Tipologie di sistemi di sovralimentazione

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2 Definizioni e tipologie di sistemi di sovralimentazione Architettura e soluzioni tecniche specifiche dei turbocompressori Generalità Specificità inerenti le diverse applicazioni Sistemi di controllo Sovralimentazione a doppio stadio Studio della interazione motore-turbocompressoreturbocompressore Il coefficiente di riempimento Confronto con il motore aspirato Energia disponibile nei gas di scarico Turbo-sovralimentazione a pressione costante Turbo-sovralimentazione ad impulsi Convertitore di impulsi Intercooling Accoppiamento motore turbocompressore (matching) Bibliografia

3 Definizioni La sovralimentazione ha lo scopo di aumentare la massa di carica fresca introdotta nel cilindro, cioè di aumentare il coefficiente di riempimento rispetto al motore aspirato. Si aumenta così la pressione media effettiva (p.m.e.) e la potenza del motore a parità di cilindrata e di velocità di rotazione. La sovralimentazione si realizza comprimendo e poi, quasi sempre, raffreddando la carica fresca prima dell introduzione nel cilindro.

4 Tipologie di sistemi di sovralimentazione Principio di funzionamento del compressore: 1. Volumetrico 2. Turbodinamico Fonte di energia utilizzata per azionare il compressore: 1. Accoppiamento meccanico all'albero motore (sovralimentazione meccanica) 2. Azionamento dai gas di scarico (turbina, turbo - sovralimentazione) sovralimentazione meccanica

5 Tipologie di sistemi di sovralimentazione Principio di funzionamento del compressore: 1. Volumetrico 2. Turbodinamico Fonte di energia utilizzata per azionare il compressore: 1. Accoppiamento meccanico all'albero motore (sovralimentazione meccanica) 2. Azionamento dai gas di scarico (turbina, turbo - sovralimentazione) turbo - sovralimentazione

6 Architettura e soluzioni tecniche specifiche dei turbocompressori Generalità 1/4 Il turbocompressore è costituito da un compressore centrifugo monostadio che comprime l aria, eventualmente miscelata con una frazione di gas di scarico nei motori dotati di ricircolo del gas di scarico (Exhaust Gas Recirculation EGR), e da una turbina monostadio, assiale o centripeta, azionata dai gas di scarico del motore. La turbina sviluppa la potenza assorbita dal compressore e dalle dissipazioni meccaniche, imputabili quasi totalmente ai cuscinetti. Le due turbomacchine sono montate su un unico asse, la cui rotazione è guidata da una coppia di cuscinetti di vario tipo (solitamente flottanti con doppio meato, talvolta volventi con sfere ceramiche), opportunamente lubrificati, e da un cuscinetto reggispinta. Alle due estremità dell asse vi è una tenuta senza contatto per evitare la contaminazione tra fluidi e lubrificante.

7 Architettura e soluzioni tecniche specifiche dei turbocompressori Generalità 2/4 Il compressore è usualmente dotato di diffusore non palettato, data la grande variabilità delle condizioni operative. Il sovralimentatore ha una vita utile pari almeno a quella del motore (ad esempio, un milione di km per un veicolo commerciale) a fronte di condizioni di funzionamento estremamente gravose (temperature dei gas anche superiori a 1000 C, velocità di rotazione fino a giri/min, condizioni di funzionamento fortemente variabili, ) La configurazione del sovralimentatore presenta differenze sostanziali, non solo dimensionali, a seconda che sia progettato per l utilizzo in motori a ciclo Otto oppure Diesel, a 2 o 4 tempi, per motori per l autotrazione oppure per il trasporto commerciale su strada o ancora per motori di grandi dimensioni per impianti fissi e la propulsione navale.

8 Architettura e soluzioni tecniche specifiche dei turbocompressori Generalità 3/4 Definizione di rendimento del turbocompressore h TC : dove: h m rendimento meccanico (essenzialmente dei cuscinetti) h C rendimento isentropico del compressore total to total (si ritiene che quasi tutta l energia cinetica è recuperata nel diffusore), variabile tra 70 e 80% h T rendimento isentropico della turbina total to static (si ritiene l energia cinetica allo scarico non recuperabile), variabile tra 65 e 70%

9 Architettura e soluzioni tecniche specifiche dei turbocompressori Generalità 4/4 Aumento del rendimento nelle successive generazioni di sovralimentatori ABB [5] (a sinistra) Pressione media effettiva in funzione del rapporto di compressione del sovralimentatore e del suo rendimento [5] (a destra)

10 Architettura e soluzioni tecniche specifiche dei turbocompressori Turbocompressori per motori a ciclo Otto Nei moderni motori a ciclo Otto la riduzione delle emissioni richiede una combustione stechiometrica, e non più ricca, anche alle massime prestazioni. La temperatura dei gas di scarico può arrivare in queste condizioni a 1050 C, con le seguenti ricadute: - richiesta di materiali e tecnologie produttive della girante della turbina particolarmente avanzati; - impossibilità, per ora, di adottare distributori a geometria variabile a causa della difficoltà di mantenere ai valori richiesti i giochi tra elementi mobili e fissi del dispositivo; - cuscinetti raffreddati dal circuito di raffreddamento del motore; - pressione di sovralimentazione limitata dalla detonazione.

11 Architettura e soluzioni tecniche specifiche dei turbocompressori Turbocompressori per motori a ciclo Diesel Nei motori Diesel le temperature dei gas sono inferiori di circa C rispetto ai motori a ciclo Otto, con le seguenti ricadute: - possibilità di adottare distributori a geometria variabile (le cosiddette turbine a geometria variabile) per regolare in maniera efficace la pressione di sovralimentazioni e ampliare il campo di buon funzionamento ( per temperature dei gas di scarico fino a 850 C, con tendenza ad arrivare a 900 C); - Il raffreddamento dell olio di lubrificazione dei cuscinetti può non essere indispensabile; - la pressione di sovralimentazione non è limitata dalla detonazione.

12 Architettura e soluzioni tecniche specifiche dei turbocompressori Turbocompressori per motori a 2 e a 4 tempi 1/2 Nei motori a 4 tempi le fasi di riempimento del cilindro e di scarico sono separate nello spazio e nel tempo (se si esclude l eventuale incrocio valvole al PMS di inizio immissione): la pressione di sovralimentazione non deve essere obbligatoriamente sensibilmente più elevata di quella di scarico (e il rendimento del turbocompressore può anche non essere particolarmente elevato, senza compromettere per questo l operatività del motore). Nei motori a due tempi durante la fase di lavaggio è solo la differenza di pressione tra ambiente di alimentazione e di scarico a determinare il ricambio della carica: la pressione di sovralimentazione deve essere proporzionalmente molto elevata, così come il rendimento del sovralimentatore (altrimenti il motore non può funzionare).

13 Architettura e soluzioni tecniche specifiche dei turbocompressori Turbocompressori per motori a 2 e a 4 tempi 2/2 Nota: si sono iniziate ad usare giranti di compressore in titanio per aumentare la resistenza a fatica in applicazioni particolarmente impegnative, soprattutto in presenza di alti valori di EGR

14 Architettura e soluzioni tecniche specifiche dei turbocompressori Turbocompressori per motori veloci, mediamente veloci e lenti 1/3 Le turbine radiali si usano fino a 160 mm di diametro girante (motori fino a 1000 kw di potenza per ogni turbocompressore). Oltre i 300 mm di diametro si usano esclusivamente turbine assiali, tra questi due valori sono possibili entrambe le soluzioni. Di conseguenza: i motori veloci (high speed) avranno compressore centrifugo e turbina centripeta; i motori lenti (low speed) e i medi di maggiore potenza (medium speed) avranno compressore centrifugo e turbina assiale monostadio; Nei motori veloci per autotrazione i rapporti di compressione del sovralimentatore sono, anche sensibilmente, minori di 4 Nei motori medi e lenti i rapporti di compressione del sovralimentatore arrivano fino a 5 5.5

15 Architettura e soluzioni tecniche specifiche dei turbocompressori Turbocompressori per motori veloci, mediamente veloci e lenti 2/3 Esempi di turbocompressori per motori medium e low speed

16 Architettura e soluzioni tecniche specifiche dei turbocompressori Turbocompressori per motori veloci, mediamente veloci e lenti 3/3 Esempi di turbocompressori per motori veloci e per autotrazione

17 Architettura e soluzioni tecniche specifiche dei turbocompressori Sistemi di controllo 1/4 Scopo principale del controllo è realizzare anche ai bassi regimi/carichi pressioni di sovralimentazione sufficientemente elevate, senza raggiungere nel contempo pressioni troppo alte ai regimi/carichi massimi. dove la soluzione è tecnicamente possibile, la turbina a geometria variabile, con azionamento elettrico del movimento delle pale distributrici, pilotato dalla centralina motore, e la soluzione migliore; La soluzione classica, ancora quasi obbligata nei motori a ciclo Otto, è la deviazione agli alti carichi di parte dei gas direttamente allo scarico, bypassando la turbina (valvola di Waste-Gate). L azionamento meccanicofluidodinamico della valvola può oggi essere sostituito da un azionamento elettrico con controllo demandato alla centralina motore. Nel caso di un turbocompressore per bancata, o per gruppo di cilindri, è necessario bilanciare le pressioni di sovralimentazione.

18 Architettura e soluzioni tecniche specifiche dei turbocompressori Sistemi di controllo 2/4 Esempi di turbina a geometria variabile (Variable Turbine Geometri - VTG)

19 Architettura e soluzioni tecniche specifiche dei turbocompressori Sistemi di controllo 3/4 Motore con cilindri in linea Sovralimentazione monostadio Intercooler Controllo pressione di sovralimentazione mediante sfiato aria compressa verso lo scarico (Blow-Off) Motore con cilindri in linea Sovralimentazione monostadio Intercooler Controllo pressione di sovralimentazione mediante by-pass della turbina (Waste Gate)

20 Architettura e soluzioni tecniche specifiche dei turbocompressori Sistemi di controllo 4/4 Motore con cilindri a V Sovralimentazione monostadio, con un turbocompressore per bancata Intercooler Bilanciamento delle bancate mediante valvole di controllo (Control Flap)

21 Architettura e soluzioni tecniche specifiche dei turbocompressori Sovralimentazione a doppio stadio 1/2 Per avere alta potenza bisogna avere grandi turbocompressori, con i quali però la pressione di sovralimentazione sarebbe troppo bassa alle basse velocità di rotazione del motore. La soluzione è la sovralimentazione a doppio stadio con due turbocompressori di diversa dimensione connessi in serie con un bypass di regolazione (c è una turbina di HP e una di LP). Nei motori da competizione con la sovralimentazione a doppio stadio si raggiungono rapporti di compressione di 9:1 senza intercooler tra gli stadi. Una soluzione particolare è il cosiddetto e-booster: ci sono due compressori in serie, uno dei quali azionato elettricamente. Il sistema può essere molto efficiente e flessibile.

22 Architettura e soluzioni tecniche specifiche dei turbocompressori Sovralimentazione a doppio stadio 2/2 Motore con cilindri in linea Sovralimentazione doppio stadio Refrigerazione intermedia Intercooler Motore con cilindri a V Sovralimentazione doppio stadio, con una coppia di turbocompressori per bancata Refrigerazione intermedia + intercooler Bilanciamento delle bancate mediante valvole di controllo (Control Flap)

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25 Confronto con l aspirazione naturale rapporto compressione volumetrico = costante Aumento della pressione massima P s > P a P amb P a

26 Confronto con l aspirazione naturale P max = costante Diminuzione del rapporto di compressione

27 Confronto con l aspirazione naturale Vantaggi riduzione dell'ingombro del motore (a parità di potenza) -> Downsizing possibile miglioramento del rendimento (possibile miglioramento della combustione, possibilità di lavoro di pompaggio positivo) modesta diminuzione della potenza sviluppata con la diminuzione della densità dell'aria ambiente (aumento di quota) Svantaggi aumento delle sollecitazioni termo-meccaniche pericolo di detonazione nei motori ad accensione comandata tempi di risposta nei transitori

28 Confronto con l aspirazione naturale

29 Energia dei gas di scarico Sovralimentazione turbodinamica: sostituzione del fluido (ciclo limite a 4T) p a pressione atmosferica p m pressione di mandata del compressore p s pressione ingresso turbina con sistema a pressione costante > espansione in una turbina ad impulsi ideale massima energia estraibile dai gas di scarico: energia di scarico spontaneo - sistema a impulsi ideale Motore aspirato = 15% del lavoro utile Motore sovralimentato = % del lavoro utile

30 Energia dei gas di scarico Sovralimentazione turbodinamica: sostituzione del fluido (ciclo limite a 4T) p a pressione atmosferica p m pressione di mandata del compressore p s pressione ingresso turbina con sistema a pressione costante 3-4 -> espansione in una turbina a pressione costante massima energia estraibile dai gas e disponibile in turbina sistema a pressione costante ideale: somma di , parziale recupero dell energia di scarico spontaneo (dove è a sua volta il recupero parziale di 2-3-8) e di recupero dell energia sottratta al motore durante la corsa di espulsione dei gas dal cilindro, a causa della contropressione p s nel collettore di scarico (determinata dalla area di efflusso della turbina)

31 Sistema a pressione costante collettore di ampio volume, collegato al motore con brevi tratti di condotto il volume deve essere abbastanza grande per smorzare ad un livello accettabile le oscillazioni di pressione Il volume ottimale = f(caratteristiche del motore, funzionamento del motore) cilindrata, numero di cilindri, fasatura delle valvole numero di giri, carico (portata di gas di scarico) V = (1 6) Cilindrata

32 Sistema a pressione costante Vantaggi Collettori di scarico semplici Flessibilità nella scelta del posizionamento del gruppo turbo-compressore Pressione di sovralimentazione più regolare Messa a punto del gruppo turbo-compressore più semplice Turbina più compatta, che lavora in condizioni quasi stazionarie con un miglior rendimento (non ci sono perdite relative al flusso pulsante) Svantaggi Non adatto a motori con ampia variazione del punto di funzionamento carichi parziali/regime basso => pressione di mandata non sufficiente risposta lenta alla variazione del carico: a causa del grande volume del collettore, si ha una variazione lenta di (p,t) => il lavoro estratto dalla turbina varia gradualmente

33 Sistema ad impulsi collettori di scarico di volume ridotto, con ampie oscillazioni di pressione; buona efficienza della trasmissione degli impulsi di energia alla turbina, però con un flusso fortemente variabile.

34 Sistema ad impulsi A B Esempio per un motore 4T, 6L [1] Disegno del collettore di scarico evitare le interferenze tra i singoli cilindri I condotti sono raggruppati in modo che 2 cilindri che scaricano nello stesso collettore non abbiano le valvole di scarico aperte contemporaneamente max 3 cilindri La forma del collettore determina una contropressione (A) = diminuzione del lavoro indicato pressione nel collettore di scarico < pressione di sovralimentazione (B)

35 Sistema ad impulsi Vantaggi Buon utilizzo dell energia disponibile per la turbina, con un buon adattamento del turbocompressore al motore, in un ampio campo di funzionamento; buone prestazioni del motore nel transitorio, con ridotti tempi di risposta del turbocompressore: il piccolo volume del collettore di scarico consente un rapido cambiamento dei valori di (p,t) dei gas che arrivano in turbina. Svantaggi: disegno dei condotti e realizzazione tecnologica più impegnativa, soprattutto con numero di cilindri elevato; funzionamento non stazionario della turbina: perdite fluidodinamiche e oscillazioni del rendimento (compensate dall'incremento dell'energia disponibile); più ingressi per la turbina, con alti costi per la complessità di realizzazione e con più alte perdite fluidodinamiche, per la suddivisione del distributore; fenomeni di interferenza tra gli impulsi di pressione, che ostacolano il riempimento di qualche cilindro in particolari condizioni di funzionamento.

36 Convertitore di impulsi Sistemi che combinano i vantaggi dei due sistemi di sovralimentazione precedenti: mantenere uno scarico pulsante (un'efficiente trasmissione di energia) + un flusso abbastanza uniforme (rendimento elevato della turbina). Unire gli scarichi in un solo collettore prima dell'ingresso in turbina, evitando le interferenze tra i vari cilindri.

37 Intercooling Efficienza scambiatore: aumento della quantità di aria introdotta per ciclo nel cilindro e quindi della potenza fornita dal motore; Riduzione dei livelli di temperatura raggiunti durante il ciclo diminuzione dei carichi termici sul motore e sulle palette della turbina; motore ad accensione comandata: riduzione del pericolo di detonazione.

38 Intercooling Incremento di densità dell aria in funzione del livello di raffreddamento ottenuto con l intercooler [1]. Incremento della pressione ammissibile al limite della detonazione in funzione della temperatura della carica [1].

39 Accoppiamento motore turbocompressore (matching) Curve caratteristiche compressore

40 Accoppiamento motore turbocompressore (matching) Curve caratteristiche turbina L andamento della curva caratteristica della turbina è determinato dalla sezione di gola nel tratto di collegamento del collettore di scarico con la voluta. Se si riduce questa sezione, una quantità maggiore di gas di scarico è confinata a monte della turbina e le sue prestazioni aumentano grazie all incremento del rapporto di espansione. Tale sezione può essere facilmente modificata cambiando la cassa della voluta, al cui interno è alloggiata la turbina. La pressione di sovralimentazione e la portata massica elaborabile dalla turbina è anche determinata dalla sezione di uscita dalla voluta e di ingresso nella girante. Questa può essere variata con ugelli a pale orientabili o anelli scorrevoli capaci di ridurre la sezione di ingresso. Le curve caratteristiche della turbina danno: la portata corretta al variare del rapporto di espansione (alle diverse velocità le curve si dispongono in sequenza dando praticamente una unica curva caratteristica risultante); il rendimento (anch esso rappresentabile praticamente con una unica linea continua). Oltre un certo valore del rapporto di espansione la curva della portata mostra il raggiungimento della condizione di ingolfamento. La portata richiesta dal motore nelle condizioni nominali deve essere inferiore a tale limite. In condizioni di ingolfamento il rendimento della turbina è fortemente penalizzato.

41 Accoppiamento motore turbocompressore (matching) Curve caratteristiche turbina Curve caratteristiche di una turbina [8]: in alto a sinistra: curva della portata in alto a destra: curva del rendimento in basso destra: curve di rendimento per una turbina VTG

42 Accoppiamento motore turbocompressore (matching) Campo di funzionamento di un motore a 4 tempi sovralimentato sovrapposto alla mappa caratteristica del compressore [1] Curva di funzionamento a pieno carico di un motore a 4 tempi sovralimentato sovrapposto alla mappa caratteristica del compressore [8]

43 Accoppiamento motore turbocompressore (matching) Incremento di temperatura del fluido motore nell attraversamento del motore Valori tipici del coefficiente riduttivo di portata f ed amplificativo dell energia convogliata da un flusso pulsante b (rispetto alla situazione stazionaria), in funzione della differenza tra la media dei valori massimi delle oscillazioni e quella dei minimi divisa per la differenza tra la pressione media allo scarico e la pressione atmosferica

44 Accoppiamento motore turbocompressore (matching) Rapporto di compressione in funzione del rapporto di espansione: rappresentazione grafica dell equazione di bilancio delle potenze [8].

45 Accoppiamento motore turbocompressore (matching)

46 Accoppiamento motore turbocompressore (matching) Diagramma per la determinazione del punto di funzionamento di un turbocompressore a singolo stadio azionato dai gas di scarico, in funzione dei principali parametri che lo caratterizzano, nonché della portata e della temperatura dei gas che arrivano in turbina [1]

47 Accoppiamento motore turbocompressore (matching) Schema di procedura di calcolo dell accoppiamento di un motore a 4 tempi con un turbocompressore a geometria variabile [8]

48 Bibliografia 1. Giancarlo Ferrari, Motori a combustione interna, Il Capitello, 2000; 2. Uwe Kiencke, Lars Nielsen, Automotive Control Systems, ISBN Springer 2005; 3. Bernard Challen, Rodica Baranescu, Diesel Engine Reference Book, Second Edition, Butterworth Heinemann, 1999; 4. Klaus Mollenhauer, Helmut Tschoeke, Handbook of Diesel Engines, Springer Doug Woodyard, Marine Diesel Engines and Gas Turbines, Elsevier Ninth edition Nguyen-Schafer H., Rotordynamics of Automotive Turbochargers, Springer 2015

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