In un articolo precedente (La sovralimentazione – Perché, come e un po’ di storia – 1° parte) abbiamo cercato di spiegare con parole alquanto semplici perchecome e perché viene adottata la sovralimentazione nei motori a combustione interna.
In estrema sintesi vi ricordiamo che questo “artificio” consente di aumentare la quantità di aria (comburente) che un motore atmosferico sarebbe capace di aspirare ad ogni ciclo; di conseguenza si può aumentare, in debita proporzione, anche la quantità di carburante (combustibile) ottenendo quindi un significativo aumento della potenza massima.
Abbiamo anche ricordato che si possono classificare tre tipi di sovralimentazione:
-> la “sovralimentazione meccanica“;
-> la “sovralimentazione dinamica“;
-> la “sovralimentazione chimica“.
In questo articolo li descriveremo dettagliatamente.
LA SOVRALIMENTAZIONE MECCANICA Questo tipo di sovralimentazione è ottenuta attraverso la compressione dei gas in aspirazione. I compressori possono essere così classificati:
-> il turbocompressore, che sfrutta l’energia dei gas di scarico;
-> il compressore volumetrico, che sfrutta una parte della potenza erogata dal motore;
-> il compressore centrifugo;
-> un altro tipo di compressore, poco diffuso, è il sistema “Comprex”.
Turbocompressore
E’ oggi il tipo più diffuso. E’ essenzialmente composto da due chiocciole che racchiudono due giranti a palette, solidamente collegate tra loro tramite un alberino. La prima girante riceve il moto dai gas di scarico e lo trasmette alla seconda girante, la quale impartisce il moto alla colonna d’aria nel collettore d’aspirazione, comprimendola. A garantire il tutto da eventuali, eccessivi, picchi di pressione c’è una valvola, detta waste-gate, che provvede all’eliminazione dei gas in eccesso.
Il principale nemico della sovralimentazione mediante turbocompressore è l’inerzia. Infatti, i gas di scarico prima di mettere in rotazione la girante devono vincere l’inerzia di quest’ultima, che è in stato di quiete. L’effetto è il famigerato “turbo-lag“, ovvero un ritardo di azionamento della turbina, difetto purtroppo avvertibile nella guida.
Al contrario, in fase di rilascio, la turbina a causa della propria inerzia, continua a girare velocemente causando un aumento di pressione indesiderato nel collettore di aspirazione – che in rilascio, lo ricordiamo, è chiuso dalla farfalla; di conseguenza la waste-gate si apre sino al quasi completo arresto del compressore.
Il turbo-lag è enfatizzato dal fatto che un motore turbo, dovendo sopportare pressioni superiori a quelle di un atmosferico, ha un rapporto di compressione più basso rispetto a quest’ultimo. Quando la turbina non svolge la sua azione, all’incirca al disotto dei 2500/3000 giri/min, il propulsore funziona come un’ aspirato con ridotto rapporto di compressione. In altre parole a quei regimi il motore fornisce prestazioni inferiori alla media.
Questo è uno dei motivi per cui il turbocompressore è diventato di gran moda sui motori Diesel, i quali possono permettersi rapporti di compressione più alti rispetto ai benzina e comunque offrono più coppia ai bassi regimi.
Tuttavia i costruttori hanno trovato diverse soluzioni. La prima è la riduzione delle dimensioni della turbina, come fece, ad esempio la Maserati per le sue Biturbo, dotate una piccola turbina per ogni bancata; la riduzione delle dimensioni comporta evidentemente una riduzione della massa e quindi dell’inerzia. Un’altra soluzione è quella della sovralimentazione “soft” (tipica dei motori Saab), ossia utilizzata per migliorare il rendimento senza ottenere picchi di potenza elevatissimi: in questo modo si può evitare di ridurre eccessivamente il rapporto di compressione, conservando una certa efficacia del propulsore anche a turbina ferma. Infine, per migliorare l’efficacia della turbina esistono oggi turbine a geometria variabile che, tramite apposite palette mobili – nelle ultime evoluzioni, a controllo elettronico – variano le dimensioni interne della chiocciola della turbina. In questo modo i gas, dovendo attraversare un condotto di minor sezione, acquistano velocità e permettono al compressore un più rapido raggiungimento del regime di rotazione ideale.
Turbo Compound
Nel turbo-compound lo scarico è direttamente collegati alla turbina che lavora con un salto di pressione trascurabile, trasformando l’energia cinetica dei gas di scarico in lavoro meccanico.
Compressore volumetrico
Riceve il moto direttamente dal propulsore tramite un collegamento con l’albero motore ottenuto con cinghia, catena o ingranaggi. La maggior parte dei volumetrici utilizza due lobi per comprimere l’aria (sistema Roots), tuttavia esistono compressori che, in luogo dei lobi hanno viti, palette o profili a spirale come il “G-lader“, utilizzato sulle Volkswagen sportive dei primissimi anni ’90 (Polo 1.3 G40, Golf 1.8 G60, Corrado 1.8 G60 e Passat 1.8 G60).
Grazie al collegamento diretto con il motore, il volumetrico entra in azione sin dai regimi più bassi, eliminando ovviamente il turbo-lag e permettendo un notevole incremento dell’elasticità di marcia. Ma anche questo dispositivo ha i suoi lati negativi: infatti, mentre il turbocompressore non assorbe potenz in quanto sfrutta l’energia dei gas di scarico – che andrebbe altrimenti dispersa – il volumetrico, per assolvere alla propria funzione ruba una certa quantità di potenza dal motore. Il volumetrico conobbe un periodo d’oro nelle competizioni fino alla prima metà del Secolo scorso. Spesso venivano messi più compressori in serie (sovralimentazione a più stadi). Riaffiorò tra la fine degli anni ’70 ed i primi anni ’80 quando la Fiat decise di mettere in produzione una serie di vetture equipaggiate con un propulsore sovralimentato con questo dispositivo. Apripista fu la Fiat 131 Abarth Racing “volumetrico” , cui seguirono la Pinifarina Spidereuropa “Volumex”, le Lancia Rally 037, Beta coupè e HPE “Volumex” e, per ultime, le Fiat Argenta VX (SX in Italia) e Lancia Trevi “Volumex”. Tutte montavano lo stesso motore: il bialbero sovralimentato di 1995cc, erogante 135 cv. In tempi più recenti il volumetrico è stato ripreso dalla Daimler-Chrysler per la serie Kompressor delle vetture Mercedes.
Sistemi Misti (Volumetrico + Turbo)
L’idea alla base delle soluzioni composite è quella di sfruttare i benefici di entrambe minimizzandone gli svantaggi proprio in virtù del loro utilizzo combinato.
Vale la pena dedicare due righe alla Lancia Delta S4, il cui quattro cilindri milleotto (esattamente 1759cc) erogava, nella versione “stradale”, ben 250cv. Quest’unità utilizzava un volumetrico ed un turbocompressore collegati in serie: ai bassi regimi era attivo il volumetrico, la cui azione diminuiva all’aumentare dei giri per poi essere completamente “by-passato” ad alto numero di giri.
Il volumetrico era trascinato dall’albero motore tramite una cascata di ingranaggi. Tra i due tipi di compressore venivano usati due scambiatori aria-aria di generose dimensioni allo scopo di raffreddare l’aria in entrata per avere un massimo rendimento del motore. Lo scambio tra i due compressori era gestito da una valvola by-pass a sfera a comando pneumatico che collegava l’entrata e l’uscita del Volumetrico.
Compressore Centrifugo
E’ una via di mezzo tra il turbocompressore ed il compressore volumetrico; è azionato dal motore tramite due o tre coppie di ingranaggi moltiplicatori del numero di giri; il compressore perciò è costituito da una chiocciola a palette che ha bisogno di un elevato numero di giri per esercitare la propria funzione, come nel caso del turbocompressore, mentre il comando è meccanicamente collegato al motore, come nel caso del volumetrico.
Sovralimentazione ad onde di pressione (il Comprex)
Il Comprex è un dispositivo messo a punto dall’azienda elettromeccanica tedesca Brown-Boveri.
Il Comprex dovrebbe unire i vantaggi del volumetrico a quelli del turbo: ha un inerzia quasi nulla e l’aria d’aspirazione viene compressa dai gas di scarico. Cercare di descriverne in maniera esaustiva i principi di funzionamento, non è semplicissimo. Il principio alla base del Comprex consiste nel volere sfruttare in maniera diretta l’energia residua dei gas di scarico per “forzare” i gas freschi in fase di aspirazione.
Il Comprex consiste in una girante cilindrica con svariati condotti interni di diverso diametro, azionata direttamente dal motore, in cui da un lato entra l’aria e dall’altro i gas di scarico. I due gas entrano in contatto tra loro; poiché tra i due gas vige una forte differenza di pressione, i gas combusti cedono una parte della loro energia ai gas freschi; in questo modo i gas freschi vengono spinti per via di questo fenomeno d’onda che si viene a creare verso il condotto di aspirazione con un considerevole incremento di pressione rispetto a quella atmosferica. Tale sistema per certi versi risulta essere uno dei più semplici, ma i limiti che lo hanno sempre contraddistinto sono legati alla contaminazione dei gas freschi ad opera dei gas combusti (è inevitabile un minimo di miscelamento) ed al riscaldamento della carica fresca che richiede un sistema di refrigerazione (intercooler) per evitare effetti negativi sul coefficiente di riempimento. Il vantaggio principale di questa soluzione rispetto ai motori turbocompressi sono:
- Risposta più pronta in fase d’accelerazione
- Maggiore funzionalità, in quanto funzionando tramite le onde di risonanza, si ha una risposta migliore ai bassi regimi.
Gli svantaggi rispetto ad un motore turbocompresso sono:
- Riscaldamento dei gas d’aspirazione, essendo i gas di scarico molto caldi, inevitabilmente anche l’aria di aspirazione viene riscaldata.
- Impurità dei gas freschi che dovendo andare a contatto con i gas combusti vengono contaminati da questi anche se in minima parte, in modo simile a un motore a due tempi
In formula 1 si ricorda un fugace esperimento della Ferrari nelle prove della prima gara della stagione 1981, a Long Beach ma il dispositivo, interessante sul piano teorico, si rivelò di non facile messa a punto per le esigenze di un motore da corsa e fu pertanto abbandonato.
LA SOVRALIMENTAZIONE DINAMICA (Effetto RAM)
Questo tipo di sovralimentazione è basata sulla prima legge di Newton, detta anche “principio d’inerzia” , che, in sintesi, sancisce la tendenza di un corpo dotato di massa a permanere nel suo stato di quiete o di moto uniforme, fin quando non è sollecitato da forze esterne.
Nella fase d’aspirazione il movimento verso il basso del pistone provoca una diminuzione di pressione a valle del collettore d’aspirazione. La colonna d’aria presente nel condotto dovrebbe, idealmente, mettersi immediatamente in movimento verso la zona a bassa pressione (ossia la camera di combustione) per arrestarsi appena il pistone inizia la sua corsa verso l’alto.
Purtroppo a causa dell’inerzia le cose non vanno come così come la teoria vorrebbe: la colonna d’aria inizia a muoversi con un certo ritardo e si arresta con altrettanta lentezza, ovvero dopo che il pistone ha già iniziato la risalita. Inoltre nella colonna in movimento si creano dei fenomeni pulsatori ovvero delle onde di pressione.
L’inerzia dei gas e i relativi fenomeni di risonanza, possono essere opportunamente sfruttati, regolando la lunghezza del collettore e la fasatura dell’aspirazione in modo tale che la chiusura della valvola avvenga molto dopo il punto morto inferiore e coincidendo con l’istante in cui l’onda di pressione viaggia in direzione – ed è in prossimità – della valvola stessa.
In tal modo entra nel cilindro una quantità supplementare di aria, compressa per mezzo dei fenomeni pulsatori creatisi all’interno del collettore, migliorando il rendimento volumetrico sino a renderlo maggiore di 1, il che significa effettuare una vera e propria sovralimentazione.
Chiaramente, se la lunghezza del condotto di aspirazione e la fasatura sono fisse, questo fenomeno (detto anche “effetto RAM”), si avrà solo ad un determinato regime di rotazione. Per renderne disponibili i vantaggi in un campo d’utilizzazione più ampio si utilizzano sistemi di variazione della fasatura e della lunghezza dei condotti di aspirazione (cornetti di aspirazione ad altezza variabile).
La sovralimentazione dinamica può essere ottenuta/incrementata anche mediante prese d’aria poste sul frontale del veicolo nei punti di massima pressione aerodinamica.
LA SOVRALIMENTAZIONE CHIMICA
Nota anche come NOS, il principio è quello di “creare” il comburente (ossigeno) all’interno della camera di combustione, tramite l’iniezione di protossido d’azoto.
Ogni molecola di questo gas è composta da due atomi di azoto legati ad uno di ossigeno, la formula è N2O.
Quando viene immesso nella camera di combustione, a causa delle alte temperature le molecole di protossido di azoto reagiscono tra loro a coppie. Nella reazione ad alta temperatura gli atomi rompono i legami molecolari e dalle due molecole di protossido d’azoto (N2O + N2O) nascono due molecole di azoto puro (N2 + N2) e una molecola di ossigeno puro (O2). Va da se, quindi, che l’iniezione di protossido di azoto non fa altro che fornire chimicamente ulteriore comburente al motore in rapporto di una molecola di ossigeno ogni due molecole di azoto e pertanto è possibile aumentare anche la quantità di combustibile.
