in futuro quasi tuti i motori saranno sovralimetnati. Oggi tutti i diesel sono sovralimentati, tranne piccoli diesel per generazione elettrica. I motori a benzina per tantissimi anni sono stati solo aspirati, non si faceva turbo perchè c'erano problemi di detonazione, che oggi si stanno risolvendo. Perché devo sovralimentare? Tutto nasce dalla formula:come aumento la potenza? aumento V, cioè la cilindrata, negli stai uniti si è fatto tanto, ma al contempo peggioro i consumi aumentando V. Se non voglio aumentare la cilindrata aumento bmep. sovralimetare significa aumentare bmep: questo aiuta anche a migliorare rendimento organico perchè l'effetto dei ausiliari è meno importante.l'idea è che con la sovralimentazione aumenta la quantità di aria intrappolata per ciclo poiché con l'aumento di pressione incrementa la densità, ecco perché la potenza sale: il ciclo indicato parte da livelli maggiori di pressione inoltre posso bruciare grande quantità di combustibile, allargando l'area del ciclo. Si passano a valori di bmep pari a 0,9-1,2 fino anche a 4 bar.

Vediamo l'effetto della sovralimetazione su un ciclo diesel ideale:Stesso ciclo con stesso rapporto di compressione volumetrico: il ciclo si gonfia e aspira aria a pressione più alta.l'incremento di densità non è pari

all'incremento di pressione in quanto l'aria si scalda, allora combinando il turbo con l'intercooler, raffreddo la carica e ne faccio effettivamente entrare di più. I cilindri scaricano gas a pressione più alta rispetto al caso senza turbo quindi in particolari condizioni il ciclo di ricambio gas può diventare positivo

Riduzione ingombro, peso e quindi il costo/KW•Downsizing: a pari potenza si può ridurre la cilindrata (e anche il numero di cilindri volendo)--> peso minore e consumi minori. Ridurre la dimensione, oltre a consentire di ridurre il peso, consente di diminuire le superfici e quindi si hanno minori perdite termiche. Inoltre peso minore comporta minori perdite meccaniche.

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Può migliorare il rendimento perché recupero energia dei gas di scarico•Motore meno rumoroso perché vengono regolarizzate le onde di pressione da parte della turbina e si ha inoltre combustione più graduale

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nel diesel mandando carica più compressa facilito la combustione abbattendo anche il particolato, perchè lavoro con combustione più completa--> la T aumenta, ma aumenta la produzione degli ossidi di azoto.

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Si risente meno della variazione della densità dell'ambiente•

VANTAGGI

Aumentano i carichi termici e meccanici in quanto pressioni e temperature sono maggiori. Necessario aumentare gli spessori e avere un buon sistema di raffreddamento quindi. l'aumento di peso causato dall' aumento di spessore è ampiamente compensato dalla riduzione della cilindrata (downsizing a pari potenza).

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avere carica compressa e calda è una cosa problematica nel motore a benzina: ci sono delle porzioni di carica che si accendono da sole-->Se il fronte di fiamma non è abbastanza veloce si auto accendono--> esplosione e quindi problemi meccanici. Ecco perchè non posso sovralimentare più di tanto, avrei carica troppo calda che porta all'autoaccensione--> nel benzina la sovralimentazione non si sfrutta al massimo. Problema risolvibile con un buon interccoler

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Problemi di risposta del motore: Se uso una turbina per trascinare il compressore, per sua natura è lenta nel rispondere a causa delle inerzie in gioco. allora esistono sistemi accoppiati anche con un motore elettrico che assiste il turbocompressore, rendendo la risposta più veloce (turboleg).

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SVANTAGGI

Sovralimentazione meccanica: compressore trascinato meccanicamente da: •Turbo sovralimentazione: compressore trascinato da turbina alimentata dai gas di scarico •

Metodi di sovralimentazione

La sovralimentazione gonfia il ciclo aumentando p media indicata, senza alzare troppo la pressione massima

Motore stesso•Un motore ausiliario •

LA SOVRALIMENTAZIONE

8 sovralimetnazione

Sovralimentazione meccanica non c'è bisogno della turbina. il motore trascina il compressore, oltre agli altri ausiliari-->assorbe molta potenza e

l'efficienza complessiva ne è compromessa. vengono usati compressori volumetrici a lobi, altrimenti uno centrifugo girerebbe troppo lento. la risposta è istantanea. è possibile anche accoppiarlo con una motore elettrico.

Turbosovralimentazioneil compressore è trascinato da una turbina che riceve energia dai gas combusti. Non vi è alcun collegamento meccanico

con l'albero motore. la pressione intacke deve essere maggiore della exauast, così il ciclo di compressione è positivo, se è il contrario è negativo. penalizzo infatti il ricambio gas, anche se però il vantaggio della turbocompressione resta.

In verità esiste anche una sovralimentazione ibrida fra sovralimentazione meccanica e tramite turbina: oltre al turbolag già accennato, posso sovralimentare usando compressore a lobi trascinato dall albero, quando la risposta richiesta è rapida, poi a regime scollego tale compressore e collego la turbina e il compressore centrifugo

Non è centrifugo, il centrifugo lo accoppio solo con turbina

sono ottimizzate a flusso stazionario, ma in verità il flusso è pulsante: è difficile ottimizzarle con flussi instazionari.

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Sono macchine radiali, per motivi di compattezza, non che i rendimenti siano più alti: si possono usare anche un solo stadio. Soluzioni assiali più efficienti occuperebbero troppo spazio

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Compressore e turbina:

turbina espande gas da una pressione di 2 - 1,5 bar a una pressione a valle che è poco più della p atmosferica.-->il delta p è di due bar o uno al massimo.

Vengono utilizzate due differenti tecniche: TURBOSOVRALIMETNAZIONE A PRESSIONE COSTANTEho un unico volume dove tutti i cilindri scarico. perchè a P costante? perchè usando un grosso volume smorzo gli impulsi di pressione e temperatura che provengono dai cilindri--> rendo il flusso più stazionario, alimentando la turbina a pressione costante. (vd disegno sopra)

TURBOSOVRALIMETNAZIONE AD IMPULSIvolutamente non smorzo gli impulsi di pressione e portata--> la turbina viene alimentata con flusso pulsante--> il vantaggio è che non dissipo energia, rispetto alla soluzione precedente, dove l'energia cinetica dei gas viene dissipata nel largo volume. Nasce una difficoltà di accppiare una macchina stazionaria con una macchina instazionaria: le macchine come turbina e compressore sono progettate per triangoli fissi--> qui cambiano istante per istante se il flusso è instazionario. ma allora perchè volere flusso instazionario? lo vedremo

ì

I condotti sottili trasportano gli impulsi di pressione

Si vede la valvola wetgate che regola il rapporto di sovralimentazione. 200000 giri/minuto è l'odg delle velocità di rotazione

Turbina ha problemi di resistenza alle alte temperature, soprattutto per motori a benzina, dove le temperature sono più alte

8 sovralimetnazione

TURBOSOVRALIMENTAZIONE A PRESSIONE COSTANTE1: sezione ristretta: il fluido accelera ed entra nel collettore di scarico con alta en cinetica. Questa en cinetica si dissipa nel collettore di scarico degradando in calore: ho causato un deltaS. Nel processo l'entalpia di ristagno 01 si conserva a meno delle perdite termiche. l'oscillazione di pressione è debole ed il flusso è circa costante--> riesco a ottimizzare la turbina con alta efficienza e buoni triangoli di velocità.

le fasi di scarico si sovrappongono (180° di sfasamento in un 4 cilindri) . i volumi devono essere dimensionati opportunamente altrimenti si avrebbe interferenza negativa fra i cilindri: le onde di pressone vanno da un cilindro all' altro al momento sbagliato ostacolando l'espulsione dei gas. Il vantaggio di avere una grande volume è che queste onde si smorzano molto.

Apro la valvola del cilindro 1. vediamo cosa succede in questo istante. Appena la apro, l'alzata è piccola, la pressione nel cilindro quindi è massima (01). In questi istanti il rapporto di espansione è superiore al critico e si formano onde d'urto oblique a valle della sezione ristretta che espandono il flusso fino alla pressione ps di scarico, con un processo altamente dissipativo, che degrada en cinetica in calore.

(01-1) accelerazione del flusso la posso vedere come circa isoentropica

•

(1-03) il flusso raggiunge la pressione di ristagno 03 all'interno del volume, decelerando con onde d'urto irreversibili che ne fanno aumentare l'entropia e diminuire la pressione: turbolenza degrada in calore che si riversa nel fluido.

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(01-03) se ritengo il processo adiabatico l'entalpia di ristagno si conserva, come in normale statore di una turbina

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Questi primi processi sono descritti nel piano hs:

A questo punto la turbina si vede in ingresso un fluido nelle condizioni di ristagno 03 e può procedere nell' estrazione di lavoro. Osservo la differenza rilevante fra il lavoro isoentropico disponibile alla turbina e il lavoro isoentropico che otterrei attaccando la turbina direttamente alla valvola di espulsione: mi brucio tutto il tratto da 01 a 2.Quello che ho descritto fino adesso in verità vale solo per i primi istanti in cui la valvola di scarico è aperta; in verità poi la pressione nel cilindro scende ** e ho a disposizione ancora minore salto entalpico: su un veicolo questa soluzione non va bene, ci sono infatti punti di funzionamento tali per cui la turbina non ha a disposizione abbastanza lavoro per sovralimentare.

Volume dalle 1 alle 4 volte la cilindrata totale

**

VANTAGGI: condotti di scarico più economici e semplici. Pressione regolare che rende ottimi i triangoli di velocità della turbina. Si può usare una sola entrata nella turbinaSVANTAGGI: energia posseduta dai gas di scarico male sfruttata. Risposta del motore lentissima poiché ci vuole molto più tempo a fare variare le condizioni di ingresso della turbina, essendoci un grosso volume

Pressione allo scarico è costante

8 sovralimetnazione

TURBOSOVRALIMENTAZIONE AD IMPULSI alimento la turbina con flussi istazionari, adottando condotti sottili, al fine di sfruttare tutta l'energia disponibile al momento dell'apertura della valvola di scarico. è la soluzione ideale per la trazione veicolistica. A causa dell'inerzia deigas nei condotti di piccolo volume, nel momento in cui la valvola si apre l'andamento di pressione nel condotto non è più piatto come nel caso precedente :

Si può vedere come nella fase iniziale sicuramente sono in presenza di onde d'urto poiché il dalta p è considerevole. Successivamente tale salto di pressione si riduce e non ho più urti.

Θ1: la situazione è analoga al caso di serbatoio a pressione costante poiché sono in presenza di forti urti e quindi produzioni entropiche. Si noti però che la portata di gas è ancora molto piccla in quanto la valvola si è appena aperta, quinidi questo primo perodo ha bassa importanza, relativamente all'inetro processo.

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In modo analogo a prima studiamo come evolve l'energia disponibile alla turbina nelle posizioni di manovella 1, 2 e 3

Θ2 e ϑ3: passando alle posizioni 2 e 3 la pressione ps allo scarico è salita, andando incontro alla pressione nel cilindro. non ho più onde d'urto ed inoltre osservo che percentualmente il lavoro isoentropico della turbina rispetto a quello totale disponibile aumenta.

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Qui ho la situazione migliore: la turbina ha disposizione l'80% del lavoro disponibile

NB l'energia viene convogliata verso la turbina per la maggior parte come onda di pressione e in minore parte sotto forma di energia cinetica, mentre nel caso di serbatoio a p costante era l'incontrario

PROBLEMATICHE DI INTERFERENZA: TURBINA ADOPPIO INGRESSO La lunghezza dei condotti influenza i tempi di propagazione delle onde di pressione: essa viene ottimizzata evitando l'arrivo ai cilindri di onde riflesse provenienti dalla turbina nel periodo di contemporanea apertura delle valvole perché impedirebbe il lavaggio dello spazio morto. Per quanto riguarda la conformazione dei collettori, occorre che sia adatta ad evitare interferenza fra i vari cilindri: i condotti devono essere raggruppati in modo tale che due cilindri che scaricano nello stesso collettore, non abbiano le loro valvole di scarico aperte contemporaneamente--> gli scarichi dei cilindri possono essere riuniti in gruppi di due o massimo tre per lasciare un minimo sfasamento tra due scarichi successivi.

8 sovralimetnazione

La soluzione migliore è il raggruppamento a 3 cilindri: Idealmente ho uno sfasamento di 240 fra l'apertura dello scarico di due cilindri che scaricano nello stesso collettore. Avrei interferenza quindi nulla ma nella realtà un minimo cè, a causa dell' anticipo di apertura e del ritardo di chiusura della valvola di scarico, che rendono i tempi in cui è aperta ben superiori a 180°. Inoltre si sottolinea che in parte le onde di pressione riescono anche a risalire dalla turbina e quindi non è proprio vero che i due condotti sono del tutto isolati.

delle pressioni nel collettore di scarico dei cilindri 123

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Pressione nel cilindro 1•Pressione nel collettore di aspirazione (a valle del compressore) , riporto una pressione media in quanto in verità anche questa pressione sarebbe oscillante ma a causa del' inerzia del compressore è cosi smorzata che non si vede neanche tale oscillazione con questa scala.

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si riporta l'andamento

Ho tre picchi di pressione sfasati di 240 poiché questo è lo sfasamento fra un' accensione e l'altra. Osservo che l'andamento delle pressioni nello scarico è tale da favorire un buon lavaggio durante il periodo di incrocio poiché la pressione nello scarico è minore di quella in aspirazione. OSS se invece avessi organizzato tutto nello stesso scarico, avrei avuto picchi sfasati di 120° e quindi il cilindro 5 avrebbe causato una sovrapressione sfavorevole al lavaggio con conseguente backflow.

COME è FATTA LA MACCHINAHo due volute: le perdite di carico sono peggiori, il rendimento peggiora anche di un paio di punti %.capita che non sempre l'alimentazione è a due condotti. può essere es che in 4 cilindri ne uso solo: altrimenti avrei troppa distanza fra un impulso e l'altro (distanza di 360°). In un tre cilindri ne uso uno solo ; in un 6 cilindri ne servono 2All'interno della macchina i flussi si riuniscono e ho un interferenza: delle volte il treno d'onde che arriva da una parte torna indietro dall' altra ma in maniera molto smorzata.istante per istante i triangoli di velocità cambiano, passando da ottimi a scadenti istante per istante. rendimento più basso sia per voluta che per triangoli che cambiano.... ne vale la pena? si perchè mi trovo sempre lavoro iso disponibile sempre più alto

la soluzione a impulsi è energeticamente più conveniente perchè metto a disposizione della turbomacchina più energia, nonostante i rendimenti della turbina stessa sono più scadenti, in quanto i triangoli di velocità variano nel tempo. questa caratteristica è importante quando il carico varia: a carichi parziali la disponibilità di energia per la turbina non risulterebbe sufficiente se avessi soluzione a pressione costante, mentre invece per la soluzione a impulsi, un po’ di sovralimentazione la consente sempre.

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La risposta dinamica del sistema è più rapida della soluzione a pressione costante: il volume che i gas devono riempire è inferiore e quindi lo riempiono più velocemente migliorando la risposta. l'unica cosa è che devo adottare geometrie variabili della turbina, valvole wetgate ecc, vedremo più avanti. Soluzione apressione costante va bene per generazione stazionaria

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VANTAGGI

etais=0,7-0,85

8 sovralimetnazione

Realizzazione condotti più impegnativa in fase progettuale•Instazionarietà turbina e quindi bassi rendimenti •Perdite fluidodinamiche per la divisione del distributore in più flussi•Possibili fenomeni di interferenza che possono ostacolare il riempimento di qualche cilindro. Addirittura per risolvere questo problema sono state progettate giunzioni particolari che consentono di fare passare un impulso di pressione e non farlo tornare indietro--> riduco l'interferenza.

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SVANTAGGI

CURVE CARATTERISTICHE TURBINA E COMPRESSORE

Bisognerà scegliere un compressore tale che i punti più tipici di funzionamento del motore cadono nell' area ad alto rendimento. Con un solo stadio arrivo ad alti rapporti di compressione, temperatura anche sui 150 °

Mappe dell' efficienza della turbina: riportate in funzione della velocità periferica, adimensionale con la velocità che avrei isoentropica. Ho flusso instazionario--> in verità anche i giri variano (anche se di poco a causa dell' inerzia) istante per istante. Come conseguenza il punto di funzionamento oscilla in un certo range e con esso il rendimento.

Per ogni grado di apertura della turbina ho una mappa diversa.A grado di apertura fisso aumentando la portata oltre un certo limite il rendimento cala: è allora necessario aumentare l'apertura. Aprendo sempre di più all'aumentare della portata, le efficienze mi aspetto che aumentino poiché arrivo al valore nominale, ma in verità non è così. infatti faccio si che i massimi rendimenti si raggiungano per un certo grado di apertura intermedio, definito da una portata di gas chè più probabile nelle normali condizioni di funzionamento del motore.

8 sovralimetnazione

Leggera perdita di carico

INTERCOOLINGEsiste la possibilità di raffreddare la carica. Quando comprimo con il compressore, pressione e temperatura aumentano, l'effetto della pressione è più importante e la densità comunque aumenta (arrivo al punto c). Raffreddando la carica con un refrigerante posso arrivare al punto m, di densità ancora superiore. Lo scopo dell' intercooler è immettere più massa tramite un interiore incremento di densità, dovuto al raffreddamento all'uscita del compressore. Immettendo più massa ho ancora più vantaggi in termini di downsizing e incremento prestazioni.Introducendo uno scambiatore ho bisogno di un fluido refrigerante, che in un veicolo può essere acqua, che smaltirà poi il calore in ambiente; potrei fare anche uno scambiatore aria-aria.

incremento di temperatura reale del compressore può essere espresso in questo modo: se il rendimento del compressore è scadente la temperatura aumenta molto

EFFETTO DELL'INTERCOOLER SULLA DENSITA'

aumenta la portata massica d'aria intrappolata per ciclo. A pari cilindrata posso bruciare più combustibile e aumentare le prestazioni, oppure posso spingere il downsizing a pari prestazioni.

•

le massime temperature del ciclo si riducono poichè aspiro aria più fredda: tutti i carichi termici si riducono.•l' autoaccensione è un problema che limita sovralimentazione nel benzina. se raffreddo la carica che entra nei cilindri questo rischio si riduce e posso sovralimentare in modo più spinto.

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VANTAGGI

nella curva superiore ho l'intercooler che mi riporta la carica ai livelli di temperatura iniziale--> massimo effetto di raffreddamento e l'incremento di pressione corrisponde all' aumento di densità: raddoppiando le pressione raddoppio le densità.

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ovviamente sarebbe impossibile questo effetto poichè avrei bisogno di superfici di scambio infinite, quindi le curve reali sono con coeff angolare inferiore al valore unitario. Comunque sia anche se raffreddo l'aria a T più ragionevoli gli effetti sono interessanti e la densità aumenta considerevolmente, anche dell' 80%.

•

senza raffreddamento della carica l'incremento di densità non corrisponde all'incremento di pressione : se raddoppio la pressione, la densità non raddoppia, questo a causa dell' aumento di temperatura.

•

Temperatura uscita intercooler

Temp ambiente

8 sovralimetnazione

massa sovralimentatore e quindi inerzia•volumi dei collettori poichè ci si mette un pò a riempirli•

se voglio accoppiare il turbosovralimetatore al motore devo avere buona risposta al variare delle condizioni di funzionamento. come faccio ? la sovralimentazione ad impulsi consente di avere una ottima risposta in quanto l'energia trasferita con impulsi di pressione viaggia molto rapidamente: se schiaccio sul gas i condotti si riempiono rapidamente di gas più caldi poiché brucio più carica. La turbina trascina gradualmente il compressore, viene compressa più aria, posso iniettare ancora più combustibile e la potenza sale sempre di più. È chiaro che tutto questo processo non è immediato, è infatti ostacolato da:

il motore ha quindi un certo turboleg, cioè ritardo alla risposta, molto fastidioso nella trazione automobilistica. Devo quindi studiare il giusto accoppiamento fra le due macchine (volumetrica e dinamica) e scegliere una configurazione del gruppo di turbosovralimetnazione adeguata.

SCELTA DELLE DIMENSIONI DEL TURBOCOMPRESSORE Se scelgo una turbina grande ho buone prestazioni quando la portata di gas combusti è rilevante. Il problema è che quando le portate sono piccole si genera modesto salto di pressione in quanto il gas fluisce più facilmente fra le palette (lo si vede anche dalla curva caratteristica)--> ricavo poco lavoro a basse portate. Inoltre ho lo svantaggio di avere massa grande e quindi alta inerzia--> risposta lentaSe scelgo una turbina piccola le risposte sono più rapide poichè le inerzie sono basse. Il problema è che a alte portate strozza troppo il flusso realizzando basse prestazioni.allora cosa faccio? metto una valvola westgate.immagino che le portate aumentino così tanto che la turbina non riesce più a smaltire niente--> la pressione a monte della turbina aumenta enormemente. La turbina si trova nella condizione di estrarre moltissimo lavoro--> tutto quel lavoro lo mando al compressore che comprime troppo--> sovrasollecito il motore, che nel benzina mi porterebbe a knok. allora cosa faccio? apro una valvola di bypass che mi consente di fare fluire parte dei gas allo scarico, senza essere elaborati dalla turbina. Questa soluzione è molto affidabile, più affidabile di una regolazione VGT.

la turbina più piccola risponde più rapidamente: al crescere del regime, dal minimo vedo che c'è una rapida crescita della coppia, fin dalle piccole portate. la crescita di portata si trasforma infatti subito in un sufficiente rapporto di compressione che muove il compressore molto velocemente.

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Ad alti giri però la turbina piccola si comporta male: ho bisogno della westgate, che devia il flusso, questo lo vedo anche dai consumi più alti. Se predo la turbina grande si osserva come la coppia cresce molto più lentamente. una turbina grande però si comporta molto meglio a regimi alti: la potata è alta e quindi la taglia è più adeguata per quei campi d funzionamento.

•

Nella pratica il progettista sceglie turbina piccola con west gate perché sarebbe troppo spiacevole nella guida la curva di coppia che darebbe una turbina grande. Un effettivo aiuto nell'esaudire le contrastanti esigenze dei vari campi operativi potrebbe essere dato dall'adozione di una geometria variabile.

Questa valvola si apre con un comando pneumatico (una molla è tarata con la pressione giusta) : quando la p di sovralimentazione all'uscita dal compressore supera un certo livello (indice del fatto che la portata in turbina è aumentata), la valvola si apre. In verità esistono altri sistemi che regolano l' apertura della valvola in modo più complesso tramite centralina. EFFETTO DELLE DIMENSIONI SULLA CURVA CARATTERISTICA DEL MOTORE

8 sovralimetnazione

VGT: TURBINA A GEOMETRIA VARIABILE mano a mano che aumenta la portata aumento le sezioni di passaggio: è come se avessi n turbine quindi riesco a seguire perfettamente la linea rossa. è la soluzione migliore perchè ho grande flessibilità. il problema è che è un sistema poco affidabile e costoso.l distributore è caratterizzato da n pale che possono ruotare regolando la portata. Quando la portata è piccola voglio una turbina piccola, allora chiudendo le sezioni di passaggio è come se trovassi una turbina "piccola"--> strozzando il flusso la pressione a monte della turbina sale e il rapporto di espansione è sufficiente a produrre lavoro soddisfacente anche a basse portate. Ad alte portate la pressione salirebbe troppo, allora apro il distributore-->la turbina si trasforma in una turbina "grande". La regolazione è controllata da un attuatore pneumatico: genera il segnali di pressione che regolano l'apertura delle pale.

la vgt è meglio della wetgate: è più evoluta e più costosa, ci consente di lavorare su diverse mappe della turbina-->preferenzialemtne questa tecnologia è montata su tutti i diesel. Sui motori a benzina si utilizza invece la westgate poichè le temperature sono più alte ed è più affidabile (in un diesel a massimi carichi arrivo alo scarico anche a 900 gradi e 2 bar. In un benzina anche 200 gradi in più in quanto rapporto espansione inferiore). solo pochi motori sportivi a benzina hanno geometria variabile, che richiederebbe materiali molto costosi.

TURBOLAG abbiamo già detto che al motore di automobile è richiesto di variare rapidamente il carico. è chiaro che ci deve essere turbolag poichè anche se ho turbina piccola ho inerzie e volumi di condotti da riempire. ll turbolag è molto fastidioso, duraanche 2-3 secondi ed è causa di basse prestazioni nei transitori e inquinanti. recentemente si è penato di usare motori elettrici che assistono il compressore quando il carico cambia rapidamente, poi la turbina interviene con il suo tempo--> si riduce il turbolag a zero. OSS il motore aspirato non ha problemi: non c' alcun ritardo alla risposta.Rigorosamente per potere prevedere la risposta al transitorio di un turbocompressore, andrebbe risolta la seguente equazione differenziale

In via approssimata è possibile evitare questo calcolo complesso, facendo riferimento a un tempo caratteristico che tramite un analisi dimensionale, riassume i parametri di maggiore influenza: è un parametro porporzionale al turbolag

Beta: tiene conto del fatto che la turbina non sta lavorando con flusso stazionario--> è maggiore di 1 poiché il flusso instazionario coinvolge più energia: più efficacie è il treno d'onda più alto è beta ed il turbolag viene ridotto.m't: portata massica di gas combusti che arrivano alla turbina Δh is,t : salto entropico disponibile all'ingresso della turbina: più energia ricevo più accellero velocemente le inerzieEtac* etat: rendimento del turbocompressore It momento di inerzia del gruppo. Per ridurlo devo lavorare con macchie piccole. alle volte si preferisce addirittura dividere la turbina e il compressore in due macchine in parallelo o in serie: hanno un inerzia riotta e accelerano prima.

INFLUENZA DELLE DIMESIONI In condizioni di similitudine geometrica valgono le seguenti proporzionalità:

Accelerazione dell'albero= eccesso di coppia disponibile/ momento di inerzia del gruppo

= en cinetica del turbocompressore/ potenza sviluppabile dalla turbina==inerzia del gruppo/capacità di accelerazione

[secondi]

(Essendo la massa proporzionale al cubo del diametro)

(proporzionale alla sezione di passaggio)

8 sovralimetnazione

Sostituendo le relazioni appena ricavate:

Turbocompressione assistita elettricamente tramite motore elettrico •Macchine in parallelo con funzionamento simultaneo per ciascuna bancata di un motore a V. •Macchine in parallelo con funzionamento sequenziale, cioè la seconda macchina si attiva ad alte portate. •Macchine in serie con funzionamento sequenziale. La turbina piccola è subito efficacie a basse portate. appena lo portata cresce apro il percorso per la turbina più grande tramite valvole a farfalla. lavorano quindi due turbine insieme, una elabora es il 30%.

•

anticipando l'apertura della valvola di scarico alimento la turbina con gas più caldo e il salto entalpico aumenta, anche se riduco corsa espansione.

○

potrei anche ritardare l'accensione della scintilla: la combustione, avviene dopo e i gas sono più caldi. ○

altra soluzione è la post iniezione (per diesel): inietto combustibile nella fase avanzata di combustione--> si scalda il gas e la turbina è alimentata da flusso a maggior entalpia.

○

Guardando la formula della tau: Strategie volte ad aumentare il salto entalpico della turbina. •

SOLUZIONI PER RIDURRE IL TURBOLAG

TURBO-MATCHING

all' equilibrio turbina e compressore sono caratterizzati dalla stessa potenza•la portata che transita nella turbina è paria quella del compressore più il combustibile•

Elaboro ora un approccio semplificato per valutare l'adattamento del turbocompressore al motore.

Ma questo già ce lo aspettavamo: più la macchina è grande più la risposta è lenta.

Con lo scopo di ottenere relazioni valide anche per la turbina, operante con un flusso ad impulsi (il compressore lo vede invece praticamente stazionario), definiscono due coefficienti correttivi che descrivono il diverso comportamento di un flusso pulsante rispetto ad uno stazionario.

Il grafico mostra che più le oscillazioni di pressione si amplificano, più questi coefficienti si allontanano dal valore unitario.Moltiplicando questi coefficienti per le grandezze stazionarie calcolate con una pressione media, ottengo le grandezze reali.

La portata passante è inferiore φ<1la portata di fluido che transita in condizioni pulsanti attraverso ad un ugello, è inferiore della stessa portata che transiterebbe in flusso stazionario, alimentato da un salto di pressione pari a quello medio di quello effettivo. Perché?I picchi di pressione fanno crescere la velocità e istantaneamente la portata aumenta, ma con essa le perdite di carico e quindi smaltisco meno portata rispetto di avere un flusso stazionario. l'energia convogliata è maggiore β>1Questo perché alla maggior parte di massa trasportata è associato un maggiore contenuto entalpico. perchè?nel momento in cui ho l'impulso ho picchi di velocità e quindi di energia cinetica che cresce col quadrato. facendo l'integrale della portata *energia meccanica disponibile su tutti i picchi risulta che ho più energia.

Pressione a valle della turbina

Pressione a monte della turbina

Delta p fra picco max e min/ delta p medio

Pressione media

8 sovralimetnazione

Esprimo il bilancio di potenze

Andiamo ora ad esprimere la prima equazione (bilancio di potenze) tramite l'ausilio di questi coefficienti.sostituendo le espressioni dei lavori isoentropici si ottiene

Raccogliendo un po’ di termini posso definire:

Si può esplicitare ora il salto di pressione fornito dal compressore in funzione del salto di pressione fornito dalla turbina

19/11/2014 15.32 - Ritaglio di schermata

Esprimo il bilancio di portate

Da cui

Isolando i termini che contengono la pressione

I rendimenti sono comprensivi delle perdite meccaniche

Questa equazione definisce le condizioni di equilibrio del turbocompressore

Supponendo che tutta la portata di gas di scarico attraversi la turbina (non considero bypass) e che Aeq sia l'area equivalente del distributore e del rotore della turbinaFi è la funzione di flusso incomprimibile

Pedici: a=ambiente c=uscita compressore e=ingresso turbina

Le due equazioni trovate risolvono il problema di determinare il grado di sovralimentazione pc/pa una volta noti i principali parametri che caratterizzano il turbocompressore e la portata mt. Riportate in un grafico queste equazioni consentono di valutare in modo immediato l'effetto prodotto dalla variazione di alcuni parametri sulle condizioni di equilibrio. con questo grafico posso scegliere il giusto turbocompressore.Immagino di partire dal punto 1CASO 1 immagino che il punto di funzionamento sia il punto 1. un aumento dell' efficienza delle macchine mi porta dal punto 1 al punto 2, con un immediato guadagno in rapporto di sovralimentazione. CASO 2 un aumento della temperatura all' ingresso della turbina (Te) mi fa aumentare pe *fi--> da 1'' passo a 3'' e quindi i nuovi punti di funzionamento sono 3' e 3: Il rapporto di sovralimentazione aumenta poiché do più lavoro al compressore ( mi sposto anche su una linea a csi costante diversa, in quanto csi dipende da Te)CASO 3 anche variando l'area di efflusso della turbina posso cambiare la pressione di sovralimentazione: Se l'aumento passo da 1'' a 4'' e i nuovi punti di funzionamento saranno 4' e 4-->

8 sovralimetnazione

DOWNSIZING

I rendimenti salgono perchè ho meno perdite meccaniche e termiche (peso inferiore e superfici ridotte). in futuro si punta ad aumentare molto la bmep sovralimentando un botto. c'è tuttavia un limite dovuto alla resistenza meccanica.

•

Un motore con downsing spinto ha pressioni maggiori e quindi devo eccedere con gli spessori. l'aumento di peso dovuto a questo fatto non è comparabile con la riduzione di volume resa possibile.

•

a pari potenza (quindi di velocità del veicolo) , quella potenza la posso fornire con un regime più alto e bassa coppia tramite un motore aspirato, oppure con un motore dotato di turbo, che lavora con minori giri e coppia maggiore--> se il motore turbo può girare a giri più bassi, si riducono le perdite meccaniche.

•

Se confronto la mappa di un motore sovralimentato con la mappa di un motore aspirato, si vede come l'area è molto più in alto: il regime è lo stesso, i livelli di consumo si riducono perchè brucio più combustibile, aumentano le potenze termiche ma le perdite temiche pesano di meno così come le perdite meccaniche.

•

Downsizing attuale più spinto: 2000 benzina da 300 kw •Nota: usare sovralimentazione accoppiata con motore elettrico rende necessario passare dai 12 volt ai 48. •

l'idea è mantenere la stessa potenza, riducendo la cilindrata. Questo lo si può fare con una buona sovralimentazione che mi consente di alzare bmep.

8 sovralimetnazione