“Si definisce sovralimentazione l’operazione mediante la quale si precomprime l’intera (od una parte della) carica fresca al di fuori del cilindro di lavoro, con lo scopo di aumentare la massa di aria o miscela che un motore riesce ad aspirare per ogni ciclo” (G. Ferrari, Motori a combustione interna). 

Composizione Turbocompressore

Il turbocompressore e' in sostanza una pompa accoppiata ad una turbina.
La pompa chiamata compressore (C.) che ha il compito di pompare il fluido che nel nostro caso e' l’aria, e' costituita da una girante e da una chiocciola di raccolta del fluido.
La girante del C prende il moto da un alberino a sua volta azionato dalla turbina (T)

La turbina  (T.) e' di forma analoga al C .
L’alberino assialmente collegato al C e alla T fa si che questi due girino ai medesimi g/m.
L’alberino inoltre ruota su dei cuscinetti volventi o a sfere all’interno del carter :un corpo cilindrico che ne permette la lubrificazione ed il raffreddamento.
Il compito della T. e' quello di trasformare l’energia termocinetica dei gas di scarico in energia meccanica ,quello del cmpressore e' quello di trasformare l’energia meccanica per ottenere aria compressa.
Le dimensione del C. e del T. come pure le loro proporzioni nonché i profili delle giranti ne determinano il campo operativio. Queste macchine operatrici sono di tipo asso-radiali.
Ossia accoppiano una sezione con un funzionamento assiale ad uno
radiale .
o modo di parlarne 

Funzionamento

In pratica, mediante un compressore, l’aria viene immessa nei cilindri ad una pressione superiore a quella atmosferica; ciò permette che una maggiore quantità di combustibile, proporzionale all’ aumento di densità dell’aria precompressa, possa venir bruciata all’interno del cilindro. Come risultato si ottiene un incremento della potenza specifica ed un miglioramento del  rapporto peso/potenza di un dato motore. 

Si noti come a parità di cilindrata unitaria, due siano le strade perseguibili per l’innalzamento della potenza: la prima è innalzare il numero di giri, strada seguita dai motori aspirati, con la  conseguente ricerca di un alleggerimento delle masse in moto per ridurre l’inerzia; la seconda è incrementare la pressione media effettiva ed è proprio quella seguita dai motori sovralimentati.

Compressore Volumetrico

Il compressore volumetrico è costituito da due lobi che comprimono l’aria all’aspirazione; esso viene azionato direttamente dal motore tramite una trasmissione a cinghia o a catena. Il vantaggio principale di tale soluzione è che, essendo il compressore centrifugo, azionato dal motore, la sovralimentazione è attiva già a basso numero di giri: per questo motivo tale soluzione ha conosciuto una certa diffusione nei rally. Lo svantaggio principale di tale soluzione è l’assorbimento di potenza ai danni del motore.

Considerazioni

Un'altra cosa da curare è lo scarico della turbina .
Dalla turbina in poi è’ bene che il flusso dei gas non sia ostacolato: :il turbo funziona a salti di pressione (fra la
mandata e lo scarico)la presenza di una contropressione limiterà la possibilità di sfruttare appieno l’energia dei gas.
In questi ultimi anni tutte le motorizzazioni sia diesel sia a benzina usano un catalizzatore onde abbattere gli inquinanti inoltre le
più restrittive norme contro l’inquinamento acustico hanno imposto l’uso di marmitte più restrittive tutto ciò comporta una
perdita di rendimento delle turbine.
Può in una certa misura compensare queste perdite l’uso di un diffusore allo scarico della turbina ,questo infatti causerà una
aumento della velocità dei gas (non della massa) ed una diminuzione della temperatura e quindi della pressione aumentando
al contempo il salto di pressione.
E’ pure utile (apprezzabile soprattutto ai bassi regimi) la realizzazione di sistemi che limitino il reflusso dei gas di scarico dal collettore di scarico ai cilindri :la presenza della turbina infatti crea una contropressione allo scarico (delle onde di pressione) che crea appunto il riflusso.
Questo è evitabile (o almeno limitabile) realizzando dei voluti salti fra la testata (lato scarico) ed il collettore asportando da quest' ultimo una quota di corona circolare e raccordandola dolcemente al proprio diametro nominale.
Questo è applicabile un po’ ovunque : fra il collettore di scarico e la turbina e all’uscita della turbina compatibilmente con l’eventuale presenza del diffusore) e sul lato aspirazione.
La realizzazione degli anti-riflusso lato aspirazione è’ utile soprattutto in caso di forte anticipo nell’apertura della valvola di aspirazione.
Questi accorgimenti migliorano la trattabilità del propulsore donandogli una maggiore corposità e consistenza sin dai minimi regimi di rotazione, con una più dolce entrata in coppia del
motore, anche se questo può provocare una diminuzione della massima potenza erogabile stimabile in circa il 2%.
Occorre prestare attenzione alla carburazione del motore dopo l’effettuazione di questi lavori infatti la fluidodinamica del motore viene stravolta, e sopratutto nei motori ad iniezione è probabile che si debba correggere la fase di iniezione per evitare che la miscela carburata non fuoriesca dal cilindro attraverso le valvole di scarico creando pericolosissimi smagrimenti.
Non so se i propulsori ad iniezione catalizzati (dotati di sistema autoadattivo) siano in grado di compensare e correggere i parametri di anticipo .
Pure l’anticipo di accensione necessita di essere corretto infatti i tempi mappati nella centralina sono frutto delle condizioni operative del motore.
Ma se la centralina è in grado di autoadattarsi alle nuove caratteristiche operative del motore tempo qualche decina di chilometri effettuati nelle più svariate condizioni operative del motore ( va escluso comunque il range di potenza massima che puo' richiedere degli aggiustamenti di carburazione ed accensione) esclusa la massima potenza con l’acceleratore tutto aperto) ,il risultato sarà una erogazione che farà esclamare .
Anche la valvola a farfalla del motore potrebbe richiedere degli aggiustamenti o addirittura la sostituzione con una più grande che permetta causa minore perdite di carico un maggior afflusso d’aria al motore.
E’ altresi’ importante il suo perfetto allineamento all’asse del condotto e la totale assenza di oscillazioni.
E’ pero’ inutile intervenire in questo punto se i condotti di aspirazione sono sottodimensionati, ma è di fondamentale importanza quando si sono lavorati questi ultimi e se sono state maggiorate le valvole ,insomma in tutti i casi in cui si è migliorata la fluidodinamica degli stessi.
Nel migliore dei casi una riprofilatura al top della valvola a farfalla può dare incrementi di potenza anche del +5/10%.
Per riprofilatura al top si intende  rendere aereodinamica la farfalla  assottigliandola ,riducendo il balestrino (ma senza indebolirlo), ed eliminando le viti.
La riprofilatura della farfalla non richiede la rivisitazione dei parametri della centralina  ;al contrario la sua sostituzione con una dal diametro maggiore permetterà a pari percentuale di apertura (intesa come angolo) un maggiore afflusso d’aria e poiché la centralina gestisce l’arricchimento in fase di progressione tramite un potenziometro che ne misura l’apertura si ritroverà a gestire parametri a lei sconosciuti, occorrerà quindi una riprogrammazione dei parametri.

L' Intercooler

L’aria compressa in uscita dalla girante del compressore ha una temperatura di più di 80°: per questo motivo l’aria compressa, prima di essere immessa nel motore, viene raffreddata per mezzo di uno scambiatore di calore aria/aria, altrimenti detto intercooler. I vantaggi della post refrigerazione, in termini di potenza, sono  quantificabili empiricamente: una diminuzione di 10 °C crea un aumento della massa volumica dell’aria pari al 3% a cui corrisponde un incremento di potenza pari al 3,5%.

L'innalzamento della temperatura dell'aria è determinato dall'introduzione di attriti da parte del compressore.
Questa quota di attriti (lavoro speso in più) comportano una trasformazione isobara (a pressione costante), che va a sommarsi al lavoro "adiabatico".
La presenza dell'intercooler nell' impianto di sovralimentazione comporta anche questa volta una trasformazione isobara

r2/r1=T1/T2                 dove   r2 e' la densità dell'aria dopo la trasformazione
                                                   r1 è la densità dell'aria prima della trasformazione   (1.29 alla temperatura di 0°C ad 1Atm)
                                                   T2 è la temperatura dell'aria dopo la trasformazione (temperatura in °K)
                                                   T1 è la temperatura dell'aria prima della trasformazione (temperatura in °K)

quindi

r2=T1/T2*r1

esempio:
se la temperatura in uscita dal compressore e' di 150°C e l'intercooler e' capace di portarla a 50°C e si ipotizza una densità dell'aria in uscita dal compressore di r150°=2.5 si ha:

r50°=(150+273)/(50+273)*2.5=3.27

la densità dell'aria è aumentata considerevolmente e con essa la potenza:

r50°/r°150=1.308

densità +30.8%
potenza +30.8%
rispetto allo stesso motore privato dell'intercooler.

Purtroppo non è facile calcolare la densità dell'aria all'uscita del compressore a meno che non si conoscano i rendimenti dello stesso.
Infatti calcolarla con le relazioni adiabatiche o limite portano a degli errori grossolani (non si tiene conto degli attriti e quindi del lavoro speso in più).
La soluzione è quella di misurare le temperature (con apposite sonde) di ingresso ed in uscita dal compressore.
La differenza di temperatura fra la mandata e quella calcolata dalla adiabarica assieme al volume trattato rende calcolabile il rendimento del compressore.
Va da se che l' intercooler deve essere delle massime dimensioni possibili e correttamente ventilato.
La misura della temperatura aria a valle dello stesso da delle corrette indicazioni in merito al suo dimensionamento e dimensionamento e posizionamento.

Detonazione e Preaccensione

I fenomeni più pericolosi per un propulsore sono la detonazione e la preaccensione nelle quali si può  incorrere innalzando la pressione di sovralimentazione.
Questi due eventi causati da una PME e da una temperatura in camera di scoppio eccessivi possono portare alla distruzione del motore in pochi secondi.
Premesso questo ogni sistema atto a scongiurarla e' benvenuto.
Le tecniche possibili sono tante: si va dalla decompressione del motore all'uso di benzine speciali,passando anche per una drastica riduzione degli anticipi di accensione.
Tutti i sistemi enunciati hanno dei pro e dei contro.
La decompressione del motore comporta un discreto esborso economico,come pure l'uso di benzine speciali che possono arrivare anche a 20.000 lire al litro.
La diminuzione dell'anticipo dal canto suo determina una diminuzione del rendimento termodinamico,con conseguente diminuzione della potenza peggioramento dell'erogazione ai bassi regimi e peggioramento dei consumi.
Un altro sistema e' quello di diminuire la temperature in camera di scoppio e diminuire la richiesta ottanica del motore tramite l'iniezione d'acqua nel motore che comporta un estrazione di calore notevole e che verrà trattata più avanti.
 Il  problema potrebbe essere limitato usando candele dalla gradazione termica più fredda ;dico potrebbe perché potrebbe essere causata anche da punti caldi nella testata ad esempio bave di fusione che diventando incandescenti provocano l’accensione della miscela prima dello scoccare della scintilla , ma potrebbe pure essere causata da una eccessiva velocità di compressione del pistone causata da bielle troppo corte.

L' Iniezione d'Acqua

La soluzione peraltro impiegata con grande successo nella F1 nell'era dei 1500turbo e tuttora (senza poterne fare a meno) nel campo di rallye gruppo A e WRC sta nell'iniezione d'acqua all'interno del motore.
il principio su cui si basa sta nell'estrazione di calore che l'acqua comporta in camera di scoppio durante la sua evaporazione,e nella diminuzione della richiesta ottanica del motore che ha in presenza di umidità nell'aria.

Il principio e’ semplice: la nebulizzazione dell’acqua nei condotti di aspirazione del motore; quest’acqua  nebulizzata entrando nella camera di scoppio evaporerà assorbendo una certa quota di calore (proporzionale alla sua quantità) che allontanerà i problemi sopra esposti.
Un altro bonus dovuto a questa applicazione è l'effetto "pulivapor" che l'acqua determina in camera di scoppio con la costante azione pulente su pistoni,valvole e testata che questa esercita.
Per la sua realizzazione base e’ necessario munirsi di una pompa per l’acqua capace di pressioni superiori di almeno 2bar a quella di sovralimentazione ,di tubi in teflon ,di un ugello da applicare sul condotto di alimentazione aria del motore ,di un filtro per l’acqua , di un pressostato tarabile e di una tanica per l’acqua.
Le dimensioni dell’ugello vanno provate di volta in volta ma può essere indicativo un diametro di 0.3-0.7 mm.
Questo sistema base permette l’erogazione dell’acqua al superamento del limite impostato sul pressostato, ma la portata sarà costante (o un po’ decrescente al crescere della sovralimentazione).
Il passo successivo e’ quello di rendere  l’erogazione dell’acqua proporzionale alla pressione di sovralimentazione e meglio ancora anche al numero di giri del motore magari collegando il tutto all’eventuale debimetro.
Può essere parecchio utile dotare il serbatoio dell’acqua di un galleggiante per segnalare la riserva, di una serie di diodi LED
che segnalino l’entrata in funzione dell’impianto.
L’aggiunta all’acqua di una percentuale variabile da0% ad un massimo del 50% di alcool metilico o etilico aumenterà la potenza
del motore allontanando al contempo possibili detonazioni.
Quanto questo impianto consenta di aumentare la potenza del motore non e’ facilmente stimabile, ma per dare un esempio una tipica vettura come la Renault R5 GT TURBO in condizioni normali presenta detonazione con pressioni della turbina intorno a 1.2 bar , con l’adozione della iniezione d’acqua e’ possibile spingersi nei casi migliori anche a 1.8-2.0 bar , e considerando che a queste pressioni la turbina originale (GARRETT T2) e’ parecchio fuori dal suo campo ottimale di funzionamento quindi con temperature di mandata aria elevatissime e’ facile supporre che adottando un turbocompressore maggiorato ed un adeguato intercooler si potrebbero adottare pressioni ancora più elevate.
Uso il condizionale poiché con quelle pressioni sicuramente la guarnizione di testa non resisterebbe per molti minuti!

N.B.

Nonostante su certa editoria specializzata venga proposto il montaggio dell’iniettore a monte del compressore quale sistema pratico ed economico , voglio mettere in guardia coloro che si facciano tentare.
Personalmente ho adottato questo sistema attirato dalla sua estrema semplicità (si evitano le pompe a pressione e si utilizzano quelle dei lavavetri), ma il suo uso ha decretato la distruzione della girante del compressore, infatti seppur correttamente nebulizzata l’acqua incontrando le palette della girante che ricordo possono raggiungere anche i 200.000 g/min con velocità periferiche elevatissime si comporta come un corpo solido erodendo alla lunga il prezioso componente.
 

Blow By

Durante il funzionamento del motore causa trafilamenti dei gas combusti in camera di scoppio attraverso le fasce elastiche si può avere nel basamento un aumento (specie in presenza di forti sovralimentazione e di motore consumato) un innalzamento della pressione che causa un accentuato passaggio di olio attraverso fasce  e guidavalvole in camera di scoppio aumentando la possibilità che si verifichi la detonazione.
Inoltre causa l’elevata pressione che può raggiungere diversi bar possono sorgere problemi di lubrificazione anche per la turbina, infatti lo scarico dell’olio di questa avviene generalmente per caduta in coppa ,ma se vi e’ una elevata pressione questa può creare problemi al suo normale fluire.
E’ importante quindi  migliorare lo sfiato del basamento o realizzarlo ex-novo.
In genere la differenza fra un impianto mediocre ed uno ben realizzato è quantificabile in 2-4CV.
In genere è sufficiente allungare il tubo di sfiato originale e portarlo ad un serbatoio di raccolta di circa 1 Lt  usando tubi del maggior diametro possibile ,Il serbatoio e’ bene che si trovi il più in alto possibile compatibilmente con lo spazio disponibile .
Il serbatoio non deve essere ermetico bensì deve a sua volta scaricare i vapori tramite un altro tubo (medesimi diametro) o
verso l’aspirazione del motore o in aria aperta (gli ecologisti inorridiranno).

Consigli e conclusioni

Nel preparare un motore turboalimentato e’ importante considerare la sua destinazione d’uso ,bisogna distinguere infatti l’uso in competizione da quello di un appassionato che comunque usa l’auto per spostarsi; in quest’ultimo caso infatti e’ inutile avere un motore con un botto di cavalli ma inguidabile nel traffico cittadino, e ancor peggio un motore che e’ poco affidabile.
Per migliorare quest’ultima oltre a non esagerare con la pressione di alimentazione cosa che per altro richiederebbe l’adeguamento di guarnizione testa, prigionieri testa impianto di raffreddamento e di lubrificazione adeguati, e’ utile munire la propria vettura di una serie di strumenti di monitoraggio del motore cosa che farebbe rassomigliare l’abitacolo alla cabina di guida di un aereo a reazione.
Benvengano quindi :un termometro per il controllo dei gas di scarico che non dovrebbero mai superare gli 850°C,monitorare la temperatura dell’olio motore (quando l’auto non ne sia già provvista),temperatura aria sovralimentazione, lettura della sonda lambda per il controllo della carburazione (la tensione dovrebbe aggirarsi intorno gli 0.8-0.9 V alla massima potenza).
Per quanto possa sembrare strano pure i cavi candela hanno la propria importanza infatti causa dispersioni possono verificarsi delle mancate accensioni  e con certe pressioni la quantità di benzina e’ tale da lavare i cilindri e provocarne il grippaggi ,senza contare poi le esplosioni che si verificherebbero a livello di collettori o catalizzatre.
Quindi sempre al massimo della loro efficienza meglio se di quelli siliconici.
Nonostante si sia già affrontato il discorso sulle candele ritengo opportuno ripetere l’importanza della corretta scelta del loro grado termico.
Inoltre esistono varie configurazioni di elettrodi proposti dalle varie case produttrici anche qui’ si possono ottenere dei miglioramenti effettuando opportune scelte.
Ancora sulle candele e sugli impianti di accensione si puo' dire che in caso di livelli di sovralimentazioni particolarmente elevati possono sorgere problemi di accensione (misfire).
La specialità dei dragster affronta giornalmente queste problematiche che vengono aggirate con impianti di accensione capaci di sviluppare tensioni doppie e triple rispetto a quelli della grande serie e con l'uso di candele speciali che fanno uso di metalli nobili come il platino , l'iridio e palladio.

In conclusione si può affermare che la sovralimentazione è diventata ormai parte integrante dei motori a ciclo Diesel, ma che probabilmente si assisterà ad un suo utilizzo massiccio anche nei motori a ciclo Otto, ai fini di migliorarne il rendimento e ridurne le emissioni inquinanti.