Fondamenti e dinamica dei turbocompressori e compressori assiali

Il mondo della sovralimentazione rappresenta una delle sfide ingegneristiche più affascinanti nel campo della fluidodinamica applicata. La magia dei turbocompressori risiede nella capacità di utilizzare energia altrimenti persa per incrementare le prestazioni del motore. Il compito dei turbocompressori non sembra macchinoso: immettere nel motore aria a pressione maggiore di quella atmosferica in modo da ottenere una combustione più energica. Implementare nella pratica questo meccanismo è però tutt’altro che semplice, considerando che occorre fornire un volume di aria non indifferente. I turbocompressori iniettano quindi aria in pressione nei cilindri, cosa che mette a disposizione del carburante, a parità di volume, più atomi di ossigeno ottenendo quindi una combustione più energetica e una potenza superiore senza aumentare la cilindrata del motore. Il rapporto peso/potenza del propulsore può migliorare significativamente e si può raggiungere una maggiore efficienza: il Ford Ecoboost 3 cilindri arriva ad erogare 160 cavalli pur avendo solo 999 cc.

Il principio di funzionamento del turbocompressore

Abbiamo visto che occorre soffiare molta aria per sovralimentare un motore: i turbocompressori ottengono lo scopo con una turbina fatta girare dai gas di scarico del motore sul cui albero è calettata una girante che comprime l’aria. Uno dei vantaggi dei turbocompressori è che recuperano energia che altrimenti andrebbe persa: i gas di scarico hanno infatti temperatura e pressione elevata. I motori a ciclo Miller, ad esempio, intendono recuperare proprio una parte dell’energia allungando la fase di espansione rispetto a quella di compressione e sono quindi in grado di svolgere un lavoro.

Il turbocompressore è costituito dall’accoppiamento tra una turbina centripeta (il lato “caldo” o lato di scarico del turbocompressore, dove vengono ricevuti i gas di scarico ad alta temperatura) e un compressore centrifugo (il lato “freddo” o lato di aspirazione, nel quale viene risucchiata l’aria da comprimere). Il turbocompressore è installato più vicino possibile alla testata del motore a quattro tempi, dove si hanno i condotti di scarico e alimentazione. I collettori di scarico affluiscono al lato caldo del turbocompressore convogliandosi in un unico condotto o, come nel caso dei turbocompressori Twin Scroll, in due condotti. Dunque, la turbina raccoglie l’energia (sotto la forma di energia cinetica e di entalpia) dei gas di scarico e la trasforma in energia meccanica utile a mettere in rotazione il compressore.

Componenti critici e gestione del flusso

La girante del compressore, all’interno della sua struttura a chiocciola, è trascinata in rotazione dalla turbina, comprime l’aria e la immette nel collettore d’aspirazione, fornendo ai cilindri del motore un volume d’aria maggiore di quanto ne potrebbero aspirare nell’unità di tempo se tale motore fosse semplicemente un aspirato. In questo modo è possibile immettere nella camera di scoppio un maggior quantitativo di miscela aria/benzina o aria/gasolio, assicurando così maggiori prestazioni in termini di potenza e di capacità di accelerazione.

Per gestire tali flussi, sono essenziali alcuni componenti:

• Valvola Wastegate: per deviare (o bypassare) i gas di scarico in eccesso, che altrimenti imprimerebbero alle giranti del turbo una velocità di rotazione troppo elevata. Questa valvola è utilizzata anche per la regolazione della pressione di sovralimentazione.
• Valvola Pop-off: situata fra il turbocompressore e la valvola a farfalla, si apre totalmente in fase di rilascio del pedale dell’acceleratore, quando le giranti continuano a ruotare per inerzia, evitando che il compressore continui a sospingere l'aria contro una valvola chiusa.

Compressori assiali: struttura e teoria

Nella turbina a gas, i compressori assiali sono collegati alla turbina da alberi di trasmissione rotanti. Un tipico compressore assiale possiede un rotore, un disco con palettatura, seguito da uno statore, e questo è fisso al telaio. L'accoppiamento di uno statore e di un rotore è detto stadio. Nei compressori assiali il flusso è assiale; l'aria o il gas fluiscono pertanto lungo l'albero del compressore, attraverso file di pale in rotazione e stazionarie. Tale configurazione causa un aumento graduale della velocità dell'aria a mano a mano che le pale stazionarie convertono in pressione l'energia cinetica.

Il comportamento di un singolo stadio di un compressore assiale, nelle ipotesi semplificative di velocità radiale nulla e velocità assiale costante, è illustrato dal diagramma delle velocità, dove si trovano la velocità assoluta di ingresso nel rotore, la velocità assoluta di uscita dal rotore, la velocità relativa di ingresso nel rotore e la velocità relativa di uscita dal rotore. Nel rotore le palette divergono, così che il flusso nel sistema di riferimento del rotore si comporta come in un condotto divergente (diffusore). Le palette debbono essere svergolate, cioè presentare un diverso angolo rispetto alla corrente a seconda della distanza della sezione dal centro di rotazione.

Evoluzione storica dei compressori assiali

I primi compressori assiali offrivano un'efficienza assai limitata, talmente limitata che nei primi anni '20 si pensava che in pratica un motore a getto fosse impossibile da costruire. Le cose cambiarono radicalmente quando Alan Arnold Griffith pubblicò un saggio nel 1926, nel quale si affermava che responsabili della scarsa efficienza del compressore erano le palette piatte usate all'epoca. Lo studio di Griffith mostrava il vantaggio di palette a sezione alare, cioè spesse vicino al bordo d'attacco e appuntite sul bordo d'uscita.

Negli anni cinquanta praticamente tutti i motori più potenti erano dotati di un compressore assiale. Come Griffith aveva rilevato nel 1929, il più elevato ingombro radiale del compressore centrifugo era causa di una resistenza aerodinamica eccessiva rispetto al più stretto compressore assiale. Per quanto riguarda il compressore centrifugo, questo è molto più semplice da disegnare, è più corto, più leggero e garantisce prestazioni inarrivabili per singolo stadio.

Ottimizzazione operativa e stadi variabili

Nelle applicazioni sui motori a getto, il compressore si trova ad affrontare una grande varietà di condizioni operative. A terra, durante il decollo, la pressione statica all'imbocco è elevata, mentre la velocità di imbocco è nulla. Semplicemente non esiste un compressore che si adatti a tutti questi stati di funzionamento. I compressori a geometria fissa, come quelli montati sui primi motori a getto, avevano un rapporto di compressione piuttosto limitato, circa 4 o 5 ad 1. Oltretutto il compressore poteva stallare se le condizioni all'imbocco cambiavano improvvisamente.

Praticamente tutti i motori moderni sono concepiti con due compressori, il primo a bassa pressione ed un secondo di alta pressione. Un disegno più avanzato, a statore variabile, usa palettature che possono essere ruotate individualmente attorno al loro asse, in opposizione all'asse di potenza del motore. Per l'avviamento possono essere ruotate per "aprire", riducendo la compressione, per poi essere ruotate indietro verso il flusso a seconda delle condizioni esterne. Chiudendo progressivamente gli statori variabili, mentre la velocità del compressore diminuisce, si riduce la pendenza della curva di stallo, migliorando il margine di lavoro della macchina.

Considerazioni sulla dinamica dei fluidi e materiali

Il movimento relativo tra le palette ed il fluido ne aumenta la velocità, la pressione o entrambe quando il fluido attraversa il rotore stesso. La velocità viene aumentata dal rotore, mentre lo statore converte l'energia cinetica in energia di pressione. L'aumento della pressione si accompagna ad un aumento nella temperatura di ristagno. Assegnata la geometria, l'aumento di temperatura dipende dal quadrato del numero di Mach tangenziale dello stadio del rotore.

Gli stadi di palette sono progettati a partire dai diagrammi di velocità. Il flusso assiale attraverso il compressore viene mantenuto il più possibile prossimo a Mach 1 per massimizzare la spinta una volta assegnata la taglia del compressore. La mappa del compressore ne mostra le prestazioni e permette di determinare le condizioni operative ottimali. Essa mostra in ascissa la portata, in genere come percentuale della portata massica di targa o in unità di misura reali. Una linea di picco o di stallo identifica il confine a sinistra del quale le prestazioni del compressore si degradano rapidamente e identifica il massimo rapporto di compressione che si può ottenere ad una data portata.

Tecnologie di controllo per motori a combustione

I turbocompressori a geometria variabile e un attento studio fluidodinamico permettono di minimizzare gli inconvenienti legati al ritardo di risposta. Usare turbocompressori di piccolo diametro riduce questo ritardo ma si rischia di farli ruotare troppo velocemente quando il motore è su di giri: è a questo punto che interviene la valvola Wastegate, che “legge” la pressione della sovralimentazione e, se è troppo alta, fa scaricare una parte dei gas di scarico in modo da rallentare la turbina.

Si tratta di cuscinetti super precisi realizzati con materiali speciali e che riescono a gestire le velocità e le temperature del turbocompressore. Il loro lavoro è ancor più impegnativo perché non è raro che i motori moderni abbiano oli 5W-20 o addirittura 0W, per ridurre il più possibile le perdite dovute alla viscosità del lubrificante. Quando la velocità del motore raggiunge i 2.000 giri/min, l'elettrovalvola chiude la valvola di bypass per dirigere il flusso di scarico verso il lato della turbina, provocandone la rotazione. Esiste anche un design che regola l'angolo delle pale della turbina per regolare la velocità della turbina attraverso cambiamenti di resistenza, modificando così la quantità di spinta.

Integrazione dell'intercooler e gestione termica

La temperatura aumenta, il che non solo influisce sull'efficienza del gonfiaggio, ma provoca anche facilmente la deflagrazione. Pertanto è necessario installare un dispositivo che riduca la temperatura dell'aria aspirata, che è un intercooler. È installato tra l'uscita del turbocompressore e il tubo di aspirazione per raffreddare l'aria che entra nel cilindro. L'intercooler è come un radiatore, raffreddato dal vento o dall'acqua. Il calore dell'aria fuoriesce nell'atmosfera attraverso il raffreddamento. Secondo i test, un intercooler con buone prestazioni può non solo mantenere il rapporto di compressione del motore ad un certo valore senza provocare colpi in testa, ma anche ridurre la temperatura e aumentare la pressione di aspirazione, aumentando ulteriormente la potenza effettiva del motore.

Il ruolo della tecnologia di controllo elettronico

Oltre ad abbassare la temperatura per ridurre la possibilità di deflagrazione, è necessario utilizzare un sensore di deflagrazione. La sua funzione è che quando si verifica una deflagrazione, il sensore invia immediatamente le informazioni al sistema di controllo ECU (unità di controllo elettronico) del motore quando rileva vibrazioni anomale e accende il motore. Ritardare leggermente la fasatura, quindi riprendere la normale fasatura dell'accensione quando non si verifica la deflagrazione. Poiché la velocità del motore a benzina di un'auto è superiore a quella di un motore diesel, la velocità del flusso d'aria è elevata e la gamma di variazioni è ampia, quindi il suo turbocompressore ha requisiti più elevati. I motori delle auto moderne hanno generalmente adottato sistemi di iniezione elettronica. Con la collaborazione della tecnologia di controllo elettronico e dei nuovi materiali, l'applicazione dei turbocompressori sui motori a benzina diventerà sempre più comune.

Confronto tra sistemi di sovralimentazione

Il sistema ad aspirazione naturale non installa alcuna forma di compressore, ma sfrutta esclusivamente la pressione negativa generata dal movimento verso il basso del pistone per aspirare la miscela. Sebbene il sistema ad aspirazione naturale possa ottenere una maggiore potenza in uscita attraverso il sistema di fasatura variabile delle valvole, il miglioramento della potenza è molto limitato. Per aumentare efficacemente la potenza di uscita del motore, si può dire che l'utilizzo di un sistema di sovralimentazione sia un modo efficace.

I comuni sistemi di sovralimentazione del motore includono la sovralimentazione meccanica e la turbocompressione dei gas di scarico. Il motore aziona meccanicamente un compressore per sovralimentare, operazione chiamata sovralimentazione. Quando un motore è sovralimentato, l'albero motore solitamente aziona il compressore attraverso un ingranaggio. Poiché l'azionamento del compressore consuma una certa quantità di potenza del motore, l'efficienza termica di un motore sovralimentato non è necessariamente migliorata e talvolta è addirittura inferiore a quella di un motore a combustione interna non sovralimentato. Quando si seleziona la pressione di sovralimentazione è necessario innanzitutto garantire che sia possibile raggiungere la pressione effettiva media richiesta e, in secondo luogo, ottenere il minor consumo di carburante possibile. Questi due requisiti sono spesso contraddittori per la sovralimentazione.

Efficienza dei compressori a turbina

I compressori assiali e i compressori centrifughi sono entrambi compressori a turbina. Un compressore è una macchina che converte l'energia meccanica del motore primario in energia del gas. I compressori a spostamento positivo sono di due tipi: compressori alternativi e compressori rotativi. Compressore a flusso misto: si riferisce allo stesso compressore d'aria con giranti di lavoro sia a flusso assiale che centrifughe (flusso diagonale). I compressori a flusso assiale e centrifughi sono i compressori a turbina più comunemente utilizzati. Entrambi i compressori sono composti principalmente da due parti: il rotore e lo statore.

La progettazione della dinamica dei gas dei compressori assiali adotta la teoria del flusso tridimensionale più avanzata e il metodo di progettazione ottimizzato, e vengono eseguiti vari progetti di combinazione di pale di reazione. Le pale del rotore sono disposte uniformemente sul rotore. L'intero rotore è supportato da cuscinetti radiali su entrambe le estremità. Un'estremità è dotata di un cuscinetto reggispinta per resistere alla spinta assiale del gas compresso sul rotore. L'analisi e il calcolo delle vibrazioni laterali e torsionali vengono considerati durante la progettazione. Il tubo di ingresso, convergente, guida di ingresso, guida di uscita, diffusore e tubo di scarico del compressore assiale sono collettivamente chiamati sezione di flusso.

Versatilità dei sistemi di sovralimentazione moderni

Il sistema turbocompressore può anche essere costituito da più turbocompressori organizzati in vario modo, oppure si può associare uno o più turbo a un compressore meccanico. Tale unità utilizzava un sistema di sovralimentazione in cui un compressore volumetrico e un turbocompressore operavano in serie. Il compressore volumetrico partiva subito fin dal regime di minimo, e la sua azione di pompaggio dell’aria (il compressore era di tipo volumetrico a lobi) aumentava proporzionalmente con i giri del motore. A un certo regime di giri del motore c’era l’entrata in funzione del turbocompressore che, per un breve range di giri funzionava insieme con il compressore; quando il turbo raggiungeva la condizione di pieno carico, il compressore veniva completamente bypassato: una funzione in particolar modo utile agli alti regimi motore, per limitare l’assorbimento meccanico di potenza all’albero motore che serviva per l’azionamento del compressore.

Il Twin Scroll Turbo o semplicemente Twin Scroll, è un sistema in cui un singolo turbocompressore funziona con due canali di gas di scarico, anziché uno solo come nei normali turbo o monoturbo. Il turbocompressore ha due ingressi per i gas di scarico e due ugelli, uno più piccolo e più angolato per una risposta più rapida e uno più grande meno angolato per massimizzare le prestazioni. Ciò permette di migliorare l’ingresso dei gas di scarico nella turbina e di aumentarne al contempo pressione e potenza. Il carter di ingresso è sdoppiato, pertanto i collettori di scarico dei cilindri confluiscono a coppie e questo fa sì che il flusso d’ingresso dei gas sia più efficiente. Quindi i gas di scarico, dovendo attraversare un condotto a sezione dimezzata nella stessa unità temporale, si muovono più velocemente e con maggiore forza, facendo sì che ai bassi giri si abbia una minore inerzia.

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