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Articoli - Archivio

23/06/2016
UN TURBINE ELETTRICO DI EFFICIENZA

Dal motore alle ruote

 

Gas di scarico addio! La sovralimentazione si prepara a cambiare pelle, usando l’energia elettrica per aumentare l’efficienza e ridurre in consumi

Nicodemo Angì

Il turbo non ha bisogno di presentazioni dato che dagli anni ‘80 in poi ha iniziato la sua corsa nella produzione di serie. La sua diffusione nei motori diesel - pesanti o leggeri che siano - è ormai praticamente totale mentre fino a pochi anni addietro i motori a benzina (per non parlare di quelli a GPL/metano) che lo usavano erano veramente pochi e perlopiù di tipo sportivo. L’esigenza di aumentare l’efficienza dei motori a benzina ha condotto al downsizing (Pneurama ne ha già parlato), ossia alla riduzione della loro cilindrata - e spesso anche nel numero dei cilindri - per ottenere unità più compatte e leggere. La riduzione del frazionamento - ad esempio passando da 8 a 6 cilindri o da 4 a 3 - aumenta l’efficienza per la riduzione degli attriti interni ma la cilindrata minore fa perdere potenza, recuperabile, per l’appunto, grazie al turbocompressore. Ricordiamo come la sovralimentazione consista nell’inviare aria in pressione a un motore, invece che fargliela aspirare a pressione atmosferica: in questo modo nella camera di scoppio avremo più molecole di ossigeno pronte a combinarsi con il carburante, con il risultato di una combustione più energica e quindi una potenza maggiore. Questo gruppo meccanico è l’unione di 2 elementi: una turbina e un compressore centrifugo, donde il nome turbocompressore. La turbina raccoglie l’energia residua (ossia non raccolta durante la fase di espansione) contenuta nei gas di scarico convertendola in energia meccanica di rotazione, che viene poi ceduta al compressore tramite l’alberino che li unisce; all’uscita del compressore potremo così raccogliere l’aria in pressione da immettere nel motore.

 

Vantaggi tangibili

Il turbocompressore è abbastanza compatto e leggero e ha il vantaggio di sfruttare energia che andrebbe altrimenti dispersa allo scarico. Ovviamente ha anche dei lati negativi, come la creazione di una certa “resistenza”, che ostacola il deflusso dei gas di scarico, e la possibile introduzione di un ritardo, il famigerato Turbo Lag, fra la richiesta di potenza e l’effettiva erogazione della stessa. Questo ritardo è imputabile al particolare modo di funzionamento del compressore centrifugo, che lega con legge quadratica regime di rotazione e portata; la relazione è del tipo: massima portata a 100.000 giri/min, metà della portata a 80.000 giri.

Appare quindi importante che la turbina e quindi il compressore a essa collegata, giri sempre “in alto” ma quando il motore lavora a bassi carichi è inevitabile che essa rallenti: per avere un rapido recupero in accelerazione è quindi essenziale che essi abbiano una bassa inerzia. Questo risultato si ottiene principalmente diminuendo i diametri dei rotori, cosa che però limita la massima portata dell’aria: è per questo che sono nate le alimentazioni con 2 o più turbo: i più piccoli “partono” ai bassi regimi del motore per passare poi il testimone alle unità più grandi, in grado di fornire la molta aria necessaria quando il motore gira più in alto.

A questo punto le complicazioni e i costi salgono parecchio ed ecco quindi affacciarsi la rivoluzione tecnologica dei compressori ad azionamento elettrico, che non si possono più chiamare “turbo” perché la turbina non c’è più, sostituita da un motore elettrico. Questa potrebbe essere la soluzione definitiva perché non soltanto il turbo lag (Valeo parla di un tempo di 250 millisecondi per raggiungere la velocità di regime) ma anche la contropressione allo scarico verrebbero annullati. La pressione, poi, può essere modulata finemente perché il motore elettrico può essere pilotato con precisione e questo dischiuderebbe appieno le possibilità di risparmio energetico del downsizing dei motori.

 

Avidi di energia

Degna di nota anche la semplificazione nell’installazione: al posto degli ingombranti e roventi collettori che portano i gas di scarico alla turbina troveremo dei semplici cavi elettrici. Ovviamente non tutto è perfetto, dato che si tratta di componenti costosi e avidi di energia e mentre il primo inconveniente si attenuerà con la produzione in grande serie, il secondo è risolvibile meno facilmente perché un dispositivo del genere assorbe 7/8 kW di potenza, circa 10 CV che implicano una consistente fornitura di energia. Praticamente obbligatorio un impianto elettrico a 48V, dato che una potenza simile (equivale a circa 5 ferri da stiro) farebbe circolare qualcosa come 600 ampere di picco nei cavi di collegamento, un valore proibitivo per un’alimentazione a 12 V.

Valeo, per esempio, parla di questo dispositivo in abbinamento con i suoi Energy Recovery System: si tratta di un pacco di batterie abbinato a una potente macchina elettrica che accentra le funzioni di motorino d’avviamento e alternatore-recuperatore d’energia. Nel funzionamento normale il generatore viene trascinato dal motore per alimentare le utenze di bordo ma in frenata o rilascio esso può caricare le batterie a 48 V rendendole pronte per alimentare il compressore elettrico; la potenza di questo motore generatore lo mette anche in grado di “aiutare” il motore a scoppio nelle accelerazioni. Secondo Valeo l’intero “pacchetto”, che implementa quindi un sistema micro-ibrido, avrebbe costi competitivi e offrirebbe un risparmio di carburante del 15-20%. Valeo è già molto avanti su questa strada e ha presentato, insieme ad Audi, un progetto per portare questi compressori sulla Q7 già l’anno prossimo. Secondo Valeo il solo compressore permette comunque di ridurre il consumo di carburante del 10% e migliorare del 27% l’accelerazione senza aumentare i consumi; l’azienda considera comunque applicazioni in sinergia con i turbo tradizionali.

 

Sinergie utili

Honeywell, altro importante componentista, non sembra così avanti nella messa a punto di questi dispositivi in campo stradale ma ha comunque annunciato programmi di collaborazione con Ferrari per un e-turbo per le sue Formula 1. Interessante è anche la  collaborazione con un ‘produttore globale’ per usare i compressori innovativi come fattore abilitante per le Fuel Cell celle a combustibile.

Anche un brand strettamente legato alla sovralimentazione come BorgWarner pensa ai compressori elettrici ma esclusivamente in una formula, chiamata eBOOSTER, che li integra con i turbocompressori classici. Questo sistema utilizza il compressore elettrico insieme a un convenzionale turbo azionato dai gas di scarico, con il primo che può essere posizionato prima o dopo il compressore convenzionale. Affinando l’abbinamento delle due unità il sistema può essere ottimizzato per “espandere” la curva della potenza e della coppia aumentando l’efficienza e diminuendo quindi i consumi.

Molto interessanti sono poi i progetti dell’inglese Aeristech, che sta sviluppando la Full Electric Turbocharger Technology che elimina il collegamento meccanico fra turbina e compressore. In pratica i gas di scarico alimentano una turbina che fa girare un generatore, la cui energia alimenta infine un compressore elettrico. In questo modo si recupererebbe l’energia dei gas di scarico – eliminando il bisogno di una ulteriore fonte energetica – con la possibilità di modulare finemente la sovralimentazione grazie al compressore alimentato elettricamente. Aeristech sta lavorando a questa soluzione insieme a Volkswagen.

Fra i costruttori segnaliamo l’interesse, oltre che di Audi, di Ford, Mercedes e Honda mentre BMW, anche se guarda con interesse ai compressori elettrici, è più tiepida e continua a credere ai turbocompressori attuali: nell’evoluzione del suo turbodiesel da 3 litri 6 cilindri è arrivata a montarne ben 4, ottimizzati a coppie per il funzionamento ad alta e bassa pressione. 

 

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