Mondo motori
Tecnica 2
Sovralimentazione
SISTEMI TRADIZIONALI
Turbocompressore
Il motore sovralimentato mediante turbo compressore è un motore che sfrutta l'energia dei gas di scarico per muovere una turbina opportunamente collegata ai collettori di scarico. Tale turbina è a sua volta collegata mediante un alberino (lubrificato dall'impianto di lubrificazione del motore) che muove il compressore. Il compressore una volta azionato dalla turbina, inizia (seppur con un certo ritardo che è maggiore tanto più è grande la turbina) a comprimere l'aria presente in aspirazione al motore. La comprime aumentando la sua energia cinetica e la sua temperatura. Comprimendola aumenta notevolmente la massa di aria aspirata e la conseguente quantità di benzina che può essere bruciata nella combustione. Questo metodo ottimizza il riempimento dei cilindri e quindi il rendimento volumetrico.
Guarda l'animazione di un turbocompressore automobilistico.
Turbocompressore a geometria variabile
Qualora desideriate da un unico turbocompressore un'elevata resa sia ai bassi, sia ai medi, sia agli alti regimi, allora dovrete far sì che la geometria di questo turbo sia adatta ad ogni situazione. La girante del suo compressore infatti dovrebbe avere una determinata forma per favorire il fluido in ogni condizione. Come risolvere il problema? Si adotta una struttura che può variare la forma (da cui deriva il nome di "geometria variabile"). Naturalmente essendo impossibile far variare la forma ad una girante che ruota a più di 30.000 giri al minuto, si è preferito circondare la girante principale del compressore con una sorta di prolungamento, della girante stessa, montato su una stuttura fissa (che pertanto non ruota assieme alla girante) e sulla quale vi sono delle palette che possono essere azionate/ruotate da un dispositivo elettronico collegato alla centralina motore. La rotazione di tali palette permette di ottenere in ogni situazione il loro angolo migliore di incidenza per favorire il funzionamento del compressore.
Guarda l'animazione di un turbocompressore a geometria variabile.
Sovralimentazione a doppio stadio
La sovralimentazione a doppio stadio funziona nel medesimo modo di una normale sovralimentazione ma con la sostenziale differenza che vengono impiegati due turbocompressori, montati uno in sequenza all'altro, che hanno fondamentalmente due diverse dimensioni. Il turbocompressore più piccolo, facile da mandare a regime, viene struttato ai bassi regimi dove le ridotte dimensioni delle giranti permettono di raggiungere pressioni non molto alte ma con una importante rapidità. Il cosìdetto "ritardo del turbo" su turbine di questo genere è quasi inesistente. Ai medi regimi il motore sfrutta entrambi i turbocompressori. Questo permette di continuare ad avere un buon riempimento dei cilindri grazie al turbocompressore più piccolo e, allo stesso tempo, iniziare ad accelerare la girante della turbina del turbocompressore più grande, senza che il guidatore risenta di un erogazione poco fluida. Ai regimi più elevati viene struttata quasi esclusivamente il turbocompressore più grande con le giranti ormai a regime. Un sistema senza dubbio raffinato, costoso e più difficoltoso da mettere a punto che offre senza dubbio un'erogazione lineare a tutti i regimi senza le fastidiose scariche di coppia poco digeribili ai normali "utenti".
Waste gate
Si tratta di una valvola di massima pressione montata sulla turbina (attenzione, non sul compressore) che by-passa i gas di scarico dai collettori direttamente alla marmitta nel caso la pressione di esercizio sia superiore a quella impostata. In questo modo la girante della turbina non riceve più la spinta dei gas di scarico e rallenta. Non appena le pressioni in gioco tornano in sicurezza, la waste gate permette nuovamente ai gas di scarico di passare attraverso la turbina accelerandola e dandogli così la possibilità di azionare la girante del compressore che, ovviamente, gira allo stesso regime della girante della turbina.
Overboost
E' un dispositivo che tiene sotto il torchio la turbina limitando l'intervento della valvola waste gate. Spesso utilizzato per spingere ulteriormente i motori oltre i limiti consentiti dalla meccanica. Ne segue che sono molto frequenti le rotture dovute all'utilizzo esasperato di questo dispositivo.
Pop off
Valvola di sfogo dell'aria in aspirazione (solo motori sovralimentati mediante turbo compressore) che si attiva nel momento di rilascio dell'acceleratore per evitare il famoso colpo d'ariete contro la valvola a farfalla che si trova a monte dei collettori di aspirazione. Negli ultimi anni è diventata più una moda che un'esigenza tecnica; questo per il sound tanto gradito a molti appassionati. Alcune valvole pop off scaricano all'esterno (con effetti "pirotecnici" a mò di sfiato di balena), altre invece reimmettono l'aria nell'aspirazione pronta per la nuova apertura di gas.
Intercooler
L'intercooler è uno scambiatore di calore aria/aria. Viene ovviamente montato anteriormente vicino al radiatore del motre e serve per raffreddare e quindi aumentare la densità dell'aria che è stata compressa dal compressore. In ordine ed in poche parole, il compressore aspira l'aria proveniente dalla cassa filtro, la comprime e la invia a pressione e temperature più elevate ai collettori di aspirazione. Il ruolo dell'intercooler è di mantenere i vantaggi delle pressioni e quantità di aria più elevate ma abbassando le temperature in gioco ed offrendo quindi il vantaggio di una maggiore densità dell'aria che migliora senza dubbio la combustione. Inviare una maggiore quantità di aria (con maggior pressione) ai cilindri permette ovviamente di ottenere un miglior riempimento dei cilindri stessi e da la possibilità di bruciare una maggiore quantità di carburante. Risultato: il motore eroga una potenza assai maggiore essendo incrementato il Rendimento volumetrico.
Compressore volumetrico
Tuttavia esistono altri metodi per aumentare la quantità di aria aspirata dal motore. Alcuni motori (vedi i Kompressor di Mercedes) utilizzano un compressore volumetrico come quello dell'esempio qui sotto, che viene azionato dall'albero motore e non da una turbina. Questo sistema assorbe potenza dal motore ai bassi regimi per un breve arco di utilizzo del motore stesso, ma garantisce una buona elasticità del propulsore a tutte le andature. Tale sistema, inoltre, è schematicamente meno complesso e più facile da mettere a punto. Da non sottovalutare anche il vantaggio della minore manutenzione di cui necessita e della maggiore affidabilità e possibilità di avere all'interno del vano motore temperature leggermente più basse e meno stressanti rispetto a quelle provocate dal turbocompressore.
Guarda l'animazione di un motore con turbo volumetrico.
Sovralimentazione mista Turbocompressore abbinato al compressore volumetrico
Si sa che la resa di un compressore volumetrico ai bassi non genera i vuoti di cui soffre un motore sovralimentato mediante turbo compressore. Tuttavia agli alti regimi il turbocompressore si prende la sua netta rivincita. Così qualcuno anni fa, in Lancia, pensò: "Perchè non sfruttare l'uno e l'altro?" Nacque così la spaventosa Lancia Delta S4, un mezzo di soli 1.800cc in grado di erogare oltre 500 cavalli nella versione da rally e circa 250 cavalli nella versione stradale. Ai bassi regimi sfruttava un compressore volumetrico che era abbinato ad un turbocompressore molto "generoso" che offriva però la sua spinta migliore ai regimi più elevati e, proprio a tali regimi, bypassava completamente ill volumetrico. L'accostamento dei due dispositivi offriva prestazioni oltre l'inverosimile.
-IN AGGIORNAMENTO-
Il turbo elettrico
A dire il vero non si tratta di un dispositivo recente, tuttavia se ne sente parlare solo di recente in seguito a dibattiti tecnici che hanno visto il sistema K.E.R.S. essere frainteso per una sorta di turbo elettrico.
Descrizione in costruzione
SISTEMI IBRIDI
E.R.S.
Con l'acronimo E.R.S. si intende il complesso di sistemi di recupero dell'energia (Energy Recovery System). Tale voce è frequentemente utilizzata in ambiente F1 dove, per il momento, si distinguono due importanti tipologie di sistemi di recupero dell'energia a bordo delle vetture:
Il sistema K.E.R.S. (kinetic Energy Recovery System) a bordo delle vetture di F1 dalla stagione 2009, il quale comprende un motore/dinamo, un accumulatore di carica ed un sistema di controllo. Il motore elettrico (o meglio la macchina elettrica), come vedremo più avanti, funge da generatore nelle fasi di frenata/rilascio andando a caricare un accumulatore di carica, per poi diventare un motore con effetto booster, quando richiesto dal pilota, utilizzando l'energia precedentemente recuperata ed accumulata.
Il sistema E.E.R.S. (Exhaust Energy Recovery System) disponibile a partire dalla stagione di F1 del 2014, sfrutta la logica del turbo compound, ove la turbina è collegata meccanicamente all'albero motore per migliorare l'efficienza del propulsore, evolvendola. Questo sistema, che vedremo nel dettaglio più avanti, è abbinabile ai motori sovralimentati mediante turbocompressore e sfrutta una seconda turbina (posta in serie con quella principale) per alimentare un generatore che aziona un motore elettrico offrendo un costante surplus di potenza.
K.E.R.S. Kinetic Energy Recovery System
Il K.E.R.S., o meglio, il Kinetic Energy Recovery System è un dispositivo che può essere aggiunto ad un propulsore al fine di recuperare energia cinetica in frenata, accumularla e renderla fruibile sotto forma di energia elettrica, quando richiesto dal pilota, per alimentare un motore elettrico durante un periodo di tempo limitato ed in particolari condizioni. Si tratta quindi di un sistema ibrido "in parallelo" che permette di ottenere un "effetto booster" con un surplus di 80 cavalli circa per un tempo limitato dalla Federazione Internazionale dell'Automobilismo a circa 6,7 secondi. La sua massa complessiva a bordo è pari a circa 30 kg, tale massa però non è considerata penalizzante a bordo di un veicolo di Formula 1 in quanto ogni vettura della massima categoria in realtà è sottopeso rispetto al regolamento e zavorrata con masse aggiuntive. Se di svantaggi dobbiamo parlare è opportuno citare che la massa costituita dal sistema K.E.R.S. non può essere variata di posizione lungo il telaio al contrario di una comune massa aggiuntiva che può essere collocata nel punto dove meglio bilancia la vettura. Gli elementi che costituiscono il K.E.R.S sono: un motore elettrico/dinamo (solitamente un motore elettrico in corrente continua, ma sarebbe più corretto dire una "macchina elettrica" ovvero un dispositivo ove la potenza in ingresso è di tipo elettrico e quella in uscita di tipo meccanico in configurazione di "motore elettrico" e, viceversa in configurazione di "dinamo"); un accumulatore di carica (batterie al litio, ultracapacitori o supercondensatori, accumulatori di energia cinetica a volano "Flywheel"); un sistema di controllo (ovvero un dispositivo che riesce a far funzionare la "macchina elettrica" come macchina motrice o come macchina operatrice, in soldoni come motore elettrico o come dinamo). Il K.E.R.S. è vantaggioso in tutte quelle situazioni in cui la trazione motrice richiesta è inferiore all'aderenza disponibile alle ruote motrici e quindi durante lunghi rettilinei, durante i sorpassi, durante violente accelerazioni con velocità iniziale diversa da zero e superiore a quel range di velocità in cui l'intervento del controllo di trazione renderebbe "sprecato" l'utlizzo dell'effetto booster. E' altresì svantaggioso, se non inutile, quando la trazione motrice richiesta supera l'aderenza disponibile alle ruote motrici e quindi durante le forti accelerazioni con marce basse, partenza, pista bagnata, percorrenza delle curve...
K.E.R.S. Meccanico
Descrizione in costruzione
K.E.R.S. Elettronico
Descrizione in costruzione
Turbo compound
Si tratta di un sistema di sovralimentazione ove la turbina è collegata meccanicamente all’albero motore al quale fornisce un surplus di coppia (con conseguente incremento di potenza prodotta dal motore) grazie alla notevole energia dei gas esausti. Aumenta di conseguenza l’efficienza del motore. Simulazioni eseguite al computer da parte dei ricercatori della “Cranfield University”, con il supporto di “Cosworth”, hanno messo in evidenza come sia possibile aumentare la potenza fornita dal motore senza incrementare i consumi di carburante. A 8.500 giri al minuto, con un consumo di carburante pari a 25 grammi al secondo, il motore simulato ha sviluppato una potenza di 435,5 kW di cui ben 31,5 kW apportati dal turbo compound. Un incremento del 7,3% di potenza ottenuto senza aumentare i consumi. Questo si traduce in un miglioramento dell’efficienza termica del motore dal 36,95% al 39%.
E.E.R.S. Exhaust Energy Recovery System
Il sistema E.E.R.S. sarà obbligatorio a partire dalla stagione di formula 1 del 2014 e verrà installato sui nuovi motori 1.600 c.c. V6 sovralimentati mediante turbocompressore (vedi l’articolo: “2014: Odissea nella formula1″ - articolo in preparazione). Si tratta di un sistema capace di integrare la tecnologia su cui si basa l’attuale K.E.R.S. con la tecnologia “turbo-compound” impiegata sui mezzi pesanti per aumentarne l’efficienza. Nel primo sistema l’energia recuperata in frenata viene accumulata in un accumulatore di carica (batterie al litio, ultracapacitori o supercondensatori, accumulatori di energia cinetica a volano, es. “Williams Hybrid Power”) in grado di alimentare un motore elettrico solo per brevi istanti. Nel secondo sistema la turbina è collegata meccanicamente all’albero motore al quale fornisce un surplus di coppia (con conseguente incremento di potenza prodotta dal motore) grazie alla notevole energia dei gas esausti. Aumenta di conseguenza l’efficienza del motore. Il sistema E.E.R.S., invece, prevede che la turbina accoppiata al compressore alimenti una seconda turbina collegata ad un generatore elettrico. Quest’ultimo alimenta il motore elettrico degli attuali sistemi K.E.R.S.. Non vi è quindi alcun collegamento meccanico tra la turbina e l’albero motore. Il generatore viene impiegato per convertire l’energia recuperata dalla turbina in elettricità. La necessità di adottare il sistema E.E.R.S. nasce dal fatto che l’energia proveniente dai gas di scarico è molto più sfruttabile rispetto a quella recuperabile durante le frenate. Il sistema kinetic o, più volgarmente, il motore elettrico, fornirà 120 kW alle ruote posteriori. Un interessante problema che si pone è quello della scelta del tipo di turbina. Una tradizionale turbina radiale vanta costi contenuti ed una grande diffusione per questa scala di applicazioni, tuttavia necessita di un elevato salto di pressione dei gas esausti per funzionare correttamente. Ciò genera indesiderate contropressioni sul motore. Al contrario le turbine assiali, raramente utilizzate per questo tipo di applicazioni, per lavorare correttamente contano soprattutto sulla velocità del fluido e necessitano pertanto di una differenza di pressione più bassa. Ne conseguono ovviamente minori contropressioni sul motore ed un investimento più significativo in termini di ricerca e sviluppo. Simulazioni eseguite al computer da parte dei ricercatori della “Cranfield University”, con il supporto di “Cosworth”, hanno messo in evidenza come sia possibile aumentare la potenza fornita dal motore senza incrementare i consumi di carburante. Una soluzione che ben si addice al regolamento del 2014 della F1 che pone un tetto ai consumi. A 8.500 giri al minuto, con un consumo di carburante pari a 25 grammi al secondo, il motore simulato ha sviluppato una potenza di 435,5 kW di cui ben 31,5 kW apportati dal turbo compound. Un incremento del 7,3% di potenza ottenuto senza aumentare i consumi. Questo si traduce in un miglioramento dell’efficienza termica del motore dal 36,95% al 39%. Senza ombra di dubbio le stagioni di formula uno a partire dal 2014 permetteranno di ottenere risultati ancora più interessanti grazie all’enorme mole di ricerca, sviluppo e test che verranno condotti. Sì aprirà un’era molto interessante tanto per la formula uno quanto per le vetture stradali le quali erediteranno nuove importanti tecnologie. Soluzioni perfettamente in linea con le future norme anti-inquinamento e con il piacere di guida degli automobilisti più esigenti.
Note
Per Aspirato si intende un motore che viene alimentato dall'aria a pressione atmosferica per normale depressione che si forma nei cilindri nel momento in cui ogni pistone scende verso il punto morto inferiore (PMI) e le valvole di aspirazione si aprono.
Link
Vedi anche le pagine: Aspirazione | Approfondimenti sulla sovralimentazione | Motori alternativi