Risposte a domande aperte Motori a combustione interna

Sovralimentazione, tecniche attualmente utilizzate

La pratica della sovralimentazione è nata con il motore a combustione interna e si è sviluppata parallelamente adesso, condizionata dal progresso avutosi nel settore dei compressori e delle turbine.

Inizialmente si è affermata nel quattro tempi ad accensione comandata di applicazione aeronautica, per riportare in quota la densità dell'aria di alimentazione ai valori tipici che si hanno a terra, recuperando quindi semplicemente la diminuzione di potenza al crescere della quota di volo (sovralimentazione di ripristino).

Successivamente anche in questo settore si è realizzata una vera e propria sovralimentazione del motore, intesa a ridurne il rapporto peso/potenza.

I principali metodi di sovralimentazione sperimentati si possono classificare a partire dal punto di vista:

• del tipo di motore cui la sovralimentazione viene applicata;
• del principio di funzionamento del compressore che elabora.

l'aria o la miscela aria-combustibile; della fonte d'energia utilizzata per trascinare il compressore. Il compressore può essere mosso: da un motore esterno, in questo caso si parla di sovralimentazione esterna; dallo stesso motore, attraverso un accoppiamento meccanico all'albero motore, realizzando la sovralimentazione meccanica; da una turbina azionata dai gas di scarico, ottenendo così la combinazione di un motore a pistoni con un gruppo di turbomacchine. questa soluzione è indicata con il termine di turbo-sovralimentazione a gas di scarico. Vediamo ora alcune soluzioni tecnologiche diffuse per la sovralimentazione. Analizziamo per primo il compressore ad azionamento diretto: il ROOTS. La sovralimentazione mediante azionamento diretto dall'albero motore consiste nell'impiego di un compressore volumetrico collegato meccanicamente all'albero motore. Un grande vantaggio di questa soluzione consiste nell'immediatezza dirisposta della sovralimentazione, non essendo presente alcuna causa di turbo-lag; inoltre, alimentando compressori volumetrici si ha una certa omogeneità di funzionamento tra il motore ed il sovralimentatore, essendo il motore stesso una macchina volumetrica. Lo svantaggio della soluzione meccanica è costituito dall'assorbimento di potenza del compressore, potenza che viene sottratta per l'appunto direttamente dall'albero motore e quindi nel computo totale se ne deve tenere conto. Tale soluzione non viene impiegata largamente dalle case costruttrici, anche se non mancano vetture dotate di compressore volumetrico. Due esempi commerciali tra tutti sono rappresentati dal Kompressor Mercedes e dalle soluzioni adottate dalla Lotus. Una caratteristica molto importante del compressore Roots è la sua capacità di fornire una portata di aria linearmente crescente con la velocità di rotazione del motore; inoltre, la costruzione relativamente semplice.

lorende un dispositivo estremamente affidabile. Una soluzione particolare, che ha avuto un certo periodo di interesse da parte dei motoristi ma che poco impiegoha avuto in pratica, è basata su un particolare dispositivo chiamato COMPREX, che genera una sovralimentazionead onde di pressione.

Vediamo il principio alla base del Comprex: sfruttando l'effetto delle onde di compressione ed espansione, cercadi utilizzare l'energia residua dei gas combusti di un motore per comprimere gasdinamicamente la carica fresca.

I gas freschi, grazie alla rotazione del Comprex, vengono traslati verso la sezione del condotto di aspirazione. Contemporaneamente, i gas di scarico seguono un percorso analogo, ritrovandosi ad entrare in contatto nellestesse sezioni dei condotti del Comprex con i gas freschi.

Il suo organo principale è il rotore, con canali di sezione trapezoidale aperti agli estremi e mantenuto in rotazionedal motore mediante una cinghia dentata, che fornisce energia.

sufficiente a vincere le sole perdite per attrito. La carica fresca entra nel collettore a bassa pressione, viene compressa nei canali del rotore ed inviata al motore attraverso il condotto ad alta pressione. I gas combusti, scaricati dal motore, attraverso il condotto ad alta pressione sono convogliati al rotore, dove, sotto forma di onde di compressione ed espansione, cedono l'energia per comprimere la carica fresca e sono poi scaricati nell'ambiente attraverso il collettore a bassa pressione. Lo scambio di energia avviene quindi nei canali del rotore, le cui estremità vengono periodicamente chiuse o messe in comunicazione con un collettore opportuno, man mano che passano davanti alle relative aperture della parte fissa della macchina (statore). Tale sistema per certi versi risulta essere uno dei più semplici, ma i limiti che lo hanno sempre contraddistinto sono legati alla contaminazione dei gas freschi ad opera dei gas combusti ed al riscaldamento della carica.particolare quella ad impulsi, in cui l'aria viene compressa da una turbina azionata dai gas di scarico del motore. Questo sistema permette di aumentare la potenza del motore senza aumentare la cilindrata, migliorando l'efficienza e riducendo i consumi. La turbina è collegata ad un compressore che comprime l'aria aspirata dal motore, aumentando la sua densità e permettendo una migliore combustione del carburante. Inoltre, la sovralimentazione ad impulsi permette di ottenere una risposta più rapida del motore, riducendo il cosiddetto "turbo lag". Questo sistema è ampiamente utilizzato nei motori diesel per migliorare le prestazioni e l'efficienza.

particolare quelle attualmente utilizzate;

Nei motori ad accensione spontanea la sovralimentazione non introduce né problemi di consumo specifico, né di combustione non regolare.

Le più elevate temperature e pressioni di fine compressione, causate dalla sovralimentazione, riducono il ritardo, migliorando per un dato combustibile le caratteristiche della combustione o consentendo l'uso di combustibili di qualità più scadente.

I limiti alla potenza specifica ottenibile con la sovralimentazione sono connessi all'affidabilità e durata del motore, dato che la sovralimentazione implica un incremento delle sollecitazioni termiche e strutturali sul motore.

Con la sovralimentazione esiste la possibilità di bruciare miscele più povere all'aumentare della densità dell'aria in ingresso.

Partendo da un motore progettato per funzionare non sovralimentato, è possibile ottenere, con la sovralimentazione, un incremento

Di affidabilità e durata del motore, con conseguente riduzione:

• delle temperature di combustione, espansione e scarico;
• della fumosità;
• dei depositi carboniosi.

L'interesse al risparmio energetico a partire dagli anni '70 ha stimolato l'uso della sovralimentazione nei motori a ignizione spontanea funzionanti per lunghi periodi a velocità costante, come ad esempio motori marini, impianti fissi, motori per autoveicoli pesanti.

Nelle applicazioni automobilistiche i motori a ignizione spontanea sono in competizione con gli analoghi motori a ignizione comandata. Dato che la potenza di un motore a ignizione spontanea non sovralimentato è minore di quella di un motore a ignizione comandata di pari cilindrata ed il peso maggiore, è necessario ricorrere a motori di cilindrata maggiore o sovralimentare, se non si accetta un motore di prestazioni inferiori.

12) Motori a gas naturale e rappresentazione del ciclo

limite. L'alimentazione a gas permette, grazie all'elevata caratteristica antidetonante del metano, il raggiungimento di rapporti di compressione prossimi a quelli utilizzati nei motori diesel sebbene il ciclo termodinamico di riferimento sia quello tipico dei motori a benzina. Ciò comporta l'impiego di componenti costruttivi con caratteristiche tipiche dei motori ad accensione per compressione, e quindi in grado di sopportare sollecitazioni più elevate rispetto a quelle dei motori ad accensione comandata. La combustione del gas naturale offre, inoltre, dei vantaggi in termini ambientali, producendo minori quantità di inquinanti rispetto alle benzine ed ai gasoli. Una classificazione dei motori AC a gas naturale può essere effettuata in base alle diverse tipologie di impiego:

• trazione stradale, in cui è necessario distinguere tra motori alimentati esclusivamente a gas naturale e motori alla doppia alimentazione gas naturale e benzina;

impianti stazionari di produzione di energia o di tipo cogenerativo in cui si impiegano generalmente unità di grossa taglia.

In relazione all'impiego in impianti di generazione stazionaria dell'energia, il gas naturale può essere prelevato direttamente dalla rete di distribuzione.

In alternativa, tali motori possono utilizzare biogas prodotto attraverso specifici impianti di trattamento della biomassa o di captazione di gas da discarica.

I motori ad accensione comandata ad iniezione indiretta alimentati a gas naturale prevedono la formazione della miscela aria-combustibile nel collettore di aspirazione; i motori a gas naturale sono inoltre contraddistinti da un funzionamento analogo a quello dei motori a combustibile liquido.

L'alimentazione del gas può essere effettuata sia tramite l'impiego di un carburatore o semplice tubo venturi oltre che attraverso specifici iniettori. Nel caso di applicazioni stazionarie sono inoltre tipicamente impiegate

valvole elettroniche atte a regolare il flusso di gas direttamente nel collettore di aspirazione. In un motore stazionario utilizzato a scopi cogenerativi, il sistema di miscelamento dell'aria comburente con il gas naturale può essere schematizzato con un processo simile a quello che contraddistingue il funzionamento di un carburatore a getto. Analizziamo i punti del sistema di miscelamento di un motore stazionario:

• È costituito da un raccordo con il circuito di alimentazione del combustibile, in cui si ha l'adduzione del combustibile;
• Presenta una spina o otturatore, che rende possibile l'adduzione del combustibile;
• È dotato di una membrana che regola l'apertura o la chiusura della spina in funzione della pressione esercitata su di essa;
• È dotato di uno spruzzatore principale, di un condotto di aspirazione dell'aria, di un diffusore a forma di tubo Venturi e di una valvola a farfalla, che regola la portata di aria.

aspirata. Relativamente ai motori stazionari con sistema di alimentazione non elettronico, nel caso inoltre di sovralimentazione, si ha il tubo di Venturi posizionato a valle del