di  -  lunedì 13 settembre 2010

Riprendendo l’argomento iniziato la scorsa settimana, andiamo anche quest’oggi a parlare di sovralimentazione nei motori a combustione interna.

COMPRESSORE AD AZIONAMENTO DIRETTO: IL ROOTS

Lo scorso post si concludeva indicando le modalità di azionamento del compressore, ovvero “diretto dall’albero motore” o “a gas di scarico“, pertanto riprendendo da quel punto andiamo a vedere in cosa consistono tali modalità e quale effetto hanno nel funzionamento del motore.

La sovralimentazione mediante azionamento diretto dall’albero motore consiste nell’impiego di un compressore volumetrico collegato meccanicamente all’albero a motore, e pertanto operando ad un regime di rotazione direttamente proporzionale dello stesso.

Un grande vantaggio di questa soluzione consiste nell’immediatezza di risposta della sovralimentazione, non essendo presente alcuna causa di “turbo-lag” (termine impiegato per indicare il ritardo di risposta della sovralimentazione, tipica delle soluzioni a turbocompressore), inoltre adoperando compressori volumetrici si ha una certa “omogeneità” di funzionamento tra il motore ed il sovralimentatore, essendo il motore stesso una macchina volumetrica.

Lo svantaggio della soluzione meccanica è costituito dall’assorbimento di potenza del compressore, potenza che viene sottratta per l’appunto direttamente dall’albero motore e quindi nel computo totale se ne deve tenere conto.

Tale soluzione non viene impiegata largamente dalle case costruttrici, anche se non mancano vetture dotate di compressore volumetrico, e due esempi commerciali tra tutti sono rappresentato dal “kompressorMercedes e dalle soluzioni adottate dalla Lotus.

Come già detto possono venire impiegati compressori “tipo Roots” oppure di tipo “a vite“, anche se la soluzione in genere impiegata consiste nel primo dei due:

Compressore Roots

La particolarità del compressore Roots è quella di non operare direttamente la compressione del fluido, operando bensì una semplice traslazione del fluido, mentre la compressione avviene in quanto il fluido viene “forzato” nell’ambiente a maggiore pressione dall’azione delle palette senza potere rifluire verso l’ambiente a bassa pressione.

Particolare dei lobi

Direzione del flusso

Il numero di lobi può variare, anche se solitamente si impiega una costruzione a due o tre lobi, e questi possono avere un’estensione in profondità secondo un “profilo avvolto“, frutto dello sviluppo del Roots ad opera della Eaton, che ha portato all’impiego di 3 lobi a 120° per ogni girante al posto dei canonici 2 disposti a 180°, oltre che del già menzionato “avvolgimento” dei rotori.

Una caratteristica molto importante del compressore Roots è la sua capacità di fornire una portata di aria linearmente crescente con la velocità di rotazione del motore, inoltre la costruzione relativamente semplice (essendo costituito da poche parti in movimento, anche se realizzate con grande precisione superficiale)  lo rende un dispositivo estremamente affidabile, ma tra le caratteristiche negative è importante evidenziare un crollo del rendimento al crescere della velocità di rotazione che spesso rappresenta un limite alla sua adozione.

Un tipico andamento del rendimento di un compressore Roots è il seguente:

Come si può chiaramente notare dal diagramma, fissando la velocità di rotazione del motore, si evidenzia come al crescere del rapporto tra le pressioni di ingresso ed uscita del Roots (muovendosi quindi verticalmente) il rendimento si riduca in maniera sensibile, ed analoghe considerazioni possono venire svolte per quanto riguarda la variazione del rendimento con la velocità di rotazione, pertanto fissando un rapporto tra le pressioni e muovendosi in orizzontale si sperimenta un analogo crollo di efficienza.

Per quest’oggi è tutto, con la sovralimentazione proseguiremo nei prossimi post, andando ad esaminare le altre soluzioni.

L’appuntamento è come di consueto rinnovato a lunedì prossimo, sempre con la rubrica Energia e Futuro, sempre su AppuntiDigitali.

23 Commenti »

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  • # 1
    Andrea
     scrive: 

    Mi sa che nel penultimo disegno, che ritrae il compressore Roots, avete sbagliato la direzione del flusso in relazione alla rotazione dei lobi :D

    Bell’articolo.

  • # 2
    Andrea
     scrive: 

    …no, invece è giusta :D Errore mio.

  • # 3
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ Andrea

    Il flusso passa nelle sacche laterali (gli spazi tra lobi e pareti laterali), non lungo l’asse del condotto (che risulta in realtà privo di zone di passaggio, anche se nel disegno c’è un certo spazio)… era una domanda “trabocchetto” che ci faceva sempre il professore di macchine e sbagliavamo tutti ;-)

  • # 4
    alessiodp
     scrive: 

    con il contagocce sono questi articoli…a mio giudizio…2 post erano piu’ che sufficenti per la sovra alimentazione nei motori a scoppio…

  • # 5
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ alessiodp

    Questione di scelte… volendo si poteva mettere tutto su uno, oppure su dieci… dipende da quanto spazio si vuole dare ad ogni tecnologia… ma visto che devo ancora parlare dei turbocompressore (e vorrei addentrarmi un po’) e del comprex, oltre che di sistemi “naturali”, concentrare tutto in due articoli mi sembrava limitante…

  • # 6
    marcy1987
     scrive: 

    ero pronto a “divorare” questo articolo, e invece.. è solo un articoletto!

    Aspetto con ansia la prossima puntata, sarebbe interessante anche qualche approfondimento sull’ottimizzazione dei sistemi di sovralimentazione (elettronica, geometria variabile)

  • # 7
    nicola.caldera
     scrive: 

    Apprezzo moltissimo questi articoli, però mi piacerebbero ancora più approfonditi, con l’aggiunta di immagini (caricabili a parte più grandi) non come il grafico che non son riuscito a leggere gli assi.
    Poi curiosità sui vari tipi di compressori, ad esempio il Compressore Roots da chi stato inventato, mi pare sia stato utilizzato anche su uno scooter.
    Va meglio per i diesel che funzionano a bassi numeri di giri o per i benzina?
    Insomma un articolo bello succulento :)
    Comunque complimentissimi!

  • # 8
    aceto876
     scrive: 

    In realtà la potenza di trascinamento del compressore non è del tutto persa. Visto che l’aspirazione avviene a pressione maggiore di quella di scarico, il ciclo di pompaggio del fluido genera un lavoro positivo sui pistoni e quindi PARTE della potenza di trascinamento spesa viene restituita.
    I turbocompressori, specie in accordatura bassa col motore (come avviene nei motori di serie o in quelli da rally), invece determinano in genere un ciclo di pompaggio negativo. Quindi da questa prospettiva sottraggono in qualche modo potenza ai pistoni. Chiaramente il turbocompressore risulta comunque favorito in termini di rendimento complessivo del motore.

    La migliore situazione in assoluto c’era nei motori turbo di Formula uno.In accordatura alta erano in grado di sfruttare così bene il salto entalpico della turbina, che la pressione di mandata risultava maggiore della contropressione allo scarico. Quindi lavoro di pompaggio positivo e nessuna potenza sottratta all’albero per il trascinamento. Il risultato erano consumi specifici sbalorditivi!

    PS: sta roba l’avevo già scritta da qualche parte, ma non ricordo…

  • # 9
    Roberto
     scrive: 

    @aceto876

    Già un compressore di digitale ha ben poco… tu vuoi addirittura un trattato? :D

  • # 10
    Matador
     scrive: 

    Questi articoli sono troppo buoni ma troppo pochi! si sa che la qualità prevale sulla quantità…

    Tornando all’articolo, sono curioso di sapere le soluzioni adottate per ridurre il turbo-lag…dio quanto oddio il turbo-lag…
    La mia macchina personale è una punto sporting mkII 1.2 16v e quella aziendale una panda van multijet 1.3. Beh anche se spinge molto il multijet (colpa della panda van molto leggera) spesso me la prendo col turbo che va a nanna e po si sveglia…una seccatura, mentre con la punto scatta subito e a lungo.

    Grazie a questi articoli che mi hanno svelato (e sveleranno) i segreti di questi motori che ho la fortuna di “assaggiare” ogni giorno passando dall’uno all’altro ;)

  • # 11
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ marcy1987

    E’ sempre un problema coniugare il poco spazio di un post con le molte (forse troppe) cose da scrivere… ed il rischio è sempre quello di scrivere cose troppo tecniche che sarebbero leggibili solo dagli addetti ai lavori… comunque sulla sovralimentazione ci saranno credo due puntate ulteriori, poi continueremo sui motori… e ci saranno cose molto interessanti quando illustrerò le “frontiere” della ricerca attuale…

    @ nicola.coladera

    credevo che l’immagine sarebbe stata apribile a maggiore risoluzione… non ho verificato… gli assi sono (x,y): velocità di rotazione – salto di pressione nel compressore

    @ aceto876

    Hai perfettamente ragione sul discorso del lavoro di pompaggio, così come il turbo non è assolutamente “trasparente” al motore, bensì genera una contropressione allo scarico che influenza, eccome, il motore… ma sull’accordo in alto delle vecchie F1 (sino al 1988 compreso) bisogna ricordare che si era in presenza di un turbolag notevole che influenzava la guida nei tratti lenti

    @ Matador

    Purtroppo più di uno a settimana non posso garantirne, lavoro (proprio sui motori ;-) ) ed è capitato qualche volta di saltare l’appuntamento settimanale… sul turbolag della panda ti confermo che lo ho sperimentato sulla punto classic con lo stesso motore, secondo me si tratta di qualche problema della turbina a geometria fissa che è stata ottimizzata ai medi regimi… bisognerebbe provare la versione a geometria variabile

  • # 12
    Andrea
     scrive: 

    @ Simone Serra:
    si hai ragione :D grazie!

    Bell’articolo ancora ;)

  • # 13
    lucusta
     scrive: 

    @ Matador (e simone), sui diesel eco la loro pigrizia di risposta non e’ data esclusivamente dal turbolag…
    in effetti e’ centralina che “frena” l’immissione di carburante per evitare le spiacevoli fumate nere (capaci di tappare un ERG in poco tempo). E’ vero che i diesel vanno in eccesso di arria, ma quei motori sono concepiti per un sovrabbondante eccesso di aria ad alta pressione; senza questa condizione la loro pur efficente micronebulizzazione serve comunque a poco; e’ per questo che si usano piccole turbine o a geometria variabile, non solo per il lag, ma soprattutto per “fumare meno”, soprattutto nelle piccole cilindrate, usate prevalentemente in ambito urbano con continui start&stop.
    oltretutto sono concepiti per auto parche, quindi con ritmi di ripresa molto lunghi (dati da rapporti concettualmente lungi, pur essendo motori che girano poco).

  • # 14
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ lucusta

    Purtroppo la “fumata nera” dei Diesel è dovuta alla combustione diffusiva… caratteristica intrinseca di questo tipo di motori che di fatto, “funzionano così”.
    In fase di accelerazione la miscela viene arricchita in maniera notevole, e pertanto la fumosità è parecchio evidente, che poi la centralina intervenga per limitare questo arricchimento, influenzando di conseguenza l’accelerazione, è frutto della necessità di consentire un giusto equilibrio tra accelerazioni e consumi/emissioni/condizioni di aderenza (i diesel, in virtù della notevole coppia, possono risentire facilmente di fenomeni di pattinamento delle ruote motrici).
    Per quanto riguarda la faccenda “turbina a geometria variabile” p importante evidenziare (ma ne parlerò nel prossimo post sui turbocompressori) che la geometria variabile permette alla turbina di operare con un flusso abbastanza ben indirizzato verso la girante al variare del carico (e quindi della velocità dei gas e di conseguenza dei triangoli di velocità), mentre una assenza di tale sistema influenza in maniera più o meno sensibile il funzionamento della turbina (e conseguentemente del compressore ad esso rigidamente calettato) con eventuali effetti di turbolag (molto dipende da come si accoppiano motore e sovralimentatore), ma anche di “minore elasticità” del motore…

  • # 15
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ NOTA DI SERVIZIO

    Dimenticavo… sarò assente per un convegno quasi tutta la settimana, potrò rispondere solo se avrò a disposizione una connessione internet in hotel, altrimenti leggerò i commenti al mio ritorno nel fine settimana

  • # 16
    Stefano
     scrive: 

    Bell’articolo, ma non valeva la pena,per quanto riguarda il compressore volumetrico,citare l’italianissima Lancia Delta S4 che accoppiando il volumetrico volumex al turbo tradizionale ha ovviato ai difetti reciproci dei due turbo,sbaragliando le avversarie nel mitico Gruppo B,tutto questo già vent’anni fa, invece di parlare del Kaiser Kompressor?
    Ciao Grazie.

  • # 17
    Anonymous
     scrive: 

    Anche io guido spesso una Punto Van e soprattutto una Grande Punto col MultiJet 1.3 (69 e 75CV rispettivamente) e confermo il turbo-lag ai bassi regimi, sotto i 1700 giri. Invece, curiosamente, la Grande Punto con lo stesso motore da 90CV e turbina a geometria variabile a detta di chi l’ha guidata è ancora peggio da questo punto di vista! Addirittura sotto i 2000 giri viene definita “morta”.
    Invece pare che la versione migliore per quanto riguarda la famigliola MultiJet 1.3 sia quella da 95CV turbina a geometria variabile montata sulle 5oo.

  • # 18
    Matador
     scrive: 

    Scusate, forse mi ero spiegato male nel mio ultimo commento (#10), ma la mia punto sporting è benzina ed è proprio per questo che dicevo che vedo (e sento) benissimo la differenza tra le reazioni del benzina (basso regime/riprese) in confronto col turbodiesel.
    E devo dire che sono curiosissimo nel sapere come si comporta un turbo-benzina…spero scoprirlo nei prossimi articoli ^^

  • # 19
    Cael
     scrive: 

    @Anonymous

    Ho una grande punto 90cv e confermo il buco sotto i 1700rpm. Ma ti posso dire che la colpa è da attribuire all’accoppiamento con il cambio 6 marce ed una pessima gestione della centralina. Molti hanno rimappato la centralina ed hanno un’auto che consuma meno e non presenta il buco. La stessa auto in Francia e Spagna è stata venduta con cambio 5 marce che non presenta il problema. Sulla Evo hanno tolto il 6 marce per rimettendo il 5 con grande beneficio per tutti, a cominciare dai consumi.

  • # 20
    Anonymous
     scrive: 

    Anche il 75CV vanta ottime prestazioni in fatto di centralina rivisitata, io non mi ci sono cimentato per paura di rivalsa dell’assicurazione in caso di incidente grave (si sa mai). La 75CV ha il cambio M510 a 5 marce però è più votata al piccolo cabotaggio semiurbano perchè superati i 90km/h e i 2000 giri chiama anche lei una sesta marcia di riposo :)

  • # 21
    Nip
     scrive: 

    @Stefano

    Vado a memoria ma mi pare che la Delta S4 non sbaragliò nessuno, non vincendo nessuno dei 2 campionati del mondo Rally a cui partecipò, piazzandosi dietro alla Peugeot 205 Turbo 16, anche se vinse molte gare
    Poi le gruppo B furono messe al bando e le Delta “4WD” e “Integrali” varie del gruppo A vinsero a mani basse per anni e anni… ma queste erano derivate da quelle di serie e non avevano il volumetrico.

  • # 22
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ Stefano

    Della Delta S4, vista la duplice presenza di un volumetrico e di un turbocompressore, ho evitato di parlarne… ma dopo la presentazione sui turbocompressori sarà ovviamente argomento di interesse la soluzione composita…

  • # 23
    sbaffo
     scrive: 

    per Simone Serra:
    nel prossimo articolo sui turbo a gas di scarico potresti accennare alla recente tendenza verso i turbo ‘soft’ per i benzina, alcuni legati al downsizing, e spiegare perchè comunque i turbo benzina ora cosumano poco mentre 10 anni fa consumavano uno sproposito: mi ricordo le varie delta, cosworth e subaru facevano 5km/l. Se dipende dai nuovi turbo o piuttosto dall’iniezione diretta o altro… ecc…

    Grazie e aspetto con impazienza.

    Non aver paura a scendere in tecnicismi, al massimo non li capiamo :)

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