Sovralimentazione: "Turbocompressori" / "Turbocompound" / "Volumetrici" / "E-Turbo"

[braccobaldo]

allora vediamo di chiarire un attimino le idee a chi mi diceva che la westgate è una "banale valvola di sicurezza"

credo che sia il caso di partire dal diagramma del punto di funzionamento di un turbocompressore trovato partendo dal bilancio energetico all'albero nel caso di assenza di bypass andando a mettere la pressione di scarico (moltiplicata per una opportuna funzione di flusso comprimibile) otteniamo questo risultato che possiamo ovviamente rappresentare graficamente (la qualità non è il massimo ma non ho a disposizione lo scanner)

più è alto questo prodotto e maggiore è l'effetto utile, in questo caso il rapporto di sovralimentazione ma possiamo considerare senza problemi la proporzionalità con la potenza all'albero della turbina

quindi ti ritrovi con un rapporto moltiplicato per una radice quadrata

- nella radice quadrata compaiono di fatto le parti relative al gas in questione e l'unico punto sul quale possiamo agire è la temperatura in ingresso di turbina fondamentalmente agendo sull'anticipo di accensione/iniezione e sulla dosatura e che quindi possiamo considerare come una costante dunque ininfluente ai fini del discorso qualitativo

- al numeratore hai una portata massica che è fondamentalmente la stessa che passa dal compressore

- al denominatore hai l'area equivalente moltiplicata per un coefficiente riduttivo di portata pulsante (<1) che è fondamentalmente derivante dalla geometria del collettore di scarico

quindi come si può agire per aumentare l'effetto utile? riduci l'area equivalente (parametro di controllo della geometria variabile), il prodotto aumenta e così anche l'effetto utile

quali sono le conseguenze? la contropressione (scarico/aspirazione) aumenta, quindi aumenti il lavoro di scarico fatto dal pistone e ti avvicini sempre di più alle condizioni di blocco sonico

il che si vede bene quando vai a valutare le performance del motore con l'area equivalente in turbina

qui l'effetto utile lo si vede benissimo con la curva della pme che è proporzionale alla potenza all'albero della turbina

se uso una sezione ridotta (nell'esempio 7 cm^2) ho un buon risultato (in termini di potenza all'albero della turbina) sin dai bassi regimi di rotazione del motore ma avendo più contropressione aumentano i consumi specifici ed incombo rapidamente nel blocco di portata (sezione minore e delta p maggiore) e quindi devo bypassare tramite westgate l'eccesso di portata

man mano che aumento l'area sposto il campo di utilizzo sempre più in alto ma tutte le curve (fino ai 13 cm^2) agli alti regimi collimano su una stessa curva perchè una volta che la turbina ha elaborato il massimo della portata che riesce devo bypassare il resto e quindi da li in poi il motore è come se fosse un aspirato

la curva da 16 cm^2 (quella continua) è invece quella con la sezione dimensionata al massimo del regime di rotazione del motore (senza westgate) ed è vero che riesce ad avere una potena massima lievemente superiore perchè può elaborare tutta la portata massica ma funziona in un range molto ridotto, basta guardare l'area sottesa per capire che l'energia sfruttata dalla turbina con area piccola dotata di westgate è nettamente maggiore di quella dimensionata per il massimo regime di rotazione

certo è un dispositivo semplice e la geometria variabile (i flapper ad angolo di calettamento variabile sul distributore della turbina) ti permettono di inviluppare tutte le curve del grafico ma è impensabile non usare uno dei due dispositivi ... la westgate è un sistema di controllo che va ad agire sulla portata

è vero che un tempo veniva usata per limitare la pressione di mandata ma era perchè non avendo il limitatore (quindi niente accensione digitale ed iniezione) ti ritrovavi con il motore al massime del regime quindi forze d'inerzia massime e massime pressioni in camera ed a quel punto l'unico modo di evitare eccessivi stress meccanici era di mettere una tacca rossa sul contagiri quindi ci si basa su chi guida mentre sulla pressione massima la sai limitare per evitare stress eccessivi (e da lì poi arriva l'overboost) ma oggigiorno la westgate è un metodo per aumentare il campo di utilizzo del turbo

Modificato 18 Maggio 2012 da braccobaldo

[Walker]

certo che è un dispositivo semplice

[braccobaldo]

più che ad aumentare il rendimento serve a farla funzionare sin dai bassi regimi di rotazione del motore in modo tale da minimizzare il turbolag

Ma per "area equivalente" cosa intendiamo?

[Walker]

per intenderci se hai la geometria variabile è l'area lasciata libera dalle palette, che ai bassi è ridotta per far funzionare bene la turbina sin dai bassi e poi agli alti aumenta regolando le palette

Sulla questione dell'area totale tra le pale ci sono (e più l'area è ridotta, più pressurizzato è il gas, migliore è il rendimento, giusto?). Non mi è molto chiara la fase dei bassi regimi: se il regime è basso l'area è ridotta al minimo perché il poco gas introdotto si disperderebbe, o meglio avrebbe una pressione insufficiente? O c'é dell'altro? Oppure ho scritto una scemenza???

[morfeo68]

Uhuhuhuhuh!!!

Scusate se faccio domande da ABC ... i motori turbocompressi di oggi hanno tutti compressore e turbina accoppiati? E il fatto di realizzarli disaccoppiati equivale a realizzare un sistema a doppia geometria variabile, o sono due cose differenti? Poi non ho capito: in un turbocompressore a geometria variabile (normale), l'entità della pressione di alimentazione varia al variare della geometria dello statore (e quindi regolata dalla centralina), oppure anche nella geometria variabile attuale è necessaria la wastegate?

Se fossimo nel secondo caso, prevedendo il nuovo motore Subaru un disaccoppiamento di turbina e compressore, la wastegate non servirebbe più perché le due componenti non sono influenzate l'una dall'altra (e quindi la turbina non sarebbe sollecitata direttamente dal compressore), ma regolate da un attuatore elettrico? Oppure mi sto perdendo???

[Walker]

ma esiste qualche sito e o qualcuno che spieghi la teoria

[jeby]

braccobaldo, intanto grazie per lo spiegone! Preferisco molto di più così che "fidarmi sulla parola"

da quello che vedo, però, c'è sempre sotto il concetto di turbocompressore come unico sistema non svincolabile. Nel sistema svincolato il bilancio all'albero non lo dovrai più fare con la potenza assorbita dal compressore, quindi il grafico non sarà più rapporto di sovralimentazione vs espansione in turbina. A priori, essendo ora di fatto questi due parametri svincolati, le curve hanno andamenti che non devono necessariamente essere legati. E di fatto, avendo risolto il problema del turbolag, ti puoi concentrare sull'elaborare più portata che puoi. La geometria variabile è per ovvi motivi impraticabile sul motore a benzina.

Il blocco sonico allo scarico è una cosa che effettivamente non ho mai considerato in ambito aeronautico: tutto si dimensiona per NON aver mai blocco sonico allo scarico se non in un punto preciso (tipo alla gola del convergente-divergente o all'estremità di un semplice convergente) e i turbocompressori sono pluristadio sia lato compressore, sia lato turbina.

[braccobaldo]

da quello che vedo, però, c'è sempre sotto il concetto di turbocompressore come unico sistema non svincolabile. Nel sistema svincolato il bilancio all'albero non lo dovrai più fare con la potenza assorbita dal compressore, quindi il grafico non sarà più rapporto di sovralimentazione vs espansione in turbina. A priori, essendo ora di fatto questi due parametri svincolati, le curve hanno andamenti che non devono necessariamente essere legati. E di fatto, avendo risolto il problema del turbolag, ti puoi concentrare sull'elaborare più portata che puoi. La geometria variabile è per ovvi motivi impraticabile sul motore a benzina.

è vero il concetto è diverso ma da quei grafici puoi valutare direttamente l'effetto utile: se il compressore è vincolato alla turbina sarà la pressione di mandata (che è proporzionale alla potenza all'albero della turbina essendo un bilancio energetico) mentre se svincolata è la potenza all'albero della turbina ... di fatto è qualitativamente la stessa cosa

con il motore elettrico il problema del turbolag lo risolvi agevolmente, non è più un problema ma in ogni caso (sia che la turbina funzioni solo come generatore o sia assistita dal motore elettrico) la turbina la metti li per recuperare potenza e fin li credo che siamo d'accordo

guarda la curva della pme che è direttamente ricollegabile alla potenza all'albero della turbina, è vero che se usi tutti i gas di scarico ottieni lievemente più potenza (linea continua) ma questa è disponibile solo agli alti regimi, se ne valuti l'area sottesa (per chi ci legge e non è ferrato rappresenta l'energia recuperata dai gas di scarico) è maggiore nel caso di turbina piccola con la westgate perchè anche se la potenza massima è minore è disponibile sin dai bassi per quello è conveniente metterla

[makomako]

una curiosità.

Ormai la tendenza è fare motori turbo, non tanto per le prestazioni assolute quanto per la coppia, inquinamento, consumi (?) ecc.

uno dei problemi dei turbo è il turbo lag.

Da qui turbo sempre più complessi: piccoli, grandi, a geometria variabile, fino agli elettrici.

Ma perchè il volumetrico no? Darebbe subito la coppia e sarebbe più lineare, invece è ignorato dalla grande produzione. Problemi di rendimento? Di affidabilità?

[TonyH]

Rendimento.

Mentre il turbocompressore utilizza energia che altrimenti sarebbe sprecata (quella dei gas di scarico), il compressore volumetrico preleva energia dall'albero motore.

Arriva ad assorbire anche decine di cavalli, con impatto negativo forte sui consumi.