Il mondo dell'ingegneria automobilistica e meccanica è costellato di termini che, seppur correlati, indicano componenti distinti con funzioni specifiche. Tra questi, "turbina" e "turbocompressore" sono spesso usati in modo intercambiabile, generando confusione. È essenziale, invece, comprendere che, sebbene la turbina sia una parte integrante del turbocompressore, i due termini non sono sinonimi. Il turbocompressore è un sistema complesso progettato per aumentare la potenza e l'efficienza di un motore a combustione interna, e la turbina ne rappresenta una delle due componenti principali, lavorando in sinergia con un compressore.
Che cos'è il Turbocompressore?
Il turbocompressore, spesso abbreviato semplicemente in "turbo", è un dispositivo di sovralimentazione che utilizza l'energia dei gas di scarico per aumentare la quantità di aria immessa nei cilindri del motore. Questo processo, noto come sovralimentazione, consente di bruciare una maggiore quantità di carburante, generando così un incremento significativo della potenza e della coppia motrice rispetto a un motore aspirato di pari cilindrata. Come suggerisce la sua terminologia, il turbocompressore è costituito dall'accoppiamento tra una turbina e un compressore.
Il turbocompressore è diventato un componente fondamentale in tutte le macchine di nuova produzione, grazie alla sua capacità di migliorare le prestazioni e l'efficienza dei motori moderni.
Struttura e Funzionamento del Turbocompressore
Il turbocompressore è formato da due componenti principali: la turbina e il compressore. Entrambi questi elementi sono caratterizzati da una girante dedicata, anche chiamata impeller in inglese, che può ruotare ad alta velocità all'interno di un suo alloggiamento a forma di chiocciola. Queste due giranti sono collegate tra loro in modo rigido da un alberino comune.
La turbina è collocata in un alloggiamento a forma di chiocciola nell'impianto di scarico ed è il lato "caldo" o lato di scarico del turbocompressore, dove vengono ricevuti i gas di scarico ad alta temperatura. Il compressore, invece, si trova sul lato dell'aspirazione ed è il lato "freddo" o lato di aspirazione, nel quale viene risucchiata l'aria da comprimere.
Il funzionamento è il seguente: i gas che fuoriescono dalla camera di combustione sono convogliati dai condotti di scarico verso la turbina. La turbina raccoglie l'energia (sotto forma di energia cinetica e di entalpia) di questi gas di scarico e la trasforma in energia meccanica utile a mettere in rotazione il compressore. Sotto la spinta dei gas, la turbina inizia a girare vorticosamente, mettendo così in rotazione il compressore.
La girante del compressore, all'interno della sua struttura a chiocciola (quest'ultima spesso costruita in lega di titanio o alluminio), è trascinata in rotazione dalla turbina, comprime l'aria e la immette, quindi, nel collettore d'aspirazione. Questo processo fornisce ai cilindri del motore un volume d'aria maggiore di quanto ne potrebbero aspirare nell'unità di tempo se tale motore fosse semplicemente un aspirato. In questo modo è possibile immettere nella camera di scoppio un maggior quantitativo di miscela aria/benzina o aria/gasolio, assicurando così maggiori prestazioni in termini di potenza e di capacità di accelerazione.
Dopo essere stata compressa, l'aria passa dapprima attraverso un radiatore chiamato intercooler. L'intercooler provvede a raffreddare l'aria, aumentandone la densità a parità di volume. L'aria fresca entra quindi nei condotti di aspirazione e qui causa un aumento della pressione. Il maggior apporto d'aria che perviene ai cilindri, associato a un proporzionale aumento del combustibile iniettato, crea i presupposti per un incremento delle prestazioni.
La struttura del turbocompressore crea a questo punto quello che si potrebbe definire un circolo virtuoso. La combustione di una maggior quantità di miscela aria-carburante si traduce in un flusso di gas di scarico più generoso. Questo porta la turbina - e parimenti il compressore - a girare più forte con un ulteriore incremento dei flussi. Tuttavia, proprio in virtù di tale potenza, anche i gas di scarico sono costretti a uscire più velocemente, così anche il turbocompressore ruoterà più rapidamente conferendo una sempre maggiore potenza al propulsore.
Come funziona il Turbo??!
Vantaggi del Turbocompressore
In confronto al compressore volumetrico, che ha la medesima funzione ma è azionato dal motore attraverso una cinghia, il turbo ha il vantaggio del maggior rendimento, dato che non assorbe potenza dal propulsore e, anzi, sfrutta l'energia dei gas di scarico che altrimenti andrebbe sprecata. Il turbocompressore recupera parte dell'energia dei gas di scarico e la utilizza per sovralimentare il motore.
Il Ruolo della Turbina nel Turbocompressore
Come illustrato, la turbina è uno dei due componenti principali del turbocompressore. La sua funzione è quella di convertire l'energia termica e cinetica dei gas di scarico in energia meccanica rotazionale. Questa energia rotazionale viene poi trasmessa al compressore attraverso l'alberino comune. Senza la turbina, il turbocompressore non potrebbe funzionare, poiché mancherebbe il meccanismo primario per azionare il compressore.
In sintesi, la turbina è il motore che aziona il compressore, permettendo al sistema di sovralimentazione di incrementare la densità dell'aria aspirata dal motore.
Tipologie di Turbocompressori
I turbocompressori possono essere classificati in diverse tipologie, ognuna con caratteristiche e vantaggi specifici, progettate per ottimizzare le prestazioni in differenti contesti.
Turbocompressore a Geometria Fissa
I turbocompressori a geometria fissa sono la tipologia più semplice e tradizionale. In questi sistemi, la forma dell'alloggiamento della turbina e l'angolo delle sue palette sono predeterminati e non modificabili durante il funzionamento. Questo design offre una buona efficienza a regimi di giri elevati del motore, dove il flusso di gas di scarico è costante e sufficientemente forte.
Tuttavia, il principale difetto del turbo a geometria fissa è il ritardo che si registra fra la pressione dell'acceleratore e l'aumento di coppia del motore, fenomeno noto come "turbo lag". Questo si determina soprattutto ai regimi più bassi, quando il flusso dei gas di scarico è più debole e non sufficiente a far girare rapidamente la turbina e, di conseguenza, il compressore.
Turbocompressore a Geometria Variabile (VNT - Variable Nozzle Turbine)
Per rendere più rapida la risposta e superare i limiti dei turbo a geometria fissa, sono state studiate le turbine a geometria variabile. Concettualmente è identico al turbocompressore classico, ma la differenza più grande da quest'ultimo è insita nella girante motrice o di scarico. Nel caso del turbo a geometria variabile, la girante della turbina è, infatti, circondata da un anello di palette statoriche che sono a incidenza variabile. Il turbocompressore a geometria variabile è diverso strutturalmente da uno a geometria fissa, e i vantaggi di questa soluzione sono molteplici ma la differenza principale la troviamo nel lato caldo.
Il movimento di tali palette statoriche, controllato dalla centralina elettronica o tramite un depressore, consiste nella variazione del loro angolo d'incidenza rispetto alle palette rotanti della girante motrice. Internamente, vi sono installate in forma circolare una serie di palette, le quali a seconda della loro incidenza e posizione varia la pressione di sovralimentazione. In funzione del regime di rotazione, queste vengono chiuse o aperte per favorire la velocità o la portata dei gas esausti, a seconda dei regimi di funzionamento del motore. Questo perché la spinta e la velocità dei gas esausti aumenta e diminuisce in funzione della posizione delle palette stesse e la superficie che oppongono al flusso dei gas di scarico.
Questa soluzione permette al turbocompressore di garantire un'apprezzabile sovralimentazione ai bassi regimi e di evitare di raggiungere un numero di giri troppo elevato agli alti. Ciò porta a una maggiore flessibilità e adattabilità di comportamento rispetto al turbocompressore a geometria fissa, dato che, sfruttando l'incidenza variabile delle palette statoriche sul lato caldo di scarico, un turbo a geometria variabile consente di ottenere la stessa bassa inerzia di un turbo di piccole dimensioni e una portata d'aria di alimentazione elevata (e, quindi, potenza elevata del motore) di un turbo di grandi dimensioni. In questo modo vengono anche ridotti i surriscaldamenti e i problemi di lubrificazione, a tutto vantaggio dell'affidabilità nel tempo.
Sistemi Multi-Turbo
L'evoluzione dei sistemi di sovralimentazione ha portato anche allo sviluppo di configurazioni che utilizzano più turbocompressori, noti come sistemi multi-turbo. Il vantaggio di avere più turbo è di poter coprire differenti range di giri, a differenza del turbocompressore singolo che funziona al meglio solo agli alti regimi, anzi risulta addirittura controproducente ai bassi. In questo modo si riduce il turbo lag e si ottiene un funzionamento più omogeneo, che si traduce in una risposta più rapida all'acceleratore.
I sistemi a doppio turbo possono essere sequenziali o in parallelo.
Sistemi Multi-Turbo Sequenziali
Nei sistemi sequenziali, le due unità, spesso di dimensioni differenti, entrano in funzione in momenti diversi. Ai bassi regimi i gas di scarico vengono convogliati nel turbo più piccolo, che avendo una minore inerzia, risponde più prontamente riducendo il turbo lag. Agli alti regimi, quando il flusso di gas è maggiore, entra in funzione il turbo più grande, garantendo una maggiore portata d'aria e, di conseguenza, una potenza elevata del motore.
Generalmente si utilizza un sistema doppio, dove c'è un turbocompressore piccolo, che ha una risposta veloce all'acceleratore a regimi medio-bassi, ma con una ridotta capacità di portata d'aria di alimentazione, mentre l'altro turbocompressore è di dimensioni medio-grandi, con una risposta lenta all'acceleratore a regimi medio-bassi, ma con portate d'aria di alimentazione notevoli a pieno carico. Queste unità vengono utilizzate in momenti diversi, e l'intero funzionamento dei turbocompressori è legato alla gestione dei flussi di scarico e alla loro azione sulle giranti delle turbine. Questa procedura permette d'avere un funzionamento molto lineare del sistema di sovralimentazione, con una risposta più rapida al comando del gas.
Sistemi Multi-Turbo in Parallelo
Nei sistemi in parallelo, due turbocompressori di dimensioni simili operano simultaneamente, ciascuno alimentando una bancata di cilindri (nel caso di motori a V) o ricevendo una parte del flusso di scarico. Questo approccio distribuisce il carico tra i due turbo, riducendo l'inerzia complessiva e migliorando la risposta ai bassi e medi regimi. Un esempio storico di utilizzo di due unità si trova nella Maserati Biturbo, un'icona degli anni '80.
Twin Scroll Turbo
Il Twin Scroll Turbo o semplicemente Twin Scroll è un sistema in cui un singolo turbocompressore funziona con due canali di gas di ingresso, anziché uno solo come nei normali turbo o "monoturbo". Il turbocompressore ha due ingressi per i gas di scarico e due ugelli, uno più piccolo e più angolato per una risposta più rapida e uno più grande meno angolato per massimizzare le prestazioni. Ciò permette di migliorare l'ingresso dei gas di scarico nella turbina e di aumentarne al contempo pressione e potenza.
Il carter di ingresso è sdoppiato, pertanto i collettori di scarico dei cilindri confluiscono a coppie e questo fa sì che il flusso d'ingresso dei gas sia più efficiente. Quindi i gas di scarico, dovendo attraversare un condotto a sezione dimezzata nella stessa unità temporale, si muovono più velocemente e con maggiore forza, facendo sì che ai bassi giri si abbia una minore inerzia. Ciò contribuisce a ridurre il turbo lag e a migliorare la linearità dell'erogazione di potenza.
Turbocompressore Elettrico
L'evoluzione tecnologica ha consentito di sviluppare nuove tipologie di turbocompressore in grado di stressare meno il motore. Questa tecnologia, attualmente utilizzata sulle vetture sportive di alta fascia, arriverà ben presto anche sulle auto di serie alla portata di tutti gli automobilisti. Costruttori come Audi stanno studiando soluzioni elettriche in grado di ridurre, se non annullare, il turbo lag grazie alla presenza di un turbocompressore azionato da un motore elettrico collegato ad una batteria da 48 V e un turbocompressore classico.
Il primo entra in azione quando si viaggia a bassi regimi ed ha la funzione di inviare aria in ingresso al turbocompressore standard, anticipando la sua risposta e colmando il vuoto di potenza tipico del turbo lag. Questo sistema permette di avere una sovralimentazione quasi istantanea fin dai regimi più bassi, migliorando notevolmente la guidabilità e la prontezza del motore.
Componenti Aggiuntivi e Valvole di Regolazione
Per ottimizzare il funzionamento del turbocompressore e prevenire malfunzionamenti, sono presenti diverse valvole e sistemi ausiliari.
Valvola Pop-off (Blow-off)
La valvola pop-off, anche detta blow-off, è situata fra il turbocompressore e la valvola a farfalla. Si apre totalmente in fase di rilascio del pedale dell'acceleratore. In questo momento, pur essendo la valvola a farfalla totalmente chiusa, le giranti del turbo continuano a ruotare per effetto dell'inerzia rotazionale, facendo sì che il compressore continui a comprimere e a sospingere l'aria verso la valvola a farfalla. Se quest'aria compressa in eccesso non venisse sfiatata, creerebbe un'onda di pressione che potrebbe danneggiare il compressore.
Questa valvola non è necessaria nel motore a ciclo Diesel in quanto privo del corpo farfallato. Quando la pop-off si apre, quest'aria sfiata verso l'esterno o verso un tubo di ritorno.
Le valvole pop-off possono essere di due tipi:
- A sfiato interno (dette anche a "ricircolo" o a "by-pass"): Sul lato di aspirazione del turbo, nel caso della pop-off, l'aria compressa in eccesso viene convogliata a monte del compressore, tramite un tubo (o manicotto) collegato allo scarico della valvola stessa. In questo modo, la massa d'aria ripasserà dalla presa di bocca (cioè dalla sezione di ingresso) del compressore, fatto che limiterà pure il fenomeno del turbo-lag. Questo sistema è preferito per ragioni di emissioni e di minore rumorosità.
- A sfiato esterno (o sfiato libero): Questa tipologia vale solo, sul lato di aspirazione del turbo, per la pop-off. L'aria in eccesso viene rilasciata direttamente nell'atmosfera, producendo il caratteristico suono di "soffio" o "sibilo" apprezzato da alcuni appassionati.
Valvola Wastegate
A regolarizzare il funzionamento dei turbocompressori provvedono anche specifiche valvole per lo sfogo dei gas di scarico, chiamate wastegate. La wastegate è una valvola che devia parte dei gas di scarico direttamente nello scarico bypassando la turbina. In questo modo si controlla la velocità di rotazione della turbina e, di conseguenza, la pressione di sovralimentazione prodotta dal compressore. Questo impedisce che la pressione raggiunga livelli eccessivi che potrebbero danneggiare il motore.
La valvola wastegate può essere azionata meccanicamente o elettronicamente, consentendo un controllo preciso della pressione di sovralimentazione in base alle esigenze del motore e alle condizioni di guida.
Problemi e Malfunzionamenti del Turbocompressore
La rottura di una turbina, nella maggior parte dei casi è subito evidente. La resa dell'auto scende in modo evidente ed anche un semplice sorpasso o una normale ripartenza creano difficoltà evidenti al motore e al conducente stesso. Le cause di una possibile rottura possono essere molte e varie. La colpa può essere imputata ad un malfunzionamento di una valvola di regolazione, ad una diminuzione della tenuta dell'impianto a causa di un tubo rotto, con perdite di aria o olio motore che può disperdersi o creare fumo allo scarico, ecc.
Diagnosi e Manutenzione
È importante notare che la turbina è un organo meccanico e non dispone di sensori che possano segnalare un suo malfunzionamento diretto. Se la diagnostica del veicolo fornisce il messaggio: "malfunzionamento del turbocompressore", la causa è da ricercarsi altrove, in componenti periferici come valvole, tubi o sensori che influenzano il suo funzionamento.
Una regolare manutenzione e una sostituzione dell'olio motore come previsto dal piano di manutenzione sono le basi per poter allungare la vita della nostra turbina, perché con un olio pulito e nuovo offre anche una migliore lubrificazione a tutte le parti in movimento del turbocompressore.
Quando si installa un nuovo turbocompressore, è fondamentale seguire una procedura di preparazione per garantirne la longevità e il corretto funzionamento:
- Verificare l'arrivo dell'olio alla turbina: Installate correttamente i condotti di lubrificazione della turbina, riempite il motore con l'olio nuovo. Posizionate un flacone o una bottiglia vuota alla fine del condotto di mandata olio alla turbina. Fate girare il motore, avendo l'accortezza di NON avviarlo, dando dei piccoli "colpetti" con la chiave di avviamento. Fate uscire circa mezzo litro di olio.
- Verificare la purezza dell'olio: Scoprirete che, per quanto le vostre attenzioni siano state puntigliose e pignole, vi saranno dei piccoli puntini in sospensione nell'olio nuovo. Sono dei depositi carboniosi. Questo passaggio è cruciale per evitare che impurità presenti nei condotti di lubrificazione residui possano compromettere il nuovo componente.
- Avviamento controllato: Avviare il motore e farlo girare al minimo regime rotativo per circa 5/10 minuti verificando che non vi siano perdite ed evitando brusche accelerate a motore freddo.
- Verifica e rimozione errori: Verificare ed eventualmente rimuovere messaggi di errore all'interno della centralina. Potrebbero contenere in memoria dei messaggi di errore che si ripresentano all'avvio della vettura, rimandandola in autoprotezione anche se la causa è stata rimossa.
Affidarsi a specialisti del settore per la manutenzione e l'eventuale sostituzione dei turbocompressori è sempre la scelta migliore, poiché garantisce l'utilizzo di prodotti di qualità e procedure corrette. La Griffo - CSG Service, ad esempio, è costantemente aggiornata nell'ambito dei turbocompressori e collabora con numerosi partner produttori per la distribuzione e la rivendita dei loro prodotti, offrendo un servizio professionale e affidabile.
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