Il turbocompressore, un componente che ha conosciuto un vero e proprio boom negli ultimi anni e presente su moltissime delle vetture attualmente in circolazione, è un sistema meccanico fondamentale per la sovralimentazione nei motori a combustione interna, come quelli che equipaggiano la Passat B6. Se da una parte consente di aumentare la potenza dei propulsori anche a fronte di cubature contenute, dall'altra permette anche di ridurre consumi ed emissioni. Questo dispositivo recupera parte dell’energia dei gas di scarico, che altrimenti andrebbe sprecata, e la utilizza per immettere una quantità di aria nel circuito di aspirazione maggiore di quella che potrebbe avvenire, a parità di cilindrata, in un motore aspirato.
Struttura e Componenti Principali del Turbocompressore
Come suggerisce il nome stesso, il turbocompressore è formato principalmente da due componenti: la turbina e il compressore. Entrambi gli elementi hanno la forma di giranti, sono dotati di palette e sono collegati tra loro da un alberino.
- La Turbina: È il lato "caldo" o lato di scarico del turbocompressore, dove vengono ricevuti i gas di scarico ad alta temperatura. La turbina è inserita in un vano a forma di chiocciola nell’impianto di scarico. È qui che l'energia cinetica e l'entalpia dei gas di scarico vengono trasformate in energia meccanica, mettendo in rotazione la girante della turbina stessa.
- Il Compressore: È il lato "freddo" o lato di aspirazione, nel quale viene risucchiata l'aria da comprimere. Il compressore è alloggiato nel collettore di aspirazione e la sua girante, all'interno della sua struttura a chiocciola (costruita in lega di titanio o alluminio), è trascinata in rotazione dalla turbina.
L'albero di collegamento tra la turbina e il compressore è in acciaio forgiato e permette la trasmissione del movimento. La girante del compressore e l'alloggiamento del compressore sono le due parti che lo compongono. L'alloggiamento del compressore ha il compito di convertire il flusso d'aria ad alta velocità e bassa pressione in un flusso d'aria a bassa velocità e alta pressione attraverso un processo chiamato diffusione. Il turbocompressore è installato il più vicino possibile alla testata del motore a quattro tempi, dove si trovano i condotti di scarico e alimentazione.
Funzionamento del Turbocompressore
Il processo inizia quando i gas prodotti dalla camera di combustione sono incanalati tramite condotti di scarico verso la turbina. Sotto la loro spinta, la turbina si aziona ruotando e trasmettendo l'energia all'alberino, che a sua volta fa girare il compressore. La girante del compressore risucchia l'aria dall'esterno e ne aumenta la pressione, spingendola in modo forzato all'interno del condotto di aspirazione, generando una sovrapressione di alimentazione.
L'aria compressa, che si surriscalda e si dilata durante la compressione diminuendo la sua densità, passa dapprima attraverso un radiatore definito intercooler. Questo radiatore ha lo scopo di abbassare la temperatura dell'aria per aumentarne la densità a parità di volume. L'aria raffreddata viene poi convogliata nei condotti di aspirazione, dove determina un aumento della pressione. La maggior quantità d'aria che raggiunge i cilindri, abbinata a un proporzionale incremento del combustibile iniettato, garantisce un aumento della coppia motrice e della potenza rispetto al motore aspirato di pari cilindrata. 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. Questo circolo virtuoso porta il turbocompressore a ruotare più rapidamente, conferendo una sempre maggiore potenza al propulsore.
Il "Turbolag" e le Soluzioni per Mitigarlo
Il principale difetto dei motori turbo, noto come "turbolag", è un deficit di reattività. C'è un ritardo tra il momento in cui si preme l'acceleratore e l'aumento di coppia motrice, accentuato soprattutto ai regimi più bassi, quando l’energia che si può ricavare dal gas di scarico è minore. Per rendere più rapida la risposta e linearizzare la curva di erogazione, sono state studiate diverse soluzioni:
Turbine a Geometria Variabile
Per cercare di ridurre questo effetto, sono stati studiati componenti che integrano degli accorgimenti speciali, come il turbocompressore a geometria variabile. Concettualmente è identico al turbocompressore classico, ma la differenza più grande risiede nella girante motrice o di scarico. La girante della turbina è, infatti, circondata da un anello di palette statoriche che sono a incidenza variabile. 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.
A bassi regimi, le alette restano sigillate così che il gas possa accelerare velocemente ed aumentare la spinta sulla turbina. Quando il regime di rotazione sale, le alette entrano in funzione riducendo la contropressione. Questa gestione 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. La gestione delle alette è il compito di una valvola a depressione posta sul condotto di immissione, denominata wastegate.
Sistemi Multiturbo
Un altro sistema utilizzato per ridurre il turbo-lag e migliorare la risposta è quello di impiegare più turbine in parallelo o in serie. 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.
Un esempio di sistema multiturbo è quello in cui un compressore volumetrico e un turbocompressore operano in serie. Il compressore volumetrico partiva subito fin dal regime di minimo, e la sua azione di pompaggio dell'aria aumentava proporzionalmente con i giri del motore.
Twin Scroll Turbo
Il Twin Scroll Turbo è un sistema in cui un singolo turbocompressore funziona con due canali di gas di ingresso, anziché uno solo come nei normali turbo. 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. 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.
Evoluzioni Tecnologiche del Turbocompressore
L’evoluzione tecnologica ha consentito di sviluppare nuove tipologie di turbocompressore in grado di ovviare agli inconvenienti dei sistemi tradizionali, come il turbo lag.
Turbocompressore Volumetrico
Questo sistema, a differenza di quello legato ai gas di scarico, si avvale di un collegamento meccanico al motore tramite una cinghia. Il collegamento diretto col motore comporta un incremento lineare, cioè costante, di potenza poiché la massa d’aria è connessa alla velocità di rotazione del propulsore. Questo elemento diretto di congiunzione permette quindi ad un motore dotato di turbocompressore volumetrico di evitare il fastidioso turbolag, ma a differenza degli altri modelli è penalizzante in termini di consumi in quanto assorbe parte della potenza dal motore stesso per funzionare.
Turbocompressore Elettrico (e-Turbo)
L'e-Turbo è un'innovazione prima sperimentata nel mondo delle F-1 e attualmente in via di riadattamento per le automobili di serie. Dall'esterno, un turbocompressore e-Turbo non presenta grosse differenze rispetto a una turbina convenzionale. La lettera "e", infatti, indica proprio la presenza di un motore elettrico che mette in moto la girante quando il propulsore non ha raggiunto la velocità desiderata. È così che si risolve il problema del turbolag grazie a questa tecnologia. Questo motore elettrico smette di funzionare appena l'albero motore ruota alla velocità richiesta per il funzionamento regolare della girante del turbocompressore.
L'e-Turbo ha anche il pregio di rendere superflua la valvola di depressione (wastegate) che convoglia normalmente i gas nella girante del soffiatore. Quest'ultima, infatti, continua a funzionare anche ad alti regimi, ma grazie all'inversione della polarità del motore, il suo ruolo può diventare quello di un generatore di energia. L'e-Turbo funziona senza bisogno di meccanismi a geometria variabile che regolino la pressione del compressore.
In più, quest'innovazione ha un forte impatto sui consumi. Un problema dei classici turbo è infatti il mancato riscaldamento rapido del sistema di scarico, che quindi non neutralizza buona parte delle emissioni nocive. L'e-Turbo ovvia a questa problematica per il fatto che l'albero del compressore viene attivato tramite motore elettrico, mentre il bypass impedisce che i gas di scarico arrivino alla girante della turbina.
Costruttori come Audi stanno studiando soluzioni elettriche in grado di ridurre - se non di annullare - il turbo lag grazie alla presenza di un turbocompressore azionato da un motore elettrico collegato ad una batteria da 48 V ed un turbocompressore classico. Il ruolo del primo è fondamentale quando si guida a bassi regimi.
Come funziona un turbocompressore? (Animazione 3D)
Valvole di Sicurezza e Controllo
Per limitare il valore della pressione di sovralimentazione si utilizzano apposite valvole di sicurezza che impediscono ad una parte dei gas di scarico di raggiungere la turbina: si chiamano valvole wastegate. Senza di queste, la pressione raggiungerebbe valori così elevati da danneggiare sia la turbina che il motore stesso.
Un'altra valvola importante è la valvola pop-off (anche detta blow-off), situata tra il turbocompressore e la valvola a farfalla. Questa si apre totalmente in fase di rilascio del pedale dell'acceleratore, quando, 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. 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.
Esistono due tipologie principali di valvole pop-off:
- A sfiato interno (a "ricircolo" o a "by-pass"): L'aria compressa in eccesso viene convogliata a monte del compressore, tramite un tubo collegato allo scarico della valvola stessa, cioè 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.
- A sfiato esterno (o sfiato libero): Questa tipologia vale solo, sul lato di aspirazione del turbo, per la pop-off, e sfiata l'aria direttamente nell'ambiente.
Lubrificazione e Raffreddamento del Turbocompressore
La turbina e il compressore raggiungono un elevatissimo numero di giri di rotazione, circa 180.000 giri/minuto. Per questo, l'alberino di collegamento tra le due giranti deve essere opportunamente lubrificato e raffreddato. L'olio della lubrificazione è lo stesso utilizzato per la lubrificazione del motore ed è messo in circolazione dalla stessa pompa dell'olio.
L'olio svolge ben tre funzioni essenziali per la sopravvivenza della turbina:
- Lubrificazione: I cuscinetti che sostengono l'albero centrale devono essere costantemente lubrificati da un sottile film d'olio per evitare l'attrito.
- Raffreddamento: La sezione della turbina (lato caldo) lavora a temperature che possono superare i 900°C. L'olio non solo lubrifica i cuscinetti, ma circola attorno all'albero per dissipare l'eccesso di calore, agendo come un vero e proprio sistema di raffreddamento.
- Pulizia e Protezione: L'olio di qualità mantiene puliti i delicati condotti e protegge i componenti interni dall'ossidazione e dall'usura.
Per la Passat B6, la manutenzione preventiva e l’uso di parti e oli di buona qualità riducono molto il rischio di guasti importanti, ma tieni conto che alcuni interventi possono essere costosi, come la revisione del turbo.
Consigli per la Manutenzione e la Durata del Turbocompressore
Data la sua complessità, la velocità e le temperature estreme a cui opera, la turbina è un componente sensibile. Per allungarne la vita:
- Non risparmiare sull’Olio: Utilizza sempre un olio motore sintetico di alta qualità che rispetti rigorosamente le specifiche del produttore della tua auto (viscosità, specifiche ACEA/API).
- Rispetta gli Intervalli di Cambio: Non ritardare il cambio dell’olio e del filtro.
- Lascia Raffreddare il Motore: Dopo una guida impegnativa (autostrada, salite, utilizzo sportivo), non spegnere immediatamente il motore. È opportuno lasciare girare il motore al minimo per almeno 30-60 secondi.
Inoltre, se stai valutando o pensando di comprare una Passat B6, fai prima qualche controllo mirato: ascolta eventuali rumori della distribuzione, verifica i livelli e i consumi d’olio, controlla lo stato di EGR e DPF, prova il turbo e dai un’occhiata a volano e frizione. La sostituzione della valvola pop-off o di quelle a ricircolo con componenti più efficienti e solidi è altresì consigliata, specialmente in caso di preparazione del motore, per garantire una risposta corretta.
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