eBooster: il compressore elettrico a 48 Volt –Â Una soluzione alternativa in grado di garantire minori consumi ed emissioni a fronte di maggiore potenza, minore turbo-lag e migliore risposta ai transitori.
Un po’ di storia
Fin dai tempi più antichi si è sempre cercato il modo di poter incrementare il più possibile la potenza di un motore a combustione interna. Oggi è quanto mai risaputo che se volessimo aumentare la potenza di un propulsore, mantenendone invariate le sue dimensioni e geometrie originali quindi la sua cilindrata, dovremmo per forza o incrementare la sua velocità massima di rotazione (rpm) o innalzare i rendimenti termico e volumetrico del propulsore stesso. Proprio la sovralimentazione, introducendo un maggiore quantitativo di aria all’interno del cilindro, riesce a migliorare il coefficiente di riempimento e quindi il rendimento volumetrico.
Se però fino a poco tempo fa l’unico obiettivo era quello di aumentare il più possibile la potenza erogata da un motore, ora purtroppo questo risultato non è più sufficiente. La richiesta da parte dei clienti di una maggiore fuel economy e usabilità e da parte delle istituzioni di motori più puliti ed efficienti, in linea con le sempre più severe e stringenti normative antinquinamento, ha portato da un lato all’avvento dell’era del downsizing e downspeeding, cioè a ridurre il numero dei cilindri, le cilindrate e il regime di rotazione in favore dell’efficienza, e dall’altro alla ricerca di soluzioni che permettessero di ridurre il fenomeno del turbo-lag e di migliorare il funzionamento del motore ai transitori così da ottemperare alla crescente richiesta di coppia ai bassi regimi.
Riduzione del turbo-lag
Le prime strategie passarono attraverso: lo Scavenging, che consisteva nello sfruttare la sovrapposizione, o meglio la fase di incrocio, dell’apertura delle valvole di aspirazione e di scarico così da permettere il passaggio diretto di aria dal condotto di aspirazione a quello di scarico per sospingere energicamente nel collettore di scarico i gas combusti, consentendo un miglior lavaggio e un conseguente miglior riempimento della camera di combustione, e mettere istantaneamente in movimento la turbina vincendone parte dell’inerzia e riducendo quindi il turbo-lag; la geometria variabile, con la quale era possibile attuare un migliore controllo sul flusso di gas di scarico, variando semplicemente le sezioni di ingresso alla girante della turbina, e di conseguenza limitare il fenomeno del ritardo di riposta; il twinscroll, nel quale i flussi provenienti da ogni singolo cilindro erano ben distinti l’uno dall’altro evitando, grazie a collettori di scarico e chiocciola della turbina divisi in due parti ben distinte, che le loro pulsazioni potessero ostacolarsi a vicenda.
L’era dell’elettrificazione
L’avvento però delle sempre più stringenti normative ha spinto gli ingegneri a optare per soluzioni alternative in grado non solo ridurre il turbo-lag ma anche di essere in accordo con la filosofia del downsizing, con le nuove normative di rilevamento delle emissioni (RDE) e con i nuovi sistemi di abbattimento dei gas combusti (EGR alta e bassa pressione). Soluzioni quanto mai necessarie in quanto, a causa della normativa RDE, non è ora più possibile adottare la tecnica dello scavenging per accelerare l’azionamento del turbocompressore poiché portava a un leggero incremento delle emissioni. Allo stesso tempo non è più permesso l’arricchimento della miscela agli alti carichi e alti regimi (pieno carico) ma va mantenuto anche in queste condizioni il rapporto stechiometrico così da limitare l’emissioni di gas di scarico. Tale scelta però, se da un lato ha permesso di contenere le emissioni inquinanti, dall’altro lato ha spinto i motori a lavorare con temperature dei gas di scarico più elevate passando dai precedenti 950 °C agli attuali 1050 °C, un maggiore carico termico che va ad impattare direttamente sulle unità di sovralimentazione.
Queste soluzioni alternative vanno di pari passo con l’intensa fase di elettrificazione dei moderni motori a combustione interna, una fase che ha visto l’introduzione sui motori benzina e diesel dei sistemi elettrici a 48 Volt, da affiancare al classico sistema a 12 Volt, con i quali innalzare l’efficienza di tali propulsori. Questi sistemi elettrici consentono, infatti, di adottare motori e pacchi batterie a 48 Volt quindi fino a 4 volte più potenti di quelli a 12 Volt, di contenere le tensioni cosi da ridurre le dimensioni dei cavi addirittura del 75% in modo da contenere costi, ingombri e peso del cablaggio e di azionare elettricamente sempre più sistemi ausiliari (compressore del climatizzatore, pompa acqua e pompa olio) riducendo la potenza meccanica persa nel loro azionamento.
L’avvento dell’eBooster
Grazie a questa nuova tecnologia gli ingegneri hanno potuto sviluppare un nuovo tipo di sovralimentazione adatta tanto alla riduzione del turbo-lag quanto all’incremento della fuel economy. Denominato eBooster, si tratta di un compressore centrifugo movimentato non da una turbina azionata dai gas di scarico ma da un motore elettrico a 48 Volt. Questa soluzione non solo permette di gestire la portata d’aria in ingresso al compressore e ai cilindri indipendentemente dalla velocità di rotazione e dalle condizioni operative del motore ma consente anche di farlo in tempi brevissimi riducendo al minimo il turbo-lag e migliorando la risposta ai transitori.
Come è fatto
Composto da un’unità compatta (bassa inerzia e basse perdite meccaniche ed elettriche), affidabile e in grado di sopportare le alte temperature, l’eBooster è progettato per incrementare la pressione di sovralimentazione e migliorare il comportamento ai transitori senza aumentare la contropressione dei gas di scarico e senza incidere negativamente sul ricambio della carica nel cilindro. Inoltre, grazie al suo packaging flessibile, in quanto non necessità di un collegamento diretto ai collettori di scarico, consente al motore di preservare un maggior quantitativo di calore dai gas di scarico così da poterlo utilizzare all’interno dei sistemi di post trattamento senza che questo calore possa essere perso all’interno del vano motore. Alla base di tutto vi è un motore DC brushless (senza spazzole) a magneti permanenti con magneti al Samario-Cobalto altamente resistenti al calore (magneticamente stabili oltre 300 °C).
Questo tipo di motore elettrico a 48 Volt, molto più efficiente dei motori asincroni o di quelli a riluttanza variabile, è attualmente in grado di accelerare fino a 70.000 rpm in circa 270 ms e di generare un incremento di potenza di circa 3 kW. Recenti test hanno però confermato come il limite dei 70.000 rpm può essere raggiunto in soli 230 ms e l’incremento di potenza generato può toccare addirittura i 5/6 kW. Costruito con un rotore magnetico e uno statore con avvolgimenti, non necessita di energia di magnetizzazione dall’elettronica di potenza. E’ stato inoltre progettato per generare una flessione minima della coppia durante il funzionamento, un aspetto positivo che si traduce in un’unità molto più silenziosa alle alte frequenze e molto più efficiente, in grado quindi di raggiungere una efficienza elettrica superiore al 95%. L’energia elettrica del sistema a 48 Volt utilizzata per azionare l’eBooster è in buona parte prodotta tramite la rigenerazione. L’eccesso di energia viene, infatti, accumulato in un compatto pacco batterie al litio a 48 Volt e prelevata solo all’occorrenza.
Scelte progettuali
In fase di progettazione si è optato per installare l’eBooster a valle del turbocompressore così da sfruttare il piccolo volume che si crea tra motore e compressore e accelerare la risposta del motore all’intervento dell’eBooster. Posizionandolo, invece, a monte del turbocompressore si rischierebbe di spostare il suo funzionamento verso il limite di pompaggio. La scelta dei 70.000 rpm come velocità operativa è stata frutto, invece, di un attento calcolo che doveva tenere in considerazione che l’energia per accelerare il rotore è proporzionale alla velocità al quadrato. Questo ha portato a scegliere tra un grosso motore con una grossa girante del compressore, una bassa velocità ma una rampa di velocità molto ripida e un piccolo motore con una piccola girante del compressore ma una rampa di velocità più lunga (meno ripida).
Il risultato finale delle sperimentazioni ha portato a una lunghezza complessiva di soli 170 mm (compresa la flangia di ingresso del compressore) e un diametro di soli 135 mm così da ottenere la velocità desiderata di 70.000 rpm. Una volta deciso il regime di funzionamento ottimale si è valutato quale poteva essere il miglior sistema di raffreddamento tra quello ad aria e quello ad acqua andando a selezionare quello ad acqua in quanto migliore nell’asportare la maggior parte del calore dallo statore e dalla scheda elettronica. Il raffreddamento ad aria, invece, è risultato maggiormente integrabile con l’autoveicolo ma adatto a smaltire solamente il quantitativo di calore prodotto da un sistema a 12 Volt.
Pro e contro
In definitiva l’eBooster aiuta il motore nelle situazioni in cui il classico turbocompressore mostra tempi di risposta troppo lunghi per il raggiungimento della pressione nominale di esercizio (il tipico turbo-lag). Condizioni che si verificano tipicamente ai bassi regimi e bassi carichi, per esempio quando si tenta di accelerare da bassi giri con un rapporto lungo. In questa situazione il compressore elettrico interviene istantaneamente permettendo una rapida crescita degli effetti della sovralimentazione e riducendo praticamente a zero il ritardo di risposta del motore al comando del gas. Grazie alla maggiore pressione di sovralimentazione, disponibile fin dai bassi regimi e bassi carichi, si riesce inoltre a usare maggiormente l’EGR di bassa pressione così da ridurre del 5% le emissioni di particolato e del 4% i consumi di carburante con solo lievi svantaggi nelle emissioni di NOx rispetto a una soluzione biturbo in serie classica.
Il compressore elettrico si configura quindi come un’ottima soluzione da affiancare al tradizionale turbocompressore. Tecnica che, come abbiamo appena descritto, permette di ridurre i consumi di carburante, contenere le emissioni dei gas di scarico e incrementare la potenza finale del propulsore migliorandone la risposta ai transitori e l’erogazione della coppia ai bassi regimi. Il suo funzionamento è però per ora discontinuo perché interviene subito ma rimane in funzione finché il turbocompressore classico non ha raggiunto una pressione sufficiente, a quel punto si disinserisce e consente al turbocompressore azionato dai gas di scarico di gestire l’intera sovralimentazione.
