Teoria dei motori turbo per veicoli stradali

Teoria dei motori turbo per veicoli stradali

La turbo-sovralimentazione del motore termico: risposta al transitorio, scelta della giusta configurazione ed introduzione dei sistemi a geometria variabile.

Procediamo con la nostra trattazione sulla sovralimentazione del motore termico. Nei precedenti articoli, dopo aver analizzato le configurazioni di scarico a pressione costante e impulsi, sono state affrontate le problematiche legate all’accoppiamento (matching) del gruppo sovralimentatore con il motore termico, confrontando i compressori azionati meccanicamente e quelli turbo-sovralimentati. La vastità degli argomenti fa sorgere un’ovvia domanda: qual è la scelta ottimale per un motore destinato alla propulsione stradale? La risposta non è immediata, ma richiede oculate valutazioni.

Partiamo dal motore termico. Quello di un autoveicolo è continuamente soggetto a variazioni delle condizioni di esercizio che gli impongono continue variazioni nella potenza erogata: è indispensabile quindi che il motore sia pronto a fornire tali variazioni ogni volta che gli siano richieste. Si parla a tal proposito di risposta al transitorio, ovvero del tempo impiegato dal motore per raggiungere le nuove condizioni di esercizio.

Primo piano del gruppo di sovralimentazione del BMW TwinPower Turbo 3 Cilindri presentato al BMW Innovation Day di luglio 2016.

Tra i vari scenari ipotizzabili, quello più critico è l’accelerazione del veicolo da un carico ridotto a basso regime a condizioni massime di carico e velocità, situazione in cui è richiesta la massima variazione di potenza erogata. In questo caso un compressore volumetrico, essendo collegato al motore meccanicamente, segue di pari passo i giri dell’albero del veicolo e non risente di alcun ritardo. Di contro, tuttavia, il collegamento meccanico con il motore genera inevitabilmente una dissipazione di energia, oltre a future problematiche riguardanti l’usura.

Al contrario, un turbocompressore, essendo dotato di un collegamento fluidodinamico, necessita di un certo tempo per aumentare la pressione nei condotti e completarne il riempimento. Il problema si accentua nei turbodiesel, nei quali si può manifestare l’emissione di fumo allo scarico in quanto la portata d’aria non è inizialmente sufficiente a soddisfare i coefficienti stechiometrici della reazione di combustione. Il calcolo il tempo del transitorio richiede modelli analitici molto elaborati, per cui si può approssimatamene fare riferimento ad un tempo caratteristico (τ) ottenuto dal rapporto dell’energia cinetica del compressore con la potenza sviluppabile dalla turbina.

formula

Fiat Powertrain Technologies 1.4-liter in-line four cylinder turbo engine with Multiair (07/2010).
Fiat Powertrain Technologies 1.4-liter in-line four cylinder turbo engine with Multiair (01/2010).

Ne consegue che, per avere una rapida accelerazione, è necessario avere un piccolo momento d’inerzia (It), un buon trasferimento di energia dal motore alla turbina (Δhis,t) ed alti rendimenti di compressore e turbina. Il primo dipende dalle masse in gioco, quindi dal progetto dei pesi riguardanti il gruppo turbo-sovralimentatore. Il trasferimento di energia, invece, viene influenzato dal tipo di configurazione dei condotti. Un sistema ad impulsi sarà più performante rispetto ad uno a pressione costante perché, avendo condotti con volumi più piccoli, la pressione e la temperatura in turbina aumentano rapidamente.

Riuscendo ad ottimizzare il sistema ad impulsi, si ottengono buoni risultati anche ai bassi carichi, e si evitano le perdite di energia che si avrebbero con l’impiego di un compressore trascinato meccanicamente. Tale ottimizzazione deve essere necessariamente coadiuvata da un’importante diminuzione delle masse, ed in particolare di quelle che contribuiscono all’inerzia di rotazione della turbina che, ai bassi carichi, oppone forte resistenza all’accelerazione angolare del rotore verso un alto numero di giri.

Un ultimo ma rilevante parametro che interessa la turbo-sovralimentazione è l’aspect ratio (AR), ossia il rapporto tra la sezione trasversale d’ingresso dei gas esausti e il raggio medio della voluta dal centro del corpo macchina.

AR
Lo schema chiarisce le dimensioni coinvolte nel calcolo dell’AR. La A è la sezione trasversale d’ingresso dei gas esausti, mentre la B è il raggio medio della voluta dal centro del corpo macchina.

 

Il motore turbo-sovralimentato della Mercedes-Benz Classe A200 CDI equipaggiava un sistema a geometria variabile della turbina (2004).
Il motore turbo-sovralimentato della Mercedes-Benz Classe A200 CDI equipaggiava un sistema a geometria variabile della turbina (2004).

Un basso AR comporta un aumento della velocità di propagazione dei gas di scarico, cui consegue una maggiore energia cinetica disponibile al rotore. Inizialmente l’AR delle turbine utilizzate nei gruppi sovralimentatori erano a geometria fissa. Nel tempo le tecnologie si sono mosse in direzione di turbine con geometrie variabili, denominate VGT (Variabile Geometry Turbocharger), le quali hanno registrato sensibili miglioramenti alle prestazioni del gruppo sovralimentatore che, riuscendo a manipolare l’AR in funzione delle richieste del motore, riducono notevolmente la risposta la transitorio aumentandone rendimenti e performance.

L’andamento ideale del rapporto tra la portata massica entrante in turbina e il suo rapporto di pressione dovrebbe essere lineare. In un sistema a geometria fissa questo non avviene, per cui l’andamento registrato sarà di tipo parabolico.

grafico FGT

 

 

 

 

 

 

Nel prossimo articolo della nostra trattazione introdurremo i sistemi VGT per i compressori e, successivamente, per le turbine.

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