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03/11/2014
NUOVI COMPRESSORI: MENO TURBO, PIÙ SOVRALIMENTAZIONE!

Dal motore alle ruote


Per sovralimentare un motore non è sempre necessario usare un turbocompressore e questi prototipi Audi e Kawasaki sono la dimostrazione lampante di quest’idea

Nicodemo Angì

Leggiamo dall’enciclopedia della Scienza e della Tecnica alla voce compressore: “macchina destinata alla compressione di materiali, usata principalmente per il gas e per la costipazione dei terreni”.

Il compressore che interessa è ovviamente quello che comprime gas, un’azione che “costringe” la stessa quantità di molecole di gas in un volume minore.

Ma perché si desidera comprimere l’aria che entra nel motore? 

Il motivo è semplice: se l’aria presente nei collettori di aspirazione ha una pressione superiore a quella atmosferica la combustione svilupperà una spinta maggiore sul cielo del pistone (c’è più ossigeno a disposizione del carburante), aumentando così la potenza e la coppia erogata dal motore.

Ovviamente, dato che nulla è gratis, la compressione richiede un lavoro meccanico che deve essere trasmesso al compressore da un agente, chiamiamolo così, esterno: ogni compressore ha infatti bisogno di un motore che lo metta in movimento.

 

Il compressore con il turbo... e anche no!

Nei turbocompressori, così diffusi nel settore automobilistico, questo motore è una turbina azionata dai gas di scarico ed è per questo che l’insieme viene chiamato turbocompressore.

I compressori sono di tipi diversi e quelli che comunemente sono usati nei turbocompressori per i veicoli sono di tipo centrifugo.

Il nome deriva dal fatto che l’aria da comprimere arriva vicino al centro della girante del compressore: lì giunta, le numerose palette delle quali essa è dotata trascinano l’aria verso il suo bordo proprio grazie alla forza centrifuga.

Questo movimento “accumula” l’aria verso l’esterno (in una struttura dalla caratteristica forma a chiocciola) aumentandone la pressione; un condotto porta poi l’aria compressa verso i collettori di aspirazione.

I turbocompressori hanno diversi pregi, ad esempio quello di riuscire a recuperare molta dell’energia che altrimenti sarebbe perduta, ancora posseduta dai gas di scarico quando escono dalla camera di scoppio. L’insieme è piuttosto funzionale, dato che il rendimento complessivo può superare il 70%: il 70% dell’energia presente nei gas di scarico viene cioè trasferita all’aria in aspirazione.

Uno dei principali difetti dei turbocompressori è che la loro portata aumenta quadraticamente con il loro regime di rotazione: se la portata massima viene raggiunta (ipotizziamo) a 120.000 giri/min. a 60.000 giri essa sarà un quarto o giù di lì. È per questo che può esserci il cosiddetto Turbo-lag, ossia un avvertibile ritardo fra la richiesta della potenza e l’arrivo della stessa, che può anche essere piuttosto brusco.

Per rimediare a questo inconveniente sono state escogitate molte soluzioni: si è diminuito il diametro dei compressori per diminuire la loro inerzia, si sono messi più compressori in serie o paralleli e si adottata una geometria variabile del distributore che convoglia nella turbina i gas di scarico.

In questi ultimi mesi sono emersi degli approcci ancora diversi, ad esempio quello proposto da Audi per dei turbodiesel chiamati Tdi-e.

In alcuni prototipi, dotati di sovralimentazione a singolo o doppio turbo, è stato aggiunto un compressore azionato da un motore elettrico.

È facilmente riconoscibile in questo caso l’eredità della Power Unit della Formula 1 e del loro MGU-H, un motore/generatore elettrico collegato all’asse del turbocompressore. Esso recupera l’energia dei gas di scarico quando funziona da generatore e mantiene a regime sufficiente il turbocompressore quando agisce come un motore.

Notiamo come nei prototipi Audi il compressore elettrico praticamente non incida nel bilancio energetico della vettura perché quando non è usato per comprimere l’aria esso agisce come un generatore che carica un pacco di batterie.

 

Come lo vuole il compressore: elettrico o a ingranaggi?

Un altro spunto interessante è che il sistema è alimentato da un impianto a 48 V, creato per diminuire l’intensità della corrente circolante nei cavi diminuendo così le perdite. Il passaggio ai 48 V va visto in prospettiva futura perché in presenza di sistemi ad elevato assorbimento – ad esempio i freni by-wire oppure il riscaldamento elettrico - l’assorbimento di corrente è così elevato che si dissiperà parecchia energia nei cavi di alimentazione.

A parità di potenza trasmessa aumentando la tensione diminuisce proporzionalmente la corrente e perciò le dissipazioni negli apparecchi e nei cavi di collegamento.

Il compressore elettrico può iniziare a girare già col motore minimo donando una prontezza incredibile alla risposta del motore a qualsiasi regime.

Ma la sovralimentazione, per così dire, alternativa si potrebbe estendere anche nel campo delle motociclette.

L’audience interessata a questo sviluppo è sicuramente minore rispetto alle auto però vale la pena di parlarne perché è molto interessante.

La sovralimentazione nei motori motociclistici è sempre stata molto difficile da applicare per il ridotto spazio a disposizione e per il fatto che i motori molto più “spinti” rendono molto più dannoso l’ostacolo che la turbina del compressore (quando non è pienamente attivo) rappresenta per l’aria in aspirazione.

La soluzione studiata da Kawasaki è un compressore centrifugo azionato non da una turbina ma direttamente dal motore a scoppio tramite una trasmissione meccanica.

Il motore in questione è stato visto allo stato di prototipo al passato salone di Tokio e, anche se Kawasaki non ha fornito molte informazioni, un paziente lavoro di ricerca e reverse engineering dei disegni dei brevetti ha permesso di capire molte cose, compresa la presenza di un cambio di velocità a due marce che varia il rapporto di trasmissione fra l’albero motore e la girante del compressore.

Lo stratagemma escogitato dalla casa giapponese ha lo scopo di mantenere il compressore sempre intorno al suo regime ideale di funzionamento, in modo da aumentare il rendimento e minimizzare i ritardi nella risposta all’acceleratore. Sembra quindi lecito, complici anche le tecnologie della Formula 1, aspettarsi grandi novità nel campo di una sovralimentazione che va nella direzione della piacevolezza della guida e delle prestazioni.

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