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RIGHTSIZING. I MOTORI RAGGIUNGONO FINALMENTE L’ETA’ ADULTA

Per parecchi decenni lo sviluppo motoristico da parte delle case automobilistiche è risultato molto lento e sempre legato al solo aumento delle prestazioni dovuto alle crescenti masse delle vetture. Con l’avvento delle normative “EURO” sono stati necessari sempre più accorgimenti per poter abbattere gli inquinanti emessi, che hanno reso sempre più complicate le automobili.

La politica utilizzata principalmente dalle case automobilistiche per abbattere consumi ed emissioni, è stata quella del cosiddetto “downsizing”: con questo termine si indica la riduzione della cilindrata e del numero di cilindri.

Inizialmente questa soluzione sembrava aver risolto gran parte dei problemi legati agli abbattimenti, ma in realtà non era altro che un miglioramento legato all’adeguamento del funzionamento al ciclo di omologazione che simula un funzionamento lontano dalla realtà. Infatti esso non è effettuato su strada, presenta accelerazioni e velocità molto basse con durata troppo breve (come si vede dal grafico in basso).

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 Tutto questo favorisce le unità più piccole, in questa maniera abbiamo visto il progressivo “depennamento” dei cilindri fino a raggiungere addirittura l’uso di motori bicilindrici con cilindrate inferiori al litro! Un altro metodo utilizzato è quello della disattivazione di metà dei cilindri, mantenendo quindi la struttura di un motore di grandi dimensioni. Questa soluzione da ottimi risultati nel funzionamento a bassi carichi, ma non appena si richiede un funzionamento in condizioni più gravose, i consumi e le emissioni aumentano vertiginosamente.

Con le nuove normative, più veritiere e quindi più stringenti, i fenomeni del downsizing e della disattivazione dei cilindri (anche se quest’ultimo più lentamente) tramonteranno velocemente lasciando spazio ad una nuova politica creativa denominata RIGHTSIZING. La traduzione letterale del termine indica che la dimensione da utilizzare deve essere quella giusta… in effetti se abbiamo tra le mani un’auto di grosse dimensioni, essa non può avere un motore piccolo che è costretto a funzionare continuamente in condizioni gravose, ma è giusto che abbia la taglia giusta che permetta un funzionamento in condizioni adeguate.

Col rightsizing acquista un’ importanza maggiore il rendimento termodinamico del motore, in modo tale da ottenere consumi ed emissioni minori a parità di potenza e cilindrata e non con una diminuzione di queste ultime. Il fattore più importante per migliorare il rendimento è il rapporto di compressione, che indica di quanto diminuisce il volume della camera di combustione tra il punto morto inferiore (PMI) e il punto morto superiore (PMS) durante il moto del pistone. Più questo rapporto aumenta e più aumenta il rendimento.

Proprio per effetto del maggior rapporto di compressione, il motore diesel risulta essere il più parsimonioso invece il motore a benzina (ciclo Otto) ha una grossa limitazione causata dalla detonazione anticipata del combustibile prima dello scocco della scintilla per elevati valori. Questo causa rendimenti inferiori e quindi consumi maggiori.

Alcune case automobilistiche stanno puntando proprio sull’aumento della compressione nei motori a ciclo Otto per renderli più parsimoniosi. Questi producendo già normalmente una quantità minore degli inquinanti più pericolosi (NOx e particolato principalmente) rispetto ai motori a ciclo Diesel, e aggiungendo un consumo simile, potrebbero rendere i motori a gasolio quasi inutili!

Questo risultato è molto vicino al raggiungimento, quindi il futuro è quasi tra noi!

 

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Autore: Ing. Loconte Fabrizio

Il Sistema Turbocompressore

Il motore di un’autovettura possiamo considerarlo come il polmone del corpo umano, esso per poter funzionare ha bisogno di aria; più aumentano gli sforzi e più ne aumenta il bisogno.

Un motore 4 tempi, come ben noto, rinnova la propria carica (dopo la fase di scarico) attraverso l’aspirazione, attuata dal pistone in fase discendente mentre la valvola di aspirazione è aperta, richiamando nella camera di combustione il fluido presente nel condotto. Maggiore è la quantità di fluido aspirato e maggiore sarà la potenza ottenuta poiché avremo a disposizione più aria e quindi più carburante da bruciare.

Attraverso abili giochi sulla fasatura possiamo aspirare una quantità maggiore di fluido sfruttando l’inerzia posseduta da esso, ottenendo però piccoli incrementi di potenza. Per ottenere maggiori risultati però è necessario l’aiuto di un sistema di sovralimentazione che comprima l’aria accrescendo il riempimento del cilindro. Per motivi termodinamici è utile l’aggiunta di un intercooler che permette il raffreddamento del fluido dopo il passaggio dal compressore, permettendo l’immissione di quantità ulteriormente maggiori di esso.

I sistemi di sovralimentazione più usati sono il compressore volumetrico e il turbocompressore.

  • COMPRESSORE VOLUMETRICO: La sovralimentazione avviene tramite la compressione effettuata da un compressore a trascinamento meccanico, cioè calettato (tramite cinghie o ingranaggi) all’asse del motore. La tipologia più diffusa di compressore volumetrico è quella Roots o a lobi, ma vi sono anche altri tipi quali quelli a vite, a palette e il G Lader a chiocciole utilizzato durante gli anni 80 sulle Volkswagen con la sigle G40 e G60. Questo sistema assicura un buon incremento della potenza senza alcun “lag” ma solo ai bassi e medi regimi e il suo azionamento comporta la perdita di parte della potenza aggiuntiva. Attualmente il compressore volumetrico è stato quasi abbandonato se non per un uso combinato col sistema turbo-compressore, offrendo in questo caso notevole potenza in tutto il range di rotazione del motore.

     

  • TURBOCOMPRESSORE: Chiamato molto spesso col solo nome di turbina, è formato da un compressore centrifugo azionato da una turbina centripeta utilizzando i gas di scarico in uscita dal motore, in questo modo è possibile recuperare parte dell’energia che il motore non riesce ad utilizzare e che altrimenti finirebbe sprecata. La turbina e il compressore ruotano alla stessa velocità poiché sono calettati sullo stesso albero. Anche nel caso di questo sistema di sovralimentazione una parte dell’energia viene persa per effetto della sua presenza (in questo caso per motivi fluidodinamici), ma incidendo in maniera marginale.

Il dilemma più grande dei progettisti è sempre stato: turbine piccole per avere potenza “in basso” o turbine più grandi per avere più potenza “in alto”? Questo annoso problema è stato risolto con l’uso delle turbine a geometria variabile. Questo sistema permette, tramite lo spostamento della posizione delle palette, deciso dall’unità di controllo del motore, di poter rendere la turbina (in maniera fluidodinamica) “piccola” ai bassi regimi e “grande” ai medi e alti regimi, sfruttando quindi in pieno la potenza fornita dai gas di scarico ad ogni carico.

 

PARTI FONDAMENTALI DI UN TURBOCOMPRESSORE:

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  1. Cuscinetto a rulli: sostiene e controlla tutta la parte rotante del sistema;

  2. Ingresso olio: utile alla corretta lubrificazione dell’albero rotante;

  3. Cassa (o chiocciola) della turbina: raccoglie i gas di scarico dal motore e li dirige verso la girante della turbina;

  4. Girante della turbina: converte l’energia dei gas di scarico in potenza all’albero per guidare il compressore;

  5. Cassa centrale: sostiene la parte rotante;

  6. Uscita olio di lubrificazione;

  7. Cassa (o chiocciola) del compressore: raccoglie i gas compressi da inviare al motore;

  8. Girante del compressore: pompa l’aria nel motore;

  9. Piastra posteriore: sostiene la cassa del compressore.

 

PARAMETRI PRINCIPALI

Per una opportuna scelta di un turbocompressore è necessario conoscere i parametri principali.

TRIM: è il termine utilizzato per esprimere la relazione tra i diametri di ingresso ed uscita di entrambe le giranti. In realtà si può definire come un rapporto tra aree perché esso è calcolato come diametro di ingresso al quadrato fratto diametro di uscita sempre al quadrato. Per la turbina il diametro in ingresso è superiore al diametro in uscita, per il compressore invece il diametro in ingresso è inferiore al diametro in uscita. A parità di altri parametri un maggior trim permette un maggior passaggio di fluido però, essendo gli altri parametri variabili, non è detto che questo effetto ci sia nella realtà.

RAPPORTO A/R: descrive la caratteristica geometrica della chiocciola di turbina e compressore. Viene definito come il rapporto tra l’area della sezione radiale della chiocciola e raggio al centro dell’area rispetto al centro di rotazione. Questo rapporto ha effetti diversi sulle performance di turbina o compressore.

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Per quanto riguarda il compressore, variando questo parametro si ottengono piccole variazioni sulle prestazioni, infatti spesso non sono disponibili turbocompressori aventi compressori con differenti valori di A/R.

Per quanto riguarda la turbina, la variazione del rapporto comporta una notevole variazione nelle prestazioni. Valori più bassi offrono una potenza maggiore ai bassi regimi dando un notevole spunto alla partenza riducendo però la capacità di invio di fluido alle alte velocità di rotazione. Al contrario, per valori più elevati otteniamo potenze più elevate ai più alti regimi ma con un aumento del ritardo della risposta ai più bassi regimi di rotazione.

Quindi un opportuno dimensionamento della turbina può modificare pesantemente il comportamento di una vettura favorendo la prontezza ai bassi regimi e nei transitori per dimensioni minori e la potenza massima e, quindi funzionamento per lunghi periodi ad alti regimi, per dimensioni maggiori.

 

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Autore: Ing. Loconte Fabrizio

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