Il matching del gruppo sovralimentatore con il motore termico

Il matching del gruppo sovralimentatore con il motore termico

Confronto del matching del compressore comandato meccanicamente e del turbocompressore con i motori a quattro tempi.

Procediamo la nostra trattazione sulla sovralimentazione del motore termico.

Nel precedente articolo è stato spiegato che un impianto di sovralimentazione consiste nell’accoppiamento di due organi principali (un motore ed un sovralimentatore) che, nella maggior parte dei casi, operano con caratteristiche di funzionamento molto diverse tra loro. Pertanto, in fase di progettazione, le criticità più rilevanti emergono dall’adattamento del sovralimentatore al motore termico (il cosiddetto matching), volendo trovare una soluzione che consenta all’impianto di operare su tutto il campo d’impiego. Il problema diventa particolarmente sensibile nei motori destinati ai veicoli stradali, ai quali sono richiesti continue variazioni di carico ed un ampio ventaglio di regimi.
Il matching si ottiene sovrapponendo le curve caratteristiche del motore a quelle del sovralimentatore, cercando di raggiungere un compromesso che soddisfi le esigenze del costruttore.

I sistemi di compressione più interessanti da analizzare sono quello comandato meccanicamente e quello turbo indipendente. Per poter effettuare un’analisi critica, è necessario introdurre alcuni parametri tecnici propri dei compressori volumetrici, la cui caratteristica principale è quella di avere il volume disponibile al fluido crescente durante la fase di aspirazione e decrescente durante quella di compressione. La portata di massa (1) che attraversa la macchina sarà proporzionale alla cilindrata totale del compressore (Vtc), al regime di rotazione nc e al coefficiente di riempimento λvc, il quale diminuisce all’aumentare della velocità per via del conseguente aumento delle perdite di carico.

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Volendo tuttavia confrontare macchine differenti per tipo o per taglia, si preferisce utilizzare grandezze adimensionali. Pertanto, la portata viene rapportata ad una portata di riferimento, intesa come portata critica nelle condizioni di ingresso. Si ottengono i parametri di velocità (2) e portata (3) corrette, le quali consentono di descrivere le prestazioni di una turbomacchina indipendentemente dalle condizioni d’ingresso.

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Partendo da questi presupposti, possiamo procedere con il confronto.

 

Il compressore comandato meccanicamente

In questa configurazione il compressore viene collegato direttamente all’albero del motore, il quale elabora una portata di massa d’aria (4) direttamente proporzionale alla sua densità ρm, al coefficiente di riempimento λv e al regime di esercizio.
Schema compressore meccanico

Diagramma delle curve caratteristiche di un motore a quattro tempi sovralimentato con un compressore azionato meccanicamente dal motore. Le curve continue sono quelle generate con l’assenza di lavaggio dello spazio morto, mentre quelle tratto-punto sono quelle ottenute con lavaggio completo. In entrambi i casi si vede come la pendenza sia ripida, ma inferiore a 90 gradi. Al contrario, le linee tratteggiate corrispondono ad un compressore volumetrico, presentando un angolo di inclinazione superiore ai 90 gradi.
Diagramma delle curve caratteristiche di un motore a quattro tempi sovralimentato con un compressore azionato meccanicamente dal motore. Le curve continue sono quelle generate con l’assenza di lavaggio dello spazio morto, mentre quelle tratto-punto sono quelle ottenute con lavaggio completo. In entrambi i casi si vede come la pendenza sia ripida, ma inferiore a 90 gradi.
Al contrario, le linee tratteggiate corrispondono ad un compressore volumetrico, presentando un angolo di inclinazione superiore ai 90 gradi.

Volendola rappresentare nel piano del rapporto di compressione (pm/pa) e portata corretta, le curve che ne derivano presentano una spiccata ripidità, ma con un angolo tuttavia inferiore ai 90 gradi, in quanto il prodotto di densità e coefficiente di riempimento aumenta con l’aumentare del rapporto di compressione. Con un’adeguata pulizia dello spazio morto e a parità di rapporto di compressione, la portata massica subisce un ulteriore incremento, riducendo l’angolo di inclinazione della curva caratteristica precedentemente descritta. Nel caso di compressore volumetrico, l’angolo supera i 90 gradi, per cui la pressione di sovralimentazione subisce lievi diminuzioni al ridursi del regime di funzionamento del motore.

La curva del regime di rotazione del compressore, invece, risulterà proporzionale ad un rapporto fisso con quello del motore, essendo ad esso collegato meccanicamente.
Il punto di funzionamento (il matching per l’appunto) sarà l’intersezione della curva caratteristica del compressore con quella del motore.

Spaccato della storica Mercedes-benz W 125, auto da corsa del 1937. Presenta un motore a 8 cilindri sovralimentato meccanicamente, capace di erogare fino a 600 CV a massimo regime.

 

Il turbocompressore

In questa configurazione il compressore viene alimentato da una turbina posta a valle del collettore di scarico.

La relazione che governa la portata di massa d’aria elaborata dal motore resta invariata rispetto alla configurazione precedente, ma la curva caratteristica del motore (a regime costante) risulterà essere una retta con un angolo minore rispetto a quella del motore sovralimentato meccanicamente. Questo avviene perché la pulizia degli spazi morti viene agevolata agli alti carichi, fornendo il turbocompressore una pressione media del ciclo maggiore rispetto a quella di scarico. Ai bassi carichi, invece, avviene l’opposto, per cui si possono avere dei rifiuti.

Per effettuare un corretto accoppiamento è necessario valutare con attenzione l’impiego cui il motore è destinato. È possibile prevedere tre macro-situazioni.

Il primo caso è quello di un motore che deve operare a velocità costante. Il matching si sposta lungo la curva caratteristica del motore per quel preciso regime, in quanto, variando la coppia, si avrà un cambio di regime del motore e, di conseguenza, della pressione media del ciclo. Pertanto, si sceglie un compressore tale per cui quella velocità di rotazione rientra nell’area di elevato rendimento.
Un secondo caso possibile è quello in cui il carico è costante, ma la velocità crescente. Si ha un regime variabile per il quale la portata d’aria aspirata è in aumento. Per una turbina a sezione costante (rimandiamo i casi delle VNT – turbine a geometrie variabili – a future trattazioni) l’area di passaggio non varia, per cui si registrerà un aumento della pressione in ingresso cui segue un’accelerazione del gruppo di turbocompressione. La curva caratteristica del motore sarà quindi una curva crescente con il regime di rotazione.
Il terzo caso è quello di un motore che lavora a carichi e velocità variabili, il cui funzionamento risulta essere costituito da linee a velocità e carico costanti.

Diagramma del matching del campo di funzionamento di un motore a quattro tempi turbo-sovralimentato con la mappa caratteristica del compressore. Il campo del motore è generato dalle linee a carico e velocità costanti (testo rosso), la mappa dalla linea di pompaggio e dei rendimenti (testo blu).
Diagramma del matching del campo di funzionamento di un motore a quattro tempi turbo-sovralimentato con la mappa caratteristica del compressore. Il campo del motore è generato dalle linee a carico e velocità costanti (testo rosso), la mappa dalla linea di pompaggio e dei rendimenti (testo blu).

 

Il matching richiede quindi che l’intero campo di funzionamento del motore rientri fra la linea di pompaggio del compressore e quella del minor rendimento considerato soddisfacente. Volendo avere un certo margine di sicurezza, è bene tenersi ad una certa distanza dalla linea di pompaggio e quella limite, evitando indesiderate situazioni che possono portare il compressore in pompaggio. Solitamente tale margine è costituito da un 10-20% della portata elaborata.

Il motore 1.4 litri turbo T-Jet da 160 CV per la monoposto della Formula 4 (01/2014).
Il motore 1.4 litri turbo T-Jet da 160 CV per la monoposto della Formula 4 (01/2014).

 

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