Sono macchine pneumofore - di cui fanno parte in senso lato anche stantuffi,
ventilatori e compressori rotativi - composte da due o piú giranti. In questa
sede illustriamo in particolare i sistemi a giranti centrifughe perché trovano
vasta applicazione nel settore automobilistico, tralasciamo invece i compressori
volumetrici a cui dedicheremo un trattato a parte in futuro (forse).
Un compressore centrifugo è una soffiante costituita da una girante di solito
racchiusa in un contenitore che può svolgere funzione di diffusore del flusso
d'aria. Geometria, materiali, velocità di rotazione e dimensioni dipendono dalle
applicazioni a cui la macchina è destinata e possono spaziare entro ventagli
assai ampi. Una sommaria ipotesi di progetto può essere avanzata a partire dalla
portata d'aria necessaria, dalla pressione, dalla velocità massima di rotazione
ammissibile e dalle temperature in gioco secondo formule e tabelle ottenute
sperimentalmente.
Le giranti si dividono in 3 categorie a seconda della conformazione dei
"triangoli" d'ingresso e di uscita, che rappresentano la sezione del singolo
elemento della girante nel punto d'ingresso del fluido (i primi) e di uscita del
fluido (i secondi); dipendono dalla forma del diffusore e dalle "palette" o
equivalenti del sistema. All'uscita della palettatura il fluido viene
convogliato dal diffusore - spesso a forma di chiocciola - che può essere a
geometria fissa oppure variabile a seconda della mobilità di alcuni suoi
elementi, in particolare delle palette che raccolgono il flusso irraggiato dalla
girante; quelli fissi sono disposti a spirale logaritmica mentre quelli mobili
vengono orientati per creare linee di flusso ottimizzate in funzione della
velocità e della pressione.
Se le giranti sono piú di una il gruppo prende il nome di turbocompressore; di
solito una di loro costituisce la turbina che aziona l'intero gruppo, mossa ad
esempio dai gas di scarico. La palettatura può essere convessa, concava, radiale
a seconda dei valori che assume l'angolo costruttivo d'ingresso. Le palette del
diffusore sono di solito orientate per formare un angolo di 15°÷18°. Lo spazio
tra la girante e il diffusore è modesto, di solito meno di 1/10 del diametro
della girante. La pressione all'uscita è proporzionale al quadrato della
velocità angolare di rotazione della soffiante.
Le soffianti possono essere impiegate in serie oppure separatamente. Il tipo piú
semplice è il turbocompressore a due elementi: turbina e soffiante, trova
vastissima applicazione in campo automobilistico.
Il calore prodotto dalla compressione dell'aria e/o dall'eventuale diffusione di
quello apportato da eventuali gas caldi impiegati per azionare la turbina, dev'essere
prontamente ed efficacemente smaltito tramite sistemi di raffreddamento: a
camere d'acqua disposte attorno alla carcassa, a diaframmi refrigerati
intercalati ogni 3-5 elementi delle giranti, serpentine di tubi in ottone, o
altro ancora. I piccoli turbo per uso automobilistico sono di solito raffreddati
dal lubrificante e/o dall'acqua.
Applicazioni ai motori a scoppio
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Tra i fini del progetto dei motori endotermici (motori a scoppio) di ogni
potenza e dimensione vi è la ricerca del miglior rendimento termodinamico e, se
possibile, della leggerezza. Una strada che conduce a buone soluzioni di ambo i
problemi consiste nell'ottimizzare il riempimento delle camere di combustione e
migliorare lo sfruttamento delle caratteristiche del combustibile per garantire
maggior potenza specifica nel rispetto dell'affidabilità meccanica. Ciò può
essere perseguito con la sovralimentazione, soprattutto nei motori ad accensione
per compressione (AC) come i Diesel.
Sovralimentare un motore a scoppio significa introdurre nei suoi cilindri una
massa d'aria superiore a quella che potrebbe aspirare con le sue forze; ciò
permette d'introdurre piú carburante aumentando cosí la potenza specifica.
Infatti è difficile immettere molta aria (comburente), non combustibile
(carburante) perché quest'ultimo è allo stato liquido e può essere facilmente
pompato.
I primi motori sovralimentati apparvero negli anni '20 nelle competizioni
automobilistiche, si tratta quindi di tecnologia ormai nota e consolidata,
diffusasi soprattutto nei grandi motori lenti a ciclo Diesel e di recente anche
nei piccoli motori per autovetture di serie dove ha preso piede solo negli
ultimi decenni a causa dei costi e dell'affidabilità di turbocompressori cosí
piccoli e particolari. È bene osservare sin d'ora che la sovralimentazione è piú
indicata nei motori AC, come i Diesel, per motivi che vedremo nel prosieguo,
sebbene offra grandi vantaggi anche nei motori ad accensione a scintilla (AS)
come i comuni. Il principale limite negli AS è posto dall'insorgere della
detonazione quando la pressione di sovralimentazione supera certi valori, e
questo obbliga i costruttori a ridurre il rapporto di compressione per aumentare
il volume delle camere come vedremo piú avanti.
Un problema invece comune ad ambo le tipologie di motore è la riduzione della
densità dell'aria compressa e l'aumento della temperatura in ottemperanza alle
note leggi dei gas. Vi si pone rimedio interponendo tra compressore e motore uno
scambiatore termico in grado di abbassare la temperatura della colonna d'aria in
transito; sulle auto vengono impiegati intercooler, cioè piccoli scambiatori
aria-aria tipo radiatori, efficienti purtroppo solo alle alte velocità.
I vantaggi della sovralimentazione con turbocompressori anziché altri
compressori risiedono nell'uso dell'energia fornita dai gas di scarico per
azionare la turbina, energia che andrebbe altrimenti perduta, e nella facile
applicabilità ad ogni motore AS o AC perché non richiede prese di forza
ausiliarie. Svantaggi sono il piú basso rapporto di compressione sugli AS che li
infiacchisce ai bassi regimi; un leggero calo di potenza, rispetto ai valori
teorici possibili, dovuto alla contropressione allo scarico; un certo ritardo di
risposta alle variazioni di carico (lag). I motori AS, di architettura meno
robusta rispetto agli AC, possono richiedere qualche modifica strutturale per
sopportare la maggior potenza.
Nei turbocompressori piú diffusi l'albero che regge le giranti è sorretto da un
cuscinetto flottante, cioè non fissato, che viene mantenuto in sospensione
grazie al velo d'olio in pressione. Il cuscinetto ruota a velocità pari a circa
la metà di quella dell'alberino (è trascinato in rotazione dall'attrito viscoso
del velo che lo sostiene) ed è forse il punto piú critico dell'intero
turbocompressore: la sua natura lo rende infatti soggetto ad immediato
grippaggio in assenza, anche brevissima, di lubrificazione oppure in presenza di
prolungata lubrificazione inadeguata come potrebbe essere quella fornita da un
olio ormai degradato la cui densità non è piú sufficiente, alle alte
temperature, a creare un velo denso e resistente.
Applicazione ai motori AS
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Le tecnologie sviluppate per i grandi motori Diesel lenti permettono oggi
applicazioni anche nel campo dei piccoli motori AS delle auto. L'iniezione
meccanica ed elettronica ha contribuito ad ottimizzare il rendimento di questi
interessanti sistemi.
Il turbocompressore per automobili è di solito composto da un compressore a
girante centrifuga accoppiato ad una turbina a girante centripeta, calettate
sullo stesso asse sorretto dal delicato cuscinetto flottante di cui abbiamo
detto in dettaglio piú sopra. Le giranti lavorano quindi a sbalzo, racchiuse nei
loro contenitori-diffusori.
I gas di scarico, caldissimi, vengono convogliati dal diffusore della turbina,
entrano nelle palette della chiocciola dalla periferia della girante e
fuoriescono assialmente; la loro entalpia (dal greco enthàlpo = riscaldo) viene
trasformata in energia meccanica dalla rotazione impressa alla girante e
trasmessa dall'albero alla girante centrifuga che aspira aria fresca e la
comprime, emettendola dalla periferia verso il diffusore che la convoglia ai
cilindri.
L'alta temperatura dei gas di scarico (700÷800°C), l'elevatissima velocità di
rotazione delle giranti (oltre 150.000 rpm), le modeste dimensioni del sistema
e, in particolare, dell'impianto di raffreddamento rendono questi macchinari
molto sofisticati e delicati sebbene siano di concetto semplice. I materiali di
costruzione devono essere adeguati a reggere queste sollecitazioni termiche e
meccaniche, i processi produttivi devono essere adeguati e quindi costosi.
La pressione all'uscita è proporzionale al quadrato della velocità angolare di
rotazione della soffiante. Se si dimensionasse il turbocompressore per offrire
la massima pressione ammessa in corrispondenza del regime massimo del motore, si
otterrebbe un sistema efficace solo in un piccolo arco d'impiego, spostato verso
la parte alta della rotazione a grande scapito dei regimi inferiori che
vedrebbero scemare la pressione di sovralimentazione e la portata d'aria in
funzione del quadrato della caduta dei giri. Onde evitare questo fastidioso
inconveniente si preferisce sovradimensionare il turbocompressore e ottenere un
sistema in grado di fornire la necessaria pressione sin dai regimi bassi; per
scongiurare pressioni eccessive all'aumentare della rotazione, che
provocherebbero detonazione, si ricorre ad una valvola di bypass dei gas di
scarico (chiamata Waste-gate) che si apre quando la pressione a valle del turbo
supera la soglia di guardia. Di solito è azionata meccanicamente da un
polmoncino oppure è gestita elettronicamente. La sua apertura causa efflusso dei
gas esausti direttamente verso lo scarico, alleviando quindi il carico sulla
turbina.
Trattandosi di macchinari immersi in un flusso soggetto a onde di pressione e
repentine variazioni di molti parametri, i turbocompressori non possono essere
efficienti in ogni condizione ma solo entro una zona determinata dai limiti di
portata e pressione. Il primo è anche detto di "saturazione" e si raggiunge
quando la velocità del fluido in ingresso eguagli i valori sonici, il secondo è
detto di "pompaggio" e dipende dalla fluidodinamica interna del compressore (es.
cavitazione). Nell'ambito di questa fascia, e quanto piú si resta distanti dai
due estremi, il funzionamento risulta ottimale.
Orbene, un eventuale improvviso rilascio dell'acceleratore e quindi una
repentina chiusura delle farfalle crea un'onda di contropressione nei condotti
di aspirazione a valle del compressore (una sorta di colpo d'ariete, che tutti
ben conosciamo negli impianti idrici) che può causare l'uscita dalle specifiche
di funzionamento ed il seguente improvviso annullamento di portata d'aria a
regimi di rotazione elevatissimi. Questo può provocare onde d'urto all'interno
della girante e del diffusore in grado di rovinare o distruggere la soffiante.
Per evitare questo problema, tipico di sovralimentazioni abbastanza spinte come
si trovano in campo agonistico, si monta una valvola di sfiato chiamata "pop-off"
che si apre in caso di eccessiva pressione nei condotti e lascia sfogare l'aria
all'esterno oppure in altri condotti.
È quindi palese che waste-gate e pop-off sono due valvole che nulla hanno in
comune, la seconda viene di solito usata solo su motori con forte
sovralimentazione e ha scopi del tutto diversi dalla prima.
L'inevitabile aumento della temperatura dell'aria in uscita dal compressore,
dovuto in parte alla compressione subita e dunque in ottemperanza alle leggi dei
gas (pV=nRT) ed in parte al calore ceduto per conduzione dai gas di scarico
caldissimi che investono la turbina (700÷800°C), si traduce in diminuzione della
sua densità e quindi in minor efficienza sovralimentante. Si rimedia
interponendo uno scambiatore di calore aria-aria (intercooler) tra il
compressore ed il motore.
L'intercooler è a tutti gli effetti un banale radiatore, sebbene la sua funzione
sia differente rispetto al senso che si è soliti associare (riduttivamente) al
termine "radiatore": in questo caso raffredda la massa d'aria in esso
convogliata anziché acqua o olio. Ciò consente l'immissione (per iniezione o per
aspirazione) di una maggior quantità di combustibile nelle camere di scoppio
perché sarà possibile bruciarlo completamente grazie alla presenza di maggior
comburente. Da qui segue l'aumento di potenza a parità di cilindrata e pressione
di sovralimentazione.
Tuttavia, non sempre l'intercooler può recare vantaggi. I motori turbo senza
iniezione possono adottare due soluzioni circa la posizione del necessario
carburatore: prima o dopo la turbina; nel primo caso si parla di carburatori
'aspirati', nel secondo di carburatori 'soffiati'. Nel caso di carburatori
'aspirati' l'eventuale intercooler verrebbe quindi attraversato da una colonna
di miscela aria/benzina, non dalla semplice aria come avviene invece nel caso di
quelli 'soffiati', e ciò causerebbe la condensa delle minute goccioline di
benzina polverizzata sulle parti fredde dell'intercooler, smagrendo la miscela e
causando l'ingresso in camera di scoppio di carburante mal miscelato (sottoforma
di gocce). Ciò comporterebbe riduzione delle prestazioni.
Inoltre l'efficienza dell'intercooler, trattandosi di uno scambiatore aria-aria,
è massima alle alte velocità e nella stagione fredda, quasi nulla alle basse
velocità. Naturalmente non è uno scambiatore efficiente e nei grandi motori
Diesel lenti viene sostituito da ben altri scambiatori termici, però è la
soluzione che offre i migliori rapporti prestazioni/prezzo/ingombro in campo
automobilistico.
È ben noto quali vantaggi abbiano i fenomeni di ram-jet, legati alle onde di
pressione che si propagano nei condotti di aspirazione e scarico a causa del
moto alternativo dei pistoni e dell'apertura/chiusura delle valvole (da cui, tra
l'altro, segue subito e con una banalità impressionante la totale inutilità
dell'aspirazione diretta e dei filtri conici) nello svuotamento/riempimento
delle camere di combustione e in sostanza nel rendimento volumetrico del motore.
È facile intuire che il turbocompressore richiede preciso ed accurato progetto
dei condotti per sfruttare al meglio questi effetti, molto influenzati dalla sua
presenza. Il lavoro del compressore è dato dal rapporto fra le pressioni in
ingresso ed in uscita, l'eventuale lavoro in piú necessario per supplire alla
caduta di pressione dovuta alla maggiore resistenza in ingresso e
contropressione in uscita si trasforma in piú alta pressione dei gas residui nei
cilindri in fase di scarico e seguente calo del rendimento volumetrico
complessivo. Al contempo crescono le temperature in gioco per le maggiori onde
di pressione ed aumenta il rischio di detonazione (battito in testa). È
intuitivo comprendere quale importanza abbia il corretto dimensionamento di
tutte le geometrie dei condotti in gioco e del gruppo turbina-scambiatore di
calore.
Applicazione ai motori AC
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La sovralimentazione si adatta molto meglio a questo genere di motori (in cui
rientrano quelli a ciclo Diesel), di qualsiasi dimensione e potenza, rispetto
agli AS per vari motivi.
Negli AC l'aumento di pressione nella camera di combustione non causa
detonazione, aiuta anzi a ridurre il ritardo di accensione e la combustione
diviene piú omogenea e meno brusca; alla luce di ciò l'unico limite alla
pressione è imposto dal comparire della fumosità. La struttura di questi motori
è di solito abbastanza robusta per sopportare la sovralimentazione senza bisogno
di rimaneggiamenti strutturali e questo rende facile ed economico applicare
compressori anche a motori nati come aspirati, con modifiche solo ai condotti.
La quasi totalità dei motori Diesel è oggi sovralimentata, soprattutto in campo
industriale, navale e ferroviario dove esistono motori di grandissime dimensioni
(stantuffi anche con 1000mm di diametro) e potenze; si usano in questi casi
turbosoffianti particolari con scambiatori termici di grande efficienza e
compressori elettrici di lancio per l'avviamento. Le turbine dei grandi motori
lenti sono a flusso assiale mentre quelle automobilistiche a flusso
radiale-centripeto, garantiscono portate d'aria notevoli a rotazioni modeste
(<20.000 rpm contro gli oltre 150.000 rpm di quella automobilistiche) e
risolvono alla radice molti problemi meccanici e termodinamici. La velocità di
rotazione spazia da quella massima a valori di circa 1/3 per i carichi parziali.
Le pressioni massime sfruttabili superano di poco 1 bar in assenza di
scambiatori termici, 2.5 bar con scambiatore, sino a 3-4 bar con scambiatori
particolari. Le temperature dei gas di scarico sono inferiori a quelle che si
registrano nei motori AS, circa 500÷600°C ed occasionalmente 700°C, perché
questi motori funzionano con una quantità d'aria maggiore (minor rapporto
stechiometrico in camera di combustione).
Gli aumenti di potenza specifica variano fra il 30% ed il 50% per pressioni
dell'ordine di 1 bar, anche 100% nei grandi motori lenti con 2 bar di
sovralimentazione.
Per il resto vale quanto esposto riguardo i motori AS. Le problematiche legate
ai grandi motori lenti esulano da questo trattato e quindi se n'è fatto solo un
rapido cenno.
