Per allinearsi alle sempre più severe leggi sulle emissioni, gli OEM di tutto il mondo stanno adottando motori ad accensione comandata downsized. Sebbene questi motori più piccoli consumino meno carburante e producano nettamente meno emissioni, necessitano di induzione forzata per poter fornire le prestazioni che gli automobilisti si aspettano dai moderni veicoli passeggeri.
La guidabilità di questi motori turbo downsized deve quanto meno equiparare le prestazioni dei loro equivalenti aspirati, naturalmente. Ciò richiede piena pressione di sovralimentazione a basse velocità del motore senza perdere in rendimento ad alte velocità, cosa che può essere raggiunta solo con un sistema di controllo della pressione di sovralimentazione sofisticato.
Il problema principale con questi motori ad accensione comandata per induzione forzata è il controllo preciso del rapporto aria-carburante vicino ai valori stechiometrici alle diverse pressioni di sovralimentazione. A basse velocità, questi motori sono soggetti a cedere a carichi medio-alti.
Sistemi moderni di controllo della pressione
Controllare il bypass lato turbina è la forma più semplice di controllo della pressione di sovralimentazione.
Una volta raggiunta una determinata pressione di sovralimentazione, parte del flusso del gas di scarico viene reindirizzato intorno alla turbina tramite un bypass. Una membrana a molla di solito aziona la valvola wastegate che apre o chiude il bypass in risposta alla pressione di sovralimentazione.
Recentemente, per regolare la pressione di sovralimentazione, i produttori sono ricorsi alla geometria variabile della turbina. La geometria variabile permette alla sezione trasversale del flusso della turbina di essere regolabile in modo da combaciare con i parametri di funzionamento del motore.
A bassi regimi, la sezione trasversale del flusso si riduce chiudendo le palette di guida. La pressione di sovralimentazione e, di conseguenza, la coppia del motore aumentano per via del maggior dislivello di pressione tra l’ingresso e l’uscita della turbina. Durante l’accelerazione da basse velocità le palette si aprono e si adattano alle corrispondenti esigenze del motore.
Regolando la sezione trasversale del flusso della turbina per ciascun punto di funzionamento, l’energia del gas di scarico può essere ottimizzata e, di conseguenza, l’efficienza del turbocompressore nonché l’efficienza del motore stesso è maggiore di quella ottenuta tramite il controllo di bypass.
Oggigiorno, i sistemi elettronici di regolazione della pressione di sovralimentazione sono usati sempre di più nei moderni motori a benzina ad accensione comandata. Se confrontato con il controllo puramente pneumatico che può fungere solamente da limitatore di pressione a pieno carico, un controllo della pressione di sovralimentazione flessibile permette una regolazione ottimale della pressione di sovralimentazione a carico parziale.
Il funzionamento della paletta, o alette, dipende da una pressione di controllo modulata invece che da una pressione di sovralimentazione piena, grazie all’utilizzo di vari parametri quali la temperatura della carica, l’iniezione anticipata e la qualità del carburante.
La simulazione riduce i tempi di produzione e i costi di sviluppo
Di fronte a una pletora di variabili complesse, i produttori sono ricorsi alla simulazione durante la fase di design e di test.
Un ostacolo importante da superare con i motori turbocompressi downsized è il range ristretto entro cui il compressore centrifugo funziona in modo stabile a pressioni di sovralimentazione elevate.
L’unico modo per costruire un modello di simulazione efficace è condurre numerosi test nel mondo reale. Questi test sono per lo più effettuati su motori dinamometrici in camere climatiche.
Durante il test a pieno carico e a carico parziale vengono registrate le seguenti informazioni:
- pressione del collettore di aspirazione
- pressione di sovralimentazione
- pressione barometrica
Naturalmente tutto ciò viene integrato con le temperature del motore (refrigerante e olio) per ottenere un quadro delle prestazioni del motore rispetto alla gamma di velocità completa del motore.
Durante questi test è importante che gli ingegneri notino qualsiasi anomalia nelle prestazioni, come eventi quali impulsi di scarico a determinate velocità del motore i quali possono innescare onde stazionarie che possono eccitare la girante ad una frequenza critica e che, a loro volta, possono ridurre la vita della turbina o addirittura portare ad un guasto disastroso.
Pertanto, la misurazione delle mappe di prestazioni della pressione sia del compressore che della turbina è essenziale per la creazione di un modello di estrapolazione accurato per l’implementazione durante le simulazioni. Uno strumento di simulazione ben sviluppato può far risparmiare tempo e soldi agli OEM in termini di dinamometri e test su strada, ma può essere sviluppato solo dopo aver completato le mappe di pressione.