Motori sovralimentati: il pro ed i contro

In altro topic mi è stato chiesto di approfondire l'argomento e pertanto sono qui per vedere se riesco a scrivere qualcosa di sensato.
Innanzitutto un preambolo sul perchè imbarcarsi in questo viaggio nella fine arte della motoristica applicata: sappiamo tutti il perchè in acqua più che in terra avere poco peso sul groppone sia importante, ma lo ripeterò.
In auto il consumo in pianura dipende principalmente da due fattori:
-accelerazioni (massa dipendenti)
-velocità (massa indipendente)
le prime richiedono energia perchè la macchina tende a mantenere il suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme, e la massa si oppone alle accelerazioni.
la seconda richiede energia perchè la macchina per avanzare deve spostare l'aria che la circonda, generando attrito e quindi una forza che si oppone al moto e che non coinvolge la massa della vettura, ma solo la sua forma (cx)

In barca il consumo dipende dagli stessi due fattori (escludiamo le onde per semplificare):
-accelerazioni(massa dipendenti)
-velocità (massa dipendente)
Per le accelerazioni il problema è identico, mentre per la velocità si complica, perchè all'aumentare della massa aumenta anche l'immersione (spinta di archimede) e quindi la sezione trasversale immersa e la superficie bagnata.
Dal momento che l'acqua è 1000 volte più densa dell'aria è intuibile capire quanto sia meglio spostarne il meno possibile se si vuole avanzare consumando poca energia.

Tutto questo per spiegare la corsa all'allegerimento dei moderni fuoribordo 4 tempi che partono svantaggiati rispetto ai 2T in termini di peso, ma che hanno il futuro davanti per via del miglior rendimento del loro ciclo termodinamico.
Ovviamente poco peso significa anche minore arretramento/innalzamento del baricentro e sollecitazioni sullo specchio di poppa, nonchè minor materia prima e spese di spedizione.

Finito il preambolo passiamo ai diversi tipi di sovralimentazione che si possono usare.
Sono principalmente (le più diffuse) tre categorie:
-sovralimentazione a gas di scarico (sovralimentazione Buchi https://www.toprallyteam.com/turbo.htm )
-con compressore trascinato dal motore
-ad impulsi di pressione ricavati accordando i condotti di aspirazione ai diversi regimi (tramite farfalle che variano la lunghezza dei condotti)
(-chimica, molto di moda oggi tra i ragazzini rintronati da film stupidi, ma che non tratteremo in questa sede)

Ognuna ha un modo diverso di sfruttare energia per ottenerne un incremento di pressione, il primo ed il terzo sistema sfruttano la pressione per generare pressione, il secondo sistema sfrutta lavoro meccanico,già di persè molto più prezioso perchè ottenuto a valle della catena dei rendimenti del motore.
Anche sfruttare la pressione di scarico per ottenere lavoro ha dei costi in termini di efficienza, ma tutto sommato il gioco vale la candela perchè l'energia prelevata si sfrutta quasi tutta visti gli attuali rendimenti dei turbocompressori(a dire il vero questo vale solo per i motori Diesel, i benzina fino all'anno scorso non potevano adottare geometrie variabili e sprecano lavoro per via della valvola di by-pass).
Il terzo sistema non so se sia mai stato utilizzato in un motore marino di serie, probabilmente su qualche off-shore, visto che adottano motori di derivazione strettamente automotive, ma sono supposizioni e vanno prese con il beneficio del dubbio.

A cosa serve?
Visto che il motore a pistoni diversamente da una turbina a gas è volumetrico (il ciclo temodinamico si compie in una camera chiusa di dato volume) ne deriva che per bruciare più aria devo per forza aumentare la pressione della stessa, oppure abbassarne la temperatura, o entrambe le cose.
Avere a disposizione più comburente significa poter bruciare più combustibile, che fornisce l'energia al sistema e quindi la potenza, ne deriva che sovralimentando aumenta la potenza specifica di un motore(i cv/litro)

C'è da dire che la sovralimentazione in un motore ad accensione comandata oltre a permettere maggior potenza porta sempre anche ad un peggioramento dell'efficienza complessiva, cioè del rendimento e dei consumi.
Per spiegare questo quantitativamente ci vogliono un pò di grafici e la comprensione di alcuni metodi matematici, nonchè alcune nozioni di termodinamica come Lavoro ed Entalpia , ed io non saprei dove trovare sti grafici da postare senza dover scansire libri e dispense.
Io mi limiterò ad una esposizione qualitativa del problema, ma non stasera perchè ho sonno e domani si lavora

Francesco79 ha scritto:

Io mi limiterò ad una esposizione qualitativa del problema, ma non stasera perchè ho sonno e domani si lavora

Grazie per questo post!

Attendo la conclusione con ansia! (ancora non mi sono chiari né i pro né i contro...)

Ciao,anche io aspetto la fine della dissertazione,devo ammettere però che i compressori volumetrici e le turbine mi hanno sempre affascinato,soprattutto per il fatto che aumentano la potenza specifica di un motore qualsiasi senza stravolgerlo.
P.S.: se ti occupi di auto,potresti aver trovato un altro cliente.

Wow.
Mi sembra una lezione di univerità.... interessante.
Aspetto gli sviluppi.

Solo una nota per quanto riguarda la massa in acqua.
Non conta molto anche com'è distribuita e con quali materiali?
un chiodo di acciaio di pochi grammi va a fondo, ma una nave da migliaia di tonnellate non va a fondo.

Lo so che l'esempio è stupido, ma è per semplificare quello che volevo dire cioè che magari una chiglia più larga e lunga compensa la massa maggiore quindi non è proprio proporzionale il rapporto tra massa e energia per quanto riguarda la velocità.

Parlo in termini molto qualitativi e sicuramente non quantitativi né analitici.

Aspetto gli sviluppi del tuo post.
Ciao ciao

@Franz

Il pro è che posso tirare fuori più di 100 cavalli per litro senza aver bisogno di una meccanica raffinata, il contenimento delle masse in movimento, un perfetto studio della fluidodinamica ed altri problemi che affliggono i motoristi.
Per dirla spicciola, non ci vuole un genio a montare un turbo su un motore già esistente ottenendo una barcata di cavalli in più, cosa molto più complessa è rivedere quello stesso motore per dargli lo stesso incremento prestazionale senza nessuna forma di sovralimentazione.

I contro sono i consumi (più correttamente il rendimento), ma più avanti mi spiegherò meglio.

@Giorgio

Mi piacerebbe smanettare a fondo sulle macchine, ma non ho ne lo spazio ne l'attrezzatura, in futuro mi piacerebbe farmi una vecchia 500 un pò speciale.

@Andre

Certo, è come dici tu, ci sono 100 e più fattori che influenzano gli attriti in acqua (se leggi il topic sulla differenza di velocità in acqua dolce e salata vedrai che qualcosa è già stato approfondito), io ho solo ricordato quanto sia più svantaggioso muoversi in acqua con più massa rispetto al farlo per strada (io potrei permettermi i consumi di un tir da 20 tonnellate, ma non riuscirei mai a permettermi i consumi di una barca di 20 tonnellate)!

Francesco79 ha scritto:

@Franz

Per dirla spicciola, non ci vuole un genio a montare un turbo su un motore già esistente ottenendo una barcata di cavalli in più, cosa molto più complessa è rivedere quello stesso motore per dargli lo stesso incremento prestazionale senza nessuna forma di sovralimentazione.
!

Il genio ci vuole però quando si vuole ottimizzare la cosa... Buttar su una turbina ci vuol poco, ma dimensionare correttamente tutto il resto per trarne il meglio, è un'altra storia.

In passato si è visto di tutto, vecchi motori a due valvole ad aste e bilancieri "pompati" alla morte, carburatori soffiati e chi più ne ha più ne metta.... ma pochi sono stati buoni motori.

La fregatura del benzina è che il rendimento aumenta con il rapporto di compressione, ma col ciclo Otto oltre l'11:1 con le benzine normali non si va, ne aspirando nè sovralimentando...

Così nei Turbo "adattati" si era spesso costretti a spessorare la testa, abbassando il rapporto di compressione "geometrico " fin sotto il 7:1, per non superare l' 11:1 "soffiato" prima dell'intervento della Wastegate,...

Risultato ? dove il turbo non spingeva (bassi e medi regimi) il motore era "morto".

Francesco79 ha scritto:

Tutto questo per spiegare la corsa all'allegerimento dei moderni fuoribordo 4 tempi che partono svantaggiati rispetto ai 2T in termini di peso, ma che hanno il futuro davanti per via del miglior rendimento del loro ciclo termodinamico.

Mentre attendiamo il termine della tua esposizione, ti potrrei chiedere come si fa a calcolare il rendimento termodinamico di un motore reale? Saprei fare il conto per cicli idealizzati tipo Carnot o Stirling, ma quando si tratta di motori concreti con i loro attriti, materiali né infinitamente isolanti, né infinitamente conduttori, carburante incombusto che se ne vola via dallo scarico, etc, etc...
...come si fa a calcolare il rendimento, a parte mettere un motore sul banco e misurare quanta energia si tira fuori con un litro di benzina?

Se, come immagino, la risposta non la si può scrivere in 2 righe, è sufficiente un link a una pagina web, o l'indicazione di un libro che tratti l'argomento (ho accesso a una biblioteca universitaria...)

Citazione:

...come si fa a calcolare il rendimento, a parte mettere un motore sul banco e misurare quanta energia si tira fuori con un litro di benzina?

Se, come immagino, la risposta non la si può scrivere in 2 righe, è sufficiente un link a una pagina web, o l'indicazione di un libro che tratti l'argomento (ho accesso a una biblioteca universitaria...)

Credo proprio che per misurare il rendimento non ci sia altra maniera che prendere freno dinamomentrico ed un flussometro molto sensibile come ipotizzavi, come già sai quando si studiano i cicli termodinamici si fanno delle semplificazioni sulle condizioni al contorno,si considerano adiabatiche e isoentropiche trasformazioni che non lo sono, isoterme altre che dinuovo non lo sono ecc. ecc, questo porta al non poter tirar fuori che il rendimento teorico del ciclo termodinamico, non del motore che lo sfrutta.
Per approfondire la tua conoscenza dei motori in genere dovresti cercare le dispense di macchine di qualche facoltà o politecnico di ingegneria meccanica o navale, quando ho studiato io, la digitalizzazione delle dispense doveva ancora iniziare, pertanto ho solo i miei appunti dei corsi di macchine e propulsione navale riposti in qualche scatola(tra i pochi che non ho buttato).