Turbo-compound
Un sistema turbo-compound è una soluzione tecnologica utilizzabile su motori a combustione interna a pistoni volta a recuperare parzialmente l'energia contenuta nei gas di scarico. Fu sviluppata a partire dalla seconda metà degli anni quaranta dal costruttore di motori aeronautici statunitense Wright Aeronautical Division.
Principio di funzionamento
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Nel turbocompressore (sistema utilizzato nei motori aeronautici per erogare in quota la potenza disponibile a livello del mare), i cilindri scaricano i gas di combustione in un collettore comune con due uscite; una attraverso la valvola wastegate che, aprendosi, regola la pressione massima di sovralimentazione ed una che alimenta la turbina. A valvola aperta, la pressione nel collettore è praticamente uguale a quella atmosferica, mentre a valvola chiusa, i gas di scarico sono costretti a passare attraverso la turbina (del tipo "a reazione") che sfrutta il salto di pressione per muovere il compressore, ma anche influenza negativamente lo svuotamento dei cilindri durante la fase di scarico.[1]
Nel turbo-compound, invece, gli scarichi dei cilindri sono direttamente collegati alla turbina (in questo caso del tipo "ad azione") che lavora con un salto di pressione trascurabile, trasformando l'energia cinetica dei gas di scarico in lavoro meccanico, non introducendo deleterie sovrappressioni allo scarico e avvantaggiandosi, al salire della quota, del crescente salto di pressione tra quella in camera di combustione (che resta praticamente costante) e quella atmosferica (che decresce con l'altitudine).[1]
Descrizione tecnica
modificaIn un motore turbo-compound, la turbina è generalmente collegata meccanicamente all'albero motore mediante una opportuna serie di ingranaggi riduttori, ma è stata studiata anche una versione elettrica in cui la turbina aziona un generatore che può alimentare un motore elettrico (tipicamente nei veicoli ibridi) o altre utenze elettriche.[2]
L'energia così recuperata permette di risparmiare tra il 2,5 ed il 5% di carburante, a seconda della configurazione; l'impiego di tale sistema risulta particolarmente indicato nel caso di motori che operino per lungo tempo alla loro massima potenza.[2]
Applicazioni
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A partire dal 1942, la Wright Aeronautical Division iniziò a studiare in campo aeronautico un sistema per il recupero della potenza altrimenti persa nei gas di scarico dei motori a pistoni. Dal 1946, la U.S. Navy sovvenzionò queste ricerche che portarono, nel 1950, al primo esemplare di produzione, il Wright R-3350.
In questo motore, all'apertura delle valvole di scarico, la pressione in camera di combustione crolla rapidamente da circa 14 atmosfere (200 psi) alla pressione atmosferica, lasciando uscire i gas di scarico a velocità sonica (che per quella temperatura media corrisponde a circa 670 m/s).[1]
Le tre turbine installate (che ruotavano fino a 19000 giri al minuto al decollo) permettevano per questo motore un guadagno di 410 kW (circa 550 HP) al regime di potenza massima continuativa.[1]
Oltre che per il Wright R-3350[3][4], il turbo compound fu sviluppato anche su altri motori aeronautici quali il Napier Nomad[5][6], il Rolls-Royce Crecy, e l'Allison V-1710, sebbene per questi ultimi due non si andò oltre lo stadio di prototipo. Il contemporaneo sviluppo di motori turboelica e turbogetto soppiantarono rapidamente i sempre più complessi motori a pistoni e con loro le versioni turbo-compound.
Alcuni costruttori di autocarri hanno recentemente incorporato il turbo-compound nei loro ultimi modelli di motore. Tra questi il Detroit Diesel DD15[7][8] e lo Scania[9] in produzione dal 2001[10]. In questi motori, la turbina di recupero potenza è montata a valle di quella del turbocompressore tradizionale, massimizzando il recupero dell'energia dei gas di scarico. L'accoppiamento tra la turbina e l'albero motore è assicurato da un giunto idraulico che evita che la turbina (che per i motori Scania ruota a regime fino a 55000 giri al minuto) venga trascinata dall'albero motore ai bassi regimi assorbendo potenza.
Note
modifica- ^ a b c d (EN) Facts about the Wright turbo compound (PDF), su enginehistory.org, 1956. URL consultato il 16 agosto 2011 (archiviato dall'url originale il 16 febbraio 2010).
- ^ a b TRB, pag. 53.
- ^ (EN) Ten ideas that failed: 2 Turbo-compound piston engine (PDF), in Flight. URL consultato il 19 febbraio 2010.
- ^ (EN) Super survivor (PDF), in Flight. URL consultato il 19 febbraio 2010.
- ^ (EN) Bill Gunston, Napier Nomad: An engine of outstanding efficiency (PDF), in Flight, pp. 543–551. URL consultato il 19 febbraio 2010.
- ^ (EN) E.E. Chatterton, Napier diesels: An RAeS lecture (PDF), in Flight, p. 552. URL consultato il 19 febbraio 2010.
- ^ DD15 (video), su Detroit Diesel. URL consultato il 16 agosto 2011.
- ^ (EN) DD15 Brochure (PDF), su Detroit Diesel. URL consultato il 16 agosto 2011.
- ^ Scania Turbocompound, su Scania Group. URL consultato il 16 agosto 2011 (archiviato dall'url originale il 29 agosto 2009).
- ^ (EN) Scania produces 4 ECO-point engine from Oct 2001, su Scania Group. URL consultato il 16 agosto 2011 (archiviato dall'url originale il 7 agosto 2011).
Bibliografia
modifica- (EN) Committee to Assess Fuel Economy Technologies for Medium- and Heavy-Duty Vehicles, National Research Council, Transportation Research Board, Technologies and Approaches to Reducing the Fuel Consumption of Medium- and Heavy-Duty Vehicles, National Academies Press, 2010, ISBN 0-309-14982-7.
- (EN) Facts about the Wright turbo compound (PDF), su enginehistory.org. URL consultato il 16 agosto 2011 (archiviato dall'url originale il 16 febbraio 2010).
Voci correlate
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