Similitudini tra il compressore e il turbocompressore

In passato, sono state sperimentate innumerevoli versioni di motori a combustione interna sovralimentati, alcune delle quali le abbiamo già presentate. In passato, la possibilità della sovralimentazione meccanica doveva essere considerata per tutti i motori ad alte prestazioni, mentre, oggi la sua rilevanza nel mercato è marginale. La produzione di compressori per autovetture è praticamente cessata in Europa, e gli Stati Uniti sono probabilmente l’unico mercato che conta davvero.

La spinta centrifuga, dettagliata nell’articolo qui sotto, era ampiamente utilizzata un tempo, quindi abbiamo pensato che valesse la pena menzionare le sue versioni precedenti.

Descrizione generale

Lo scopo di ogni compressore è, in definitiva, lo stesso: fornire più aria alla camera di combustione dei cilindri di quanta ne possa aspirare con il vuoto creato.

A tal fine, tutti i compressori, in un certo senso, comprimono l’aria davanti alla piastra della valvola di aspirazione a una pressione superiore a quella atmosferica, in modo che quando la valvola viene aperta, più gas entra nel cilindro per unità di tempo.

Sono state implementate molte idee diverse per la compressione dell’aria e la carica centrifuga è diventata una delle soluzioni più popolari.

Il nome parla da sé, perché in questo compressore viene utilizzata la forza centrifuga per aumentare la pressione dell’aria. Il dispositivo è di solito fissato alla parte anteriore del motore, ma necessariamente in una posizione in cui la ruota del compressore può essere azionata dall’albero motore. Di solito si tratta di una cinghia o a ingranaggi.

E’ da notare che sia i modelli a ingranaggi che quelli a cinghia tipicamente includono un qualche tipo di meccanismo. Nel primo caso, viene utilizzato il classico rapporto di trasmissione, mentre nel secondo la dimensione delle pulegge viene regolata in modo che il rapporto sia appropriato. Tuttavia, questo non rappresenta ancora il cuore è dell’ingranaggio del compressore: lo esploreremo a breve.

Costruzione e funzionamento

All’osservatore occasionale, la sovralimentazione centrifuga può sembrare molto simile a un turbocompressore. Sebbene i dispositivi possano apparire simili, in realtà funzionano in modo abbastanza diverso. La differenza più significativa è che il turbocompressore utilizza l’energia dei gas di scarico per creare la necessaria pressione di sovralimentazione, mentre il booster centrifugo è azionato dal motore a combustione interna.

Da questa differenza fondamentale derivano alcuni vantaggi e svantaggi del compressore. Poiché non è a contatto con i gas di scarico caldi, il carico termico è molto inferiore, il che consente di realizzare l’intero gruppo in alluminio, un materiale leggero che offre un’eccellente protezione dalla corrosione.

La sovralimentazione centrifuga è composta da quattro parti principali: l’alloggiamento del compressore, il diffusore, la girante e il cambio.

Pompa dell’olio di aerazione Pompa dell’olio di aerazione

La girante è il cuore del dispositivo: la sua rotazione è infatti responsabile della generazione di pressione nel sistema. Sono noti molti profili diversi, con i parametri della pompa e della turbina di Eulero preferiti per prestazioni ottimali.

Il sistema di trasmissione non è altro che un ingranaggio planetario che può essere frenato in vari modi.

Un ingranaggio planetario è una combinazione complessa di un ingranaggio e di un anello, in cui l’azionamento dell’ingranaggio può essere fornito frenando uno dei suoi componenti (ingranaggio solare, corona dentata o ingranaggio planetario). Il grado di ingranaggio varia a seconda di quale componente viene frenato.

Per mezzo di un ingranaggio planetario sufficientemente complesso o multiplo, possiamo quindi stabilire molti stadi diversi, tra i quali possiamo passare praticamente liberamente, senza particolari ritardi.

Questo è anche il motivo per cui la spinta centrifuga può raggiungere regimi molto elevati in modo quasi impercettibile, in alcune versioni può superare i 100.000 giri/min.

D’altra parte, il requisito di prestazioni elevate richiede che il sistema funzioni a questa velocità per lunghi periodi di tempo, quindi le specifiche di lavorazione dei pezzi sono rigide e le tolleranze molto strette. Le parti principali del sistema sono ingranaggi, guarnizioni, cuscinetti e alberi.

La carica centrifuga utilizza l’energia cinetica generata dal motore. Il motore a combustione interna aziona un cambio che fa ruotare il rotore attraverso un qualche tipo di meccanismo di azionamento.

Come risultato della rotazione della girante, l’aria entra nell’alloggiamento del compressore e la forza centrifuga risultante dalla rotazione la dirige verso il diffusore.

È molto importante: sebbene rallenti il ​​​​flusso d’aria, ne aumenta anche la pressione. Così, all’estremità del diffusore, che è praticamente l’inizio del sistema di aspirazione, una grande quantità di aria ad alta pressione è in attesa di essere immessa nel vano del cilindro. Grazie al collegamento con il motore, il tempo di risposta è estremamente breve e le dimensioni compatte del dispositivo rafforzano ulteriormente questa caratteristica.

Vantaggi

È stato detto molte volte perché non vale la pena utilizzare compressori anziché turbocompressori, ma ora mostreremo anche i vantaggi di questa opzione.

Il design non è necessariamente superiore nelle prestazioni ad altri compressori meccanici – ad esempio, il soffiatore Roots ha molta più coppia ai bassi regimi – ma è comunque considerato il migliore della sua categoria in termini di efficienza termodinamica. Grazie alla generazione di calore notevolmente inferiore, può essere utilizzato efficacemente anche senza intercooler.

E’ importante menzionare anche la sua efficienza adiabatica. Questo tipo è in grado di restituire la maggior parte dell’energia consumata al motore.

Inoltre, il posizionamento flessibile del compressore contribuisce a una gestione efficiente dell’energia: può essere collocato più lontano dal motore, rendendolo ancora più efficiente dal punto di vista termodinamico.

Applicazioni in pratica

Grazie alle dimensioni compatte, alla facilità di installazione e alla stabilità, nonché all’eccezionale rapporto prestazioni/costo, questo dispositivo beneficia non solo l’industria automobilistica. Questo è diventato particolarmente importante poiché le tecnologie di lavorazione hanno raggiunto un livello in cui i singoli componenti possono essere fabbricati in modo molto preciso.

Oltre alle autovetture, la ricarica centrifuga si trova anche in motociclette, barche a motore e veicoli da diporto (UTV, o Utility Terrain Vehicle).

D’altra parte, non solo i mezzi di trasporto hanno adottato questa tecnologia, ma è anche entrata in un mercato precedentemente dominato dai soffiatori Roots. Ciò ha creato la possibilità di utilizzare un compressore centrifugo con il quale il soffiatore potrebbe funzionare.