Sovralimentazione
Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.
Si definisce sovralimentazione di un motore a scoppio l'introduzione forzata di miscela combustibile nei cilindri rispetto a quella che sarebbe possibile con la normale aspirazione, per garantire al motore maggiore potenza e coppia. Si può sovralimentare un motore in maniera meccanica o chimica.
Indice |
[modifica] Sovralimentazione meccanica
Per sovralimentazione meccanica s'intende la compressione dell'aria all'interno del collettore d'aspirazione e generalmente può essere ottenuta con due diversi sistemi: con il turbocompressore (spesso indicato solo con turbo) o con il compressore volumetrico, o più raramente con entrambi i metodi. Altri sistemi usati possono essere il compressore centrifugo ed il Comprex.
[modifica] Compressore volumetrico
 |
Per approfondire, vedi la voce compressore volumetrico. |
Il compressore volumetrico è collegato all'albero motore tramite una cinghia, e forza l'immissione del quantitativo d'aria predeterminato all'interno del collettore d'aspirazione. La sovralimentazione si realizza tramite il differenziale del volume d'aria processata dal compressore rispetto alla cilindrata del motore. Questo assicura un maggior rendimento ai bassi e medi regimi di rotazione. È un sistema non molto diffuso in Europa dove solo Mercedes e Jaguar lo adottano su alcuni modelli della gamma (anche la Mini Cooper S prima serie adottava un compressore volumetrico). È invece molto diffuso nei motori statunitensi di grossa cubatura, dove può essere applicato senza penalizzare in maniera rilevante la potenza massima espressa. La tipologia più diffusa di compressore volumetrico è quella a lobi, o Roots, ma vi sono anche altri tipi quali il Lysolm a vite, il Bendix a palette e il G Lader a chiocciole utilizzato durante gli anni 80 sulle Volkswagen con la sigle G40 e G60.
[modifica] Il turbocompressore
Il turbocompressore noto spesso come turbo (chiamato anche turbogruppo giacché è l'unione di una turbina e compressore come in figura) rappresenta senza dubbio il sistema più diffuso.
Esso è composto da una girante turbina che viene messa in rotazione dai gas di scarico e da una girante compressore, generalmente in lega di magnesio, collegata alla turbina mediante un piccolo albero. Il compressore, trascinato in rotazione dalla turbina, comprime l'aria e la immette, quindi, nel collettore d'aspirazione, fornendo ai cilindri del motore un volume d'aria maggiore di quanto ne potrebbero aspirare. Si tratta di un complesso altamente efficiente in quanto utilizza l'energia residua dei gas di scarico per azionare la turbina e quindi il compressore. In questo modo è possibile immettere nella camera di scoppio anche un maggior quantitativo di carburante, assicurando così una maggiore potenza.
Tuttavia proprio in virtù di tale potenza anche i gas di scarico sono costretti a uscire più velocemente, così anche il turbocompressore ruoterà più rapidamente conferendo una sempre maggiore potenza al propulsore. La girante normalmente supera i 180.000 giri/min.
Per non incorrere nel cosiddetto fenomeno della "detonazione" o addirittura nella rottura del motore stesso non si può superare un determinato rapporto di compressione all'interno dei cilindri. Per questo motivo è presente una valvola, detta di wastegate , per eliminare i gas in eccesso.
Una ulteriore valvola chiamata "pop-off" (situata fra il turbocompressore e la valvola a farfalla) provvede ad aprirsi totalmente in fase di rilascio del gas quando, pur essendo la farfalla totalmente chiusa, la turbina continua a ruotare per effetto dell'inerzia comprimendo l'aria che tuttavia non viene immessa nei cilindri ed evitando il cosiddetto "colpo d'ariete". Questa valvola può essere di due tipi:
- A sfiato interno (detta anche a ricircolo o a By-pass) e in questo caso l'aria in eccesso viene convogliata a monte della turbina, tramite un tubicino situato nella valvola stessa, che riesegue tutto il ciclo.
- A sfiato esterno (o sfiato libero) e in questo caso l'aria in eccesso viene semplicemente espulsa da un apposito ugello situato nella valvola, creando il tipico sbuffo.
Il turbocompressore funziona particolarmente bene agli alti regimi di rotazione mentre fino ai 2000-3000 RPM rappresenta solo uno svantaggio per via dell'inerzia della girante che rallenta i gas di scarico. Nei motori ad alte prestazioni c'è quindi la tendenza a installare più turbocompressori di ridotte dimensioni anziché uno solo.
In tema di turbocompressore e di compressore volumetrico, vale la pena dedicare due righe alla Delta S4 del 1985, il cui quattro cilindri con cilindrata 1759cc erogava, nella versione "stradale" ed in quella da rally rispettivamente ben 250cv e 500cv (dichiarati, si parlava di 600 effettivi). Quest'unità utilizzava un sistema combinato in cui un compressore volumetrico ed un turbocompressore operavano in serie: ai bassi regimi era attivo il volumetrico, la cui azione diminuiva all'aumentare dei giri - ed alla corrispondente entrata in funzione del turbocompressore - per poi essere completamente "by-passato" ad alto numero di giri. Questa soluzione è stata ripresa recentemente dal gruppo Audi-VW sulla Golf V, per esempio, di cilindrata 1.400 e con una potenza di ben 170cv con un ottimo risultato in ambito di prestazioni e consumi.
[modifica] Turbocompressore a geometria variabile
Concettualmente identico al turbocompressore, la differenza più grande da questo è insita nella girante motrice o di scarico. Essa infatti è circondata da palette mobili che determinano la variazione dell'angolo d'incidenza dei gas di scarico con le palette della girante motrice. In funzione del regime di rotazione, queste vengono chiuse o aperte per favorire la velocità o la portata a seconda dei regimi stessi. Ciò porta ad una maggiore flessibilità e adattabilità di comportamento rispetto al "Turbo" a chiocciola fissa: una turbina a geometria variabile consente di ottenere la stessa bassa inerzia di una turbina di piccole dimensioni e la portata d'aria (quindi potenza) di una turbina di maggiori dimensioni. Il campo di applicazione più vasto è quello dei TurboDiesel ad alta pressione di iniezione come Common Rail e iniettore pompa.
[modifica] Il compressore centrifugo
Il compressore centrifugo utilizza lo stesso principio del turbocompressore, la differenza principale però è che la girante non è messa in funzione dai gas di scarico ma da una puleggia calettata sull'alberino della girante e collegata tramite cinghia a una delle pulegge che ruotano insieme al motore, come se fosse una puleggia della distribuzione. Il vantaggio in termini di potenza di quest'ultima soluzione è molto ridotto rispetto al turbocompressore, la principale causa sta nel fatto che ruotando vincolata al motore (al contrario della girante del turbo che ruota liberamente) il numero di giri raggiungibile fa sì che non si possa arrivare ad elevate pressioni; tuttavia la estrema semplicità di installazione di questo tipo di sovralimentazione fa sì che vengano abbattuti tutti i problemi (e i conseguentemente i costi) relativi all'installazione del turbo e la rende un'ottima alternativa qualora l'incremento di cavalli si voglia contenere entro l' 80-99% della potenza iniziale (questo nel caso di giranti molto grandi). Una soluzione molto più rara sta nell'utilizzare un compressore centrifugo con la girante mossa da un motorino elettrico.
|
Per approfondire, vedi la voce compressore centrifugo. |
[modifica] Sovralimentazione chimica
La sovralimentazione chimica è un altro sistema per immettere maggiore ossigeno nei cilindri rispetto a quello che sarebbe normalmente presente con la sola aspirazione e consiste nel sostituire l'aria con un fluido più ossigenato. L'atmosfera contiene infatti solo circa il 20% di ossigeno. Il composto più utilizzato al giorno d'oggi è il protossido d'azoto (N2O) che contiene circa il 36% di ossigeno in peso. Esso viene immesso nel collettore d'aspirazione attraverso particolari ugelli e reagisce non appena viene a contatto con zone ad alta temperatura, liberando ossigeno puro. L'incremento di potenza e coppia è notevole, con un guadagno fino al 50-60% di CV disponibili. Questo è un sistema molto poco usato, per problemi legali, costi, problemi di affidabilità e perché provoca una rapida usura del motore. Inoltre le bombole di protossido d'azoto consentono solo pochi secondi di effettiva sovralimentazione, limitandone il sistema a gare di accelerazione o manifestazioni. Il sistema di iniezione al protossido d'azoto è forse più noto con l'acronimo NOS dal nome dell'azienda che per prima nel 1978 ne ha prodotto un sistema per veicoli.
[modifica] Storia
I primi impieghi di sovralimentazione chimica risalgono al secondo conflitto mondiale sui caccia quando serviva potenza extra in fase di decollo o attraverso zone d'aria rarefatte. Il sistema più usato all'epoca era sempre il protossido d'azoto ma anche altre miscele detonanti. I primi sviluppi automobilistici si ebbero però negli anni '60 e '70 con il proliferare delle gare di accelerazione (Drag Strips), anche se i sistemi di derivazione aeronautica utilizzati erano molto complessi. Un'ottima semplificazione venne elaborata da Mike Thermos e Dale Vaznaian mediante un sistema "bolt on", cioè "imbullonato sopra" e quindi meno costoso e non irreversibile. La buona richiesta del mercato portò i due creatori alla creazione della Nitrous Oxide Sistem nel 1978, tuttora esistente e attiva.
