Turbocompressore e reattività del motore ai bassi giri
Oggi non parliamo di un modello di auto specifico ma di un argomento tecnico che può interessarti per capire meglio da cosa dipende la risposta del motore (turbo) ai bassi e medio-bassi giri e come è possibile intervenire sulla elettronica per migliorare questo aspetto senza sostituire parti meccaniche o il turbocompressore stesso. Ovviamente parliamo sia di motori turbodiesel che motori turbo-benzina.
Iniziamo da due dei principali aspetti che determinano la reattività del motore alle richieste di potenza/coppia.
1) fluidodinamica del turbocompressore semplificata al massimo. Il turbocompressore, come forse già saprai, è composto da due elementi principali; la turbina (mossa dai gas di scarico) ed il compressore (che prende il moto dalla turbina e comprime l’aria in aspirazione per il motore). Le dimensioni delle giranti (turbina e compressore) e delle chiocciole che le contengono (denominate lato caldo e lato freddo, rispettivamente la parte della turbina e del compressore) hanno una propria fluidodinamica, tale caratteristica incide notevolmente sull’accoppiamento con il motore stesso.
Per semplificare ancora al massimo; un turbocompressore con giranti (e relative chiocciole) di piccole dimensioni, sarà perfetto per motori di piccola cilindrata ed in particolare per generare alti valori di coppia ai giri bassi e medio-bassi. Un turbocompressore con giranti (e relative chiocciole) di grandi dimensioni sarà adatto solamente a motori con grosse cilindrate ed in particolare a fornire elevati valori di potenza massima. Questo perché il turbocompressore di piccole dimensioni, riesce a prendere velocità (e quindi a comprimere l’aria in ingresso al motore) già con flussi di gas di scarico relativamente contenuti proprio per via delle piccole sezioni di passaggio dei gas di scarico e per la loro incidenza sulla piccola turbina.
Gli stessi piccoli passaggi hanno però una fluidodinamica del tutto inefficace in presenza di grandi flussi di gas di scarico; quella che ne deriva è una strozzatura che compromette il raggiungimento di elevate potenze. Viceversa, il turbocompressore con giranti e chiocciole grandi, hanno sezioni adatte al passaggio ed allo sfruttamento di grandi quantità di gas combusti, quindi adatti al raggiungimento di elevate potenze massime, per contro, i passaggi di grandi dimensioni, rendono la fluidodinamica del tutto inadatta per gestire piccoli flussi di gas di scarico rendendo il turbocompressore quasi inutile se accoppiato a motori troppo piccoli.
2) Inerzia. Altro aspetto determinante al fine di ottenere una buona risposta del motore (prontezza) ai bassi giri, è legato alla inerzia delle giranti, ovvero alla lentezza con la quale il gruppo rotante formato da turbina, alberino e compressore prende velocità quando sollecitato dai gas di scarico. Questo aspetto è direttamente legato alle dimensioni stesse delle giranti; giranti più piccole avranno un minore momento di inerzia e prenderanno velocità più velocemente, giranti di grandi dimensioni avranno un momento di inerzia maggiore e prenderanno velocità più lentamente. Anche i supporti dell’albero del turbocompressore possono influire sulla inerzia dello stesso, normalmente vengono utilizzate boccole con accoppiamento bronzo-acciaio, boccole ceramiche oppure, in certi casi, cuscinetti volventi.
In pratica, quando si preme il pedale acceleratore di un motore turbocompresso ai bassi giri, il primo fattore che determina la pressione di sovralimentazione è il dimensionamento del turbocompressore stesso; a parità di cilindrata, un motore con turbocompressore piccolo avrà meno potenza massima ma più coppia ai bassi giri, un motore con turbocompressore grande avrà maggiore potenza massima con un regime di coppia massima più elevato. Oltre a questo, che rappresenta una situazione “statica” (ad esempio su banco prova frenato dove viene richiesta la massima prestazione dal regime di minimo fino al limitatore), vi sono fattori dinamici legati appunto alla inerzia.
Ogni volta che si accelera da un carico pari a zero (rilascio poi accelerazione) il turbocompressore ha bisogno di frazioni di secondo o interi secondi per andare a regime in termini di pressione. Un esempio; supponiamo che un motore turbo possa avere a 1500 giri/minuto una sovralimentazione massima di 0,5 bar (ad esempio perché ha coppia massima e quindi pressione massima a 2500 giri/minuto) e che si prema il pedale dell’acceleratore al massimo ai bassi giri e dopo una decelerazione (quindi con sovralimentazione pari a zero), il turbocompressore non potrà fornire immediatamente una pressione di sovralimentazione di 0,5 bar in quanto dovrà superare (anche) la propria inerzia meccanica. Se il turbocompressore è di piccole dimensioni, potrebbe raggiungere gli 0,5 bar in meno di 1 secondo, se la turbina è di grandi dimensioni (motore sportivo con alta potenza specifica) raggiungere il mezzo BAR di pressione potrebbe richiedere alcuni secondi, risultando il motore molto pigro.
Come migliorare la risposta del turbocompressore senza modifiche meccaniche
Esiste un terzo aspetto che incide sulla risposta del turbocompressore al netto della sua fluidodinamica e della sua inerzia; l’energia dei gas di scarico che investe la sua turbina. Questo aspetto è legato anche alla gestione elettronica della iniezione, in questo articolo faremo considerazioni generali, quindi adatte sia a motori Diesel che motori a benzina, ovviamente vi sono delle differenze importanti tra i due tipi di motore ma in linea generale possiamo dire che la gestione elettronica della iniezione, incide in modo importante sulla velocità con la quale il turbocompressore inizia a comprimere efficacemente l’aria.
L’utilizzo di una centralina aggiuntiva programmata adeguatamente, può incidere in modo positivo sulla risposta del motore turbo ai bassi e medio-bassi giri, per capirci, prendiamo come esempio un common rail Diesel turbo; al momento in cui si preme il pedale acceleratore, la centralina ECU che gestisce il motore rileverà una serie di parametri fisici, uno dei quali (fondamentale) è la pressione di sovralimentazione (che può varia da zero alla massima consentita su quel motore). In presenza di scarsa pressione di sovralimentazione (letta dal sensore MAP ma indirettamente anche dal misuratore massa aria) la centralina ECU inietterà una piccola dose di gasolio; tale quantità di gasolio andrà a generare una determinata quantità di gas di scarico che faranno accelerare la turbina.
L’accelerazione della turbina porta ad un aumento della pressione di sovralimentazione che a sua volta porta ad un aumento della mandata gasolio decisa dalla ECU in un circolo virtuoso che fa crescere sempre più la pressione di sovralimentazione, il tutto limitato dalla centralina stessa (ma anche dalla fluidodinamica dell’accoppiamento turbo-motore). La centralina aggiuntiva può modificare i parametri di iniezione per ottenere una iniezione più energica anche con pressioni di sovralimentazione relativamente basse innescando in anticipo il circolo virtuoso che innalza la pressione. Questo comporta che sarà necessario un minore tempo per portare in velocità il turbocompressore con maggiore prontezza del motore. Ovviamente, per avere anche maggiori livelli di potenza e coppia, la centralina aggiuntiva interverrà anche sui valori assoluti di pressione sovralimentazione e mandata iniezione, non si limiterà solamente ad anticipare l’entrata in funzione del turbo. Con differenze legati al funzionamento, lo stesso concetto vale anche per i motori turbo-benzina.
In sintesi, la centralina aggiuntiva può farti ottenere:
- risposta più veloce del turbocompressore
- maggiore coppia massima
- maggiore potenza massima
- minori consumi di gasolio/benzina derivante dalla possibilità di sfruttare maggiormente le marce alte grazie alla maggiore prontezza e coppia ai bassi regimi
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