Sovralimentazione: Meccanica (Turbo) Dinamica

Riprendiamo con la seconda parte dell’approfondimento legato alla sovralimentazione affrontando la tipologia di sovralimentazione più comunemente utilizzata.

Trovate qui la prima parte sulla sovralimentazione chimica e meccanica (volumetrica).

 

•Sovralimentazione Dinamica:

Sfruttando al meglio la mappatura di fasatura della distribuzione e la forma dei collettori di aspirazione, si possono sfruttare positivamente i fenomeni di inerzia e di risonanza del fluido in aspirazione. Lo scopo è quello di ottimizzare il riempimento d’aria , a parità di volume dei cilindri e migliorare il rendimento termico del motore.

Per ottenere tale sovralimentazione, oltre alla compressione dell’aria è possibile (e gradito) ricorrere a sistemi che vanno ad incrementare la turbolenza del fluido (aria) permettendo di accelerarla in ingresso al motore.

La velocità, mediante condotti a chiocciola (conferendo la forma tipica della turbina) a sezione via via crescente, viene trasformata in pressione garantendo la sovralimentazione richiesta. I principi fisici alla base sono legati alla dinamica dei fluidi nelle condotte.

La sovralimentazione dinamica è caratterizzata da sistemi come: il turbocompressore (TurboCharger), il Comprex , compressori assiali dei motori a turbina e l’italianissimo sistema Triflux.

• Comprex:

Comprime l’aria in ingresso sfruttando l’espansione dei gas di scarico. E’ formato da un rotore (girante) cilindrico cavo, attraversato lungo l’asse longitudinale del turbo da una serie di canali/condotti interni dritti di diverso diametro. La girante è azionata dal flusso dei gas di scarico ad alta velocità.
I flussi dei due fluidi entrano nei tubi della girante da lati opposti, collidono tra loro e infine fanno ruotare la girante. Quest’ultima a sua volta apre e chiude le “luci” attraverso cui i fluidi affluiscono. Dopo questa rotazione, i gas fuoriescono mentre l’aria fresca viene convogliata nel cilindro a pressione maggiore di quella atmosferica.

 

• TurboCharger:

Il sistema funziona con la stessa mentalità del Comprex: i gas di scarico percorrono la chiocciola di scarico, garantendo la messa in rotazione di un alberino e conseguentemente della girante del compressore (costruita generalmente in lega leggera di magnesio).

Come viene assicurata questa rotazione dell’intero sistema Turbo (o turbocompressore)?
La turbina motrice raccoglie energia sotto forma di energia cinetica ed entalpia dei gas di scarico e la trasforma in energia meccanica (di rotazione) pulita. La turbina soffiante (compressore) viene messa in rotazione e dopo aver compresso l’aria che arriva dal filtro, è pronta a indirizzarla ai cilindri.
La rotazione della girante di scarico provoca, conseguentemente, la rotazione della girante della turbina, mediante un alberino di rotazione posto sullo stesso asse delle due giranti.

La pressione di sovralimentazione dev’essere sempre mantenuta sotto controllo. Sia per una questione legata al corretto funzionamento, sia per limitare l’insorgere del fenomeno della detonazione nei motori a ciclo Otto. Una pressione di sovralimentazione molto più elevata (del previsto), comporta un aumento non controllato della velocità di propagazione della fiamma. Le molecole vengono schiacciate le une contro le altre e questo aumenta la velocità di propagazione della combustione: il che non è positivo in quanto, ad un numero alto di giri, viene agevolata la preaccensione della carica fresca a causa dell’elevata temperatura raggiunta in Camera di combustione.
Elettronicamente, in base ai valori di pressione raggiunti nel sistema, viene azionata una valvola di regolazione.

• La valvola wastegate è una valvola di pressione utilizzata per il controllo delle condizioni d’esercizio della turbina mossa dai gas di scarico. La valvola è posta dopo i collettori di scarico.
• La valvola pop-off (o blow off) è una valvola limitatrice di pressione posizionata però sulla girante del lato aspirazione. E’ utilizzata per controllare (e/o limitare) la pressione massima che viene esercitata dal compressore. Viene azionata quando l’aria immessa nei collettori di aspirazione è superiore alla quantità richiesta dal motore stesso.

Uno dei limiti principali di questo sistema è definito TurboLag. Andiamo a capire meglio di cosa si tratta.

• TurboLag:

TurboLag, tradotto in italiano, vuol dire ritardo del turbo, il quale risulta essere un comportamento tipico dei motori sovralimentati con turbocompressori a geometria fissa. Il ritardo si verifica in seguito al rapido azionamento dell’acceleratore.
Lag (“ritardo” appunto) indica quindi una risposta meno pronta nell’erogazione della potenza, a differenza dei compressori volumetrici e dei propulsori “aspirati“. Nei motori aspirati la carica fresca viene aspirata per via della depressione generata dall’abbassamento del pistone al PMI.

Il motivo principale di questo ritardo risiede nel principio di funzionamento del turbocompressore stesso, il quale necessita di una grossa portata massica dei gas di scarico per vincere l’inerzia alla rotazione della propria girante e quindi produrre l’effetto di sovralimentazione del motore.

• Soluzioni ed evoluzioni:

Vi presentiamo le soluzioni ed evoluzioni adottate negli anni (Sequenziale, Parallelo, Twin Scroll, Geometria Variabile):

 

• Sequenziale:

Si utilizza un doppio sistema di turbocompressione: Un turbocompressore piccolo ed uno medio-grande.
Il Turbo piccolo conferisce rapidità di risposta all’accelerazione a regimi bassi/ medio-bassi. Ha una ridotta capacità di portata d’aria di alimentazione.
Il Turbo medio-grande invece viene azionato a regimi alti e permette, a pieno carico, portate d’aria di alimentazione notevolmente maggiori.

Il sistema è sequenziale, in quanto vengono utilizzati in sequenza attiva in base al numero di giri del motore. L’intero azionamento del sistema è legato solo all’azione dei fluidi sulle giranti.

Funzionamento:

• Ai bassi regimi: i gas di scarico vengono convogliati tutti sulla turbina più piccola e nella fase di transizione dai bassi ai medi regimi una piccola parte di essi vengono, invece, convogliati alla turbina più grande.
• Ai medi regimi: i gas di scarico vengono convogliati su entrambe le turbine contemporaneamente e, nel passaggio dai medi agli alti regimi, buona parte dei gas fluisce verso la turbina più grande.
• Agli alti regimi: i gas di scarico vengono tutti convogliati alla turbina più grande, by-passando completamente quella piccola.

• Parallelo:

Facendo funzionare più turbine, disposte in parallelo, aumenta il regime del motore e quindi la potenza espressa da quest’ultimo.
Questa soluzione permette:

• ridurre il ritardo di risposta del sistema;
• garantire il funzionamento del motore (per pochi km) nel momento in cui una turbina si danneggiasse.Soluzione non molto utilizzata per via dei costi elevati.

• Twin Scroll:

Il Twin-Scroll è un sistema in cui un singolo turbocompressore lavora con ben due ( “Twin” appunto) canali di scarico. La differenza dal turbocompressore classico (monoturbo) è proprio questa.
Il turbocompressore ha due canali d’ingresso e due ugelli per i gas di scarico:

• uno piccolo e angolato per una risposta rapida e precisa;
• l’altro più grande e meno angolato per massimizzare le prestazioni.

Funzionamento:

Il carter di ingresso è sdoppiato e questo porta i gas di ingresso ad attraversare un condotto a sezione dimezzata nello stesso tempo. Per il principio di conservazione della portata massica, ad una sezione dimezzata (a densità costante) corrisponde una velocità raddoppiata.
I gas, quindi, fluiscono a velocità maggiore così da ridurre l’inerzia delle giranti sin dai bassi giri.

Architettura:
Questo sistema è utilizzato principalmente nei motori 4 cilindri. I collettori di scarico sono accoppiati in modo 2/2 (cilindri 1 e 4 insieme ai cilindri 2 e 3).
I gas entrano in modo alternato dentro la chiocciola per ridurre al minimo l’interferenza (dannosa) e garantire risonanze ordinate tra gas.

Si ottiene:

• maggiore pressione d’esercizio;
• maggiore potenza ai bassi regimi;
• minor volume occupato a differenza dei paralleli e sequenziali.

La soluzione più comune ed ingegnosa è:

• Geometria Variabile:

Questa gif mette in mostra come un attuatore pneumatico (talvolta elettro-meccanico) fa variare la geometria della girante della turbina.

Il concetto è pressoché identico al turbocompressore classico. La differenza sostanziale è la variabilità della geometria della girante motrice (di scarico) della turbina.
La girante è appunto circondata da un anello di palette statoriche ad incidenza, appunto, variabile.

Il movimento delle palette statoriche è controllato dalla centralina elettronica, in base al numero di giri del motore. Le palette variano il loro angolo di incidenza rispetto alle pale rotanti (fisse) della turbina.

• Quando i giri sono bassi ed è richiesta accelerazione immediata, le palette statoriche incidono maggiormente, in modo tangenziale alla girante, sviluppando una maggior velocità dei gas d’uscita. Agli alti regimi, vinta l’inerzia alla rotazione, le palette si svilupperanno in senso opposto e garantendo una portata d’aria uscente maggiore.

• Il sistema è nato sia per garantire la riduzione di TurboLag, sia per ottenere un turbo di piccole dimensioni che svolgesse le stesse funzioni dei suoi rivali.

• Non è finita..

Nel prossimo articolo dell’approfondimento legato alla sovralimentazione tratteremo l’italianissimo sistema Triflux adottato dalla Lancia nei Rally e non solo. Infine vedremo i pro e i contro dei sistemi di sovralimentazione comunemente utilizzati.

Ecco il link: ==> https://vehicle.closeupengineering.it/10012/10012/