Introduzione analitica alla tecnica di sovralimentazione del motore a quattro tempi
Il motore termico è un sistema meccanico che, per certi aspetti, è paragonabile ad un organismo vivente che respira. Analizzandone il funzionamento è possibile infatti individuare tre fasi principali: aspirazione di aria dall’ambiente esterno, produzione di energia a seguito di un’opportuna miscelazione con il combustibile e scarico dei prodotti della combustione. Durante la progettazione è fondamentale ottimizzare le tre fasi al fine di realizzare un motore che soddisfi determinate richieste di prestazioni in termini di coppia e potenza. La potenza massima erogabile da un motore termico è limitata dalla quantità di combustibile che può essere bruciato efficientemente all’interno del cilindro e, quindi, dalla quantità di aria introdotta in ogni cilindro per ciclo. Una valida soluzione consiste nella sovralimentazione, ossia quel sistema mediante il quale si aumenta artificialmente la densità dell’aria all’interno del canale di aspirazione, portandola ad un valore di pressione superiore a quello dell’ambiente esterno. L’aumento di pressione registrato, a parità di cilindrata, influenzerà direttamente la potenza effettiva.
Le ragioni che giustificano tale affermazione risiedono nel concetto fisico di potenza meccanica, esprimibile come quantità di lavoro trasferito dal fluido di lavoro (miscela) al pistone per ciclo nell’unità di tempo:
dove n rappresenta il regime di rotazione ed ε il numero di giri per ciclo, mentre i pedici e indicano valori effettivi. Analizzando un motore a quattro tempi, per il quale ε è pari a due (giri di manovella per consentire quattro corse al pistone), appare evidente come, per aumentare la potenza effettiva, si possa intervenire sul numero di giri del motore oppure mediante un’accurata ottimizzazione del lavoro trasferito.
Applicando opportunamente un trasduttore di pressione all’interno della camera di combustione ed uno di volume (deducibile analiticamente mediante il monitoraggio degli angoli di manovella e del rapporto dei raggi di manovella e biella) nel cilindro, è possibile tracciare un diagramma che illustri complessivamente la variazione di pressione all’interno del cilindro in funzione del volume disponibile al fluido. Il lavoro trasferito risulterà essere l’integrale dell’area racchiusa dal ciclo:
Il pedice i sottolinea che si parla di un lavoro indicato, ossia un lavoro deducibile dalle indicazioni fornite dai trasduttori, i quali, nei primi anni di impiego, venivano appunto chiamati indicatori.
Essendo il lavoro così definito una grandezza che dipende dal volume del motore in esame, ai fini di semplificare il confronto con altri motori è conveniente esprimerlo per unità di cilindrata. Questo passaggio si traduce in un’espressione del lavoro veicolata dalla funzione pressione media indicata:
È importante sottolineare che la pressione media indicata ha le dimensioni di una pressione (MPa), ma, fisicamente parlando, si tratta di un lavoro specifico, ed in particolare quello che sarebbe producibile se, in quel volume, ci fosse quel valore di pressione per tutta la durata del ciclo. Geometricamente tale valore può essere rappresentato come il valore medio del diagramma pressione-volume attraverso il quale si giunge alla determinazione della potenza indicata:
L’importanza di questo percorso analitico risiede nel fatto che adesso siamo in grado di valutare l’efficienza indicata di un motore, intesa come la sua capacità di trasformare il calore generato dalla combustione in lavoro meccanico utile. Tradotto analiticamente, il rendimento indicato del motore sarà il risultato del rapporto fra la potenza indicata e quella termica resa disponibile dal combustibile
dove mc è la portata massica del combustibile ed Hi il suo potere calorifico inferiore.
Finora abbiamo parlato di grandezze indicate, ossia grandezze che non tengono conto della potenza dissipata a causa dell’attrito tra i meccanismi di accoppiamento. Introducendo il coefficiente di rendimento organico (ηo), definito come il rapporto tra la potenza effettivamente disponibile all’albero motore e quella indicata, rappresentato in funzione del carico di lavoro e della corsa media del pistone (μp), possiamo ricondurre la pressione media indicata a quella media effettiva:
Sostituita nell’equazione (4), la (6) consente di esprimere la potenza effettiva ottenibile dal motore:
L’analisi svolta non solo dimostra le ragioni fisiche che ci sono dietro la tecnica della sovralimentazione, ma giustifica quanto essa sia efficace in termini meccanici. Dall’equazione della potenza effettiva si evince che un suo aumento, a parità di volume dei cilindri, è ottenibile mediante l’aumento del numero di giri del motore oppure da un incremento controllato della pressione media effettiva. Senza scendere approfonditamente nei dettagli, è sufficiente sapere che nel primo caso si registrerebbe un aumento quadratico delle forze d’inerzia (che aumentano con il quadrato di μp), fenomeno che obbligherebbe il costruttore ad alleggerire le parti in movimento. Nel secondo caso, invece, le forze generate crescono linearmente in funzione della pressione media effettiva, consentendo l’utilizzo di organi meccanici più resistenti.
I benefici finora descritti sono messi in risalto confrontando il ciclo di lavoro di un motore a quattro tempi sovralimentato con uno naturale.
È opportuno evidenziare che, nel caso sovralimentato, la pressione massima del ciclo risulta essere più alta rispetto al caso naturale. Se gli organi non sono in grado di sopportare tale aumento, è possibile ridurla agendo sul rapporto di compressione del sistema sovralimentante, riuscendo perfino a riportare il valore di pressione al pari di quella che si avrebbe con l’aspirazione naturale. Anche in questo caso si registra un aumento dell’area del ciclo di lavoro, col risultato di un motore più performante.
Possiamo concludere la nostra analisi affermando con sicurezza che la sovralimentazione comporta numerosi vantaggi, tra i quali spicca l’aumento del rendimento, fenomeno riconducibile alla diminuzione dei consumi specifici, resa possibile perché la compressione dell’aria in aspirazione viene effettuata sfruttando l’energia residua nei gas di scarico del motore. Gli stessi scarichi saranno meno inquinanti, perché la sovralimentazione consente di ridurre il tempo di ritardo dell’accensione o dell’iniezione, beneficio particolarmente sensibile nei motori Diesel, tipicamente affetti da questa problematica. In aggiunta, consente una diminuzione dei volumi d’ingombro e del peso, registrando quindi un costo inferiore per unità di potenza erogata.
D’altro canto, si hanno generali aumenti dei carichi meccanici e termici, con il rischio di detonazione nei motori ad accensione comandata e un allungamento dei tempi di risposta nei transitori. Per queste ragioni l’installazione di un sistema sovralimentante è senza dubbio produttivo, ma deve essere opportunamente dimensionato per non incorrere in sgradevoli risvolti.
