La turbo-sovralimentazione

Introduzione alla tecnica della turbo-sovralimentazione e analisi delle configurazioni a pressione costante e ad impulsi.

Nel precedente articolo è stata introdotta la tecnica di sovralimentazione, mediante la quale è possibile migliorare le prestazioni di un motore termico aumentando la densità di carica fresca introdotta nella camera di combustione. Tale aumento viene reso possibile dall’installazione di un compressore a monte del collettore d’aspirazione.
Nel corso degli anni sono stati sviluppati numerosi sistemi sovralimentanti, ma quello che ha riscontrato maggior successo è la turbo-sovralimentazione, ossia quel sistema che prevede l’installazione di una turbina a valle del collettore di scarico.
Il principio di funzionamento è molto semplice: una parte dei gas di scarico vengono convogliati in direzione di una turbina che, collegata al compressore mediante un albero di adeguate dimensioni, ne alimenta l’esercizio. In questo modo si ottiene un notevole recupero di energia che, altrimenti, andrebbe dispersa nell’ambiente. Ne consegue un significativo aumento dell’efficienza dell’intero apparato motore.

Schema tecnico del turbo-compressore. Le frecce indicano le direzioni dei flussi in entrata ed uscita.
Schema tecnico del turbo-compressore. Le frecce indicano le direzioni dei flussi in entrata ed uscita.

Questo sistema, tuttavia, non è esente da criticità. La più rilevante risiede nella natura degli organi meccanici coinvolti: il motore termico lavora in condizioni spiccatamente instazionarie, ossia con flussi le cui grandezze sono variabili nel tempo. Al contrario, le turbomacchine (compressore, turbina), pur essendo progettate per poter funzionare in condizioni instazionarie, raggiungono maggiore efficienza in condizioni di regime stazionario.

Di conseguenza, per ovviare al problema, sono state messe a punto due principali configurazioni: la turbo-sovralimentazione a pressione costante e quella ad impulsi.

La turbo-sovralimentazione a pressione costante

L’idea è di installare un collettore di ampio volume a valle del gruppo cilindri nel quale convogliare l’intero flusso di scarico.
Turbo-sovralimentazione a pressione costante


Durante lo scarico di un cilindro si generano onde di pressione che possono ostacolare lo scarico di un altro, per cui le dimensioni del volume del collettore devono essere opportunamente disegnate in modo da smorzarle fino al livello desiderato. Generalmente vengono utilizzate dimensioni fino a 6 volte superiori rispetto alla cilindrata del motore in funzione di alcuni parametri critici quali la portata di massa dei gas, la frequenza di scarico e la pressione nel cilindro all’apertura delle valvole. In questa maniera la turbina lavora in condizioni stazionarie e ne consegue un rendimento elevato, essendo ottimizzata in funzione dei parametri di progetto; a questo si aggiunge il vantaggio di semplificare i collettori di scarico, anche se più ingombranti, facilitando la collocazione del turbocompressore nella regione più comoda al costruttore.

04A questa serie di vantaggi, tuttavia, si contrappone lo scarso sfruttamento dell’energia posseduta dai gas di scarico. Osservando un grafico dell’andamento della pressione nel cilindro pcil e nel collettore ps in funzione dell’angolo di manovella θ, ipotizzando la seconda resa costante dal grande volume, si nota come la differenza tra le due sia piuttosto elevata per un ampio tratto di rotazione. Questo è spiegato dall’analisi fluidodinamica del flusso, il quale, finché il rapporto di espansione resta maggiore o uguale a quello critico, viene accelerato fino al valore della velocità del suono in prossimità della sezione d’uscita, raggiungendo lo stato di blocco sonico. In queste condizioni si generano onde d’urto, da cui moti turbolenti interni al collettore con cui viene dissipata la grande velocità raggiunta, generando entropia.

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Diagrammando quanto appena detto su un grafico entalpia-entropia, il problema viene ulteriormente evidenziato. Supponendo di poter espandere isoentropicamente i gas fino alla pressione ambiente pa, il lavoro isoentropico Lis trasmesso dallo scarico alla turbina (Lis)t è nettamente inferiore rispetto a quello disponibile nel cilindro (Lis)c. Introducendo il coefficiente di efficienza nella trasmissione dell’energia πt

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si evince quanto questa sia bassa per un collettore a pressione costante e dipendente dalla contropressione allo scarico ps.
Pertanto, la configurazione a pressione costante si rivela una buona soluzione per via dell’alto grado di sovralimentazione, a patto che non siano richieste rapide variazioni delle condizioni di esercizio; in tal caso i tempi di risposta sono molto lenti e l’impianto è poco performante. Per queste ragioni, le soluzioni a pressione costante sono impiegate principalmente in impianti fissi, i quali richiedono prestazioni meno vincolanti in termini di prontezza.

Turbocompressore a doppio stadio BorgWarner, progettato per i motori Volkswagen Euro 6. La versione 2.0L è stato il motore diesel più potente tra quelli della sua taglia.
Turbocompressore a doppio stadio BorgWarner, progettato per i motori Volkswagen Euro 6. La versione 2.0L è stato il motore diesel più potente tra quelli della sua taglia.

 

La turbo-sovralimentazione ad impulsi

Nel 1925, Alfred Buchi brevetta una configurazione che prevede l’impiego di più collettori di scarico dalle piccole dimensioni e soggetti ad ampie oscillazioni di pressione (impulsi), riducendo così il tempo di espansione senza contropressione dei gas in uscita dai cilindri. La turbina, posta a valle dei collettori di scarico, viene quindi attraversata da flussi fortemente instazionari, ma l’efficienza della trasmissione dell’energia è elevata.
Schema turbo-compressore ad impulsi

I grafici riportano illustrano il rapporto di energia resa disponibile alla turbina rispetto a quella prodotta nel cilindro durante il processo di espansione dei gas combusti in funzione della produzione entropica. Il grafico a) è quello che accade all’inizio dell’apertura della valvola di scarico, quello b) in uno stadio più avanzato. Si può notare come la quantità di energia alla turbina sia maggiore man mano che la manovella compie il suo percorso.
I grafici riportano illustrano il rapporto di energia resa disponibile alla turbina rispetto a quella prodotta nel cilindro durante il processo di espansione dei gas combusti in funzione della produzione entropica. Il grafico a) è quello che accade all’inizio dell’apertura della valvola di scarico, quello b) in uno stadio più avanzato. Si può notare come la quantità di energia alla turbina sia maggiore man mano che la manovella compie il suo percorso.
Andamento delle pressioni di cilindro e scarico in funzione dell’aumento dell’angolo di manovella. L’impulso di pressione generato può influenzare il processo stesso di sostituzione della carica, il rumore trasmesso all’ambiente e l’energia resa disponibile al gruppo del turbo-compressore.
Andamento delle pressioni di cilindro e scarico in funzione dell’aumento dell’angolo di manovella. L’impulso di pressione generato può influenzare il processo stesso di sostituzione della carica, il rumore trasmesso all’ambiente e l’energia resa disponibile al gruppo del turbo-compressore.

Tracciando un grafico dell’andamento della pressione in funzione dell’angolo di manovella θ, risalta subito agli occhi che, all’inizio dell’apertura della valvola, la differenza di pressione tra cilindro (pci) e collettore (ps) è molto elevata, per cui il flusso di scarico genera forti dissipazioni. Tuttavia, essendo la portata massica ridotta (perché la sezione di apertura è minima), l’influenza di tale dissipazione è molto bassa rapportata all’intero ciclo. Al crescere di θ la differenza tra le due pressioni si riduce, e con essa anche il loro rapporto, il quale diventa inferiore a quello critico prima di raggiungere la posizione del punto morto inferiore (PMI), consentendo di trasmettere efficientemente una buona parte dell’impulso di energia contenuta nello scarico spontaneo. Al netto di calcoli fluidodinamici tenenti conto della condizione instazionaria del flusso, i sistemi ad impulsi, se correttamente configurati, hanno raggiunto efficienze prossime all’85%.

Una criticità importante di questo sistema è la disposizione dei collettori, i quali devono essere opportunamente configurati in maniera tale da evitare interferenze reciproche. Pertanto, è necessario che due cilindri che condividono un collettore non abbiano le valvole di scarico aperte contemporaneamente. Ne consegue che i cilindri possono essere raggruppati a 2 o massimo 3 elementi, in modo da permettere un certo sfasamento fra i rispettivi scarichi (240 gradi per un 4 tempi, 120 per un due tempi).

L’aspetto negativo di questo sistema è che la turbina dovrà operare con flussi continuamente variabili, per cui i triangoli di velocità non saranno ottimali. Ciononostante, il bilancio totale dell’intero apparato risulta comunque più conveniente rispetto alla configurazione a pressione costante per varie ragioni: in primo luogo, in prossimità della turbina, è disponibile una quantità di energia considerevolmente maggiore, favorendo il matching dell’impianto di turbo-compressione al gruppo motore; in secondo luogo, un sistema ad impulsi risponde molto più velocemente alle variazioni di carico, rendendo il motore più performante quando sottoposto a continue variazioni di velocità; in ultimo, ma non meno importante, tale sistema produce una curva caratteristica coppia-numero di giri molto favorevole alla stabilità del motore.