di  -  lunedì 20 settembre 2010

Proseguendo sul tema sviluppato nelle precedenti due puntate (1, 2), andremo oggi a parlare sempre di sovralimentazione, ed in particolare di Turbo-Sovralimentazione.

QUANDO IL COMPRESSORE INCONTRA LA TURBINA

La sovralimentazione mediante turbocompressore nasce dall’idea di sfruttare l’energia residua contenuta nei gas combusti allo scarico, altrimenti perduta e dissipata nell’ambiente.

Questa energia è dovuta all’incompleta espansione dei gas combusti all’interno del cilindro, “incompletezza” indesiderata ma necessaria per permettere di ridurre il lavoro di pompaggio, infatti, se i gas combusti espandessero completamente (fino alla pressione atmosferica) all’interno del cilindro, nella fase di scarico non si avrebbe uno scarico spontaneo dovuto alla differenza di pressione tra cilindro ed ambiente esterno (atmosferica) e tutto il lavoro necessario per questa fase dovrebbe venire fornito dal pistone durante la fase di risalita, lavoro che con una parte di scarico spontaneo viene ridotto.

Dal diagramma di funzionamento di un motore (in questo caso a ciclo Otto, ma è analogo per il ciclo Diesel) è possibile individuare questa “energia residua”:

Proseguendo idealmente le curve 1-2 e 3-4 sulla destra fino al loro congiungimento. si individua nell’area racchiusa tra di esse e la curva 4-1 il lavoro ancora estraibile dall’espansione dei gas combusti.

E’ importante evidenziare come questo diagramma sia esclusivamente ideale, ma anche nel “diagramma indicato” del motore (ovvero quello reale) sia sempre presente (anche se meno distinguibile per via grafica) una quota di lavoro perduto allo scarico, inoltre questi diagrammi non sono rappresentativi di tutti i regimi di funzionamento del motore, bensì si ha un diagramma per ogni valore del carico con differenze tra di essi più o meno rilevanti, anche ai fini della quantità di energia estraibile dai gas di scarico.

Lo sfruttamento di questa energia avviene come già detto installando una turbina e collegando rigidamente ad essa la macchina che andrà poi a svolgere il lavoro di compressione dell’aria, ovvero un compressore (che in questo caso sarà di tipo dinamico).

Lo schema di un motore sovralimentato mediante turbocompressore è rappresentato nella seguente figura:

Come evidente dall’immagine, i gas combusti percorrono un condotto (nella realtà piuttosto breve) fino ad incontrare una turbina (di tipo radiale) che, messa in movimento grazie all’energia residua dei gas di scarico permette di azionare il compressore (anch’esso radiale) attraverso una connessione rigida.

I due flussi (aria e gas di scarico) sono tenuti separati su due condotti differenti in quanto le due macchine costituenti il turbocompressore sono racchiuse da due casse a forma di coclea separate fluidodinamicamente.

L’impiego di turbomacchine radiali è dovuto alla necessità di ottenere rapporti di espansione/compressione (rispettivamente per turbina e compressore) abbastanza elevati in rapporto alle dimensioni che il turbocompressore può assumere ed in rapporto anche alle portate non elevate in gioco in un motore.

CARATTERISTICHE DELLA TURBOSOVRALIMENTAZIONE

La sovralimentazione mediante turbocompressore rappresenta apparentemente la soluzione migliore rispetto alla soluzione volumetrica presentata lunedì scorso, infatti la possibilità di recuperare dell’energia che altrimenti sarebbe stata perduta con l’espulsione dei gas combusti induce a pensare che il “peso energetico” del turbocompressore sia nullo, in quanto non gravi sull’energia fornita dal motore, ma nella realtà le cose sono un po’ differenti.

Un primo problema risiede nell’effetto “tappo” che la turbina e quanto ad essa collegato generano sul condotto di scarico, infatti il turbocompressore porta ad avere una contropressione allo scarico che influenza il motore in maniera non trascurabile.

Un secondo problema rappresenta la difficoltà di “accoppiamento” tra il sovralimentatore ed il motore, in quanto si tratta di accoppiare una macchina dinamica, caratterizzata da condizioni di funzionamento tipiche di queste macchine, con una macchina volumetrica quale è il motore, e su questo aspetto si sviluppano differenti soluzioni in base alle necessità di ottimizzazione del funzionamento dell’insieme motore-sovralimentatore.

La turbosovralimentazione segue due schemi tipici, in base alla modalità di collegamento tra motore e turbina, e si parla di:

  • Sovralimentazione a Pressione Costante
  • Sovralimentazione ad Impulsi

La sovralimentazione a Pressione Costante si ottiene collegando il turbocompressore al motore mediante un collettore di scarico di dimensioni “generose”, capace perciò di smorzare gli impulsi ad alta pressione tipici dello scarico di un motore permettendo alla turbina di operare in condizione maggiormente stazionarie, anche se con livelli di pressione inferiori.

Con questo sistema si privilegia l’efficienza della turbina a scapito delle pure prestazioni, ed è ovviamente il sistema adottato in ambito stradale.

La sovralimentazione ad Impulsi prevede invece un collegamento privo di un grosso collettore, ed in questo modo la turbina si trova ad operare in condizioni maggiormente instazionarie risentendo dei singoli impulsi forniti dallo scarico, ma permette di operare a livelli di pressione più elevati.

Questa soluzione è stata largamente impiegata nel settore sportivo, dove la pura prestazione (anche a scapito della bontà di erogazione della potenza) rappresenta il parametro più importante.

A titolo di esempio i motori di Formula1 degli anni ’80 erano capaci con soli 1500cc di cilindrata di sviluppare potenze dell’ordine dei 1200cv, ma erano anche caratterizzati da una scarsa qualità nell’erogazione.

Un fenomeno tipico della turbosovralimentazione è il cosiddetto Turbo-Lag, ovvero il ritardo nella risposta del sovralimentatore in presenza di una richiesta sul pedale del gas, fenomeno fortemente presente nelle vetture di Formula1 di cui si è accennato, ma oggi fortemente ridotto in virtù sia del progresso nei turbocompressori, sia della mutata esigenza dei motori moderni.

Nella concezione moderna della turbosovralimentazione si tende ad impiegare piccole unità con lo scopo di consentire un downsizing dei motori a parità di potenza, e per fare ciò si punta ad impiegare macchine capaci di fornire rapidamente un contributo, ma ovviamente, per motivi di taglia, al crescere del carico richiesto si presenta la necessità di bypassare parte dei gas di scarico eccedenti la portata nominale della turbina direttamente allo scarico.

Tale bypass è tanto maggiore quanto inferiore è la taglia della turbina, e la scelta di questa è frutto del compromesso tra prestazioni e bontà di erogazione della potenza, pertanto quando si impiegano piccoli turbocompressori si parla anche di Turbo-Soft, ovvero di motori turbocompressi non eccessivamente spinti.

Ina soluzione impiegata per migliorare le prestazioni ed il rendimento del turbocompressore consiste nell’impiego di una turbina a geometria variabile.

La turbina a geometria variabile in realtà presenta solamente lo statore a geometria variabile, in quanto una macchina radiale presenta delle difficoltà notevole nel rendere possibile una variazione della geometria della palettatura rotorica, ma l’adozione del solo statore variabile rappresenta comunque un miglioramento consistente in quanto, al variare del carico e quindi della velocità dei gas di scarico che evolvono in turbina, si ha la variazione del triangolo di velocità all’ingresso della stessa, con conseguente calo di rendimento della turbina.

Lo statore a geometria variabile consente di indirizzare il flusso al meglio consentendo quindi una maggiore efficienza ed una maggiore regolabilità della sovralimentazione:

Principio di funzionamento

Per quest’oggi è tutto, ci vediamo lunedì prossimo con l’ultima parte sulla sovralimentazione, sempre su AppuntiDigitali, sempre con la rubrica Energia e Futuro.

24 Commenti »

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  • # 1
    Luca
     scrive: 

    Interessanti sono i nuovi motori a doppia turbina che risolvono i problemi del turbo-lag e fornisco ottime prestazioni

  • # 2
    Al
     scrive: 

    Puntualizzo solo la questione posta all’inizio dell’articolo relativa alla non completa espansione dei gas.

    In realtà il lavoro perso non è dovuto all’incompleta espansione dei gas che in parte c’è ma non è voluta; essa è dovuta la fatto che la valvola di scarico ha un tempo di apertura e, giocoforza, deve aprirsi con un certo anticipo.
    Il grosso dell’energia sprecata è dovuta al fatto che, in un 4 tempi, il pistone deve compiere una corsa completa per lo scarico dei gas; la turbina infatti non sfrutta direttamente l’espansione dei gas quanto la loro energia cinetica.

    Speciale è invece il caso dei motori sportivi: in questo caso la pressione di sovralimentazione deve essere elevata e vi è un netto anticipo dell’apertura della valvola di scarico; in questo caso i gas sono volutamente inespansi in quanto devono fornire ulteriore energia alla turbina che, diversamente, non permetterebbe di raggiungere la pressione di sovralimentazione desiderata.
    Ovviamente a fare le spese di questa scelta è il rendimento del ciclo.

    Viceversa, se si permette ai gas di espandersi nel cilindro, il rendimento del ciclo migliora, ed in taluni casi si riducino leggermente i consumi; naturalmente la pressione di sovralimentazione è limitata cosi come l’aumento di potenza del motore.

  • # 3
    Marco
     scrive: 

    Infatti, mi autocito dalla prima puntata ;-)
    “nel caso del turbo si recupera in parte l’energia cinetica dei gas di scarico”.

    Per lo stesso motivo (e altri vantaggi, fra cui la già citata possibilità di aumentare il rapporto di compressione grazie alla camera di scoppio più piccola a parità di cilindrata) si tende ad affiancare il turbo a motori a corsa lunga per ottenere ulteriori incrementi sul fronte dell’efficienza.

  • # 4
    Riky
     scrive: 

    si tende ad affiancare il turbo a motori a corsa lunga per ottenere ulteriori incrementi sul fronte dell’efficienza.

    ovvero: Fiat 1.4 T-Jet o Multiair :-)

  • # 5
    ares17
     scrive: 

    Piccola puntualizzazione sui motori turbo delle F1 anni 80:
    Vero si dei 1200cv (in versione qualifica anche qualcosa in più) su motori 1500cc ma hai dimentico di specificare che il carburante non era di fatto benzina (solo nel nome), raggiungendo un peso specifico di quasi 3 kg/litro contro i 0,87 kg/litro della vera benzina.

  • # 6
    Anonymous
     scrive: 

    Nell’ultima puntata propongo un piccolo accenno ai turbocompound per noi nostalgici dei grossi motori aeronautici!
    Una serie di articoli molto interessanti, grazie.

  • # 7
    Mario
     scrive: 

    perché non usare l’energia residua dei gas di scarico per generare elettricità in abbinamento a un motore ibrido ? in questo modo si risolverebbe anche il problema dell’accoppiamento di una macchina dinamica con una volumetrica…

  • # 8
    lain
     scrive: 

    le vecchie macchine da rally del gruppo B come la 205T16(la mia preferita) o la delta integrale usavano la doppia sovralimentazione volumetrico+turbo per eliminare ogni tipo di problema con l’erogazione, anche se rimaneva ancora molto brutale perchè il compressore portava il turbo a spingere ancora più forte! anche se non arrivavno a potenze di 1200 CV quei motori erano grandiosi! una delta integrale ha corso le qualifiche del gran prix dell’esoril dove nonostante “solo” metà della potenza si sarebbe qualificata al sesto posto in griglia “http://www.eracemotorblog.it/2008/09/29/history-rally-toivonen-e-il-mistero-dellestoril.html”
    e anche dopo l’abbolizione del groppo b la t16 e la integrale correvano la pikes peak! io personalmente adoro i motori turbo, ma mi affascina anche il mondo degli aspirati come il V-TEC della honda, sarebbe il massimo combinare i due sistemi con il massimo dell’affidabilità!

  • # 9
    Simone (Autore del post)
     scrive: 

    @ Mario

    Questione di pesi

  • # 10
    Al
     scrive: 

    @ mario
    @ Simone

    La proposta è carina, ma la questione dei pesi è corretta ed ai pesi aggiungerei gli ingombri.

    Di energia elettrica dalla turbina non ne ricavi molto, mentre se usi questa energia per sovralimentare il motore ottieni molta più potenza e il motore può rimanere piccolo e leggero.

    La questione pesi ed ingombri è infatti importante in una ibrida, tanto più perchè deve imbarcarsi anche le batterie.

    Rovesciando la proposta di Mario esistono invece turbocompressori dotati di motore elettrico che tiene alto il regime del turbo quando il motore gira lento; ciò riduce il ‘turbo-lag’ e permette di ottenere una coppia maggiore ai bassi regimi.

  • # 11
    Nip
     scrive: 

    @lain

    delle gruppo B la Delta S4 fu l’unica ad usare la doppia sovralimentazione Turbo + volumetrico; tra l’altro l’aria passava prima nel turbo e poi nel volumetrico, con delle valvole e dei condotti (non li chiamo manicotti perchè erano in lega leggera, e belli spessi!) che quando il turbo era a pieno regime “saltavano” il volumetrico, che avrebbe fatto solo da tappo.
    le Delta “integrali” non avevano il volumetrico ed erano gruppo A, quindi derivate di serie con scocca in lamiera e tutto il resto, molto meno performanti, più pesanti, (e anche più piccole!) delle Gruppo B.
    La peugeot 205 T16 aveva solo il turbo.

  • # 12
    lucusta
     scrive: 

    #Al:
    “Viceversa, se si permette ai gas di espandersi nel cilindro, il rendimento del ciclo migliora, ed in taluni casi si riducino leggermente i consumi; naturalmente la pressione di sovralimentazione è limitata cosi come l’aumento di potenza del motore.”
    si chiamano cicli Miller ed Atckinson (un ciclo misto tra’ i due e’ sulla prius).

    # Marco:
    “Per lo stesso motivo (e altri vantaggi, fra cui la già citata possibilità di aumentare il rapporto di compressione grazie alla camera di scoppio più piccola a parità di cilindrata) si tende ad affiancare il turbo a motori a corsa lunga per ottenere ulteriori incrementi sul fronte dell’efficienza.”

    espressa cosi’ e’ un po’ forviante… si tende ad utilizzare una corsa lunga perche’ grazie alla sovrlaimentazione le sezioni di passaggio delle valvole passano in secondo piano (basta aumentare la pressione), si ottengono cosi’ valvole piu’ piccole, e quindi cinematica di distribuzione piu’ “leggera e parca”, ma soprattutto al fatto che le temperature di combustione sono piu’ elevate (o meglio, c’e’ un raffreddamento minore), e i pistoni devono essere piu’ robusti (sullo scarico si puo’ arrivare ad oltre 900°C, e sul pistone siamo ben oltre ai 700° di un motore aspirato); alesaggi elevati porterebbero a pesi consistenti; in piu’ la “corsa lunga” diminuisce gli atriti dovuti alle forze di ribaltamento del pistone, migliora la lubbrificazione, migliora l’angolo di spinta della biella… alla fine dei conti si usa solitamente questa impostazione, anche se costa parecchio in termini di peso.

    #Riky:
    il M-jet e’ invece a “corsa lunga” perche’ e’ un “modulare”, ossia una famiglia di motori che con diverse cilindrate cerca di sfruttare gli stessi organi meccanici; ed e’ piu’ economico rifare un albero e le bielle piuttosto che una testa e i suoi collettori.

    #Mario:
    “perché non usare l’energia residua dei gas di scarico per generare elettricità in abbinamento a un motore ibrido ? in questo modo si risolverebbe anche il problema dell’accoppiamento di una macchina dinamica con una volumetrica…”

    …prossimamente sulle vostre auto.
    il solo problema e’ che non esistono in commercio motori elettrici di potenza capaci di stare dietro ad una turbina, anche se nel passato Siemens ne ha prodotto qualche prototipo (100.000 giri e oltre 200KW); oggi ci sta’ provando Ricardo con il CPT (siamo sui 4,5KW per un turbo-generatore di supporto, ossia un generatore che manda in wastegate la maggior parte del flusso).
    in futuro e’ probabile che ci siano diversi turbo-generatori, e che l’eventuale sovralimentazione sia ad opera di piu’ efficenti compressori a loby mossi da motori elettrici.

    la proposta di Al e’ invece poco proficua da punto di vista dell’efficenza, anche perche’ l’energia residua che puo’ sfruttare un turbocompressore e’ nell’ordine del 20% a pieno carico, e puo’ essere anche superiore nei carichi intermedi; di questa solo una parte e’ usata ,sulle auto “civili”, per la turbina… il reso e’…fumo.
    ricordo che il rendimento massimo di una turbina cosi’ piccola e’ si e no del 33%, mentre quello di un compressore si e no del 30%. calcolando il lavoro di compressione si puo’ facilmente risalire alla potenza sfruttata da una turbina, potenza residua dei gas di scarico, ed e’ impressionante notare che si puo’ aggira su 1/3 di quella prodotta dal motore endotermico sovralimentato, o per meglio dire il 25% del lavoro viene utilizzato per comprimere l’aria; rimetere in circolo quell’energia davebbe indubbi vantaggi.

    mi associo ad Anonymous per la trattazione dei turbocompound, usati anche sulle motorizzazioni terrestri (Scania), e che probabilmente verranno rivisitati per via degli ibridi plug-in, in cui il motore endotermico viene utilizzato esclusivamente come generatore di corrente e non per trazione; in questa applicazione il turbocompound risolverebbe uno dei suoi svantaggi maggiori, ossia il fatto di dover essere trattabile su un arco di regimi troppo vasto, mentre come generatore starebbe esclusivamente a regime costante e carico variabile, facendo rendere la turbina al meglio.

    #lain
    come dice l’articolo, il sospetto e’ che non fosse una S4 ma una EVC, con testa triflux e doppio turbocompressore, in cui si abbandono il volumex (evoluzione di S4 mai entrata in competizione per l’abolizione del gruppo B).

  • # 13
    arkanoid
     scrive: 

    Ero convinto che il volumex avesse corso! Quella macchina (il volumex) è l’esempio di come una soluzione tecnologica funzioni a prescindere dalla sua apparente assurdità agli occhi di un profano.

  • # 14
    Marco
     scrive: 

    @locusta

    In primis grazie per le splendide precisazioni, mi rimane anche qualche dubbio:

    “grazie alla sovrlaimentazione le sezioni di passaggio delle valvole passano in secondo piano (basta aumentare la pressione), si ottengono cosi’ valvole piu’ piccole, e quindi cinematica di distribuzione piu’ “leggera e parca””

    Ma col turbo non servono molle più resistenti e verosimilmente valvole più pesanti (viste le sollecitazioni maggiori)? Non si scontra con una cinematica “leggera”?

    “ma soprattutto al fatto che le temperature di combustione sono piu’ elevate”

    Come sopra… mi aspetto che per dissipare meglio il calore sarebbero auspicabili valvole e cielo pistone/camera di combustione più ampio.

    Altra osservazione: una corsa lunga (e cilindrata unitaria abbondante) limita il range di regime del motore, quindi compressore e turbina lavoreranno sicuramente più vicini alla massima efficienza.

    Marco

  • # 15
    speen
     scrive: 

    Ottimo articolo e commenti molto interessanti, una domanda: che mi dite del multi-air della fiat e di nuovi motori a benzina che hanno del miracoloso (si parla di oltre 25km/l) come sono riusciti a ottenere una efficienza simile e soprattutto perchè proprio adesso? Veramente non si poteva sviluppare una tecnologia simile 10 o 15 anni fa (chi ha detto complotto delle multinazionali del petrolio?;) alla fin fin si tratta pur sempre di macchine meccaniche sono un accrocchio di ingranaggi lubrificati in cui dentro devono avvenire piccole eslosioni controllate…

  • # 16
    Simone (Autore del post)
     scrive: 

    @ speen

    Grazie per i complimenti…

    Il discorso sul multiair è un po’ particolare… di fatto non si tratta di nulla di incredibile… la caratteristica principale è l’assenza (anche se non è proprio così) della valvola a farfalla per la regolazione del carico, che viene regolato agendo direttamente sulla legge di alzata delle valvole… eliminando una ostruzione (visto che la seconda, quella delle valvole, ci deve essere comunque) si è migliorata l’efficienza del motore… poi nella realtà la valvola a farfalla rimane ma ha un funzionamento svincolato dal gas.
    Questo sistema si trovava già nel Valvetronic di BMW, sicuramente metterlo a punto non è stato facile… ma pensare ai complotti è fuori luogo

  • # 17
    Simone (Autore del post)
     scrive: 

    @ speen

    Dimenticavo… quando le norme impongono certi livelli di emissione, anche le case costruttrici si attivano ed allora spendono per quello che prima sarebbe stato troppo costoso… perché ora è divenuto necessario…

  • # 18
    Nip
     scrive: 

    certo che in Fiat sono strani… hanno una gamma prodotto con dei buchi enormi (non hanno neanche un vera station wagon) e invece di colmarli vanno a spendere una barca di soldi per sviluppare tecnologie di cui sono gli ultimi ad aver bisogno (Fiat, grazie anche al fatto che vende soprattutto vetture piccole, ha la media di emissioni per vettura venduta più bassa tra tutti i produttori di auto).

  • # 19
    lucusta
     scrive: 

    #Marco
    Ma col turbo non servono molle più resistenti e verosimilmente valvole più pesanti (viste le sollecitazioni maggiori)? Non si scontra con una cinematica “leggera”?

    le molle sono solo per il richiamo della valvola, e ti assicuro che la loro forza e’ decisamente elevata in rapporto alla pressione di una “normale” sovralimentazione (difficile che un motore stradale superi 1,8bar), ecco perche’ nell’elaborazioni delle turbo difficilmente poi si ritocca anche la distribuzione.

    raddoppiare il peso della valvola (ossia aumentare la sua superficie di passaggio ben piu’ del doppio) porta ad un aumento dello sforzo pari al quadrato (e quindi molle ben piu’ forti)… si parla di accellerazioni, piu’ aumenti il peso piu’ la forza che devi applicare e’ maggiore, se vuoi farlo nello stesso tempo;
    diversamente la pressione e’ l’inverso di un quadrato, ossia Kg su cm^2, quindi aumentando il “peso della pressione” su dorso di una valvola non comporta un aumento quadratico della resistenza della molla, ma l’inverso di un quadratico.

    se prendi un diametro 30 avrai una superficie di 706;
    se prendi un diametro 20 avrai una superficie 314;
    il rapporto tra’ le superfici e’ di 2.25, quindi per avere una portata uguale dovrai aumentare la pressione di tale valore;
    se applichi una forza di 100 sul diametro di 30 avrai un fattore di 0.14;
    se applichi 100×2.25=225 su una superficie 314 avrai 0.71;
    il rapporto tra’ il primo ed il secondo e’ di 5.11 volte, ossia avrai una pressione di 5.11 volte maggiore (in effetti non e’ proprio cosi’, in quanto hai dei gradienti di pressione in un arco temporale ristretto, ma e’ solo per fare un esempio), in proporzione ad un aumento di pressione di 2.25.
    il punto e’ che una valvola diametro 30 serve un cilindro di 100, ma una valvola di diametro 20 serve un cilindro decisamente piu’ piccolo, proporzionalmente di 2/3, come diametro, e quindi avrai una cilindrata sicuramente inferiore (a parita’ di prestazioni), od una corsa lunghissima (a parita’ di cilindrata).
    nell’esempio otterresti un motore che a parita’ di prestazioni avrebbe una corsa pari a piu’ del doppio rispetto al primo, il che porta ad una diminuzione sensibile dei giri motore, il che porta ad una perdita di potenza decisamente inferiore rispetto al primo, sia perche’ le valvole pesano meno, sia perche’ girano meno, se invece avesse una cilindrata sensibilmente piu’ bassa avresti magari gli stessi giri, ma il lavoro delle facie e’ su una superfice inferiore e le valvole sono piu’ piccole…

    alla fine il lavoro svolto dalla cinematica della distribuzione e’ comunque inferiore, perche’ le valvole piu’ piccole sono piu’ leggere, ed anche se persiste uno sforzo maggiore su di esse, la forza delle molle e’ inferiore a quella che si dovrebbe applicare per una valvola piu’ grande (il senso di “leggera” era appunto questo).
    a parita di motore tra’ un aspirato e un turbo, invece avresti delle valvole piu’ robuste, perche’ sollecitate da temperature maggiori, e molle decisamente piu’ forti, ma e’ vero anche che otterresti prestazioni nettamente piu’ elevate, quindi il confronto tra i due motori non avrebbe ragione di essere.

    in finale un motore turbo e’ piu’ efficente anche perche’ la perdita di potenza dovuta alla cinematica della distribuzione e all’atrito delle fasce e’ in assoluto minore, a parita’ di prestazioni finali ottenute… cosi’ sicuramente e’ piu’ chiaro.

    “ma soprattutto al fatto che le temperature di combustione sono piu’ elevate”

    Come sopra… mi aspetto che per dissipare meglio il calore sarebbero auspicabili valvole e cielo pistone/camera di combustione più ampio.

    piu’ ampio solo perche’ avresti piu’ superficie di contatto per dissipare il calore, ma ti assicuro che il calore latente di un pistone non viene smaltito in massima parte dal trasferimento di calore verso le pareti, ma dall’olio.
    un pistone puo’ viaggiare massimo a 680-700°C, poi si buca; per evitare questo se ne aumenta sensibilmente lo spessore, come nei motori diesel, in quanto si gioca sulla massa totale e non sulla sua superficie di contatto.
    una massa maggiore comporta pero’ anche sforzi decisamente maggiori, quindi atriti e perdite di potenza….
    oltre un certo limite non e’ auspicabile andare, quindi e’ meglio non esagerare, almeno fino a quando non diventino comuni componenti della termica in ceramica (Isuzu fece un motore diesel adiabatico fatto tutto in ceramica, e viaggiava sui 1000-1100°C sulle termiche, a tutto giovamento del rendimento di combustione).
    le auto da competizione hanno piu’ o meno gli stessi valori di temperatura sui pistoni, ma la loro maggior potenza e’ a scapito del rendimento, in quanto non sfruttano mai al massimo la singola carica, ma il numero stesso di cariche effettuate nello stesso tempo, dando il tempo al pistone di raffreddarsi… diversamente le temperature sarebbero decisamente piu’ elevate e lo sfondamento del tetto del pistone sarebbe sempre in agguato.

    #MArco
    “Altra osservazione: una corsa lunga (e cilindrata unitaria abbondante) limita il range di regime del motore, quindi compressore e turbina lavoreranno sicuramente più vicini alla massima efficienza.”

    si, e’ una osservazione sicuramente vera e valida, ma e’ anche vero che dicendo cosi’ fai un assunto limitato;
    ti faccio un esempio sui motori in cui l’efficenza e’ tenuta in debita considerazione da molto piu’ tempo che sulle auto: motori per veicoli industriali:
    iveco faceva un 17.174cc 8 cilindri turbo diesel, con una potenza di circa 400CV a 1800 giri/minuto; un motore in grado di consumare pochissimo e di grande affidabilita’ (sul milione di KM); nello stesso periodo Scania proponeva un 6 cilindri 8000cc circa, sempre turbo diesel, e con turbocompound, da 380CV sempre a 1800 giri/minuto (vado a memoria, perche’ si parla di una 20ina di anni fa’ su un settore che non era di mio interesse).
    alla fine Scania aveva un motore decisamente piu’ parco, con prestazioni similari, ma decisamente piu’ leggero, tanto da permettere un carico merce maggiore.
    Scania riusciva ad ottenere una potenza simile grazie non solo al turbocompound, ma soprattutto ad una pressione di esercizio delle turbine ben superiore rispetto a quelle di Iveco, con una cilindrata piu’ che doppia, utilizzando turbine piu’ piccole, ma che dovevano servire una cilindrata inferiore…
    questo per dirti che pur facendo delle linee guida sulla motoristica, ogni motore, nella sua espressione, e fine a se stesso, ed alla fine conviene confrontare esclusivamente i punti cardine:
    cilindrata
    ingombro
    potenza
    efficenza
    peso
    trattabilita’
    costo
    a seconda dell’applicazione richiesta…

    non ti sto’ facendo una sconfessione degli argomenti trattati sopra, ma e’ il risultato finale che conta, non il risultato assoluto, cio non toglie che se non ci si spreme le meningi sull’ottenimento dell’assoluto, ben difficilmente si avranno progressi anche nei risultati finali.
    e’ per questo che le corse ed i prototipi sono ottimali per lo sviluppo (tranne quando poi il tutto diventa un mero affare economico ed i regolamenti sono scritti da delle galline nel pollaio…e’ una non tanto velata critica a F1, MotoGP, rally e FIA/FIM in generale).

  • # 20
    lucusta
     scrive: 

    #arkanoid:
    “Ero convinto che il volumex avesse corso! Quella macchina (il volumex) è l’esempio di come una soluzione tecnologica funzioni a prescindere dalla sua apparente assurdità agli occhi di un profano.”

    il volumex HA corso (sia su 131 abart che su 037 che su S4), il volumex con turbo solo con S4, ed e’ la testa triflux che non riusci a correre…
    non so’ se abarth sfrutto’ questo sistema in altri ambiti sportivi, ma credo che abbandono’ il tutto in un cassetto, in quanto la triflux trovava la sua utilita’ in un motore in linea biturbo; alla fine i biturbo italiani che ricordo erano a 2 bancate.
    la testa triflux avrebbe pero’ modo di esistere oggigiorno per via della massiccia stratificazione di carica che puo’ effettuare, o anche in un iniezione diretta per la sua capacita’ di miscelazione in camera, grazie ai vortici che si creano…
    per un diesel biturbo 4 in linea common rail ad alta pressione potrebbe essere una soluzione molto vantaggiosa (se non fosse che i collettori costerebbero quanto un motore…).

  • # 21
    Marco
     scrive: 

    @locusta

    Grazie ancora per le spiegazioni, sei stato molto chiaro.

  • # 22
    sbaffo
     scrive: 

    bell’articolo. Due cose:

    il compressore abbinato al turbo mi sembra sia tuttoggi in produzione sulle Polo e Golf 1.4 turbo, almeno nei modelli più pompati da 170CV.

    Mi chiedo perchè i motori turbo benzina fino a pochi anni fa erano ‘assetati'(vedi delta, cosworth, impreza…), adesso invece sento dire che grazie al turbo soft abbinato al downsizing si ottengono motori con prestazioni da cilindrata superiore ma con consumi inferiori. La giustificazione è che grazie alle dimensioni del motore, ma soprattutto alla coppia più in basso, l’utilizzo del motore resta su giri più bassi quindi con attriti minori. Non so quanto incidano gli attriti, sull’efficienza di un motore, nè come varino in relazione ai giri, ma da profano la spiegazione non mi convince molto. Non è che la differenza rispetto a pochissimi anni fa è dovuta (soprattutto) ad altre innovazioni come l’iniezione diretta anche nei benzina o ad altri accorgimenti, tra cui per esempio la distribuzione variabile tipo multiair ormai diventata ‘popolare’?

  • # 23
    Simone (Autore del post)
     scrive: 

    @ sbaffo

    Se per compressore abbinato al turbo intendi il turbocompressore allora si… la turbina senza il compressore non serve a nulla (salvo nel caso del turbocompound).

    Soluzioni come il multiair vanno al di là della fasatura variabile per gli scopi canonici di essa, bensì è finalizzata all’eliminazione (o ridimensionamento del funzionamento) della valvola a farfalla per regolare il carico nei benzina.

    I motori sono migliorati in generale, ottimizzazioni delle geometrie, dei materiali, della costruzioni permettono un naturale miglioramento delle prestazioni a parità di altri fattori… anche i turbocompressori sono migliorati, prima si adottavano su motori di cilindrata elevata (nei casi citati si tratta di motori 2000cc) con lo scopo di massimizzare le prestazioni… nei casi di piccoli motori si spingeva la sovralimentazione per raggiungere sempre prestazioni elevate, anche se oggi quelle potenze appaiono risibili, per l’epoca i motori di Renault5, Fiat Uno Turbo pur se dotati di piccole cilindrate erano piuttosto sportivi.
    Oggi si tende ad usare il turbocompressore per permettere a piccoli motori, mappati per consumare poco, a prescindere da iniezione diretta o meno (non la usano poi così tanto, e non dà, a meno di stratificare la carica, vantaggi particolari), di incrementare le prestazioni e soprattutto avere una curva di erogazione con un po’ di fun to drive

  • # 24
    sbaffo
     scrive: 

    no, intendo compressore volumetrico + turbo, ma molti la chiamano impropriamente biturbo, montato sulla golf TSI da 160cv. Si chiama TSI Twincharger e sul sito VW, sotto ‘innovazioni’, ci sono dei filmati che spiegano bene, alcuni anche interattivi.

    Per quanto riguarda i consumi appunto anche secondo me sono più le varie ottimizzazioni e tarature a fare la differenza, più che la storia degli attriti… anche se ricordo un vecchio confronto su Quattroruote tra la prima Mercedes 2.0 Kompressor e il 2.800 aspirato in cui le prestazioni erano sostanzialmente uguali e il consumo era migliore ma di poco (mi pare), ma a quanto ne so il kompressore è (o era) più efficiente del turbo nei consumi, credo per la mancanza dell’effetto ‘tappo’ sullo scarico.

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