la sovralimentazione nell'attuale scenario di sviluppo dei motori a combustione interna

8/10/2019 La sovralimentazione nell'attuale scenario di sviluppo dei motori a combustione interna

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Universita degli Studi di Roma Tor Vergata

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Meccanica

Motori a Combustione Interna

La sovralimentazione nellattuale scenario di

sviluppo dei motori a combustione interna

Alfredo Patrizimatr. 194329 - Ing. Meccanica

email: [email protected]

7 maggio 2014

Abstract

Controllo delle emissioni, valori di CO2, comfort e guidabilita, prestazioni

elevate, alta affidabilita, efficacia ed efficienza dei costi: sono queste le linee

guida principali che definiscono il contesto attuale e futuro dello sviluppo dei

motori a combustione interna e dei gruppi powertrain nel loro complesso.

Lapproccio sempre piu universalmente diffuso per il miglioramento dei consu-

mi nel settore dellepassenger cars e quello tendente alla riduzione della cilindrata

a parita di prestazioni, nellottica di un incremento della potenza specifica del

motore: e la filosofia del downsizing. Una sfida che nellultimo decennio ha rivo-

luzionato il settore automotive, portando con se una serie di miglioramenti delle

unita tradizionali nei termini sia dellarchitettura complessiva sia dei componenti

nel loro specifico; la tecnologia chiave, in tal senso, e sicuramente lo sviluppo

di sistemi di sovralimentazione avanzati. Se in passato un motore ad accensio-

ne comandata turbosovralimentato veniva visto come una versione a piu elevate

prestazioni di una famiglia di motori preesistenti, lo sviluppo del downsizing dei

motori SI secondo un fuel efficent engine concept ha incluso definitivamenteil gruppo di turbosovralimentazione tra i componenti fondamentali dellunita di

propulsione. Per i motori Diesel, laccoppiata con il turbocompressore si e imposta

con naturalezza gia da tempo, in virtu dei vantaggi nel processo di combustio-

ne; la tendenza verso potenze specifiche piu elevate e le recenti restrizioni sulle

emissioni hanno incentivato lesigenza di turbogruppi avanzati.

Il presente paper si propone di fornire una breve esposizione delle principali

sfide tecnologiche in gioco nellambito dellaccoppiamento della turbosovralimen-

tazione al processo di downsizing dellunita di powertrain.


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Alfredo Patrizi Motori a Combustione Interna a.a. 2013-14

1 Il contesto: le normative e la riduzione delle

emissioni

Il requisito chiave per i futuri sviluppi nel settore dei trasporti pubbli-ci e privati e la massima riduzione possibile dellimpiego di fonti di energianon rinnovabili, al fine di ridurre il costo crescente dellenergia, insieme allariduzione delle emissioni di gas serra (greenhous gases o GHG). Le recentinormative internazionali prevedono in particolare restrizioni sempre piu se-vere riguardo alle emissioni di CO2: in Europa, la COD 2012/0190 prescriveriduzioni del 33 % entro il 2020 (fino a 95 g/km), mentre lo standard CAFE

negli USA prevede riduzioni del 27 % entro il 2016 insieme a un miglioramentodei consumi del 40 %.

Figura 1: Riduzioni relative di CO2per le diverse tecnologie e stima dei costi degli

investimenti corrispondenti.

Gia da diretto riscontro con le strategie dei principali produttori mondialiemerge come, almeno nel medio termine, non vi sara ununica tecnologia chia-ve atta a rispondere alle suddette esigenze. Vige un grande dibattito riguardoalleventualita che siano le tecnologie emergenti quelle che si affermeranno nel

campo della propulsione e dellalimentazione, su tutte lelettrico, librido e icombustibili alternativi (idrogeno, etanolo e metanolo, celle a combustibile,biofuel); nondimeno, al fine di valutarne correttamente il risparmio energe-tico effettivo, occorre necessariamente tener conto del costo dellintero ciclodi vita delle nuove tecnologie, oltre alle esigenze del mercato. A tal riguar-do, gli esperti industriali concordano sul fatto che il motore a combustioneinterna (di seguito, ICE) rimarra il sistema di propulsione prevalente per iprossimi 10 anni, con i veicoli totalmente elettrici destinati a occupare menodel 10 % del mercato. In combinazione con molteplici approcci atti ancora

1. Il contesto: le normative e la riduzione delle emissioni 1


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alla riduzione dei consumi, lo sviluppo degli ICE sembra pertanto costituirela soluzione piu rapida e meno costosa.

Elemento centrale negli sviluppi nel campo degli ICE e sicuramente ilturbocompressore. Si stima che attorno al 2020 una percentuale prossima al70 % di tutti i nuovi veicoli leggeri trarra benefici dai vantaggi della tur-bosovralimentazione (fino all85 % in Europa, stanti le recenti e stringentinormative comunitarie).

2 Turbosovralimentazione e downsizing

Pur se termodinamicamente svantaggioso in termini di rendimento ideale,se confrontato a parita di potenza - come appare del resto piu corretto -con le corrispondenti soluzioni aspirate, in termini di consumi il motore acombustione turbosovralimentato puo risultare fino al 20 % piu efficiente nelcaso di motori a ciclo Otto e al 40 % per i turbodiesel.

Figura 2: La turbosovralimentazione: schema e principio di funzionamento.

Tra i vantaggi piu consistenti della turbosovralimentazione vi e il signifi-

cativo aumento della potenza specifica del motore. Una caratteristica che hareso i turbocompressori dei veri apripista allo sviluppo dellengine downsizing,forse la tendenza recente piu importante nel settore automotive.

Per downsizing si intende nello specifico la riduzione della cilindrata dellI-CE, ma il concetto si presta ad esser esteso alla tendenza alla riduzione delledimensioni dellintera unita nel complesso. Lidea e quella di realizzare motoripiu piccoli e compatti con il risultato di spostare il range di funzionamento delmotore verso la regione a piu elevato rendimento, migliorando al contempola caratteristica dellunita a bassi regimi e carichi parziali ma mantenendo le

2. Turbosovralimentazione e downsizing 2


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Figura 3: La filosofia del downsizing e la sua diffusione in ambito internazionale.

prestazioni a pieno carico in termini di potenza massima e consumo specificodi combustibile, grazie alluso della turbosovralimentazione.

La mera riduzione della cilindrata, di per se, puo risultare in genera-le anche nociva: ad esempio, per i motori SI una sovralimentazione troppoaccentuata puo indurre le condizioni di detonazione; nei motori Diesel lin-

cremento della potenza specifica determina maggiori emissioni di ossidi diazoto a parita di produzione di particolato. In generale, divengono necessariulteriori accorgimenti e innovazioni, atte ancora alla riduzione di consumi edemissioni, al mantenimento delle prestazioni dellunita ed allincremento dellecaratteristiche di affidabilita e resistenza in risposta alle piu elevate solleci-tazioni termomeccaniche; tra le altre, turbine a geometria variabile, sistemidi regolazione della fasatura, iniezione diretta del combustibile in camera dicombustione per gli SI, ecc. Ne consegue un incremento consistente del livel-lo di complicazione tecnologica del motore e del turbogruppo, in parallelo alcorrispondente aumento dei costi.

Di seguito, si propone una breve esposizione di alcune tra le principalisfide tecniche che si incontrano nellambito del processo di downsizing, conanalisi di alcune soluzioni tecniche attualmente disponibili. In particolare:

- controllo e miglioramento della combustione nei motori SI: sistemi afasatura variabile

- miglioramento della risposta nel transitorio:TwoStage Serial sequentialsystem

- resistenza e affidabilita dellunita: soluzioni tecniche e ricerca e sviluppodi nuovi materiali ad elevate caratteristiche termomeccaniche

2. Turbosovralimentazione e downsizing 3


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2.1 Controllo del processo di combustione

Ladozione di sistemi di iniezione diretta in camera di combustione anchenei motori SI permette una gestione molto elastica dellalimentazione delcombustibile ed ha consentito lottimizzazione del processo.

Lelevata pressione di mandata allaspirazione ottenuta con i sistemi diturbosovralimentazione (insieme alle conseguenti elevate temperature dellamiscela), tuttavia, determina la maggiore pericolosita del fenomeno dell de-tonazione in seno al fluido. A bassi regimi del motore ed elevate pressioni dimandata allaspirazione, la miscela puo raggiungere le condizioni di autoac-censione prima dello scoccare della scintilla, durante la corsa di compressione

del pistone. Leffetto della precombustione e estremamente dannoso: la pro-pagazione della fiamma avviene in maniera improvvisa e incontrollata e sihanno fluttuazioni di pressione consistenti nella camera di combustione; siha pertanto possibilita di rottura del velo di lubrificante, di deformazioneconsistente degli organi meccanici e di generazione di un colpo dariete sullatestata (battito in testa).

Figura 4: Pressione nella camera di combustione in seguito alla detonazione.

Linnesco dellautoaccensione si verifica tipicamente in corrispondenzadelle asperita geometriche dei componenti che si trovano ad elevate tempe-rature (candele, valvole di scarico, estremita del pistone). Ai fini del conteni-mento del fenomeno della detonazione, pertanto, risultano di primaria impor-

2.1 Controllo del processo di combustione 4


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tanza il disegno e lottimizzazione della forma della camera di combustionee dei singoli componenti.

Lo stesso accade per goccioline o depositi di olio eventualmente presentisulle pareti della camera di combustione a seguito dei moti di ventilazio-ne dellalbero motore. Per questo motivo, nei motori downsized si cerca diminimizzare il consumo di olio.

La cinetica della reazione e infine accelerata dalla presenza di elementicatalizzatori nei gas residui rimasti intrappolati nello spazio morto, in seguitoa un lavaggio incompleto o al riflusso degli stessi in camera di combustionedurante lincrocio tra apertura della valvola di aspirazione e chiusura dellavalvola di scarico.

Nei motori turbosovralimentati, essendo come visto quello dellautoaccen-sione un problema drammaticamente sentito, diviene pertanto molto fortelesigenza di un sistema di distribuzione a variazione continua delle valvoledaspirazione, in grado di calibrare lapertura delle stesse in funzione del-landamento delle onde di pressione generate dallapertura delle valvole discarico al variare delle condizioni di funzionamento. In particolare, il sistema

Figura 5: Il sistema VVT.

ToyotaVVT-i e costituito da un variatore che agisce idraulicamente sullal-bero a camme che aziona le valvole daspirazione, modificando linclinazionedello stesso (fino a un massimo di 60) rispetto allalbero motore. Tenendoconto del carico e delle condizioni di funzionamento, la centralina ECU (En-

2.1 Controllo del processo di combustione 5


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gine Control Unit) varia la pressione dellolio nellunita di comando VVT-i,posta allestremo dellalbero a camme. Tale pressione agisce su unelica chemodifica linclinazione dellalbero rispetto alla catena della distribuzione. Amotore spento, un perno a comando idraulico mantiene lalbero a cammenella posizione di anticipo al fine di facilitare un nuovo avviamento.

2.2 La risposta nel transitorio

Nel motore sovralimentato, il turbogruppo presenta in generale un ritar-do nella risposta (turbolag) alla richiesta di incremento di potenza da caricoridotto e basso regime a pieno carico e massima velocita. Nel transitorio,

infatti, parte dellenergia resa disponibile dalla turbina e spesa per vincerele inerzie del turbogruppo e accelerare i componenti rotanti; inoltre, duran-te laccelerazione, occorre del tempo per riempire i condotti di aspirazionee scarico e aumentarne la pressione, la quale pertanto risulta inizialmen-te piu bassa rispetto alle condizioni stazionarie. A risentire di tale lentezzanon e solo la performance del motore in termini di ripresa e guidabilita delveicolo, ma gia la stessa combustione: in generale, risulta complesso control-lare i sistemi di regolazione del combustibile in funzione del transitorio nellaquantita di massa aspirata, a scapito della qualita dei gas di scarico immessinellatmosfera.

Il downsizing costituisce un vantaggio in tal senso: oltre alla riduzionedelle masse e delle inerzie degli organi rotanti, risulta minore anche lattritodegli organi in moto, soprattutto dello stesso gruppo cilindri, sia in virtu dellepiu piccole dimensioni, sia per leventuale riduzione del numero dei cilindri.

Le soluzioni piu comuni nellambito della turbosovralimentazione atte al-leliminazione del turbolag, oltre al tentativo di avvicinamento della turbinaallo scarico (nei limiti consentiti per il corretto funzionamento della turbinarispetto alle elevate instazionarieta corrispondenti) prevedono laccoppiamen-to di piu turbogruppi. Nelle soluzioni in parallelo (ad eccezione del caso difunzionamento simultaneo tipico per i turbo-gemelli delle due bancate di unmotore a V) si ha un funzionamento sequenziale, con un insieme di valvoleche esclude la turbina di maggiori dimensioni ai bassi giri. Nelle soluzioniin serie, un piccolo turbogruppo di alta pressione lavora accoppiato al tur-bogruppo della bassa pressione, di dimensioni maggiori; le valvole di bypassregolano il flusso alle due unita in funzione del numero di giri: a bassi regimi,fino a 1500rpm(secondo la soluzione Honeywell), sono in funzione entrambii gruppi; a regimi piu elevati, la valvola progressivamente indirizza un flussosempre maggiore al gruppo di bassa pressione, fino ad escludere completa-mente il gruppo piu piccolo a 2800 rpm, al fine di ottimizzare il consumospecifico e le prestazioni ad alti giri.

2.2 La risposta nel transitorio 6


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Figura 6: Sistemi di sovralimentazione: diverse soluzioni al problema del turbolag.

Sono possibili anche soluzioni con turbogruppo accoppiato a un compres-sore volumetrico trascinato meccanicamente dal motore (escluso agli alti emedi regimi per ridurre i consumi di combustibile) o con adduzione di ener-

gia addizionale esterna nei transitori, tipicamente grazie a un motore elettri-co collegato allalbero del turbocompressore, in grado non solo di ridurre itransitori ma anche di elevare la coppia del motore a bassi giri.

Il sistema a due turbogruppi in serie consente grossa flessibilita dellinteroapparato di turbosovralimentazione. Nei motori downsized si riesce ad otte-nere unottima risposta nel transitorio, sfruttando appieno i vantaggi dellasovralimentazione in termini di coppia e potenza.

2.2.1 Honeywells TwoStage Serial sequential system

Honeywell Turbo Technologies ha proposto nel 2012 linteressante solu-

zione concept DualBoost, nella quale e previsto luso di un compressore congirante double-sided, combinato ad una turbina assiale. Secondo quanto di-chiarato dalla casa produttrice, il gruppo possiede unefficienza comparabilea quella dei competitors convenzionali in condizioni stazionarie e addiritturasuperiore nel transitorio, raggiungendo una riduzione del 25-35 % del timeto torque.

Il vantaggio e consentito dalla caratteristica delle turbine assiali, rispettoalle radiali, di possedere migliori rendimenti a piu bassi valori del rapportotra la velocita periferica della girante e la velocita assoluta di ingresso del

2.2 La risposta nel transitorio 7


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2.3 Resistenza termomeccanica

La velocita massima di rotazione dei turbo di produzione corrente e moltosuperiore a quella raggiunta da un turbo del 1985. I limiti alla velocit a deiturbocompressori sono determinati da vari fattori, su tutti la resistenza mec-canica delle giranti, la capacita di resistere alle alte temperature ed alla faticaed il progetto dello schema del sistema di cuscinetti preposto a sopportare ilmoto.

Fra queste, le condizioni piu gravose sono quelle indotte dagli stress ter-mici, che costituiscono attualmente il limite piu stringente nelle condizionidi massima potenza, al netto delle emissioni. La quantita di calore libera-

to dal combustibile cresce proporzionalmente al grado di sovralimentazione,mentre la superficie attraverso cui avviene lo scambo di calore tra fluido erefrigerante resta inalterata: la riduzione delle perdite di natura termica sipaga con flussi a unita di area piu alti e pertanto a gradienti di temperaturapiu elevati. Il problema e particolarmente sentito al diminuire della distanzatra imbocco in turbina e uscita dallo scarico.

Le soluzioni tecnologiche, da questo punto di vista, sono gia ora molte-plici e di varia natura. Il motore Ford 1.0 EcoBoost (3 cilindri, Turbo), adesempio, dispone di una serie di interessanti strategie atte a ridurre gli stresstermomeccanici: ai fini del miglioramento del rendimento organico, non e sta-to previsto limpiego di un contralbero di equilibratura, bens le vibrazionivengono contenute con opportuno sbilanciamento dellalbero motore rispettoai regimi di rotazioni ordinarie; il design compatto ha inoltre consentito peril blocco luso della ghisa grigia: le ridotte dimensioni minimizzano infatti losvantaggio di peso rispetto allalluminio e forniscono indubbi vantaggi, co-me ad esempio un piu rapido warm-up (agevolato anche dallintegrazione dicollettori di scarico raffreddati ad acqua, secondo uno schema gia adottatodallAudi per il motore 1.8 4 cilindri Turbo) ed un minore flusso dolio neicuscinetti principali. Il design open deck del blocco stesso consente di ridurrela distorsione del foro e diminuire la possibilita di battito intesta, mentre ladisposizione di linee di raffreddamento incorporate tra i ponti delle canne

cilindri consente di ridurre ulteriormente la temperatura in aree critiche.Lo sviluppo di turbo piu piccoli ha contribuito allevoluzione costante

del disegno delle giranti e della ricerca di nuovi materiali dalle piu elevatecaratteristiche termomeccaniche. In tal senso, la ricerca procede di pari passodirettamente con il settore aerospaziale. Siamo pronti a scommettere che ifuturi microturbo probabilmente infrangeranno la barriera del mezzo milionedi giri al minuto e la suggestiva stima dellingegner Trevor Cass di HoneywellTurbo Technologies.

2.3 Resistenza termomeccanica 9


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3 ConclusioniIn aggiunta alle considerazioni di carattere tecnico, sulla scelta delle di-

mensioni ottimali delle unita powertrain grava significativamente linfluenzadegli aspetti economici. Oltre al costo della ricerca e sviluppo in riferimento alsingolo componente e/o sottosistema, la diffusione massiva di motori con do-wnsizing estremo dovra necessariamente passare dallinvestimento di ingenticapitali nella rivoluzione del mercato e dellindustria del settore, trattandosidi una vera e propria famiglia quasi completamente nuova di prodotti.

Lapproccio vincente, in tal senso, puo sicuramente essere rappresentatoda quello seguito da Ford nello sviluppo del 3 cilindri EcoBoost, riducendo

fin dalla fase costruttiva i costi energetici di produzione: grazie ai 31 test afreddo per verificare la qualita del prodotto assemblato vengono risparmiati115500 litri di benzina e prodotte 265 tonnellate di CO2 in meno; lener-gia elettrica dellimpianto di produzione di Colonia proviene esclusivamenteda fonti rinnovabili e gode dun altissimo livello di flessibilit a, conseguito afronte di un investimento di 134 milioni di dollari. Limpianto dispone di 97macchinari di cui 55 completamente automatizzati ed il nuovo motore escedalla linea di produzione (lunga 580m) in appena 3 ore e mezza; un ulterioreinvestimento di 1.7 milioni di dollari copre la formazione bisettimanale degli870 operai. La produzione complessiva, a pieno regime, e pari a 350000 unita

allanno.Laspetto economico-commerciale interviene ulteriormente nella defini-

zione della domanda. In generale, ad esempio, minor tempo di risposta altransitorio del sistema di sovralimentazione si traduce direttamente in unapiu rapida risposta del motore ai transitori di coppia e, nel complesso, nel-la migliore prestazione dinamica del veicolo. E il concetto del fun to drive,requisito mandatorio nel settore automotive: pertanto, ogni miglioramentodel sistema di sovralimentazione in tal senso puo esser sfruttato per incen-tivare il livello di downsizing, oltre a determinare parallelamente ulterioririduzioni di consumi ed emissioni in aderenza alle esigenze delle normative

contemporanee.Cionondimeno, pur se probabilmente con tempi meno brevi di quelli au-spicabili, appare evidente la vantaggiosita economica dellapproccio tendentealla riduzione della cilindrata, nel medio termine, rispetto alle soluzioni cheprevedano luso di fonti di energia alternative di cui allinizio della presen-te, grazie alle intriganti frontiere ancora aperte nellambito della ricerca esviluppo dei sistemi di turbosovralimentazione.

3. Conclusioni 10


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