Caratterizzazione sperimentale di un turbocompressore per uso automobilistico

Capitolo 1                                                                                    La sovralimentazione 
 
 
Capitolo 1 
 
La sovralimentazione 
 
1.1 Cenni sui banchi prova destinati ai motori a combustione interna 
Le prove sperimentali, che possono essere eseguite sui motori a combustione 
interna, generalmente tendono alla determinazione dei valori dei diversi parametri di 
funzionamento in tutte le possibili condizioni di lavoro. I parametri che vengono 
determinati alle varie velocità di rotazione solitamente sono: la coppia motrice, le 
pressione media effettiva, la potenza, il consumo totale, quello specifico, la portata 
d’aria aspirata, gli andamenti delle temperature dell’olio e dell’acqua (quest’ultima 
quando ovviamente esiste un impianto di refrigerazione ad acqua), le percentuali di 
inquinanti allo scarico, l’andamento del ciclo termodinamico, il valore del 
coefficiente di riempimento, quello del rendimento meccanico.  
La tendenza moderna è quella di realizzare banchi automatizzati, volendo intendere 
con tale termine quegli impianti di prova che consentono di assoggettare i motori a 
combustione interna a cicli di prove programmate, aventi carattere prevalentemente 
dinamico in quanto intese a riprodurre più o meno fedelmente condizioni di 
funzionamento reali. 
I vantaggi che si conseguono con l’adozione di una siffatta tecnica di prova in 
sostituzione di quella convenzionale (prova su strada) possono riassumersi 
brevemente come segue: 
  Condotta delle prove completamente automatizzata e pertanto svincolata dal 
comportamento dell’operatore; 
  Svolgimento delle prove in condizioni di completa indipendenza da fattori 
accidentali 
  Possibilità di offrire al motore in prova condizioni ambientali controllabili a 
volontà; 
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  Più agevole acquisizione dei dati sperimentali; 
  Possibilità di ripetere ciclicamente lo stesso tipo di prova su un certo 
motore; 
  Riduzione dei costi delle prove; 
  Possibilità di assoggettare simultaneamente alle stesse prove più motori, 
allorché si disponga di più banchi prova, pilotabili da un’unica unità di 
programmazione. 
Questi impianti di prova automatizzati sono generalmente impianti che utilizzano 
come freno dinamometrico una macchina a corrente continua, alimentata da un 
opportuno convertitore, oppure una macchina asincrona la cui velocità può variare in 
funzione della frequenza di alimentazione. Si può poi aggiungere che le prove 
dinamiche programmate di tipo stradale possono essere condotte differentemente a 
seconda delle particolari esigenze. Generalmente in tali impianti vengono 
controllate, mediante una opportuna unità programmatrice, la coppia erogata dal 
motore e la velocità di rotazione, in maniera tale da riprodurre cicli di 
funzionamento di tipo stradale. 
Spesso vengono controllate con adatti circuiti servoassistiti anche le temperature 
dell’olio lubrificante e del liquidi refrigerante del motore. 
I sistemi di regolazione adottati per pilotare la macchina a corrente continua (o 
quella asincrona) possono riassumersi in due grandi classi: 
  Sistemi di regolazione per la riproduzione fedele di prove di tipo stradale (a 
tale scopo vengono utilizzati dei registratori a più piste che portati a bordo 
del veicolo su strada permettono, ad esempio, di registrare le leggi di 
variazione nel tempo della posizione della farfalla, della velocità del motore, 
della posizione del cambio e così via e che poi, portati in sala prove, 
restituiscono tali parametri in ingresso ad unità di controllo che effettuano la 
regolazione degli stessi parametri sul banco prova in maniera da ottenere la 
riproduzione fedele nel tempo. 
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  Sistemi di regolazione atti alla simulazione della coppia resistente, secondo 
leggi di variazione prefissate in precedenza e non necessariamente identiche 
a quelle realmente riscontrabili nell’impiego stradale. 
In tale ultimo caso la catena di regolazione dell’impianto di prova comprende una 
unità di calcolo che elabora in funzione della velocità di rotazione del motore un 
segnale di coppia, che può essere ad esempio corrispondente a quello di tipo 
stradale. 
 
1.2 La sovralimentazione dei m.c.i. - Cenni teorici 
Per sovralimentazione si intende l’operazione attraverso la quale si incrementa la 
densità dell’aria comburente inviata al cilindro, in modo da incrementare 
corrispondentemente la massa di miscela immessa per ogni ciclo e dunque il lavoro 
utile. Per ottenere ciò un motore sovralimentato è dunque equipaggiato con un 
compressore inserito nell’impianto di alimentazione. 
Si consideri la formula che esprime la potenza utile erogata dal motore:  
 
Dove: 
η
g
 è il rendimento globale del motore,  è il potere calorifico inferiore
1
 del 
combustibile impiegato,  è il coefficiente di riempimento, V è la cilindrata totale 
del motore, ρ
a
 è la densità dell’aria nelle condizioni ambientali, n è la velocità di 
rotazione, α è il rapporto di miscela ed ε è il numero di giri per ciclo termodinamico. 
Si ricorda che il coefficiente di riempimento è esprimibile come: 
a
a
v
V
m




 
                                                           
1
  potere calorifico superiore diminuito del calore di condensazione del vapore d'acqua durante la 
combustione 
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Dove m
a
 è la massa di  miscela intrappolata nei  cilindri.  
E’ immediato verificare che un aumento della massa di miscela introdotta nei 
cilindri si traduce, a parità degli altri parametri caratteristici del motore, in un 
incremento di potenza erogata, cosicché è possibile ottenere un determinato valore 
di potenza con una cilindrata minore. 
L’incremento della densità della miscela introdotta comporta quindi l’aumento della 
pressione media effettiva, essendo:  

 

a v i
g me
H
p
 
 
 
e con essa un incremento delle sollecitazioni sia meccaniche che termiche. 
Di conseguenza si rende necessario un opportuno irrobustimento di alcuni organi del 
motore. Inoltre, nei motori ad accensione comandata, a parità delle altre 
caratteristiche, si manifesta una maggiore tendenza alla detonazione, per evitare la 
quale occorre ritardare l’anticipo di accensione rispetto ai valori di massima 
efficienza in assenza di sovralimentazione, mentre la miscela va opportunamente 
arricchita, in modo da abbassare la temperatura in camera di combustione. Il 
risultato è un incremento del consumo specifico del motore originario, avente una 
determinata cilindrata. 
Inoltre, come si descriverà più dettagliatamente nei prossimi paragrafi, in caso di 
sovralimentazione mediante turbo-compressore, un inconveniente tipico è il ritardo 
alla risposta del motore nei transitori di carico, dovuto all’inerzia del 
sovralimentatore.  
In alcuni casi i benefici legati alla sovralimentazione risultano tali da rendere questa 
soluzione, per i motori ad accensione comandata, piuttosto attraente da un punto di 
vista tecnico e/o economico. Come già detto, infatti, un certo target di potenza può 
essere ottenuto con una cilindrata inferiore, cosa che può comportare un 
complessivo vantaggio in termini di consumi ed emissioni inquinanti, nonché in 
termini di ingombro, pesi ed infine di costo dell’unità propulsiva.  
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È noto, poi, che per i motori Diesel, la sovralimentazione garantisce il 
miglioramento del processo di combustione e dunque dell’efficienza del propulsore; 
non a caso in campo automobilistico, la quasi totalità delle unità a gasolio è dotata di 
sovralimentatore. 
 
1.3  Sistemi di sovralimentazione 
Allo stato attuale dello sviluppo tecnologico, in campo automobilistico vengono 
impiegati due differenti sistemi di sovralimentazione: 
 il compressore meccanico (tipicamente volumetrico); 
 il turbocompressore a gas di scarico. 
Elemento chiave del turbocompressore a gas di scarico, è il compressore centrifugo. 
Nei sottoparagrafi successivi verranno chiariti i principi di funzionamento di questi 
dispositivi, dedicando maggiore attenzione al turbocompressore, essendo ad esso 
dedicata la sala prove oggetto del lavoro di tesi. 
 
1.3.1  Compressore volumetrico 
In questo tipo di soluzione, il compressore usato per comprimere l’aria comburente 
viene azionato, tramite una trasmissione meccanica dall’albero motore, a scapito del 
lavoro utile ottenibile.  
 
Le peculiarità di questo tipo di sovralimentazione sono principalmente due: 
  la caratteristica della macchina volumetrica nella quale la portata di aria 
elaborata è proporzionale alla velocità dell’albero di azionamento; 
  il collegamento meccanico tramite cinghia o ruote dentate fra compressore e 
albero motore 
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Queste due caratteristiche fanno sì che i benefici sulla coppia erogata siano 
percepibili fin dai bassi regimi. Per contro all’aumentare del numero di giri 
l’efficienza di questo sistema peggiora. 
Nel caso tipico di utilizzo di un compressore volumetrico, è necessario 
l’accoppiamento di due macchine (motore e compressore) caratterizzate da leggi di 
variazione delle portate d’aria elaborate di tipo analogo. Ne consegue la possibilità 
di mantenere abbastanza costante il livello di sovralimentazione al variare del 
regime. Inoltre il compressore meccanico permette di avere una immediata risposta 
in coppia del motore, non risentendo del turbo-lag tipico dei turbocompressori a gas 
di scarico. Il compressore volumetrico è un sistema di sovralimentazione meccanica 
che sfrutta la potenza stessa del motore per comprimere l’aria che viene poi inviata 
ai cilindri. Esistono vari tipi di compressori volumetrici alcuni dei quali verranno 
brevemente trattati in seguito. 
Nella fig. 1.1 si riporta lo schema di principio di un motore sovralimentato con 
compressore ad azionamento meccanico. In particolare l’accoppiamento tra l’albero 
del motore e l’albero del compressore avviene solitamente utilizzando un 
moltiplicatore di giri, essendo questa una delle possibilità per ridurre la cilindrata e 
quindi il peso del compressore necessario. 
 
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Sui motori dedicati alla trazione stradale hanno trovato impiego tre tipi di 
compressore meccanico: a palette, a lobi (tipo Roots) e a vite (tipo Lysholm). 
 
1.3.1.1 Compressore a palette 
Si tratta di un compressore dotato di un rotore eccentrico nel quale sono state 
praticate delle fenditure radiali entro le quali scorrono delle palette rigide, che 
strisciano sulle pareti interne della carcassa per garantire la tenuta (Fig. 1.2). 
Disponendo in maniera opportuna le luci di aspirazione e scarico, il fluido, 
intrappolato tra due palette consecutive e la carcassa, lungo un giro durante la 
rotazione si trova ad occupare un volume decrescente realizzandone così la 
compressione in maniera graduale. 
Il beneficio offerto da questo tipo di compressore sta nell’elevato rendimento 
garantito dalla gradualità della compressione. 
 
aspirazione 
scarico 
aria 
gas 
C 
Fig. 1.1 - Motore sovralimentato mediante compressore trascinato 
meccanicamente 
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Fig. 1.2 - Compressore volumetrico a palette 
 
Il compressore a palette presenta problemi di natura meccanica (tanto più rilevanti 
quanto maggiore è il suo regime di rotazione) imputabili agli attriti delle palette 
striscianti ed alle forze centrifughe che vanno a sollecitare le palette stesse. 
 
1.3.1.2 Compressore a lobi (Roots) 
Il compressore Roots (Fig. 1.3) è costituito da due rotori identici controrotanti a lobi 
rettilinei o elicoidali, che nel loro moto trasportano il fluido dalla luce di aspirazione 
a quella di scarico. 
 
Fig. 1.3 - Compressore volumetrico a lobi tipo Roots 
Il compressore viene azionato dall’albero motore attraverso una cinghia, a cui è 
direttamente connesso tramite un rapporto demoltiplicato.  Realizzando una 
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compressione ad impulsi è poco adatto ad operare con elevati rapporti di 
compressione, visto che il suo rendimento è rapidamente decrescente al crescere di 
questi ultimi. Altro inconveniente che penalizza i compressori Roots è l’elevata 
rumorosità di funzionamento. Non essendoci alcun contatto tra i lobi, le perdite 
organiche per attrito sono modeste, ma questo comporta perdite di portata per 
trafilamento (tanto più rilevanti quanto minore è il regime di rotazione ed elevato il 
rapporto di compressione).  
Il principale vantaggio risiede nel costo contenuto. 
 
1.3.1.3 Compressore a vite (Lysholm) 
Questo tipo di compressore (Fig. 1.4) presenta due rotori a vite, diversi nel disegno, 
con profilo elicoidale anch’essi controrotanti che, abbinati ad una opportuna 
disposizione delle luci di aspirazione e scarico, consentono di realizzare una 
compressione graduale. Di conseguenza è caratterizzato da rendimenti elevati anche 
per alti rapporti di compressione. 
Anche in questo caso i rotori non si toccano per la presenza di ingranaggi 
sincronizzatori (a rapporto di trasmissione unitario o non, in dipendenza dal numero 
di lobi dei due rotori) e le perdite organiche sono basse. A differenza del Roots, il 
particolare profilo minimizza i trafilamenti di portata.  
 
Fig. 1.4 – Compressore volumetrico a vite tipo Lysholm 
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Queste caratteristiche lo renderebbero il compressore volumetrico più adatto alla 
sovralimentazione dei motori a combustione interna per trazione stradale (Fig. 1.5) 
se non fosse per gli ingombri elevati ed i costi eccessivi che caratterizzano tale 
macchina. 
Qualsiasi sia il compressore adottato, sul circuito di mandata dell’aria, a valle del 
compressore, è necessario inserire una valvola di sfiato, detta comunemente valvola 
pop - off. Tale valvola ha il compito di limitare la pressione di sovralimentazione 
quando, in staccata, il motore non assorbe portata mentre il compressore continua a 
fornirne. 
 
Si evita così il raggiungimento di pressioni eccessivamente elevate e dunque 
dannose sia per il compressore che per i condotti di aspirazione e la valvola a 
farfalla. La pop - off è, quindi, una valvola di pressione massima, utilizzata per 
limitare e controllare la pressione massima esercitata da un compressore (essa viene 
generalmente utilizzata anche in caso di sovralimentazione tramite 
turbocompressore). 
La valvola permette di evitare che si crei una pressione eccessiva nel collettore di 
alimentazione quando viene chiusa la valvola gas, poiché il compressore continua a 
spingere per inerzia e genera una pressione che porterebbe alla rottura di alcuni 
organi meccanici (le pale del compressore stesso oppure le tubazioni sottoposte a 
sovrapressioni). 
Fig. 1.5 - Spaccato di un compressore volumetrico a vite tipo 
Lysholm 
 
 
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La sovralimentazione tramite compressore volumetrico costituisce un grande 
vantaggio per i motori sovralimentati poiché riesce ad incrementare le prestazioni 
del motore su un arco di regime medio - basso di giri cosa che i motori turbo-
sovralimentati non riescono a garantire. Un motore turbocompresso consente un 
sostanziale incremento di prestazioni principalmente a giri medio - alti del motore; il 
turbocompressore per raggiungere le ideali condizioni di funzionamento deve essere 
investito da una notevole quantità di gas di scarico che normalmente non è 
disponibile a basso regime. D’altro canto il compressore volumetrico consente 
prestazioni inferiori agli alti regimi, in intervalli di funzionamenti in cui il 
turbocompressore non ha rivali. Diverso è il discorso per i motori di grossa 
cilindrata dove il compressore volumetrico può essere applicato senza penalizzare in 
maniera rilevante la potenza massima erogata. Certamente la soluzione migliore 
sarebbe l’applicazione contemporanea di un compressore volumetrico per i bassi giri 
e di un turbocompressore per gli alti. 
Rispetto al turbocompressore, azionato dai gas di scarico, nel compressore 
volumetrico è assente il turbo - lag, ovvero il ritardo alla risposta. Non solo, ma 
poiché non è mosso dai gas di scarico che escono dal motore
2
, il compressore riduce 
i problemi di scarsa affidabilità delle turbine. Poiché il compressore è direttamente 
collegato all’albero motore, ad ogni aumento della velocità di rotazione del motore, 
aumenta la velocità di rotazione del compressore con conseguente incremento di aria 
compressa e inviata all’interno della camera di combustione. 
Detto così, il compressore volumetrico presenta solo vantaggi rispetto ad un motore 
turbocompresso. In realtà un motore con compressore volumetrico ha dei consumi 
nettamente superiori rispetto ad un motore turbo-sovralimentato ed inoltre non è in 
grado di arrivare a pressioni elevate come può invece tranquillamente fare un 
turbocompressore, che inoltre non assorbe potenza dal motore, in quanto sfrutta 
l’energia residua dei gas di scarico che altrimenti andrebbe perduta. 
Oggi il compressore volumetrico è utilizzato solamente nei motori alimentati a 
benzina per lo più per evitare i problemi legati alle elevate temperature  dei gas di 
                                                           
2
 temperature intorno ai 1000 ºC per i motori benzina e 900 ºC per i motori diesel 
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scarico e per essere più facilmente abbinato ad alimentazioni a GPL o a metano che 
per le loro caratteristiche chimiche aumentano ancora di più la temperatura dei gas 
di scarico; temperature che sono difficilmente sopportabili dagli usuali materiali 
metallici. 
 
1.3.2 Il compressore centrifugo 
Prima di introdurre il turbocompressore, è importante descrivere il compressore 
centrifugo, elemento chiave della sovralimentazione dei motori a combustione 
interna. 
Come già detto, il corretto accoppiamento di un turbo ad un motore, non è 
un’operazione banale. Si veda da quali elementi è formato un compressore e come 
variano(o quali sono) le sue prestazioni. 
 
1.3.2.1 La misura delle prestazioni di compressore e turbina 
Perché l’accoppiamento tra un turbocompressore ed un motore abbia successo, è 
necessario scegliere con cura la turbina e il compressore. Dalle prestazioni della 
prima dipende la possibilità di trascinare efficacemente il compressore. Dalle 
caratteristiche di quest’ultimo dipende la possibilità di alimentare correttamente con 
aria il motore. 
Per interpretare adeguatamente le curve caratteristiche di compressore e turbina, che 
i costruttori rendono disponibili (con quale reticenza, a dire il vero), è necessario 
introdurre due parametri fondamentali. Tali prestazioni, infatti, vengono misurate su 
un banco prova, con aria  in condizioni di temperatura  e pressione diverse da quelle 
alle quali compressore e turbina si trovano ad operare su motore e devono quindi 
essere corrette. E’ necessario cioè definire con chiarezza, quali sono le condizioni di 
riferimento.  
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La stragrande maggioranza dei costruttori, assumono come riferimento la 
temperatura e la pressione ambiente
3
. 
Generalmente si è interessati a conoscere le curve di portata e rendimento, al variare 
del rapporto di compressione β e della velocità di rotazione di compressore e 
turbina. Si parla, in tal caso, di “curve caratteristiche” di compressore e turbina. 
Per poter correlare correttamente le portate misurate al banco a quelle effettive 
nel’impiego su motore, si definisce così la portata corretta o ridotta e la velocità di 
rotazione corretta o ridotta, date rispettivamente da: 
 
 
In cui  è la portata in massa misurata quando l’aria aspirata è alla temperatura di 
riferimento  ed alla pressione di riferimento   ed  è il corrispondente regime 
di rotazione, mentre  è la portata in massa che verrebbe misurata alla temperatura 
 e alla pressione  alla velocità di rotazione . 
Ad esempio, per il compressore, i costruttori forniscono delle curve di dipendenza 
del rapporto di compressione β
4
, dalla portata  al variare del regime di rotazione 
 
                                                           
3
 T 20℃ (293 K); P 1 bar 
4
 È il rapporto tra la pressione allo scarico del compressore e quella all’aspirazione dello stesso 
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Fig. 1.6 – Schema di un compressore centrifugo: con 1 si indica la sezione di ingresso nella girante e 
con 2 lo scarico dalla girante 
 
Per la turbina le considerazioni sono del tutto analoghe, con la sola differenza che 
con β, si indica il rapporto di espansione, ossia il rapporto tra la pressione 
all’ingresso della turbina e quella allo scarico della stessa ( per entrambe le 
macchine, β è quindi superiore ad uno). 
Quando il turbo è montato sul motore, se la correzione da apportare alle portate del 
compressore è generalmente piccola (perché esso aspira aria a temperatura poco 
discosta da  e pressione poco diversa da ), lo stesso non può dirsi per la turbina 
che aspira gas combusti molto caldi a pressione spesso nettamente superiore a quella 
atmosferica. 
La temperatura teorica in uscita dal compressore è data dalla trasformazione 
isoentropica descritta da: 
 
 
Dove: 
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  è il rendimento isoentropico compressore 
  rapporto calori specifici  
 
1.3.2.2 Il principio di funzionamento 
In questo paragrafo si analizza per sommi capi il funzionamento del compressore, 
che successivamente verrà approfondito, quando si parlerà del turbocompressore. 
Il principio di funzionamento è il seguente: l’aria viene aspirata dal compressore ed 
interagisce con la girante dotata di palette. Questa, muovendosi, fornisce energia 
all’aria che viene contemporaneamente forzata ad allontanarsi dall’asse di rotazione 
della macchina (da qui il nome centrifugo). In questo modo, come detto, l’energia 
delle particelle di aria aumenta e con essa anche la pressione e la velocità (oltre alla 
temperatura). 
Quando esce dalla girante, l’aria ha una elevata energia cinetica, che viene 
trasformata in un ulteriore aumento di pressione nel diffusore e nella voluta
5
. 
Un’importante parametro che definisce la qualità della trasformazione operata dal 
compressore sull’aria è il cosiddetto rendimento adiabatico o isoentropico.  
 
Fig. 1.7 – Compressione adiabatica 
                                                           
5
 parte della cassa del compressore che si trova a valle della girante stessa 
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