La sovralimentazione in generale. "Si definisce sovralimentazione l'operazione mediante la quale si precomprime l'intera (od una parte della) carica fresca al di fuori del cilindro di lavoro, con lo scopo di aumentare la massa di aria o miscela che un motore riesce ad aspirare per ogni ciclo" (G. Ferrari, Motori a combustione interna). In pratica, mediante un compressore, l'aria viene immessa nei cilindri ad una pressione superiore a quella atmosferica; ciò permette che una maggiore quantità di combustibile, proporzionale all'aumento di densità dell'aria precompressa, possa venir bruciata all'interno del cilindro. Come risultato si ottiene un incremento della potenza specifica ed un miglioramento del  rapporto peso/potenza di un dato motore. Per comprendere meglio come la sovralimentazione permetta di ottenere un aumento di potenza, si ricordi come per un motore a quattro tempi (dove un ciclo completo viene compiuto con due giri di manovella, corrispondenti a quattro corse del pistone) la potenza utile effettiva (P_e) viene definita dall'equazione 1, dove la p_me è la pressione media effettiva, V è la cilindrata unitaria, n il numero di giri ed il 2 al denominatore rappresenta il numero di giri dell'albero motore per avere un ciclo completo.

     (equazione 1)

Dall'equazione sopra riportata si nota come, a parità di cilindrata unitaria, due siano le strade perseguibili per l'innalzamento della potenza: la prima è innalzare il numero di giri, strada seguita dai motori aspirati, con la  conseguente ricerca di un alleggerimento delle masse in moto per ridurre l'inerzia; la seconda è incrementare la pressione media effettiva ed è proprio quella seguita dai motori sovralimentati. La p_me è definita dall'equazione 2, dove h è il rendimento del motore, l è il coefficiente di riempimento, r  la densità dell'aria, H_i  è il potere calorifico superiore del carburante e a è il rapporto aria/combustibile.

      (equazione 2)

La sovralimentazione permette di aumentare la densità dell'aria (essendo la densità data dal rapporto massa/volume, ad un aumento della massa si ha un aumento di r) ed il coefficiente di riempimento (all'apertura della valvola di aspirazione, i gas residui della combustione vengono compressi dalla carica fresca che quindi può occupare un volume maggiore con un conseguente miglioramento di l): di conseguenza sia la pressione media effettiva che la potenza utile effettiva si accrescono. La sovralimentazione presenta anche altri vantaggi, quali il miglioramento del rendimento del motore (attraverso un miglioramento del processo di combustione), cosa ancora più evidente nei motori Diesel, in cui si riesce a ridurre il ritardo di accensione, la riduzione delle emissioni di particolato ed una combustione più graduale che permette di avere un motore dal funzionamento più silenzioso. Tra gli svantaggi si ha un aumento dei carichi meccanici (determinato dalla maggiore p_me) e termici. Inoltre, per i motori ad accensione comandata, si verifica la detonazione con il conseguente "battito in testa": ciò perché una parte della miscela si trova in condizione di autoaccendersi ancor prima di essere raggiunta dal fronte di fiamma regolare. Proprio per ridurre questi  inconvenienti, i motori sovralimentati presentano un rapporto di compressione inferiore a quello degli aspirati. La riduzione del rapporto dì compressione determina la riduzione dei picchi di pressione e delle temperature massime sviluppate durante la combustione entro i limiti tollerati dal motore, consentendo di aumentare pressioni e temperature medie effettive del ciclo. In tal modo si ottengono aumenti di potenza, coppia e carichi meccanici medi, mentre si diminuiscono le punte di carico massimo sugli organi in movimento. Ora che qualche elemento teorico è stato chiarito, ci si può chiedere: come realizzare la sovralimentazione? I due metodi più utilizzati sono il compressore volumetrico ed il turbocompressore, mentre un terzo, il Comprex, non viene utilizzato.

Il compressore volumetrico. Il compressore volumetrico (fig. 1) è costituito da due lobi che comprimono l'aria all'aspirazione; esso viene azionato direttamente dal motore tramite una trasmissione a cinghia o a catena.

Il vantaggio principale di tale soluzione è che, essendo il compressore centrifugo, azionato dal motore, la sovralimentazione è attiva già a basso numero di giri: per questo motivo tale soluzione ha conosciuto una certa diffusione nei rally. Lo svantaggio principale di tale soluzione è l'assorbimento di potenza ai danni del motore.

Il turbocompressore. Particolare attenzione deve essere soprattutto rivolta al metodo più utilizzato per ottenere la sovralimentazione, il turbocompressore (fig. 2). Il rotore della turbina, messo in rotazione dai gas di scarico che gli cedono parte della loro energia, trascina (mediante un albero poggiante su due supporti antifrizione lubrificati dall'olio motore) la girante (in alluminio) del compressore che comprime l'aria aspirata.

L'aria compressa in uscita dalla girante del compressore ha una temperatura di più di 80°: per questo motivo l'aria compressa, prima di essere immessa nel motore, viene raffreddata per mezzo di uno scambiatore di calore aria/aria, altrimenti detto intercooler (fig. 3). I vantaggi della post-refrigerazione, in termini di potenza, sono  quantificabili empiricamente: una diminuzione di 10 °C crea un aumento del volume dell'aria pari al 3%, a cui corrisponde un incremento di potenza pari al 3,5%.

Un turbocompressore, durante il funzionamento, raggiunge velocità di rotazione molto elevate, dai 60.000 ai 180.000 giri/min; per questa ragione, bisogna prestare particolare cura alle condizioni dell'olio motore (con i relativi filtri), che ha il compito di lubrificarne e raffreddarne gli elementi. Anche per tale motivo, in alcuni casi viene utilizzato uno scambiatore di calore per l'olio. La pressione di sovralimentazione, che in alcune applicazioni supera il bar, viene regolata tramite una valvola waste-gate (fig. 4), una valvola di sfiato che impedisce una eccessiva pressione di sovralimentazione riducendo la quantità dei gas di scarico diretti alla turbina. La waste-gate, che può essere a piattello o a saracinesca, è azionata da un piccolo polmone comandato pneumaticamente e collegato allo scarico del compressore da un tubo di piccole dimensioni.

La valvola si apre quando la pressione a valle del compressore supera il valore predefinito da progetto: questo fa sì che il piccolo polmone vada ad agire, tramite un'asta, sulla molla della waste-gate, vincendone la resistenza in modo da aprire la comunicazione diretta con i gas di scarico, bypassando così la turbina. Variando il precarico della molla si può variare la pressione massima di sovralimentazione. Esiste in alcuni motori la possibilità di ritardare l'intervento della waste-gate, in modo da disporre per brevi periodi di un plus di potenza grazie all'aumento della pressione oltre il valore massimo prestabilito. Questo sistema, chiamato overboost, mediante un attuatore comandato da una centralina elettronica, agisce direttamente sulla waste-gate. Nei motori diesel, una possibilità di regolazione della pressione di sovralimentazione è fornita da una turbina a geometria variabile (fig. 5). In pratica, il distributore della turbina, cioè l’elemento che convoglia i gas di scarico verso il rotore (girante), è dotato di palette che tramite un meccanismo ad aria compressa variano la loro inclinazione in funzione del regime di rotazione del motore.

Questo permette di avere un controllo delle sezioni di passaggio dei gas di scarico e, di conseguenza, un controllo dei gradi di sovralimentazione ottenibili ai diversi regimi. L'utilizzo di questa soluzione è limitato ai motori diesel perché la temperatura dei loro gas di scarico è inferiore rispetto ai motori a benzina: ciò permette condizioni di utilizzo meno gravose per i delicati componenti di tale soluzione. La turbina a geometria variabile permette anche di attenuare uno dei problemi più importanti dell'applicazione di un turbocompressore, il cosiddetto turbo lag, cioè il ritardo di risposta in accelerazione del turbo. In passato, questo problema era molto sentito, rendendo le auto sovralimentate difficili da guidare: ciò perché, al di sotto di un determinato regime (ad esempio, sotto i 3000 giri/min), il flusso dei gas non era sufficiente per mettere in rotazione la girante del turbo e quindi non bastava a garantire una pressione di sovralimentazione adeguata; di conseguenza, il motore aveva un funzionamento simile a quello di un motore aspirato con un rapporto di compressione basso e quindi con una risposta fiacca. Superato tale regime, la sovralimentazione diventava invece molto evidente e difficile da gestire. Questo problema si attenua nei diesel, anche per la loro caratteristica tipica di avere molta coppia già ad un ridotto numero di giri. Nei motori a benzina, invece, il problema è accentuato dal fatto che, in fase di rilascio, la turbina, anche se priva della spinta indotta dai gas di scarico, a causa della propria inerzia continua a girare velocemente causando un aumento di pressione indesiderato nel collettore di aspirazione che in rilascio è chiuso dalla farfalla. Per evitare che la valvola a farfalla venga danneggiata viene utilizzata una valvola by-pass, grazie alla quale l'aria viene convogliata, tramite un tubo, a valle del filtro dell'aria in maniera silenziosa, in modo da mantenere comunque elevata la pressione di esercizio e da non far fermare del tutto il compressore anche ad acceleratore chiuso. Nelle vetture da competizione viene invece utilizzata la cosiddetta valvola pop-off che devìa verso l'esterno l'aria in pressione, producendo il sibilo in fase di rilascio tipico dei motori turbo da gara. In qualsiasi caso, ad una riapertura della valvola a farfalla il compressore deve essere riportato a regime con un conseguente ritardo del raggiungimento della pressione di sovralimentazione. La risoluzione del turbo lag, per i motori a ciclo Otto, è stata ottenuta in vari modi. Una strada seguita è quella di ridurre la dimensione della turbina e, di conseguenza, del rotore/girante: ciò permette di ridurne la massa e quindi anche l'inerzia, in modo che i gas di scarico riescano a metterla in rotazione più velocemente riducendo i tempi di risposta ai comandi dell'acceleratore e garantendo che la pressione di sovralimentazione venga raggiunta più rapidamente. Un'altra strada è la bassa sovralimentazione che migliora il rendimento del motore rinunciando a picchi elevati di potenza, permettendo di mantenere un rapporto di compressione vicino a quello di un aspirato e, quindi, garantendo una elasticità di funzionamento del motore anche a turbina quasi o del tutto ferma. In conclusione si può affermare che la sovralimentazione è diventata ormai parte integrante dei motori a ciclo Diesel, ma che probabilmente si assisterà ad un suo utilizzo massiccio anche nei motori a ciclo Otto, al fine di migliorarne il rendimento e ridurne le emissioni inquinanti.

Materiale tratto da AUTOTECNICA

aprile 2004