Riassunto analitico
La pratica del downsizing, che consiste nel ridurre la cilindrata del motore senza però diminuire le sue prestazioni in termini di coppia e potenza, interessa ormai tutte le tipologie di vetture, incluse quelle ipersportive. La motivazione che spinge i costruttori in questa direzione è la limitazione delle emissioni di Anidride Carbonica, ottenibile proprio attraverso un miglioramento dell’efficienza del sistema propulsivo, nelle condizioni operative di basso o medio carico. Le tecnologie che consentono il downsizing sono svariate, ma quella oggi più diffusa è la sovralimentazione con turbocompressore. Sfortunatamente, essa comporta alcuni problemi come la necessità di adottare opportune precauzioni per scongiurare il pericolo della detonazione, e la lentezza alla risposta alle brusche variazioni di carico del motore, il cosidetto “turbo-lag”.
Quest’ultimo aspetto è stato l’oggetto del presente lavoro di tesi. In particolare, è stato studiato un sistema di sovralimentazione a due stadi, caratterizzato dalla presenza di due piccoli turbogruppi costituenti lo stadio di alta pressione, e di un unico turbogruppo di maggiori dimensioni per lo stadio di bassa.
Lo studio è stato condotto per via numerica, mediante il software commerciale di simulazione cfd-1d GT-Power, sviluppato da Gamma Technologies (USA).
Per il propulsore di cilindrata piena, si è fatto riferimento ad un motore 3.8 L, V8, 520 CV a 6500 giri/’, sviluppato da Ferrari per una vettura due posti a motore centrale. Tramite il software GT-Power è stato costruito e validato sperimentalmente un modello di calcolo in grado di definirne le performance in stazionario e in transitorio (con particolare attenzione al ritardo di risposta nelle accelerazioni).
Nella costruzione del modello, particolare attenzione è stata dedicata ai tempi di calcolo, che sono risultati alla fine ridotti ad un quinto, rispetto ad un modello non ottimizzato in questo senso, e di accuratezza comparabile. Ciò è stato possibile utilizzando componenti a parametri concentrati per il sistema di scarico e per quello di aspirazione a monte del primo compressore
Successivamente, si è creato un modello di motore twin-stage turbo, riducendo anche la cilindrata da 3.8 a 3.0 l, senza variare il numero dei cilindri e la corsa (diminuendo quindi l’alesaggio). Questa scelta è stata fatta per ridurre il percorso di fiamma e, quindi, limitare il rischio della detonazione, problema fortemente sentito visto che i valori di pressione di sovralimentazione risultano più alti rispetto a quelli del motore di cilindrata superiore.
Il modello del 3.0 L twin-stage è ottimizzato in modo da fornire la stessa coppia e potenza del motore di produzione da 3.8 L, mantenendo invariate le perdite di carico in ingresso al primo compressore e nel silenziatore, ed avendo anche lo stesso livello di rischio per quanto riguarda la detonazione.
Per valutare il comportamento del motore di cilindrata ridotta nei transitori si sono effettuate delle simulazioni di brusco incremento di carico a regime costante: il tempo impiegato dal motore a raggiungere la coppia massima (time to torque) è l’indice che meglio rappresenta la prontezza in transitorio.
I risultati ottenuti per il triturbo sono stati particolarmente brillanti, anche nei confronti del motore più grande, teoricamente favorito. A 2000 giri/’ si passa da 2.5 s a meno di un secondo!
Infine sono state studiate le performance in termini di consumo specifico ai carichi parzializzati: 60Nm, 100Nm e 200Nm. Tali calcoli hanno confermato l’efficacia del downsizing.
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