la sovralimentazione

LA SOVRALIMENTAZIONE
in futuro quasi tuti i motori saranno sovralimetnati. Oggi tutti i diesel sono sovralimentati, tranne piccoli diesel per
generazione elettrica. I motori a benzina per tantissimi anni sono stati solo aspirati, non si faceva turbo perchè c'erano
problemi di detonazione, che oggi si stanno risolvendo.
Perché devo sovralimentare? Tutto nasce dalla formula:
come aumento la potenza? aumento V, cioè la cilindrata, negli stai uniti si è fatto tanto, ma al contempo peggioro i
consumi aumentando V. Se non voglio aumentare la cilindrata aumento bmep. sovralimetare significa aumentare
bmep: questo aiuta anche a migliorare rendimento organico perchè l'effetto dei ausiliari è meno importante.
l'idea è che con la sovralimentazione aumenta la quantità di aria intrappolata per ciclo poiché con l'aumento di
pressione incrementa la densità, ecco perché la potenza sale: il ciclo indicato parte da livelli maggiori di pressione
inoltre posso bruciare grande quantità di combustibile, allargando l'area del ciclo. Si passano a valori di bmep pari a
0,9-1,2 fino anche a 4 bar.
Vediamo l'effetto della sovralimetazione su un
ciclo diesel ideale:
Stesso ciclo con stesso rapporto di
compressione volumetrico: il ciclo si gonfia e
aspira aria a pressione più alta.
l'incremento di densità non è pari
all'incremento di pressione in quanto l'aria si
scalda, allora combinando il turbo con
l'intercooler, raffreddo la carica e ne faccio
effettivamente entrare di più. I cilindri
scaricano gas a pressione più alta rispetto al
caso senza turbo quindi in particolari
condizioni il ciclo di ricambio gas può diventare
positivo
La sovralimentazione
gonfia il ciclo
aumentando p media
indicata, senza alzare
troppo la pressione
massima
VANTAGGI
• Riduzione ingombro, peso e quindi il costo/KW
• Downsizing: a pari potenza si può ridurre la cilindrata (e anche il numero di cilindri volendo)--> peso minore e
consumi minori. Ridurre la dimensione, oltre a consentire di ridurre il peso, consente di diminuire le superfici e
quindi si hanno minori perdite termiche. Inoltre peso minore comporta minori perdite meccaniche.
• Può migliorare il rendimento perché recupero energia dei gas di scarico
• Motore meno rumoroso perché vengono regolarizzate le onde di pressione da parte della turbina e si ha inoltre
combustione più graduale
• nel diesel mandando carica più compressa facilito la combustione abbattendo anche il particolato, perchè lavoro
con combustione più completa--> la T aumenta, ma aumenta la produzione degli ossidi di azoto.
• Si risente meno della variazione della densità dell'ambiente
SVANTAGGI
• Aumentano i carichi termici e meccanici in quanto pressioni e temperature sono maggiori. Necessario aumentare
gli spessori e avere un buon sistema di raffreddamento quindi. l'aumento di peso causato dall' aumento di
spessore è ampiamente compensato dalla riduzione della cilindrata (downsizing a pari potenza).
• avere carica compressa e calda è una cosa problematica nel motore a benzina: ci sono delle porzioni di carica che
si accendono da sole-->Se il fronte di fiamma non è abbastanza veloce si auto accendono--> esplosione e quindi
problemi meccanici. Ecco perchè non posso sovralimentare più di tanto, avrei carica troppo calda che porta
all'autoaccensione--> nel benzina la sovralimentazione non si sfrutta al massimo. Problema risolvibile con un buon
interccoler
• Problemi di risposta del motore: Se uso una turbina per trascinare il compressore, per sua natura è lenta nel
rispondere a causa delle inerzie in gioco. allora esistono sistemi accoppiati anche con un motore elettrico che
assiste il turbocompressore, rendendo la risposta più veloce (turboleg).
Metodi di sovralimentazione
• Motore stesso
• Sovralimentazione meccanica: compressore trascinato meccanicamente da:
• Un motore ausiliario
• Turbo sovralimentazione: compressore trascinato da turbina alimentata dai gas di scarico
8 sovralimetnazione
Sovralimentazione meccanica
non c'è bisogno della turbina. il motore trascina il compressore, oltre agli altri ausiliari-->assorbe molta potenza e
l'efficienza complessiva ne è compromessa. vengono usati compressori volumetrici a lobi, altrimenti uno centrifugo
girerebbe troppo lento. la risposta è istantanea. è possibile anche accoppiarlo con una motore elettrico.
Non è centrifugo,
il centrifugo lo
accoppio solo con
turbina
In verità esiste anche una sovralimentazione ibrida fra
sovralimentazione meccanica e tramite turbina: oltre al
turbolag già accennato, posso sovralimentare usando
compressore a lobi trascinato dall albero, quando la
risposta richiesta è rapida, poi a regime scollego tale
compressore e collego la turbina e il compressore
centrifugo
Turbosovralimentazione
il compressore è trascinato da una turbina che riceve energia dai gas combusti. Non vi è alcun collegamento meccanico
con l'albero motore. la pressione intacke deve essere maggiore della exauast, così il ciclo di compressione è positivo, se è il
contrario è negativo. penalizzo infatti il ricambio gas, anche se però il vantaggio della turbocompressione resta.
Compressore e turbina:
• sono ottimizzate a flusso stazionario,
ma in verità il flusso è pulsante: è
difficile ottimizzarle con flussi
instazionari.
• Sono macchine radiali, per motivi di
compattezza, non che i rendimenti
siano più alti: si possono usare
anche un solo stadio. Soluzioni
assiali più efficienti occuperebbero
troppo spazio
turbina espande gas
da una pressione di
2 - 1,5 bar a una
pressione a valle che
è poco più della p
atmosferica.-->il delta
p è di due bar o uno
al massimo.
Vengono utilizzate due differenti tecniche:
TURBOSOVRALIMETNAZIONE A PRESSIONE COSTANTE
ho un unico volume dove tutti i cilindri scarico. perchè a P costante? perchè usando un grosso volume smorzo gli
impulsi di pressione e temperatura che provengono dai cilindri--> rendo il flusso più stazionario, alimentando la turbina
a pressione costante. (vd disegno sopra)
TURBOSOVRALIMETNAZIONE AD IMPULSI
volutamente non smorzo gli impulsi di pressione e portata--> la turbina viene alimentata con flusso pulsante--> il
vantaggio è che non dissipo energia, rispetto alla soluzione precedente, dove l'energia cinetica dei gas viene dissipata
nel largo volume. Nasce una difficoltà di accppiare una macchina stazionaria con una macchina instazionaria: le
macchine come turbina e compressore sono progettate per triangoli fissi--> qui cambiano istante per istante se il flusso
è instazionario. ma allora perchè volere flusso instazionario? lo vedremo
ì
I condotti sottili
trasportano gli impulsi di
pressione
Turbina ha problemi
di resistenza alle alte
temperature,
soprattutto per
motori a benzina,
dove le temperature
sono più alte
8 sovralimetnazione
Si vede la valvola wetgate che regola il rapporto di
sovralimentazione.
200000 giri/minuto è l'odg delle velocità di
rotazione
TURBOSOVRALIMENTAZIONE A PRESSIONE COSTANTE
1: sezione ristretta: il fluido accelera ed entra nel collettore di scarico con alta en cinetica. Questa en cinetica si
dissipa nel collettore di scarico degradando in calore: ho causato un deltaS. Nel processo l'entalpia di ristagno 01 si
conserva a meno delle perdite termiche.
l'oscillazione di pressione è debole ed il flusso è circa costante--> riesco a ottimizzare la turbina con alta efficienza e
buoni triangoli di velocità.
Volume dalle 1 alle 4
volte la cilindrata
totale
le fasi di scarico si sovrappongono (180° di sfasamento in
un 4 cilindri) . i volumi devono essere dimensionati
opportunamente altrimenti si avrebbe interferenza
negativa fra i cilindri: le onde di pressone vanno da un
cilindro all' altro al momento sbagliato ostacolando
l'espulsione dei gas. Il vantaggio di avere una grande
volume è che queste onde si smorzano molto.
Apro la valvola del cilindro 1. vediamo cosa succede in
questo istante. Appena la apro, l'alzata è piccola, la
pressione nel cilindro quindi è massima (01). In questi
istanti il rapporto di espansione è superiore al critico e si
formano onde d'urto oblique a valle della sezione ristretta
che espandono il flusso fino alla pressione ps di scarico,
con un processo altamente dissipativo, che degrada en
cinetica in calore.
Questi primi processi sono descritti nel piano hs:
• (01-1) accelerazione del flusso la posso vedere
come circa isoentropica
• (1-03) il flusso raggiunge la pressione di
ristagno 03 all'interno del volume,
decelerando con onde d'urto irreversibili che
ne fanno aumentare l'entropia e diminuire la
pressione: turbolenza degrada in calore che si
riversa nel fluido.
• (01-03) se ritengo il processo adiabatico
l'entalpia di ristagno si conserva, come in
normale statore di una turbina
**
Pressione allo
scarico è
costante
A questo punto la turbina si vede in ingresso un
fluido nelle condizioni di ristagno 03 e può
procedere nell' estrazione di lavoro. Osservo la
differenza rilevante fra il lavoro isoentropico
disponibile alla turbina e il lavoro isoentropico che
otterrei attaccando la turbina direttamente alla
valvola di espulsione: mi brucio tutto il tratto da 01
a 2.
Quello che ho descritto fino adesso in verità vale
solo per i primi istanti in cui la valvola di scarico è
aperta; in verità poi la pressione nel cilindro scende
** e ho a disposizione ancora minore salto
entalpico: su un veicolo questa soluzione non va
bene, ci sono infatti punti di funzionamento tali per
cui la turbina non ha a disposizione abbastanza
lavoro per sovralimentare.
VANTAGGI: condotti di scarico più economici e semplici. Pressione regolare che rende ottimi i triangoli di velocità
della turbina. Si può usare una sola entrata nella turbina
SVANTAGGI: energia posseduta dai gas di scarico male sfruttata. Risposta del motore lentissima poiché ci vuole molto
più tempo a fare variare le condizioni di ingresso della turbina, essendoci un grosso volume
8 sovralimetnazione
TURBOSOVRALIMENTAZIONE AD IMPULSI
alimento la turbina con flussi istazionari, adottando condotti sottili, al fine di sfruttare tutta l'energia disponibile al
momento dell'apertura della valvola di scarico. è la soluzione ideale per la trazione veicolistica. A causa dell'inerzia dei
gas nei condotti di piccolo volume, nel momento in cui la valvola si apre l'andamento di pressione nel condotto non è
più piatto come nel caso precedente :
Si può vedere come nella fase iniziale sicuramente sono in presenza di
onde d'urto poiché il dalta p è considerevole. Successivamente tale salto
di pressione si riduce e non ho più urti.
In modo analogo a prima studiamo come evolve l'energia disponibile alla
turbina nelle posizioni di manovella 1, 2 e 3
• Θ1: la situazione è analoga al caso di serbatoio a pressione
costante poiché sono in presenza di forti urti e quindi produzioni
entropiche. Si noti però che la portata di gas è ancora molto piccla
in quanto la valvola si è appena aperta, quinidi questo primo
perodo ha bassa importanza, relativamente all'inetro processo.
• Θ2 e ϑ3: passando alle posizioni 2 e 3 la pressione ps allo scarico è
salita, andando incontro alla pressione nel cilindro. non ho più
onde d'urto ed inoltre osservo che percentualmente il lavoro
isoentropico della turbina rispetto a quello totale disponibile
aumenta.
NB l'energia viene convogliata verso la turbina
per la maggior parte come onda di pressione e
in minore parte sotto forma di energia cinetica,
mentre nel caso di serbatoio a p costante era
l'incontrario
Qui ho la situazione migliore:
la turbina ha disposizione
l'80% del lavoro disponibile
PROBLEMATICHE DI INTERFERENZA: TURBINA ADOPPIO INGRESSO
La lunghezza dei condotti influenza i tempi di propagazione delle onde di pressione: essa viene ottimizzata evitando
l'arrivo ai cilindri di onde riflesse provenienti dalla turbina nel periodo di contemporanea apertura delle valvole perché
impedirebbe il lavaggio dello spazio morto.
Per quanto riguarda la conformazione dei collettori, occorre che sia adatta ad evitare interferenza fra i vari cilindri: i
condotti devono essere raggruppati in modo tale che due cilindri che scaricano nello stesso collettore, non abbiano le
loro valvole di scarico aperte contemporaneamente--> gli scarichi dei cilindri possono essere riuniti in gruppi di due o
massimo tre per lasciare un minimo sfasamento tra due scarichi successivi.
8 sovralimetnazione
La soluzione migliore è il raggruppamento a 3
cilindri: Idealmente ho uno sfasamento di 240
fra l'apertura dello scarico di due cilindri che
scaricano nello stesso collettore. Avrei
interferenza quindi nulla ma nella realtà un
minimo cè, a causa dell' anticipo di apertura e
del ritardo di chiusura della valvola di scarico,
che rendono i tempi in cui è aperta ben superiori
a 180°. Inoltre si sottolinea che in parte le onde
di pressione riescono anche a risalire dalla
turbina e quindi non è proprio vero che i due
condotti sono del tutto isolati.
si riporta l'andamento
• delle pressioni nel collettore di scarico dei
cilindri 123
• Pressione nel cilindro 1
• Pressione nel collettore di aspirazione (a
valle del compressore) , riporto una
pressione media in quanto in verità anche
questa pressione sarebbe oscillante ma a
causa del' inerzia del compressore è cosi
smorzata che non si vede neanche tale
oscillazione con questa scala.
Ho tre picchi di pressione sfasati di 240 poiché
questo è lo sfasamento fra un' accensione e
l'altra. Osservo che l'andamento delle pressioni
nello scarico è tale da favorire un buon lavaggio
durante il periodo di incrocio poiché la pressione
nello scarico è minore di quella in aspirazione.
OSS se invece avessi organizzato tutto nello
stesso scarico, avrei avuto picchi sfasati di 120° e
quindi il cilindro 5 avrebbe causato una
sovrapressione sfavorevole al lavaggio con
conseguente backflow.
COME è FATTA LA MACCHINA
Ho due volute: le perdite di carico sono peggiori, il rendimento
peggiora anche di un paio di punti %.
capita che non sempre l'alimentazione è a due condotti.
può essere es che in 4 cilindri ne uso solo: altrimenti avrei troppa
distanza fra un impulso e l'altro (distanza di 360°). In un tre cilindri ne
uso uno solo ; in un 6 cilindri ne servono 2
All'interno della macchina i flussi si riuniscono e ho un interferenza:
delle volte il treno d'onde che arriva da una parte torna indietro dall'
altra ma in maniera molto smorzata.
istante per istante i triangoli di velocità cambiano, passando da ottimi a
scadenti istante per istante. rendimento più basso sia per voluta che
per triangoli che cambiano.... ne vale la pena? si perchè mi trovo
sempre lavoro iso disponibile sempre più alto
etais=0,7-0,85
VANTAGGI
• la soluzione a impulsi è energeticamente più conveniente perchè metto a disposizione della turbomacchina più
energia, nonostante i rendimenti della turbina stessa sono più scadenti, in quanto i triangoli di velocità variano nel
tempo. questa caratteristica è importante quando il carico varia: a carichi parziali la disponibilità di energia per la
turbina non risulterebbe sufficiente se avessi soluzione a pressione costante, mentre invece per la soluzione a
impulsi, un po’ di sovralimentazione la consente sempre.
• La risposta dinamica del sistema è più rapida della soluzione a pressione costante: il volume che i gas devono
riempire è inferiore e quindi lo riempiono più velocemente migliorando la risposta. l'unica cosa è che devo adottare
geometrie variabili della turbina, valvole wetgate ecc, vedremo più avanti. Soluzione apressione costante va bene
per generazione stazionaria
8 sovralimetnazione
SVANTAGGI
• Realizzazione condotti più impegnativa in fase progettuale
• Instazionarietà turbina e quindi bassi rendimenti
• Perdite fluidodinamiche per la divisione del distributore in più flussi
• Possibili fenomeni di interferenza che possono ostacolare il riempimento di qualche cilindro. Addirittura per
risolvere questo problema sono state progettate giunzioni particolari che consentono di fare passare un impulso di
pressione e non farlo tornare indietro--> riduco l'interferenza.
CURVE CARATTERISTICHE TURBINA E COMPRESSORE
Bisognerà scegliere un compressore tale che i punti più tipici di funzionamento del motore cadono nell' area ad alto
rendimento. Con un solo stadio arrivo ad alti rapporti di compressione, temperatura anche sui 150 °
Mappe dell' efficienza della turbina: riportate in
funzione della velocità periferica,
adimensionale con la velocità che avrei
isoentropica. Ho flusso instazionario--> in verità
anche i giri variano (anche se di poco a causa
dell' inerzia) istante per istante. Come
conseguenza il punto di funzionamento oscilla
in un certo range e con esso il rendimento.
Per ogni grado di apertura della turbina ho una mappa diversa.
A grado di apertura fisso aumentando la portata oltre un certo limite il rendimento cala: è allora necessario aumentare
l'apertura. Aprendo sempre di più all'aumentare della portata, le efficienze mi aspetto che aumentino poiché arrivo al
valore nominale, ma in verità non è così. infatti faccio si che i massimi rendimenti si raggiungano per un certo grado di
apertura intermedio, definito da una portata di gas chè più probabile nelle normali condizioni di funzionamento del
motore.
8 sovralimetnazione
INTERCOOLING
Esiste la possibilità di raffreddare la carica. Quando
comprimo con il compressore, pressione e
temperatura aumentano, l'effetto della pressione è
più importante e la densità comunque aumenta
(arrivo al punto c). Raffreddando la carica con un
refrigerante posso arrivare al punto m, di densità
ancora superiore. Lo scopo dell' intercooler è
immettere più massa tramite un interiore
incremento di densità, dovuto al raffreddamento
all'uscita del compressore. Immettendo più massa
ho ancora più vantaggi in termini di downsizing e
incremento prestazioni.
Introducendo uno scambiatore ho bisogno di un
fluido refrigerante, che in un veicolo può essere
acqua, che smaltirà poi il calore in ambiente; potrei
fare anche uno scambiatore aria-aria.
incremento di temperatura reale del compressore può essere
espresso in questo modo: se il rendimento del compressore è
scadente la temperatura aumenta molto
EFFETTO DELL'INTERCOOLER SULLA DENSITA'
Leggera perdita
di carico
Temperatura
uscita intercooler
• nella curva superiore ho l'intercooler
che mi riporta la carica ai livelli di
temperatura iniziale--> massimo
effetto di raffreddamento e
l'incremento di pressione
corrisponde all' aumento di densità:
raddoppiando le pressione
raddoppio le densità.
• ovviamente sarebbe impossibile
questo effetto poichè avrei bisogno
di superfici di scambio infinite,
quindi le curve reali sono con coeff
angolare inferiore al valore unitario.
Comunque sia anche se raffreddo
l'aria a T più ragionevoli gli effetti
sono interessanti e la densità
aumenta considerevolmente, anche
dell' 80%.
Temp ambiente
• senza raffreddamento della carica l'incremento di densità non corrisponde all'incremento di pressione : se
raddoppio la pressione, la densità non raddoppia, questo a causa dell' aumento di temperatura.
VANTAGGI
• aumenta la portata massica d'aria intrappolata per ciclo. A pari cilindrata posso bruciare più combustibile e
aumentare le prestazioni, oppure posso spingere il downsizing a pari prestazioni.
• le massime temperature del ciclo si riducono poichè aspiro aria più fredda: tutti i carichi termici si riducono.
• l' autoaccensione è un problema che limita sovralimentazione nel benzina. se raffreddo la carica che entra nei
cilindri questo rischio si riduce e posso sovralimentare in modo più spinto.
8 sovralimetnazione
se voglio accoppiare il turbosovralimetatore al motore devo avere buona risposta al variare delle condizioni di
funzionamento. come faccio ? la sovralimentazione ad impulsi consente di avere una ottima risposta in quanto l'energia
trasferita con impulsi di pressione viaggia molto rapidamente: se schiaccio sul gas i condotti si riempiono rapidamente di
gas più caldi poiché brucio più carica. La turbina trascina gradualmente il compressore, viene compressa più aria, posso
iniettare ancora più combustibile e la potenza sale sempre di più. È chiaro che tutto questo processo non è immediato, è
infatti ostacolato da:
• massa sovralimentatore e quindi inerzia
• volumi dei collettori poichè ci si mette un pò a riempirli
il motore ha quindi un certo turboleg, cioè ritardo alla risposta, molto fastidioso nella trazione automobilistica. Devo
quindi studiare il giusto accoppiamento fra le due macchine (volumetrica e dinamica) e scegliere una configurazione del
gruppo di turbosovralimetnazione adeguata.
SCELTA DELLE DIMENSIONI DEL TURBOCOMPRESSORE
Se scelgo una turbina grande ho buone prestazioni quando la portata di gas combusti è rilevante. Il problema è che
quando le portate sono piccole si genera modesto salto di pressione in quanto il gas fluisce più facilmente fra le palette
(lo si vede anche dalla curva caratteristica)--> ricavo poco lavoro a basse portate. Inoltre ho lo svantaggio di avere massa
grande e quindi alta inerzia--> risposta lenta
Se scelgo una turbina piccola le risposte sono più rapide poichè le inerzie sono basse. Il problema è che a alte portate
strozza troppo il flusso realizzando basse prestazioni.
allora cosa faccio? metto una valvola westgate.
immagino che le portate aumentino così tanto che la
turbina non riesce più a smaltire niente--> la pressione a
monte della turbina aumenta enormemente. La turbina si
trova nella condizione di estrarre moltissimo lavoro-->
tutto quel lavoro lo mando al compressore che comprime
troppo--> sovrasollecito il motore, che nel benzina mi
porterebbe a knok.
allora cosa faccio? apro una valvola di bypass che mi
consente di fare fluire parte dei gas allo scarico, senza
essere elaborati dalla turbina. Questa soluzione è molto
affidabile, più affidabile di una regolazione VGT.
Questa valvola si apre con un comando pneumatico (una molla è tarata con la pressione giusta) : quando la p di
sovralimentazione all'uscita dal compressore supera un certo livello (indice del fatto che la portata in turbina è aumentata),
la valvola si apre. In verità esistono altri sistemi che regolano l' apertura della valvola in modo più complesso tramite
centralina.
EFFETTO DELLE DIMENSIONI SULLA CURVA CARATTERISTICA DEL MOTORE
• la turbina più piccola risponde più rapidamente:
al crescere del regime, dal minimo vedo che c'è
una rapida crescita della coppia, fin dalle piccole
portate. la crescita di portata si trasforma infatti
subito in un sufficiente rapporto di compressione
che muove il compressore molto velocemente.
Ad alti giri però la turbina piccola si comporta
male: ho bisogno della westgate, che devia il
flusso, questo lo vedo anche dai consumi più alti.
• Se predo la turbina grande si osserva come la
coppia cresce molto più lentamente. una turbina
grande però si comporta molto meglio a regimi
alti: la potata è alta e quindi la taglia è più
adeguata per quei campi d funzionamento.
Nella pratica il progettista sceglie turbina piccola con
west gate perché sarebbe troppo spiacevole nella guida
la curva di coppia che darebbe una turbina grande.
Un effettivo aiuto nell'esaudire le contrastanti esigenze
dei vari campi operativi potrebbe essere dato
dall'adozione di una geometria variabile.
8 sovralimetnazione
VGT: TURBINA A GEOMETRIA VARIABILE
mano a mano che aumenta la portata aumento le sezioni di passaggio: è
come se avessi n turbine quindi riesco a seguire perfettamente la linea
rossa. è la soluzione migliore perchè ho grande flessibilità. il problema è
che è un sistema poco affidabile e costoso.
l distributore è caratterizzato da n pale che possono ruotare regolando la
portata. Quando la portata è piccola voglio una turbina piccola, allora
chiudendo le sezioni di passaggio è come se trovassi una turbina
"piccola"--> strozzando il flusso la pressione a monte della turbina sale e il
rapporto di espansione è sufficiente a produrre lavoro soddisfacente anche
a basse portate.
Ad alte portate la pressione salirebbe troppo, allora apro il distributore-->
la turbina si trasforma in una turbina "grande".
La regolazione è controllata da un attuatore pneumatico: genera il segnali
di pressione che regolano l'apertura delle pale.
la vgt è meglio della wetgate: è più evoluta e più costosa, ci consente di lavorare su diverse
mappe della turbina-->preferenzialemtne questa tecnologia è montata su tutti i diesel. Sui
motori a benzina si utilizza invece la westgate poichè le temperature sono più alte ed è più
affidabile (in un diesel a massimi carichi arrivo alo scarico anche a 900 gradi e 2 bar. In un
benzina anche 200 gradi in più in quanto rapporto espansione inferiore). solo pochi motori
sportivi a benzina hanno geometria variabile, che richiederebbe materiali molto costosi.
TURBOLAG
abbiamo già detto che al motore di automobile è richiesto di variare rapidamente il carico. è chiaro che ci deve essere
turbolag poichè anche se ho turbina piccola ho inerzie e volumi di condotti da riempire. ll turbolag è molto fastidioso, dura
anche 2-3 secondi ed è causa di basse prestazioni nei transitori e inquinanti. recentemente si è penato di usare motori
elettrici che assistono il compressore quando il carico cambia rapidamente, poi la turbina interviene con il suo tempo--> si
riduce il turbolag a zero. OSS il motore aspirato non ha problemi: non c' alcun ritardo alla risposta.
Rigorosamente per potere prevedere la risposta al transitorio di un turbocompressore, andrebbe risolta la seguente
equazione differenziale
Accelerazione dell'albero= eccesso di coppia disponibile/ momento di inerzia
del gruppo
In via approssimata è possibile evitare questo calcolo complesso, facendo riferimento a un tempo caratteristico che
tramite un analisi dimensionale, riassume i parametri di maggiore influenza: è un parametro porporzionale al turbolag
[secondi]
= en cinetica del turbocompressore/ potenza
sviluppabile dalla turbina=
=inerzia del gruppo/capacità di accelerazione
Beta: tiene conto del fatto che la turbina non sta lavorando con flusso stazionario--> è maggiore di 1 poiché il flusso
instazionario coinvolge più energia: più efficacie è il treno d'onda più alto è beta ed il turbolag viene ridotto.
m't: portata massica di gas combusti che arrivano alla turbina
Δh is,t : salto entropico disponibile all'ingresso della turbina: più energia ricevo più accellero velocemente le inerzie
Etac* etat: rendimento del turbocompressore
It momento di inerzia del gruppo. Per ridurlo devo lavorare con macchie piccole. alle volte si preferisce addirittura dividere
la turbina e il compressore in due macchine in parallelo o in serie: hanno un inerzia riotta e accelerano prima.
INFLUENZA DELLE DIMESIONI
In condizioni di similitudine geometrica valgono le seguenti proporzionalità:
(Essendo la massa proporzionale al cubo del diametro)
(proporzionale alla sezione di passaggio)
8 sovralimetnazione
Sostituendo le relazioni appena ricavate:
Ma questo già ce lo aspettavamo: più la macchina è grande
più la risposta è lenta.
SOLUZIONI PER RIDURRE IL TURBOLAG
• Turbocompressione assistita elettricamente tramite motore elettrico
• Macchine in parallelo con funzionamento simultaneo per ciascuna bancata di un motore a V.
• Macchine in parallelo con funzionamento sequenziale, cioè la seconda macchina si attiva ad alte portate.
• Macchine in serie con funzionamento sequenziale. La turbina piccola è subito efficacie a basse portate. appena lo
portata cresce apro il percorso per la turbina più grande tramite valvole a farfalla. lavorano quindi due turbine
insieme, una elabora es il 30%.
• Guardando la formula della tau: Strategie volte ad aumentare il salto entalpico della turbina.
○ anticipando l'apertura della valvola di scarico alimento la turbina con gas più caldo e il salto entalpico
aumenta, anche se riduco corsa espansione.
○ potrei anche ritardare l'accensione della scintilla: la combustione, avviene dopo e i gas sono più caldi.
○ altra soluzione è la post iniezione (per diesel): inietto combustibile nella fase avanzata di combustione--> si
scalda il gas e la turbina è alimentata da flusso a maggior entalpia.
TURBO-MATCHING
Elaboro ora un approccio semplificato per valutare l'adattamento del turbocompressore al motore.
• all' equilibrio turbina e compressore sono caratterizzati dalla stessa potenza
• la portata che transita nella turbina è paria quella del compressore più il combustibile
Con lo scopo di ottenere relazioni valide anche per la turbina, operante con un flusso ad impulsi (il compressore lo vede
invece praticamente stazionario), definiscono due coefficienti correttivi che descrivono il diverso comportamento di un
flusso pulsante rispetto ad uno stazionario.
La portata passante è inferiore φ<1
la portata di fluido che transita in condizioni
pulsanti attraverso ad un ugello, è inferiore
della stessa portata che transiterebbe in
flusso stazionario, alimentato da un salto di
pressione pari a quello medio di quello
effettivo. Perché?
I picchi di pressione fanno crescere la
velocità e istantaneamente la portata
aumenta, ma con essa le perdite di carico e
quindi smaltisco meno portata rispetto di
avere un flusso stazionario.
l'energia convogliata è maggiore β>1
Questo perché alla maggior parte di massa
trasportata è associato un maggiore
contenuto entalpico. perchè?
nel momento in cui ho l'impulso ho picchi di
velocità e quindi di energia cinetica
che cresce col quadrato. facendo l'integrale
della portata *energia meccanica disponibile
su tutti i picchi risulta che ho più energia.
Pressione a monte
della turbina
Pressione media
Pressione a valle della
turbina
Delta p fra picco max
e min/ delta p medio
Il grafico mostra che più le oscillazioni di pressione si amplificano, più questi coefficienti si allontanano dal valore unitario.
Moltiplicando questi coefficienti per le grandezze stazionarie calcolate con una pressione media, ottengo le grandezze
reali.
8 sovralimetnazione
Esprimo il bilancio di potenze
Andiamo ora ad esprimere la prima equazione (bilancio di potenze) tramite l'ausilio di questi coefficienti.
sostituendo le espressioni dei lavori isoentropici si ottiene
I rendimenti sono
comprensivi delle
perdite meccaniche
Pedici: a=ambiente
c=uscita compressore
e=ingresso turbina
Raccogliendo un po’ di termini posso definire:
Si può esplicitare ora il salto di pressione fornito dal compressore in funzione del salto di pressione fornito dalla turbina
Questa equazione definisce le condizioni
di equilibrio del turbocompressore
19/11/2014 15.32 - Ritaglio di schermata
Esprimo il bilancio di portate
Supponendo che tutta la portata di gas di
scarico attraversi la turbina (non considero
bypass) e che Aeq sia l'area equivalente del
distributore e del rotore della turbina
Fi è la funzione di flusso incomprimibile
Da cui
Isolando i termini che contengono la pressione
Le due equazioni trovate risolvono il problema di
determinare il grado di sovralimentazione pc/pa una
volta noti i principali parametri che caratterizzano il
turbocompressore e la portata mt. Riportate in un
grafico queste equazioni consentono di valutare in
modo immediato l'effetto prodotto dalla variazione di
alcuni parametri sulle condizioni di equilibrio.
con questo grafico posso scegliere il giusto
turbocompressore.
Immagino di partire dal punto 1
CASO 1 immagino che il punto di funzionamento sia il
punto 1. un aumento dell' efficienza delle macchine mi
porta dal punto 1 al punto 2, con un immediato
guadagno in rapporto di sovralimentazione.
CASO 2 un aumento della temperatura all' ingresso
della turbina (Te) mi fa aumentare pe *fi--> da 1'' passo
a 3'' e quindi i nuovi punti di funzionamento sono 3' e 3:
Il rapporto di sovralimentazione aumenta poiché do più
lavoro al compressore ( mi sposto anche su una linea a
csi costante diversa, in quanto csi dipende da Te)
CASO 3 anche variando l'area di efflusso della turbina
posso cambiare la pressione di sovralimentazione:
Se l'aumento passo da 1'' a 4'' e i nuovi punti di
funzionamento saranno 4' e 4-->
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DOWNSIZING
l'idea è mantenere la stessa potenza, riducendo la cilindrata. Questo lo si può fare con
una buona sovralimentazione che mi consente di alzare bmep.
• I rendimenti salgono perchè ho meno perdite meccaniche e termiche (peso inferiore e superfici ridotte). in futuro
si punta ad aumentare molto la bmep sovralimentando un botto. c'è tuttavia un limite dovuto alla resistenza
meccanica.
• Un motore con downsing spinto ha pressioni maggiori e quindi devo eccedere con gli spessori. l'aumento di peso
dovuto a questo fatto non è comparabile con la riduzione di volume resa possibile.
• a pari potenza (quindi di velocità del veicolo) , quella potenza la posso fornire con un regime più alto e bassa
coppia tramite un motore aspirato, oppure con un motore dotato di turbo, che lavora con minori giri e coppia
maggiore--> se il motore turbo può girare a giri più bassi, si riducono le perdite meccaniche.
• Se confronto la mappa di un motore sovralimentato con la mappa di un motore aspirato, si vede come l'area è
molto più in alto: il regime è lo stesso, i livelli di consumo si riducono perchè brucio più combustibile, aumentano
le potenze termiche ma le perdite temiche pesano di meno così come le perdite meccaniche.
• Downsizing attuale più spinto: 2000 benzina da 300 kw
• Nota: usare sovralimentazione accoppiata con motore elettrico rende necessario passare dai 12 volt ai 48.
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