La Sovralimentazione

Analisi di Fabrizio Paolo Malatesti

 

La Sovralimentazione

 Nella seguente trattazione andremo ad analizzare gli aspetti di maggiore interesse relativi alla pratica di Sovralimentazione sui motori a combustione interna (quattro tempi e due tempi) e le rispettive soluzioni tecnologiche annesse .

Inoltre,  ci interesseremo di approfondimenti bibliografici che possano risultare utili per la lettura in quanto l’argomento risulta centrale nel campo dei Motori a Combustione Interna .

Cos’è la Sovralimentazione

 E’ una pratica che consiste nell’aumento della carica fresca da immettere nel collettore di mandata , aumentando la massa o cambiando la densità tramite la modifica effettiva del carburante.

I motori soggetti a sovralimentazione della carica sono motori a quattro tempi , tenendo adeguatamente sotto controllo la variazione arbitraria della densità di carica fresca scelta dal costruttore, sui quali agisce un compressore ( anticipando l’aumento di pressione del carburante) .

Tuttavia , come nei motori precedentemente citati, anche nei due tempi viene gestito l’aumento di  combustibile nel medesimo modo eccetto seguente variante :data la necessaria presenza del lavaggio indotto mediante una pompa nel collettore di scarico, è necessario agire su quest’ultima (aumentando la pressione rispetto a quella esterna ) garantendo un buon lavaggio del combustibile all’interno del cilindro.

In generale, tale pratica serve a produrre maggior potenza a parità di cilindrata affinché il rendimento del motore sovralimentato sia maggiormente competitivo rispetto ad un motore progettato per una aspirazione naturale

Infatti, è utile far riferimento alla formula della Potenza Effettiva erogata da un motore alimentato per alimentazione “naturale”: ove, se volessimo aumentare il valore della Potenza Pe, dovremmo agire sulla velocità di rotazione oppure sulla pressione media (nel primo caso comporterebbe un aumento delle forze di inerzia e , nel secondo, un aumento delle forze di pressione ).

 

Confronto tra Motore Sovralimentato e un motore ad alimentazione naturale 

 

Avendo citato la differenza sostanziale tra i motori a sovralimentazione e non, ci occorre far riferimento ad un grafico tratto dal libro di testo “Motori a Combustione Interna” di Giancarlo Ferrari dal quale faremo riferimento anche sulle puntualizzazioni successive.

 

 

Dalla figura 5.1, notiamo evidentemente che le aree sottese dai cicli limite (macchina ideale – fluido reale), nelle condizioni citate,  sono diversi : in quanto nel caso del ciclo aspirato la pressione di mandata ( “1” e “ 1’ ”, rispettivamente nel ciclo aspirato e sovralimentato) risulta inferiore e che la pressione massima raggiunta a seguito di una compressione risulta altrettanto minore rispetto al ciclo di un motore sovralimentato che mantiene gli stessi rapporti di compressione (privo di modifiche strutturali sui volumi in gioco).

Di fatti , se cambiassimo il rapporto di compressione nelle trasformazioni di compressione ed espansione otterremo un vantaggio in termini di pressione massima raggiunta ( rimane inalterata se scegliamo il volume della camera di combustione “ Vc’ ” maggiore rispetto a quello di partenza).

 

Vantaggi e Svantaggi della Sovralimentazione

 

Di seguito elenchiamo i principali vantaggi dati dalla sovralimentazione :

• Riduzione dell’ingombro a causa di un aumento di potenza e di rendimento a parità di pesi e costi richiesti dal costruttore , in quanto , per un motore a quattro tempi non sovralimentato, è richiesto un rapporto peso/potenza maggiore per avere i medesimi risultati.
• Migliora la rumorosità e l’efficienza dei motori Diesel , in quanto, questi ultimi , avrebbero un processo di combustione maggiormente controllato e regolare.
• Permette la riduzione della cilindrata a parità di potenza sviluppata rispetto ad un motore ad alimentazione naturale.
• Modeste riduzioni di prestazione durante la variazione di quota o cambiamenti di densità a causa di condizioni atmosferiche sfavorevoli (es. Motori di Aerovelivoli ).

Tuttavia, bisogna anche tenere conto delle possibili controindicazioni di tale pratica:

• Maggiori sollecitazioni meccaniche dovute a un aumento di pressioni e carichi ingenti da dover sostenere .
• Possibilità di denotazione di motori ad accensione comandata.
• Nel caso di presenza di Turbocompressori, è necessario prestare particolare attenzione alla poca coppia di trazione poiché dipende da una eventuale diminuzione del regime di rotazione (numero di giri “n”).
• Lunghi tempi dei Transitori : ovvero un lasso di tempo nel quale un motore passa da uno stato di moto ad un altro (passaggio da accelerazione a decelerazione oppure ad uno stato di quiete).

 

Classificazione dei sistemi adottati

 

Adesso, a seguito di una trattazione generale, risulta necessario analizzare brevemente la classificazione dei sistemi maggiormente adottati facendo uso di una immagine illustrativa ( tratta dal libro antecedentemente citato) che mostreremo di seguito.

 

 

Ciò posto, avremo modo di suddividere le varie pratiche classificandole brevemente:

1. Turbo-sovralimentazione a pressione costante: data la necessità del motore di avere maggiore efficienza in condizioni di flussi stazionari della carica fresca e , soprattutto, esausta dai gas combusti, si attua una soluzione per diminuire le variazioni di pressione in tali gas sfruttando un collettore dotato di maggior volume (pressione circa costante). Tuttavia , tale pratica, comporta una perdita di entropia data dalla dispersione di energia cinetica durante la fuoriuscita dai cilindri.
2. Turbo-sovralimentazione ad impulsi: utilizzata per garantire un maggior rendimento se si mette a punto lo sfasamento dei singoli collettori di scarico annessi ai cilindri. Difatti, si generano “impulsi” , causati da tali gruppi di canali,  dai quali fuoriesce la carica esausta.
3. Motore Turbo Composito : quest’ultima applicazione trova maggiore utilizzo nei motori a quattro tempi. Essa consiste in un collegamento del Turbocompressore con l’albero motore (nel quale viene riversata la quantità eccessiva di energia data dai gas di scarico , poiché la sovralimentare la carica immessa nel cilindro richiede una quantità minore di lavoro).

 

ANALISI TESTO : “Selection and experimental validation of turbocharger for five cylinder CNG engine”

 

Il testo citato, segue un approccio scientifico atto alla sperimentazione delle prestazioni di un motore turbocompresso a CNG (ossia alimentato con del combustibile “naturale”).

L’analisi effettuata viene eseguita fornendo una serie di studi che riportano gli effetti positivi sul rendimento globale di tali motori rispetto a motori aspirati convenzionalmente. Di fatto il punto focale da tener presente consiste nella miglioria di prestazioni e la riduzione di emissioni agendo sul processo di aspirazione e sul sistema di post-trattamento dei gas di scarico (sotto un regime di 1400-2000giri/min con coppia massima raggiungibile pari a 205 Nm ed un carico costante di 70kW per 3400giri/min).

Di seguito andremo ad approfondire il settaggio del banco di prova con i dati precisi, tuttavia è necessario, ai fini della comprensione del testo , elencare i benefici generali di tale applicazione.

Con un motore a 4 tempi CNG turbocompresso si avrà :

• Riduzione drastica di Emissioni ed in particolare di : CO; HC ; NOx e PM.
• Un incremento delle capacità termiche del motore in quanto posso apportare modifiche sul rapporto di compressione (β=13).
• Maggiore silenziosità del veicolo e prezzi ridotti del combustibile ( costi pari ad ⅓ della benzina) , tuttavia tenendo presente che, a seguito dell’aumento dei cilindri , si avrà complessivamente un costo maggiore.
• Per pressioni maggiori a 7,5kPa ( per regimi compresi tra 2000 e 5000 giri/min ) le prestazioni globali dovute alla Sovralimentazione sono notevolmente maggiori. (G.Tadesse-studio del 2009)
• Inoltre se imponiamo tali modifiche su un Motore Otto Turbocompresso con Intercooler si ottiene una riduzione del 37% di NOx (prodotti ossidativi dell’azoto).

Turbocharger Selection

 

Per quanto riguarda la scelta del Turbocompressore, è importante tenere conto di 2 principali variabili : Portata massica introdotta e uscente dalle valvole specifiche e la Pressione di Sovralimentazione (entrambe importanti per l’analisi della Potenza obiettivo imposta dal costruttore ai fini dell’applicazione scelta).

Nello studio in questione viene scelto un Turbocompressore Borg Warner modello 2074 KCB del tipo Wastegate ( con diametro induttore 51 mm e diametro estrattore 37,8 mm).  Di seguito, nell’ ARAI ( Dip di Ingegneria dei Sistemi di Propulsione dell’ Automotive Research Association) viene messo sul banco di prova un motore con caratteristiche simili a quelle citate e viene impostata una variazione di velocità tra 1000 e 3400 rpm (con intervalli di 500 rpm). Il motore è compreso di un Intercooler e di un Convertitore Catalitico a 3 vie con  substrato monolitico (caratterizzato dalla presenza di una singola unità solida, spesso porosa, con una superficie molto ampia) , in modo tale da gestire le emissioni.

Risultati

Faremo riferimento alle figure riportate sull’articolo per comprendere che cambiamenti apporta tale applicazione rispetto ad un motore aspirato senza turbocompressore.

 

 

 

In termini di Potenza otteniamo tali risultati: La potenza massima prodotta dal motore turbocompresso è di 83 kW a 3400 rpm. Alla velocità massima è stato osservato un aumento del 12% della potenza per il motore con turbocompressore. La Fig. 5 mostra che il motore con turbocompressore produce più coppia rispetto al motore aspirato naturalmente. La coppia massima di 242 Nm è prodotta a 1500 rpm.

Nella figura 6 invece troviamo una significativa riduzione del consumo di carburante con il motore turbocompresso. Il consumo di carburante del motore turbocompresso è più basso tra 1500 e 2000 rpm. Grazie alla completa combustione del carburante, alla velocità massima è stata rilevata una riduzione del 15% del BSFC per il motore con turbocompressore.

 

ANALISI TESTO : “On the Effects of Turbocharger on Particle Number and Size Distribution in a Heavy – Duty Diesel Engine”

Il testo in questione analizza tramite un approccio simile a quello antecedentemente studiato, in quanto si occupa delle emissioni (particelle PN prodotte dai gas di scarico della combustione e prodotte dal mescolamento con altre sostanze nocive) agendo su un motore fornito di turbocompressore tramite un “DPF” (filtro anti-particolato).

Gli esperimenti sono stati condotti su un motore Diesel HD Euro VI a 6 cilindri con un turbocompressore a geometria costante. Le specifiche del motore sono riportate nella Tabella 1. I sistemi di trattamento dei gas di scarico del motore includevano un Catalizzatore di Ossidazione Diesel (DOC), un Filtro Antiparticolato Diesel (DPF) e un’unità di Riduzione Catalitica Selettiva (SCR).

 

 

Tipologia di PN

Le particelle emesse dipendono da tre principali variabili presenti tra la turbina ed il turbocompressore: la Temperatura all’interno delle macchine agenti nel motore; la portata massica massima presente nello scarico ; la concentrazione del flusso di particelle in ingresso in Turbina.

Alla Temperatura di 200°C il numero delle particelle PN si approssimano ad un fattore costante e per quanto riguarda le temperature inferiori alla citata o superiori non risultano agevoli per la produzione di un’emissione sostenibile e salutare per l’essere umano. Tuttavia , se si tende ad aumentare il calore fino al raggiungimento di una temperatura di circa 400 °C , in essa viene favorito il fenomeno ossidativo tale per cui avremo una riduzione spontanea di PN ( per flussi di masse gassose ridotte). Infine si evince che ad un aumento sostanziale delle pressioni in Turbina o , in generale, nello scarico annesso si ottiene un aumento delle prestazioni del motore con l’aggiunta di una riduzione del particolato.

A seguito di studi effettuati da “Cucchi and Samuel” e “Lee and Zhu” si evince che le particelle PN hanno delle dimensioni maggiori prima dell’ingresso nel Turbocompressore rispetto all’Outlet dello stesso. Inoltre a seguito dell’innesto del DOC (Catalizzatore di Ossidazione Diesel) si ottiene una forma particellare sferica, pertanto, si opta per una aggiunta di un pre-DPF il quale apporta tali benefici in termini di rendimento del motore e di riduzione delle particelle nocive( sfruttando la rigenerazione passiva dei gas combusti) :

• Resistenza termica maggiore.
• Maggior lavoro di Pompaggio nell’ottica di una Sovralimentazione del motore Diesel.
• Minor caduta di pressione.

 

Sistemi di Misurazione delle Particelle

 

Il testo descrive l’utilizzo di due sistemi di misurazione delle particelle (PMS 1 e 2) per monitorare il numero totale di particelle (PN) emesse. PMS 1, conforme al protocollo PMP, misura particelle non volatili con un tubo di evaporazione a 350°C, mentre PMS 2 misura sia particelle volatili che non volatili con un tubo di evaporazione a 150°C. Entrambi gli strumenti misurano particelle a partire da 23 nm e sono prodotti dalla stessa azienda, APC. Inoltre, la distribuzione delle dimensioni delle particelle è stata misurata con l’EEPS (Engine Exhaust Particelle Sizer Spectometer, TSI-3090), che copre un intervallo di 5,6 nm a 560 nm. Le misurazioni sono state corrette per i fattori di diluizione e le perdite.

 

Effetto della Turbina sul Numero delle Particelle PN

 

• Change in PN (%) = (Oulet PN − Inlet PN)/inlet PN ⋅100 (1)

 

La variazione del numero totale di particelle (PN) attraverso la turbina è calcolata utilizzando l’Equazione (1) e presentata come variazione relativa rispetto al PN in ingresso (in %).

 

La Figura 4 mostra le variazioni del PN totale rispetto al PN in ingresso utilizzando PMS1 e PMS2. Il lato sinistro (sottofigure a, b e c) della Figura 4 presenta i risultati ottenuti con PMS1, che utilizza un riscaldatore a 350°C per evaporare i materiali volatili. Il lato destro (sottofigure d, e e f) della Figura 4 mostra i risultati con PMS2, che utilizza un riscaldatore a 150°C, mantenendo i materiali volatili nelle misurazioni. I dati sono presentati per le variazioni del PN a diverse portate di massa di 185 g/s, 210 g/s e 225 g/s e diverse pressioni di iniezione del carburante.

Nella Figura 4a, la variazione del PN a 200°C era positiva per tutti i punti con PMS1, indicando un aumento del PN attraverso la turbina, senza una tendenza chiara rispetto alla portata di massa. Nella Figura 4d, non c’è variazione del PN per tutte le pressioni di iniezione e portate di massa con PMS2, suggerendo che le particelle a 200°C si aggregano bene grazie ai materiali volatili.

Nella Figura 4b, a 300°C, il PN totale all’uscita aumenta rispetto al PN in ingresso per la maggior parte dei casi, eccetto per una specifica combinazione di portata e pressione. La variazione percentuale del PN aumenta con portate di massa più elevate. A 300°C, le pressioni di iniezione più basse mostrano una maggiore variazione del PN nella maggior parte dei casi. Una tendenza simile si osserva con PMS2 (Figura 4e) per la portata di massa più elevata.

Nella Figura 4c, a 400°C, la variazione del PN è sempre negativa, indicando una chiara diminuzione del numero di particelle. Con l’aumento della portata di massa, la riduzione del PN diminuisce, eccetto per una specifica combinazione di portata e pressione. La stessa tendenza è osservata con PMS2 (Figura 4f), con particelle completamente asciutte a 400°C.

Di seguito le figure di riferimento.

 

 

 

Conclusione

Ricapitolando e mettendo insieme i dati precedentemente forniti si possono effettuare considerazioni effettuate di seguito .

A 300°C, si osserva una riduzione delle particelle più grandi e un aumento di quelle più piccole, indicando frammentazione. Le particelle, quasi prive di materiale volatile, diventano solide e più suscettibili alla frammentazione. All’aumentare della portata di massa, l’impatto delle particelle più grandi sulle pale della turbina aumenta, causando frammentazione. Con l’aumento della pressione di iniezione, il numero di particelle grandi emesse dal motore si riduce, rendendo meno pronunciato l’aumento del numero di particelle attraverso la turbina. A pressioni di iniezione elevate (1200 bar) e basse portate (185 g/s), si osserva addirittura una riduzione delle particelle.

A 400°C, si nota una significativa riduzione del numero totale di particelle attraverso la turbina. Tre possibili spiegazioni sono: perdita di particelle per effetto termoforetico(si verifica quando particelle sospese in un gas o in un fluido si spostano a causa di un gradiente di temperatura) ; agglomerazione delle particelle, e ossidazione delle particelle.

A temperature tra 400°C e 450°C, la riduzione della massa totale del particolato non è elevata, poiché le dimensioni delle particelle in cui si osserva la riduzione del numero non contribuiscono molto alla distribuzione volumetrica e, quindi, alla massa delle particelle.