Fonti:
http://www.gnttype.org/techarea/turbo/turboflow.html
Altre info:
http://www.turbocalculator.com/how-to-read.html
Qui c'è un programma apposito in Excel che vi evita di dover fare i calcoli da voi:
http://www.gnttype.org/techarea/turbo/turbocalcs.xls
Un po' di mappe:
http://www.turbocalculator.com/compressor-maps.html
Dato che fino a lunedì sono disoccupato, “non ho resistito alla tentazione” di condividere anche con i non-anglofoni l’articolo da me citato nella discussione “Evo Turbo Twin Scroll” che ritengo veramente esaustivo e completo. Lo scopo originario è di “turbizzare” un motore Buick da 231cui (se non sapete di cosa sto parlando, andate avanti a leggere…), ma ciò che viene detto può essere ovviamente trasportato su qualunque altra auto. Non spaventatevi dalla lunghezza dell’articolo, fila via liscio in un attimo. Abbiate però la pazienza di fermarvi a ragionare fin dal primo ostacolo che incontrate, altrimenti arrivati in fondo non avrete capito una mazza!!!
Tanto per cominciare vi fornisco le equivalenze tra misure imperiali e misure metriche e la spiegazione delle abbreviazioni usate nel testo:
Cui (cubic inch = pollice cubo) = 16,39cm3; 1cm3=0,061cui
Psi (pounds on square inch = libbre su pollice quadrato) = 0,068bar; 1bar=14,7psi
°F (degree Fahrenheit = grado Fahrenheit) = 32+1,8*x°C; °C=(°F-32)/1,8; ad esempio 0°C=32°F e 100°C=232°F.
R (degree Rankine = grado Rankine) = °F+460 = °C+273,15; è la scala assoluta (ovvero che ha origine alla temperatura dello zero assoluto) usata in alcuni paesi anglosassoni al posto della scala Kelvin. Ad esempio: O°C=273,15K=32°F=492R
Cu ft (cubic feet = piede cubo) = 28.317 cm3 = 28,317l
Cfm (cubic feet per minute = piedi cubi al minuto) = 28.317cm3/min = 28,317l/min
Lbs (pounds = libbre) = 0,454kg; 1kg=2,2lbs
Mph (miles per hour = miglia orarie) = 1,6093km/h; 1km/h=0,62mph
Psig = psi gauge (psi relativi misurati dal manometro)
Psia = psi absolute (psi assoluti, ottenuti sommando la pressione atmosferica, pari ad 1bar=14,7psi, alla sovrappressione fornita dalla turbina)
R (costante universale dei gas perfetti) = 8,315 J/(mol*K)
Tin = temperatura in ingresso
Tout = temperatura in uscita
Pin = pressione in ingresso
Pout = pressione in uscita
A mio avviso i fatti più interessanti che vengono fuori da questo articolo sono:
- La differenza tra portata massica e portata volumetrica di aria; la differenza insomma tra il volume di aria che fluisce in un motore (che è sempre costante!) e la quantità (massa) di aria che invece fluisce nel motore (che non è costante!). Ricordatevi sempre che l’aria è una miscela di gas, e quindi comprimibile, mentre un liquido qualunque (ad esempio l’acqua liquida) non è comprimibile!
- L’importanza dell’intercooler che, raffreddando l’aria (calda) in uscita dal compressore, fa sì che, a parità di sovrappressione, la quantità d’aria che fluisce nel motore sia superiore. Silvano ne sa qualcosa!
Spero di non aver commesso troppi errori ed imprecisioni nel tradurre/contestualizzare… Segnalateli in caso!!!
Buona lettura!
INTRODUZIONE
Lo scopo di questa breve (non proprio, ndr) trattazione è di mostrare al lettore come calcolare il volume della massa d’aria che attraversa il proprio motore e di come dimensionare il compressore del turbocompressore (la “parte fredda”, ndr) per muovere questa quantità di aria. Inoltre la trattazione dovrebbe chiarire alcuni dubbi riguardanti gli effetti della temperatura, della pressione e dell’interrefrigerazione (intercooler, ndr) sulle prestazioni del motore.
Equazione della portata volumetrica del motore
Questa equazione serve a trovare il volume di aria entrante nel motore. La cilindrata sulle nostre auto è 231cui (3786cm3, ndr). Il motore è a quattro tempi, la valvola di aspirazione di ogni cilindro (il motore in questione è ovviamente a 2 valvole per cilindro, ndr) si apre ogni due giri del motore. Pertanto, ad ogni due giri di motore, il motore aspira 231cui di aria. A quante libbre di aria corrispondono (si sta quindi cercando di determinare la massa di aria aspirata, il volume lo conosciamo già… ndr)? Questo dipende dalla pressione e dalla temperatura dell’aria nel collettore di aspirazione. Ma il volume è sempre pari a 231cui ogni 2 giri.
Volume di aria (cfm) = [(RPM del motore)*(cilindrata)]/(1728*2)
(“1728” è una costante correttiva che serve solo a rendere commensurabili fra di loro tutte queste stupide unità di misura, il “2” serve per tener conto del fatto che l’aria viene aspirata solamente ogni due giri di motore dato che siamo di fronte ad un motore 4 tempi, ndr)
Legge dei gas perfetti / portata massica di aria
La legge dei gas perfetti è un equazione molto comoda. Essa mette in relazione la pressione, la temperatura, il volume e la massa (cioè le libbre) di aria. Conoscendo tre di queste grandezze, se ne può calcolare la quarta. L’equazione è:
P*V = n*R*T
dove P è la pressione assoluta (NON la pressione misurata dal manometro), V è il volume, n è il numero di moli d’aria (è l’unità di massa in questo caso, ndr), R è una costante e T è la temperatura assoluta.
Cosa rappresentano la temperatura e la pressione assolute? Ce ne frega qualcosa? Certo!
La pressione assoluta è la pressione in un condotto (misurata tramite un manometro che segna 0 quando questa è atmosferica) sommata alla pressione atmosferica. La pressione atmosferica al livello del mare è approssimativamente 14,7psi.
Esempio: un manometro segna 0 prima di essere messo in esercizio. Installiamolo, affondiamo l’acceleratore, ed esso segna 19psi. 19psi è la pressione nel condotto, la pressione assoluta a livello del mare è invece 14,7+19=33,7.
La scala del manometro può essere psia o psig. La “a” sta per “assoluto”, “g” per “gauge” (quella misurata dal manometro, ndr). Come abbiamo appena visto, 19psig=33,7psia. Il vuoto perfetto è 0psia, ovvero -14,7psig.
La temperatura assoluta è la temperatura espressa in gradi Fahrenheit + 460. Questo ci dà i gradi Rankine, indicati con R. Se la temperatura esterna è di 80°F, la temperatura assoluta è di 80+460=540R.
La Legge dei gas perfetti può essere riscritta per calcolare una qualunque delle variabili. Ad esempio, conoscendo pressione, temperatura e volume d’aria, possiamo calcolare le libbre (massa, ndr) di aria:
n = (P*V)/(R*T)
Queste ci servono dal momento che conosciamo la pressione (o meglio, la sovrappressione), il volume (che abbiamo calcolato nel primo paragrafo) e possiamo fare una buona stima della temperatura. In questo modo possiamo calcolare quante libbre di aria il motore sta elaborando. E maggiore è la massa d’aria elaborata, maggiore è la potenza che si può ricavare.
Per calcolare la massa d’aria:
n[lbs/min] = {P[psia]*V[cfm]*29}/{10,73*T[R]}
Per calcolare il volume d’aria:
V[cfm] = {n[lbs/min]*10,73*T[R}]/{29*P[psia]}
(come prima, “29” è la costante di equivalenza per far quadrare i conti con le misure inglesi, 10,73 invece serve a convertire le moli di aria in libbre di aria, ndr)
RENDIMENTO VOLUMETRICO (EFFICIENZA)
Se il mondo fosse perfetto, riusciremmo a riempire completamente i cilindri di aria. Avendo una sovrappressione di 17psi nel collettore di aspirazione e aprendo la valvola a farfalla, otterremmo la stessa sovrappressione di 17psi anche nel cilindro. Sfortunatamente, questo non avviene di solito. Un parte dei gas di scarico resta nei cilindri e la restrizione causata dai condotti e dalle valvole fa sì che la quantità d’aria che effettivamente entra nei cilindri è solo una parte della quantità ideale. Il rapporto tra la parte di aria che realmente entra nei cilindri e la quantità d’aria che potrebbe fluirci idealmente è detto RENDIMENTO VOLUMETRICO (o grado di riempimento, ndr).
Per un Chevy small block, questo valore è quantificabile in 0,85 (85%). Valvole più grandi, alberi a camme, lavorazione della testa, sovralimentazione dinamica ecc. avvicinano questo valore ad 1 (100%). Tramite la sovralimentazione dinamica alcuni motori aspirati possono addirittura superare il 100% a certi regimi di rotazione.
Per tener conto di questo fatto, quando calcoliamo la quantità di aria che entra nel motore, bisogna moltiplicare la quantità d’aria ideale per il rendimento per ottenere il valore reale.
Quantità d’aria reale = (quantità d’aria ideale)*(rendimento volumetrico)
Esempio: calcoliamo le libbre di aria che fluiscono nei motori di due vetture differenti, una dell’’87 dotata di intercooler ed una dell’’85 senza intercooler. Assumiamo un rendimento volumetrico di 0,85 per entrambi i motori. Supponiamo di effettuare il calcolo a 5000RPM. Qual è il volume d’aria elaborato da entrambi?
Volume [cfm] = (5000*231)/(1728*2) = 334,2cfm (9464l/min, ndr)
Questo valore è valido per entrambi i motori, sia per quello dotato di intercooler sia per quello che ne è sprovvisto. A 5000RPM ciascuno elabora 334,2cfm di aria al minuto.
Prendiamo il modello dell’’85, quindi senza intercooler. La temperatura dell’aria nel collettore di aspirazione è circa 250°F (121°C, ndr). La sovrappressione fornita dal compressore è di 19psi (1,3bar). Che massa d’aria sta elaborando il motore?
Temperatura assoluta = 250°F+460 = 710R
Pressione assoluta = 19psig+14,7 = 33,7psia
n [lbs/min] = (33,7psia*334,2cfm*29)/(10,73*710R) = 42,9 libbre di aria al minuto (ideale)
quantità d’aria effettiva = (lbs/min ideali)*(rendimento volumetrico) = 42,9*0,85 = 36,4lbs/min (16,53kg di aria, ndr)
Passiamo ora al modello dell’’87 dotato di intercooler. In questo caso la temperatura dell’aria nel collettore di aspirazione è di soli 130°F (54°C, ndr). Questo motore è sovralimentato con 17psi (1,15bar).
Temperatura assoluta = 130°F+460 = 590R
Pressione assoluta = 17psig+14,7=31,7psia
n [lbs/min] = (31,7psia*334,2cfm*29)/(10,73*590R) = 48,5 libbre di aria al minuto (ideale)
quantità d’aria effettiva = (lbs/min ideali)*(rendimento volumetrico) = 48,5*0,85 = 41,3lbs/min (18,75kg di aria, ndr)
Come si può notare, il motore dell’87 elabora una MAGGIOR QUANTITA’ d’aria sebbene la sovrappressione sia inferiore. Questo grazie alla temperatura inferiore nei collettori di aspirazione. E più aria significa più potenza!
COMPRESSORE
Il compressore è la parte del turbocompressore che comprime l’aria e la pompa nel collettore di aspirazione. Le molecole di aria (l’aria è una miscela di ossigeno, azoto ed altro, non ha una propria formula chimica, aaaaaaaaaaaaaarrrrrrrggggghhhhhhh, ndr) vengono risucchiate dalle palette rotanti ad alta velocità del compressore e sospinte verso l’esterno dalla chiocciola. Quando questo accade, le molecole di aria (…, ndr) vengono si accumulano e vengono compresse fra loro. Questo ne aumenta la pressione.
Per far avvenire ciò, c’è bisogno di potenza. La potenza arriva dalla parte calda del turbocompressore, detta turbina. Non tutta la potenza che proviene dalla turbina serve a creare sovrappressione. Una parte della potenza “serve” a scaldare l’aria. Questo è colpa di noi umani che non siamo in grado di costruire una macchina perfetta. A causa della geometria del compressore, le molecole d’aria si scontrano fra loro, e questo genera calore. E’ la stessa cosa di quando sfreghiamo i palmi delle mani fra di loro. L’attrito tra esse genera calore, così come l’attrito tra il compressore e l’aria, e l’attrito tra le molecole di aria (…, ndr) genera a sua volta calore.
Dividendo la quantità di potenza che serve a creare sovrappressione per la quantità di potenza che viene trasmessa al compressore si ottiene il rendimento (efficienza) del compressore.
Ad esempio, se un compressore ha un rendimento del 70%, significa che il 70% della potenza trasmessa al compressore serve a creare sovrappressione. Il restante 30% di potenza scalda l’aria. E’ questo il motivo per cui bisogna preferire compressori a rendimento elevato; più potenza viene utilizzata per creare sovrappressione, meno ne viene sprecata per scaldare l’aria. I turbocompressori, i Paxton ed i Vortech sono tutti sistemi di sovralimentazione centrifughi. Essi devono il loro nome alla forza centrifuga che spinge le molecole di aria (…, ndr) dal centro della chiocciola verso la carcassa creando pressione. Il rendimento massimo di tutti questi sistemi è attorno al 70-80%. I compressori volumetrici tipo Roots, come il 6-71, lavorano secondo un principio diverso ed hanno rendimento di molto inferiore, attorno al 40%! A quest’ultimi, se si vuole ottenere molta sovrappressione, bisogna fornire molta più potenza e più di metà va sprecata per scaldare l’aria anziché creare pressione.
Se la temperatura si alza di molto incrementando la sovrappressione può succedere che ci si ritrovi addirittura con meno aria che entra nel motore, e ciò causa una perdita di potenza. Questo fa sì che i compressori Roots non siano adatti se la sovrappressione cercata è molto elevata. Compressori a vite, come il WhippleCharger per il 5.0, hanno un buon rendimento di compressione. Questo è il motivo perché nei dragster della categoria Top Fuel questi cominciano ad essere impiegati con buoni risultati.
QUANTO CALDA E’ QUINDI L’ARIA USCENTE DAL COMPRESSORE?
Ottima domanda. L’equazione da usare per calcolare la temperatura d’uscita è:
Tout = Tin+{Tin*[(Pout/Pin)0,263-1]/(rendimento)}
Esempio: la temperature d’ingresso è 70°F (21°C, ndr), la pressione in ingresso è -0,5psig (una leggera depressione), la pressione d’uscita è 19psig, ed il rendimento è pari al 72%. Qual è la temperatura d’uscita?
Tin = 70°F+460=530R
Pin = -0,5psig+14,7=14,2psia
Pout = 19psig+14,7=33,7psia
Pout/Pin = 33,7/14,2 = 2,373 (questo è il rapporto di compressione)
Tout = 530+[530*(2,3730,263-1)/0,72] = 717,8R-460 = 257,8°F = 125,4°C (ndr)
Pertanto la temperatura d’uscita teorica è di 257,8°F. Sarebbe ovviamente preferibile avere un intercooler che raffreddi l’aria prima che questa entri nel motore!
I compressori non sempre lavorano con la stessa pressione d’uscita. Questa infatti dipende dalla portata volumetrica che vi entra (non le libbre d’aria, ma i cfm di aria, il volume quindi) e dal regime di rotazione del motore. Le prestazioni di un compressore possono essere riassunte su un grafico tramite una serie di curve.
Mappa di un compressore presa dal catalogo Turbonetics.
Questa si riferisce al turbo modello Cheetah; diamogli un occhio. L’asse orizzontale delle ascisse riporta le lbs/min di aria che il compressore elabora ad una temperatura e ad una pressione prese come standard. Nella pratica industriale tuttavia sull’asse delle ascisse si è soliti riportare la portata volumetrica effettiva dal momento che la compressione è costante per una certa portata volumetrica e per un certo regime di rotazione del compressore, NON per una certa portata massica! Sfortunatamente la Turbonetics non ha rappresentato le curve in questa maniera, e pertanto per utilizzarle dobbiamo ricavare le libbre d’aria elaborate e correggere la nostra temperatura d’ingresso e la nostra pressione d’ingresso in maniera da farle coincidere con i valori adottati dalla Turbonetics.
La parte sinistra del grafico (asse verticale delle ordinate, ndr) mostra il rapporto tra la pressione d’uscita e la pressione d’ingresso.
Ci sono due tipi di curve nel grafico; le curve di RENDIMENTO e del REGIME DI ROTAZIONE. L’area individuata da queste curve è la nostra area di lavoro. Per ottenere risultati migliori bisogna lavorare all’interno di questa area. Il compressore funzionerà ugualmente al di fuori di questa area, ma non al meglio delle sue possibilità. L’area è delimitata a sinistra da una linea chiamata SURGE LIMIT (in italiano credo indichi il limite di incipiente cavitazione, il limite oltre il quale la girante, anziché comprimere l’aria, la “frulla” e basta, ndr) oltre la quale il flusso d’aria attraverso il compressore è instabile e può fluttuare avanti ed indietro in maniera non prevedibile. Non bisogna mai scegliere un turbocompressore che andrà a lavorare in questa zona! Ciò potrebbe portare ad un danneggiamento rapido degli organi.
Il catalogo Turbonetics dice di adottare un turbocompressore che lavori in condizioni vicine al rendimento massimo quando il regime di rotazione del motore è in corrispondenza della coppia massima.
Ecco come leggere il grafico
Calcolatevi le libbre di aria che il vostro motore elabora. Nel nostro esempio precedente del motore dell’’87, esso elaborava una portata di 41,7lbs/min, con condizioni d’ingresso di -0,5psig e 70°F. Ora correggiamo questa portata con i valori di pressione e temperatura standard (questa formula è quella che trovate sul grafico, ndr).
Portata massica corretta = [(portata massica attuale)*(Tin/545)0,5]/(Pin/13,949)
N.B.: stiamo utilizzando il valore di 13,949 dal momento che operiamo in psia anziché il pollici di mercurio, che invece vengono utilizzati dalla Turbonetics.
13,949psia = 28,4 pollici di mercurio = 721mmHg (ndr) = 0,95bar (ndr)
29,92 pollici di mercurio è la pressione atmosferica al livello del mare, pertanto abbiamo 29,92-28,4=1,52 pollici di mercurio di depressione (-0,05bar, ndr). Questa è la pressione di riferimento utilizzata da Turbonetics.
La loro temperatura standard è 545R, pari a 545-460=85°F.
Adesso correggiamo la portata massica originaria ottenuta assumendo 70°F e -0,5psig assumendo invece 85°F e -0,75psig (o 13,949psia, o 0,75psi di depressione, o 1,5 pollici di mercurio, o comunque uno voglia vedere le cose).
Anche in questo caso, la temperatura e la pressione devono essere assolute.
Tin = 70+460 = 530R
Pin = -0,5+14,7 = 14,2psia
Portata massica corretta = [41,3*(530/545)0,5]/(14,2/13,949) = 40 lbs/min = 18,16kg/min (ndr)
Ora segnamo questo valore sull’asse delle ordinate e tracciamo una linea retta verso l’alto a partire da questo punto.
Un metodo alternativo e più semplice per ricavare la massa d’aria ad un regime di rotazione del motore inferiore al regime di rotazione massimo è di usare un sistema di rilevamento. Un tale strumento, come ad esempio il TurboLink™, legge il segnale del debimetro. TurboLink™ fornisce il valore in grammi al secondo. Per convertire questo valore in libbre al minuto (aaaarrrrgggghhhhh, ndr) basta moltiplicare per 0,1323. Ad esempio se il TurboLink™ dà il valore di 18g/sec ad una velocità di 45mph (72km/h, ndr), 18*0,1323=2,4lbs/min di aria.
Correggete questo valore con le condizioni standard come appena fatto e posizionatevi sul diagramma. Sfortunatamente la scala del debimetro si ferma a 255g/sec. Se la portata d’aria supera questo valore, il debimetro non lo visualizzerà. Questo è il motivo per cui è necessario passare attraverso i calcoli fatti in precedenza.
Il prossimo passo è di ricavare il rapporto di compressione utilizzando le pressioni assolute. Nel nostro esempio precedente avevamo una sovrappressione di 17psi nel collettore di aspirazione. Supponiamo che la perdita di pressione (causata dalle perdite di carico dovute alla geometria ed al materiale dei condotti, ndr) sia quantificabile in 3psi; pertanto la pressione all’uscita della turbina è pari a 3+17=20psig. La pressione atmosferica è 0psig, ma dal momento che il compressore sta aspirando aria verso sé stesso, la pressione in ingresso è inferiore a tale valore (questo è dovuto al principio di Bernoulli; dato che l’aria aspirata è in movimento, la pressione all’ingresso della turbina sarà inferiore a quella atmosferica, ndr).
Assumiamo un valore pari a -0,5psig all’aspirazione. Il rapporto di compressione fornito dal compressore è pertanto:
Pout/Pin = (20+14,7)/(-0,5+14,7) = 2,44
Ora prendiamo il valore 2,44 e posizioniamoci sull’asse verticale delle ordinate e tracciamo una linea orizzontale a partire da quel punto. Il punto d’incontro della linea verticale e della linea orizzontale ci dà le condizioni di lavoro del nostro turbocompressore.
Diamo ora uno sguardo alle curve di rendimento, che hanno la caratteristica forma a goccia. Il nostro punto si trova un pelino dentro la curva del 72%, pertanto quando il motore gira a 5000RPM, il compressore fornisce 17psi di sovrappressione, la temperatura esterna è di 70°F e la temperatura nel collettore di aspirazione è di 130°F, il rendimento del compressore è poco più del 72%.
Le altre curve del diagramma sono le curve del regime di rotazione. Il nostro punto si trova al di sopra della linea dei 105.500RPM, pertanto il turbocompressore dovrà girare a circa 108.000RPM per elevare la pressione da -0,5psig a 20psig. La turbina deve quindi fornire potenza sufficiente per girare q questo regime.
Variando uno qualunque di questi valori si varia anche il punto di funzionamento del compressore. Più giri del motore corrispondono ad una maggiore portata d’aria, pertanto il punto di funzionamento si sposterà verso destra. Una temperatura di aspirazione più bassa corrisponde ad una portata massica maggiore, perciò il punto si sposterà verso destra. Alzando la sovrappressione si ottiene ragionevolmente un aumento della quantità d’aria che fluisce nei cilindri, ma allo stesso tempo si alza anche il rapporto di compressione ed il nostro punto si sposterà in diagonale verso l’alto e verso destra.
E così via.
CONCLUSIONI
Come facciamo ora a tirare le somme? Supponiamo di essere al supermercato e di voler scegliere un turbocompressore (ahahah, ndr). Quale prendere?
- Prendiamo in considerazione 4 diversi scenari realistici: highway cruising (autostrada a velocità costante, ndr), accelerazione lenta (ad esempio in 2a/3a a 2700RPM), acceleratore a tavoletta a 3500-4000RPM e acceleratore a tavoletta a 5500-6000RPM.
- Per seconda cosa calcoliamo la portata volumetrica in ciascuno di questi quattro casi. Dopodichè bisogna stimare la temperatura d’uscita dall’intercooler (o dalla turbina se il motore non è interrefrigerato), la pressione d’uscita, il rendimento volumetrico, la pressione nel collettore d’aspirazione ecc. e calcolare la portata massica d’aria in ciascuna situazione. Si potrebbe anche voler stimare la differenza tra le condizioni estive e quelle invernali, 90°F contro 40°F ad esempio. La diversità di condizioni influenzerà la temperatura nel collettore d’aspirazione e quindi la portata massica d’aria. N.B.: a velocità costante o al minimo, sebbene la sovrappressione nel collettore d’aspirazione è quasi nulla, la pressione in uscita dalla turbina non lo è. E pertanto l’aria viene in parte compressa, magari solo di 0,5psig. Questo lo si può verificare posizionando un manometro in diversi punti a valle del corpo farfallato. Oltre alla portata massica di aria, conviene calcolare anche il rapporto di compressione Pout/Pin per ogni singolo caso.
- Il terzo passo, e questo è il più impegnativo, consiste nel reperire i diagrammi dei turbocompressori che ci interessano. La Turbonetics fornisce a catalogo le mappe dei loro Cheetah, il 60-1 ed il 62-1. Altri costruttori potrebbero non fornire i diagrammi per i loro turbocompressori. Risolto questo problema, bisogna a questo punto trovare i punti di utilizzo e riportarli sul diagramma.
- L’ultimo passo consiste nel valutare le prestazioni fornite da ciascun compressore. Se per caso i punti da noi trovati si trovano a sinistra del surge limit allora il compressore scelto non sarà quello adatto. Se invece il punto corrispondente a 5500 giri è spostato talmente a destra da uscire dal diagramma, allora il compressore scelto non è in grado di gestire una portata sufficiente. L’obiettivo è di trovare il compressore che permetta di includere nel proprio diagramma tutti i punti di utilizzo, possibilmente nelle aree di rendimento più elevate.
Se la scelta si riduce a due turbocompressori, conviene prendere quello con il rendimento più elevato a parità di utilizzo.
Buona fortuna!
SPIEGAZIONE PARZIALE DEI CONCETTI MENO IMMEDIATI
Come accennato, eccovi una spiegazione sommaria di alcuni concetti espressi nell'articolo. La spiegazione è volutamente semplice, quindi su alcune parti i più smaliziati di voi avranno sicuramente da ridire (a ragione). Spero in questo modo di semplificare la lettura a chi non ha una certa dimestichezza con formule e concetti di fisica.
Partiamo dal concetto base di portata: essa indica quanta aria fluisce attraverso una certa sezione di un condotto in un secondo. La portata può essere di due tipi: massica e volumetrica.
La portata massica indica quanti kg (la massa appunto) di aria fluiscono in un secondo; quella volumetrica, al contrario, indica quanti m3 (o dm3, cioè litri, o cm3, il volume insomma) fluiscono in un secondo. Perché dobbiamo differenziare questi due tipi di portate? Semplice, perché l’aria è un gas; o meglio, una miscela di altri gas, quali azoto (circa 78%), ossigeno (circa 20%) ed altri (anidride carbonica, vapore acqueo, argon, ecc.). I gas, a differenza dei solidi e dei liquidi, hanno una caratteristica: sono comprimibili (provate voi a comprimere dell’acqua liquida e ditemi poi i risultati…). L’aria, essendo una miscela di gas, è comprimibile in quanto le molecole, che compongono l’azoto e l’ossigeno, sono libere di muoversi nello spazio e non sono vincolate fra di loro. Queste molecole tenderanno ad allontanarsi fra di loro, e tenderanno a farlo tanto più energicamente quanto più caldo è il gas (credo che sia un concetto abbastanza intuitivo dato che, più una molecola assorbe calore, più si “agita”).
Questo vi fa già capire che un gas ad alta temperatura è più rarefatto (a parità di volume ci sono meno molecole) rispetto ad uno identico, ma ad una temperatura più bassa. Non solo: un gas, oltre che ad essere caratterizzato per la sua temperatura, è caratterizzato anche dalla sua pressione. Se un gas qualunque è libero di muoversi nell’atmosfera, la sua pressione sarà pari a quella atmosferica (1bar). Ma se questo gas viene racchiuso in un recipiente, la sua pressione assumerà un valore diverso, proprio perché le sue molecole agitate non possono espandersi oltre i limiti del recipiente.
E qui vi introduco l’equazione dei gas perfetti. Si chiama “dei gas perfetti” perché in realtà può solo approssimare, seppure con una certa precisione, il comportamento di un gas reale (ossigeno, idrogeno, azoto, elio, ecc.):
P * V = n * R * T
P è la pressione del nostro gas, V è il volume del recipiente (supposto costante, che quindi è un valore fisso), n è la massa di gas (i kg appunto, anche se trattandosi di gas bisognerebbe ragionare in moli… ma questo non ha importanza qui), R è un valore costante (che cambia da gas a gas, e da miscela a miscela) ed infine T è la temperatura del gas.
Essendo la formula appena scritta un’equazione, il prodotto scritto a sinistra deve essere uguale al prodotto scritto a destra. Ora, siccome V lo abbiamo supposto costante (è la cilindrata del vostro motore, 2 litri nel caso della Evo) ed R è costante di suo, possiamo variare a piacimento P, n e T. Se ad esempio incrementiamo il boost, ovvero facciamo crescere P, dovranno crescere per forza anche n e T. Ma se oltre ad incrementare il boost riduciamo anche T (con un intercooler), n deve aumentare in maniera ancora superiore!
Da qui si capisce benissimo come mai la pressione turbina non sia tutto, e come mai l’intercooler sia così importante. Sui primi motori turbo infatti, sprovvisti di intercooler, non si poteva giocare con il valore di T, bisognava accontentarsi della temperatura (elevata) con cui l’aria esce dal compressore.
Qualcuno potrebbe obiettare: ma com’è possibile che aumentando P e diminuendo T si generi della massa? La risposta è semplice: il motore non è una scatola chiusa, ma un sistema che scambia massa (aria) con l’esterno. Ed è per questo motivo che all’inizio della trattazione ho parlato di portata. Detto ciò, possiamo affermare che: la portata volumetrica di un motore, a parità di numero di giri, è costante (la cilindrata è sempre quella); la portata massica invece varia in base ai valori di P e di T (in base alla pressione del turbo e dell’intercooler quindi).
Anche intuitivamente si può capire che, se in un recipiente chiuso la pressione è più alta, significa che vi sono contenute più molecole. Allo stesso modo, se aumentiamo la temperatura del gas nel recipiente, le sue molecole si agiteranno di più creando “pressione”. Si capisce quindi l’importanza che le pressione e la temperatura giocano se si vuole aumentare la potenza di un motore sovralimentato con intercooler.
Un’ultima considerazione sull’equazione dei gas perfetti: essa è una legge di valore assoluto, e come tale richiede nel calcolo l’utilizzo di unità di misura assolute: Kelvin per la temperatura (Rankine in alcuni paesi anglosassoni), Pascal per la pressione, m3 per il volume e moli per n. Per chi non lo sapesse, la scala Kelvin altro non è che la scala Celsius (°C) che, al posto di partire da 0°C (temperatura di fusione/solidificazione dell’acqua), parte da -273,15°C (temperatura dello zero assoluto, la minima raggiungibile). Ad esempio, 30°C=303,15K.
Un breve accenno al rendimento volumetrico del motore (o grado di riempimento del cilindro o efficienza o come volete).
Premessa: in un motore a 4 tempi (aspirazione, compressione, espansione, scarico) ogni cilindro ha una fase utile (espansione o, più impropriamente, “scoppio”) in cui si crea energia. Allo stesso modo ogni fase di aspirazione avviene solamente ogni 2 giri (il primo giro è compiuto dall’aspirazione e dalla compressione, il secondo dall’espansione e dallo scarico). Questo è il motivo per cui l’aria, in un 4 tempi, viene aspirata solamente ogni 2 giri.
In precedenza ho detto appunto che il motore della Evo, essendo un 2 litri di cilindrata, aspira 2 litri di aria ogni 2 giri. Questo non è proprio vero: ne aspira un pochino in meno, diciamo il 90% per essere ottimistici (quindi circa 1,8 litri). Questo è un fatto fisiologico: essendo il percorso che l’aria deve compiere per giungere nella camera di scoppio molto tortuoso (valvole, testa, candele, ecc.) ed essendoci sempre una non trascurabile presenza di gas residui dalla fase precedente nella camera di scoppio, si creano delle turbolenze: queste turbolenze fanno sì che il volume dei cilindri non possa essere riempito per intero, al 90% appunto.
Intendiamoci: la turbolenza è pessima quando si parla di grado di riempimento del cilindro, è ottima quando si parla di efficacia della combustione. Non tutto il male vien per nuocere...
Il tuning classico infatti prevede: lavorazione della testa, installazione di valvole più grandi, alberi a camme (in maniera da aumentare l’alzata delle valvole e di prolungarne il tempo di apertura) ecc. Questi sono tutti metodi per cercare di far entrare più volume di aria nel cilindro. La sovralimentazione invece (turbine, compressori ecc.) cerca di far entrare più massa di aria nel cilindro. Unendo le due cose ovviamente si ottiene un miglioramento ancora superiore!
L’ultima parte dell’articolo che vi ho tradotto in precedenza si intitola: “Quanto è calda quindi l’aria uscente dal compressore?”. In realtà tutto ciò che è stato scritto in questo paragrafo serve solamente a risolvere il “problema” che sorge quando ci si trova di fronte al diagramma di un turbocompressore che sull’asse delle ascisse, al posto della portata volumetrica, ha rappresentato la portata massica.
Come ormai dovreste aver capito, lavorare con la portata massica dell’aria non è la cosa più agevole, in quanto essa dipende dalla pressione e dalla temperatura dell’aria (il volume invece è sempre pari alla cilindrata, seppur corretta tenendo conto del grado di riempimento!).
Ora, il grafico su cui vengono effettuati i calcoli è relativo ad un particolare turbocompressore Turbonetics. Questo turbocompressore ha quel diagramma solamente quando la pressione esterna è -0,05bar (-0,75psig) e la temperatura esterna è 29,44°C (85°F). Che assurdità!!! Per ogni variazione delle condizioni di pressione e temperatura, o si cambia il grafico, oppure bisogna “contestualizzare” i propri valori (tramite le formule utilizzate nel paragrafo) in maniera da trovare la posizione a cui corrisponde la propria condizione di funzionamento.
Se invece di utilizzare la portata massica si fosse utilizzata la portata volumetrica non ci sarebbero stati problemi: bastava trovare le proprie condizioni di funzionamento e segnare un puntino sul grafico…
A proposito, la portata volumetrica (al minuto) è uguale a:
(cilindrata * grado di riempimento * regime di rotazione)/2
Ricordo che il 2 a denominatore è dovuto al fatto che il motore aspira aria solamente ogni due giri dell’albero motore.
Se c'è qualche dubbio, chiedetemi! Se c'è qualche errore, ditemelo!
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