Motorsport
Tecnica evoluzione
Approfondimenti sulla sovralimentazione
Nozioni di Base
La sovralimentazione di un motore a combustione interna consiste tecnicamente nell’immissione, in camera di combustione, di fluido (aria o miscela aria-combustibile) a pressione maggiore di quella atmosferica p0 che si avrebbe in un motore “aspirato”, cioè dove il fluido è richiamato per effetto della depressione creata dal movimento alternativo del pistone. E’ noto che la potenza erogata da un motore dipende, oltre che dal regime di rotazione u (velocità media del pistone), anche dalla Pressione Media Effettiva PME (definita come il lavoro utile fornito ad ogni ciclo per unità di cilindrata) secondo la relazione:
essendo "ZS" l’area disponibile del motore.
Risulta quindi possibile aumentare la potenza: aumentando il regime di rotazione; aumentando la Pressione Media Effettiva. Nel primo caso ho comunque limiti strutturali da rispettare, tenendo conto che l’espressione delle forze d’inerzia alternative (riferite alle masse che si muovono di moto alternativo) è:
e, variando con il quadrato della velocità, non è consigliabile spingersi oltre certi limiti. Ciò che posso aumentare, invece, è la pressione media effettiva , dotando i collettori di aspirazione di meccanismi che creano una sovrapressione che in pratica aumenta la densità di carica fresca immessa in camera di combustione. Poiché la quantità di combustibile che può essere bruciata ad ogni ciclo e’ proporzionale alla quantità di O2 introdotta nel cilindro, l’energia termica liberata nel processo di combustione sarà maggiore di quella sviluppata con densità di carica standard. Resta però il fatto che il guadagno della PME e’ limitato dalla necessità di trasferire energia meccanica al dispositivo di sovralimentazione, come si può vedere in figura 1:
Fig.1 Relazioni tra potenza assorbita e velocità di
rotazione in due modelli di sovralimentatori.
Nel grafico di Fig.1 e’ visibile come la potenza assorbita da un dispositivo di sovralimentazione dipenda, oltre che dalla sua capacità, anche dalla velocità di rotazione ad una certa pressione di sovralimentazione (boost pressure).
Cicli Termodinamici
Con riferimento al ciclo Otto di un motore a combustione interna (Fig.2) si può notare che esso risulta composto da:
Compressione isoentropica 1-2
Fase di combustione isocora 2-3
Espansione isoentropica 3-4
Scarico isocoro 4-1
Fig.2 Ciclo ideale (limite) per un MCI a benzina (ciclo Otto)
In figura 2 è mostrato un ciclo P-V ideale per un motore sovralimentato. L’area 1234 è il lavoro sviluppato nel cilindro mentre l’area 0156 rappresenta il lavoro speso per riempire la camera di carica fresca (Lavoro di Pompaggio). In figura 3, invece, vengono messi a confronto i diagrammi P-V delle versioni aspirata (contorno tratteggiato) e sovralimentata di uno stesso motore.
Fig.3 Confronto tra versioni aspirata e sovralimentata
in un motore 3000cc V6 a 5000 giri/min.
In questo secondo caso, con il rapporto di compressione geometrico:
dovuto soltanto alle dimensioni della camera, ridotto da 9 a 8 e con una boost pressure di 0.5 si nota che la pressione massima del ciclo cresce di poco, mentre il lavoro fornito (area del ciclo):
aumenta in misura cospicua come possiamo vedere dalla figura 3. Ciò è dovuto alla minore ripidità delle curve politropiche d’espansione e compressione, con il risultato di un rigonfiamento del diagramma e una maggiore area P-V. Il fatto di avere una pressione più alta, nei motori sovralimentati si traduce, come visto, in una variazione del rapporto di compressione geometrico; infatti si tende a ridurlo, in modo da avere motori più compatti e leggeri, che erogano una stessa potenza come ovvia conseguenza della sovralimentazione.
Conseguenze
La pressione di sovralimentazione, si ricorda, è la pressione del fluido in uscita dal compressore, misurata relativamente alla p0 atmosferica. Quindi, nel caso di pressione all’uscita p=1.3 atm la pressione di sovralimentazione corrispondente sarà ps=0.3 atm, cioè definisco il Rapporto di sovralimentazione o Boost Ratio :
Di solito si conviene chiamare le condizioni di sovralimentazione riferendosi alla tabella 1
Grado di sovralimentazione |
Pressione di |
Rapporto di |
Naturalmente aspirato |
0.0 e inferiori |
1.0 e inferiori |
Basso |
0.0 – 0.5 |
1.0 – 1.5: 1 |
Medio |
0.5 – 1.0 |
1.5 – 2.0: 1 |
Alto |
1.0 e superiori |
2.0 e superiori |
Tabella 1: intensità di sovralimentazione.
E’ già stato affermato che lo scopo della sovralimentazione è quello di portare la densità di carica a valori più alti; dalla termodinamica dei gas, infatti, la massa di carico m si può esprimere:
essendo costante il rapporto V/R la formula suggerisce che la massa immessa in camera di combustione cresce all’aumentare della pressione di ingresso ed essendo, sempre:
a V=cost:
m µ r (densità)
allora è lecito affermare che “aumentando la pressione aumenta la densità di carica”. Anche la temperatura, però, può essere influenzata dall’incremento di pressione come mostrato dalla figura 4:
Fig 4 Variazioni della temperatura della carica
in funzione del rapporto di compressione.
La figura 4 mostra come varia la temperatura in funzione del rapporto di compressione del sovralimentatore. Si nota subito che aumentando la pressione inevitabilmente si riscalda la carica; questo fatto è da tenere sotto controllo, poiché un aumento vorticoso della temperatura induce anche una diminuzione della densità di carica. E’ da tenere presente che il guadagno in fatto di carica immessa nel cilindro e’ in effetti inferiore rispetto a quello teorico corrispondente ad una determinata boost pressure.
Commenti e Prestazioni
I vantaggi in termini di coppia e potenza in un motore sovralimentato sono numerosi:
Fig.5 Coppia e Potenza nella VolvoB21E
Nella figura si notano i maggiori valori di coppia e potenza in un motore a combustione interna sovralimentato (curva continua) e lo stesso motore in versione aspirata (curva tratteggiata). Oltre agli effetti positivi riscontrabili immediatamente:
combustione più graduale che comporta più silenziosità,
maggiore rendimento,
riduzioni di ingombro e peso rispetto ad aspirati di stessa potenza,
si ha unl rovescio della medaglia:
pericolo di detonazione nei motori ad accensione comandata,
aumento di sollecitazioni meccaniche e termiche sugli organi.
Di particolare interesse risulta la trattazione del fenomeno in un motore a combustione interna a 4 tempi, dove la sostituzione dei gas combusti (lavaggio) avviene autonomamente impiegando due corse del pistone: la prima per l’espulsione dei gas combusti, l’altra per l’aspirazione della carica fresca. La sovralimentazione di un motore a 4T viene impiegata per la compressione della carica aspirata. L’inconveniente della creazione di contropressioni allo scarico viene teoricamente superata dalla spinta del pistone in corsa ascendente. Per tali motivi la sovralimentazione è largamente usata nei motori 4T. In particolare, dal punto di vista della Potenza sviluppata, si può ritenere che la PMI cresca per i seguenti motivi :
1. Si ottiene un aumento della pressione e temperatura
della carica fresca pm e Tm nel collettore d’aspirazione, a valle del compressore, ottenendo un valore della potenza media indicata pmi pari a :
avendo indicato con:
alfa: il rapporto di miscela, ovvero il rapporto tra le portate massiche dell'aria e del combustibile,
hi: il rendimento indicato, cioè quello realmente percorso dal fluido nel motore,
lv: il coefficiente di riempimento,
ra: la massa volumica,
Hi: il potere calorifico inferiore.
I termini che sono influenzati dallo stato termodinamico della carica sono principalmente "lv" e "ra".
2. il ciclo di sostituzione del fluido fornisce un contributo positivo al lavoro indicato
Il grafico P-V, relativo ad un motore quattro tempi sovralimentato ed in fase di sostituzione della carica (fig.5), evidenzia come la pressione di mandata al compressore (pm) risulti superiore a quella dello scarico del motore (ps), ne consegue che il lavoro positivo fatto dalla carica fresca è superiore al lavoro negativo fatto dal pistone per espellere i gas combusti dal cilindro.
Fig.6 Parte del ciclo indicato di un MCI 4T sovralimentato.
Il lavoro globale del cilindro (Lst) scambiato tra gas e pistone risulta quindi positivo e può essere pensato come una frazione yl del lavoro limite V(pm–ps), ossia:
e quindi, indicando con l’ apice le grandezze del motore sovralimentato,il contributo del lavoro dato alla p’mi potrà essere valutato come:
3. Aumenta il volume della carica entrante
I gas combusti che riempiono lo spazio morto Vc a pressione ps vengono compressi dalla carica fresca che si trova ad una pressione pm maggiore di ps occupando quindi un volume minore V’c<Vc a lasciando disponibile per il riempimento, oltre alla cilindrata V, anche una parte dello spazio morto.
Link correlati
Potrebbe interessarti visitare le pagine: Aspirazione | Sovralimentazione | Automotive alternativo