era la prima parte dell’approfondimento legato alla sovralimentazione. Come avrete sicuramente notato, abbiamo affrontato la sovralimentazione chimica e meccanica (volumetrica). Nel prossimo articolo tratteremo la sovralimentazione meccanica dinamica (sistema Comprex e TurboCharger).
Non perdetelo!
Ecco il link: vehicle.closeupengineering.it/sovralimentazione-meccanica-dinamica/10055