Domanda tecnica sui motori turbo

[nonnomaio]

E' risaputo che i motori aspirati subiscono un calo di potenza all'aumentare della quota di funzionamento.
Ciò è dovuto al calare della pressione atmosferica e al conseguente minor apporto di ossigeno nella fase di scoppio (ciclo otto) o combustione (ciclo diesel)
La mia domanda è questa:
i motori turbocompressi subiscono lo stesso calo, oppure lo subiscono in modo minore, oppure ne sono esenti?
Il mio dubbio è dovuto alla presenza sulla turbina della valvola di regolazione della pressione massima (wastegate). Essa impedisce la sovralimentazione con pressioni superiori a quella di progetto. Mi chiedo: se in altura questa pressione viene raggiunta egualmente, magari a un numero di giri della turbina superiore, allora non ci dovrebbe essere un calo di potenza, oppure se c'è, dovrebbe essere limitato ai regimi di rotazione inferiori.Tutto ciò considerando che la composizione percentuale dell'aria non varia con l'altitudine e se c'era circa il 20% di ossigeno nel volume al livello del mare, c'è il 20% di ossigeno nel volume a 2000 m di altezza.
Grazie a chi mi vorrà chiarire la questione.

 

[renatom]

La questione non è semplicissima.

Intanto bisogna vedere se la wastegate è tarata su una pressione assoluta o su una pressione relativa, cioè controlla il delta p rispetto alla p atm.
Nel caso che agisca sul delta p si ha inevitabilmente un calo della pressione di alimentazione del motore, però è percentualmente inferiore rispetto al motore aspirato.
Consideriamo infatti una sovralimetazione di 1 bar, cioé circa 2 bar assoluti: se la pressione atmosferica scende a 0,8 bar a causa dell'altitudine, approssimativamentel apressione di alimentazione scende a circa 1,8 bar assoluti, con un calo del 10% (0,2 su 2 bar) invece del 20% di calo che ha l'aspirato.

Se invece la valvola waste gate controlla la pressione assoluta, praticamente si potrebbe anche avere la stessa pressione di alimentazione (poi bisogna vedere cosa dice il software della centralina), ma, in questo caso la turbina assorbirebbe più energia dai gas di scarico e, probabilmente, si avrebbe una maggiore contropressione allo scarico.

Inoltre partendo da una pressione inferiore, se si partisse dalla stessa temperatura, la compressione simil-adiabatica in turbina porterebbe l'aria a temperatura superiore e, quindi si avrebbe una maggiore dilatazione dell'aria con perdita di potenza.

In conclusione, in linea di massima, direi che si può dire che, in altitudine, anche il motore sovralimentato subisca un calo di potenza, ma inferiore a quello di un aspirato

 

[saturno_v]

La questione non è semplicissima.

Intanto bisogna vedere se la wastegate è tarata su una pressione assoluta o su una pressione relativa, cioè controlla il delta p rispetto alla p atm.
Nel caso che agisca sul delta p si ha inevitabilmente un calo della pressione di alimentazione del motore, però è percentualmente inferiore rispetto al motore aspirato.
Consideriamo infatti una sovralimetazione di 1 bar, cioé circa 2 bar assoluti: se la pressione atmosferica scende a 0,8 bar a causa dell'altitudine, approssimativamentel apressione di alimentazione scende a circa 1,8 bar assoluti, con un calo del 10% (0,2 su 2 bar) invece del 20% di calo che ha l'aspirato.

Se invece la valvola waste gate controlla la pressione assoluta, praticamente si potrebbe anche avere la stessa pressione di alimentazione (poi bisogna vedere cosa dice il software della centralina), ma, in questo caso la turbina assorbirebbe più energia dai gas di scarico e, probabilmente, si avrebbe una maggiore contropressione allo scarico.

Inoltre partendo da una pressione inferiore, se si partisse dalla stessa temperatura, la compressione simil-adiabatica in turbina porterebbe l'aria a temperatura superiore e, quindi si avrebbe una maggiore dilatazione dell'aria con perdita di potenza.

In conclusione, in linea di massima, direi che si può dire che, in altitudine, anche il motore sovralimentato subisca un calo di potenza, ma inferiore a quello di un aspirato

Non c'e' bisogno di aggiungere molto altro....ricapitolando, i motori turbo soffrono meno l'altitudine ma la soffrono comunque....in un utilizzo normale senza variazioni eccessive di elevazione il conducente puo' avere effettivamente l'impressione che un motore turbo non perda nulla rispetto all'aspirato ma non e' cosi'....i motori alternativi aeronautici sovralimentati perdono molta potenza ad alta quota...turbo o non turbo c'e' poco da fare....cala proprio il rendimento volumetrico dovuto alla rarefazione dell'aria....per raggiungere pressioni piu' elevate devi comprimere di piu' innalzando la temperatura...

 

[dubbioso80]

azz non lo sapevo proprio che potesse esser tarata anche sulla pressione relativa

 

[mark_nm]

un articolo interessante: http://www.garagetorino.com/tecnica/Turbo.asp

ogni 100 m di altitudine si perde 1,5% di potenza

 

[nonnomaio]

Grazie a tutti per le risposte.
In effetti guidando un'auto turbodiesel di media potenza (150 CV) e arrivando al massimo ai 2700 dello Stelvio non si ha la sensazione di un calo di potenza, semmai si attribuisce una certa "pigrizia" alla pendenza, certo non si sta col cronometro in mano a fare confronti.
Mi pare di ricordare anche che il rendimento di un motore viene influenzato positivamente dalla temperatura dell'aria aspirata: minore la temperatura maggiore il rendimento (temperatura minore=aria più densa). Forse questo fatto contribuisce ad attenuare la perdita di potenza, visto che tra il livello del mare e, per esempio, i 2000 m ci sono almeno 15 gradi di differenza.

 

[pietrogambadilegno]

-La produzione di aria "compressa" da parte dei turbo è molto eccedentaria rispetto alle esigenze del motore, figuriamoci se non riesce a compensare la differenza d'altitudine.
-Le valvole waste-gate sono sempre tarate sulla pressione assoluta.
-La temperatura dell'aria è poco influente visto che tutti i turbo hanno l'intercooler.
Tutto ciò premesso, signori della corte, i motori turbo non risentono dell'effetto altitudine se non per altri fattori e comunque in maniera tale che solo una rilevazione strumentale potrebbe rilevarla (voglio ricordare che la minor densità dell'aria diminuisce drasticamente il lavoro necessario per vincere la resistenza aerodinamica, per cui non mi meraviglierei che a Città del Messico le auto turbo fossero più veloci, e di molto, rispetto al livello del mare).
Si parva licet, questa estate ho avuto occasione di percorrere più volte una strada in forte pendenza che porta a circa 2300mt di altitudine e non ho notato il minimo calo di prestazioni, nemmeno in accelerazione, con la mia macchina attuale.

 

[nonnomaio]

-La produzione di aria "compressa" da parte dei turbo è molto eccedentaria rispetto alle esigenze del motore, figuriamoci se non riesce a compensare la differenza d'altitudine.
-Le valvole waste-gate sono sempre tarate sulla pressione assoluta.
-La temperatura dell'aria è poco influente visto che tutti i turbo hanno l'intercooler.
Tutto ciò premesso, signori della corte, i motori turbo non risentono dell'effetto altitudine se non per altri fattori e comunque in maniera tale che solo una rilevazione strumentale potrebbe rilevarla (voglio ricordare che la minor densità dell'aria diminuisce drasticamente il lavoro necessario per vincere la resistenza aerodinamica, per cui non mi meraviglierei che a Città del Messico le auto turbo fossero più veloci, e di molto, rispetto al livello del mare).
Si parva licet, questa estate ho avuto occasione di percorrere più volte una strada in forte pendenza che porta a circa 2300mt di altitudine e non ho notato il minimo calo di prestazioni, nemmeno in accelerazione, con la mia macchina attuale.

Solo due osservazioni: più bassa è la temperatura ambiente, meglio dissipa il calore l'intercooler: un conto è raffreddare a 40° un'altro a 10°.
Per la resistenza aerodinamica hai perfettamente ragione, ma qui da noi vie in altura dove si possano raggiungere velocità elevate non ce ne sono molte, e ai 50-80 all'ora mediamente permessi da statali di montagna ( con rare eccezioni) la differenza di resistenza aerodinamica (proporzionale al quadrato della velocità) penso influisca pochissimo.

 

[Grattaballe]

E' risaputo che i motori aspirati subiscono un calo di potenza all'aumentare della quota di funzionamento.
Ciò è dovuto al calare della pressione atmosferica e al conseguente minor apporto di ossigeno nella fase di scoppio (ciclo otto) o combustione (ciclo diesel)
La mia domanda è questa:
i motori turbocompressi subiscono lo stesso calo, oppure lo subiscono in modo minore, oppure ne sono esenti?
Il mio dubbio è dovuto alla presenza sulla turbina della valvola di regolazione della pressione massima (wastegate). Essa impedisce la sovralimentazione con pressioni superiori a quella di progetto. Mi chiedo: se in altura questa pressione viene raggiunta egualmente, magari a un numero di giri della turbina superiore, allora non ci dovrebbe essere un calo di potenza, oppure se c'è, dovrebbe essere limitato ai regimi di rotazione inferiori.Tutto ciò considerando che la composizione percentuale dell'aria non varia con l'altitudine e se c'era circa il 20% di ossigeno nel volume al livello del mare, c'è il 20% di ossigeno nel volume a 2000 m di altezza.
Grazie a chi mi vorrà chiarire la questione.

A prescindere dalla presenza della wastegate, che regola solo la pressione massima raggiungibile, tutto il range di valori che rimane sotto a questo limite verrà raggiunto ugualmente. Credo però che "darà vita" a prestazioni leggermente inferiori dato che l'aria (pompata alla solita pressione) sarà rarefatta dall'aumento di quota. Sarà anche vero che la percentuale di ossigeno nell'aria non cambia ma cambia sicuramente la percentuale d'aria entro il volume teorico e di conseguenza il valore assoluto di ossigeno entro lo stesso volume. I misuratori di massa attuali, però, pesano l'aria in maniera precisa, qualsiasi sia l'altitudine. L'impianto di iniezione-accensione fa il resto a partire (anche..) da questo valore. Direi che non ne sono esenti ma ne soffrono molto meno.

 

[renatom]

-La produzione di aria "compressa" da parte dei turbo è molto eccedentaria rispetto alle esigenze del motore, figuriamoci se non riesce a compensare la differenza d'altitudine.
-Le valvole waste-gate sono sempre tarate sulla pressione assoluta.
-La temperatura dell'aria è poco influente visto che tutti i turbo hanno l'intercooler.
Tutto ciò premesso, signori della corte, i motori turbo non risentono dell'effetto altitudine se non per altri fattori e comunque in maniera tale che solo una rilevazione strumentale potrebbe rilevarla (voglio ricordare che la minor densità dell'aria diminuisce drasticamente il lavoro necessario per vincere la resistenza aerodinamica, per cui non mi meraviglierei che a Città del Messico le auto turbo fossero più veloci, e di molto, rispetto al livello del mare).
Si parva licet, questa estate ho avuto occasione di percorrere più volte una strada in forte pendenza che porta a circa 2300mt di altitudine e non ho notato il minimo calo di prestazioni, nemmeno in accelerazione, con la mia macchina attuale.

Alcune precisazioni.
- Il fatto che la produzione di aria si eccedente quella necessaria non evita che, partendo da pressioni più basse, il compressore consumi più potenza, chiedendola alla turbina che, a sua volta la rende a prezzo di una maggiore contropressionee allo scarico.
- le vecchie waste-gate meccaniche "sentivano la differenza di pressione tra dentro e fuori e quindi la pressione relativa, oggi puoi fare come vuoi
- il fatto che l'aria sia più riscaldata, non è reso indifferente dalla presenza dell'intercooler in quanto questo scambiatore di calore di superficie e coefficiente di scambio termico non modificabile, fornirà aria a temperatura più alta nel caso l'aria sia in partenza più alta; se l'intercooler fornisce aria a 50°C quando quella in ingresso è a 80°C, nel caso che entri aria a 100° C, non dico che il delta Tdell'aria rimanga di 30°C, l'intercoolere aumenterà un po' la sua potenza a causa del maggiore delta T interno-esterno e, probabilmente, fornirà aria attorno ai 65°C, ma non certo a 50°C.
Andando a cercare il pelo nell'uovo, si può anche dire che, a causa della rarefazione dell'aria esterna, l'efficienza dell'intercooler peggiora.

Sul fatto poi che le prestazioni, in altitudine migliorino a causa della minore resistenza aerodinamica, bisogna distinguere tra le varie prestazioni: sicuramente migliora la velocità massima, ma una accelerazione a bassa velocità non credo.