I motori delle nostre vetture sono costituiti da una numerosa quantità di componenti diversi, e nel tempo questi elementi vengono reinventati, sostituiti o eliminati del tutto grazie all'avanzamento della tecnologia. Tra le innovazioni che hanno rivoluzionato il settore automobilistico, il turbocompressore si distingue come un sistema meccanico fondamentale, presente in quasi tutte le macchine di nuova produzione. Il suo compito ben preciso è quello di sovralimentare il motore della vettura, andando a recuperare parte dell'energia dai gas di scarico. Questo processo, che a prima vista potrebbe sembrare una "magia tecnologica", ha trasformato i goffi motori diesel in unità potenti e ricche di coppia e ha reso più "sobri" quelli a benzina, contribuendo a un significativo incremento delle prestazioni e dell'efficienza.
Com'è Fatto un Turbocompressore: Struttura e Componenti Principali
Come suggerisce la propria terminologia, il turbocompressore, chiamato in maniera abbreviata anche turbo, è formato da due componenti principali: la turbina e il compressore. Sia l'una che l'altro hanno la forma di giranti, sono dotati di palette e sono collegati tra loro in modo rigido da un alberino.
La turbina è collocata in un alloggiamento a forma di chiocciola nell'impianto di scarico. È un dispositivo costituito da una girante munita di palette e alloggiata in uno statore avente conformazione a chiocciola. In campo automobilistico si impiegano turbine azionate dai gas di scarico, che consentono di recuperare parte dell'energia posseduta da questi ultimi, che altrimenti finirebbe dispersa nell'atmosfera. Quando i gas escono dal cilindro hanno un'elevata temperatura e una certa pressione: la turbina consente di trasformare in energia meccanica una parte del loro calore e della loro energia di movimento. Le turbine a gas di scarico che usualmente vengono utilizzate per azionare compressori centrifughi sono quasi sempre del tipo a flusso centripeto; la girante (che deve essere equilibrata con un'accuratezza eccezionale) viene realizzata in genere in leghe speciali estremamente resistenti alle alte temperature (come ad esempio il Nimonic, materiale solitamente impiegato per le turbine dei motori aeronautici) mentre la chiocciola, tipicamente, è in ghisa. Rispetto alle turbine impiegate in anni passati, un miglioramento dell'affidabilità lo si è ottenuto introducendo il raffreddamento ad acqua e l'utilizzo di oli motore con specifiche migliorate.
Il compressore si trova invece collocato sul lato dell'aspirazione. La girante del compressore, all'interno della sua struttura a chiocciola (quest'ultima costruita in lega di titanio o alluminio), è trascinato in rotazione dalla turbina, comprime l'aria e la immette, quindi, nel collettore d'aspirazione. Generalmente la girante compressore è in lega di magnesio.
Questi due elementi sono caratterizzati, ciascuno, da una girante dedicata (in inglese è chiamata impeller), che può ruotare ad alta velocità all'interno di un suo alloggiamento a forma di chiocciola. Dunque, la turbina raccoglie l'energia (sotto forma di energia cinetica e di entalpia) dei gas di scarico e la trasforma in energia meccanica utile a mettere in rotazione il compressore. La girante normalmente supera i 200.000 giri/min.
Il Funzionamento del Turbocompressore: Un Circolo Virtuoso di Potenza
Per comprendere il funzionamento del turbocompressore, è essenziale richiamare il ciclo di lavoro di un motore a combustione interna, che si articola in quattro fasi principali:
- Aspirazione: la valvola d'aspirazione si apre, il pistone si abbassa e una miscela di aria e benzina (o solo aria nei diesel) viene iniettata nel cilindro.
- Compressione: la valvola di aspirazione si chiude, rendendo ermetica la camera di combustione. Il pistone, iniziando la fase di salita, diminuisce il volume, aumentando la temperatura e la pressione all'interno del cilindro.
- Combustione: quando il pistone raggiunge il punto superiore, una scintilla generata dalle candele (nei motori a benzina) o l'alta pressione (nei diesel) incendia la miscela provocando un'esplosione che rilascia energia termica, permettendo al pistone di essere proiettato verso il basso.
- Scarico: le valvole di scarico si aprono e il pistone inizia la fase di risalita, comprime i gas esausti e i fumi fuoriescono dal motore.
Consolidate queste basi, possiamo passare a scoprire il ruolo del turbo. Il principio alla base del turbocompressore è ottenere maggiore potenza da un motore bruciando una maggior quantità di carburante. Tuttavia, se non c'è un altrettanto aumento di aria, la combustione non avviene correttamente. Un cilindro può aspirare una quantità limitata di aria, che dipende dalle sue dimensioni. A tal problema, l'ingegner Alfred Buchi trovò la soluzione. Mediante l'implementazione del turbo, usò i gas di scarico del motore per alimentare il compressore il cui compito è quello di spingere all'interno del cilindro la maggior quantità di aria compressa possibile. Con più aria nel cilindro, è possibile bruciare una maggior quantità di combustibile, assicurando così maggiori prestazioni in termini di potenza e di capacità di accelerazione.
Come funziona un turbocompressore? (Animazione 3D)
In concreto, i gas che fuoriescono dalla camera di combustione e vengono convogliati dai collettori di scarico verso la turbina. Sotto la loro spinta, questa inizia a girare vorticosamente mettendo così in rotazione il compressore attraverso l'alberino che li collega. Girando, il compressore risucchia aria dall'esterno e la comprime.
A questo punto, l'aria compressa viene fatta passare attraverso uno speciale radiatore chiamato intercooler. Il compito dell'intercooler è quello di raffreddare l'aria calda proveniente dal compressore, poiché la compressione ne innalza la temperatura e l'aria calda è meno densa dell'aria fredda. L'intercooler, quindi, raffreddandola, ne aumenta la densità a parità di volume. L'aria fresca e densa entra quindi nei condotti di aspirazione e qui causa un aumento della pressione. La maggior quantità d'aria che perviene ai cilindri, associata a un proporzionale aumento del combustibile iniettato, crea i presupposti per un incremento delle prestazioni. Questo garantisce un aumento della coppia motrice e anche dell'aumento di potenza rispetto a un motore aspirato di pari cilindrata. Il nostro motore risulterà quindi essere più potente e anche più performante.
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 e una sempre maggiore potenza al propulsore. 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 Turbo Lag: Il Tallone d'Achille del Turbocompressore Classico
Nonostante i numerosi vantaggi in termini di potenza e efficienza, il turbocompressore tradizionale presenta un difetto non indifferente: il cosiddetto "turbo lag". Questo si manifesta come un ritardo che si registra tra la pressione dell'acceleratore e l'aumento della coppia del motore. Questo ritardo comporta dei regimi più bassi quando il flusso dei gas di scarico è più debole. In queste condizioni, la turbina del turbo è una sorta di ostacolo ai gas di scarico e affinché la turbina inizi a girare, nel condotto di scarico si deve raggiungere una pressione tale da permettere alla turbina di ruotare efficacemente. La scarsa prontezza nelle fasi iniziali dell'accelerazione, seguita da una repentina impennata della potenza, è stata una problematica a lungo lamentata.
Per non incorrere nel cosiddetto fenomeno della "detonazione" o addirittura nella rottura del motore stesso, non si può superare un determinato rapporto di compressione all'interno dei cilindri. Per questo motivo è presente una valvola, detta di wastegate, per eliminare i gas in eccesso e stabilizzare la pressione in un determinato range (sia quella di picco che quella di mantenimento).
Nei motori a benzina, inoltre, può essere presente una valvola, detta "pop-off" (anche detta blow-off, situata fra il turbocompressore e la valvola a farfalla): essa espelle l'aria compressa in rilascio. Il motivo della sua presenza è presto detto: quando si alza il piede dall'acceleratore il compressore continua a spingere l'aria per l'inerzia della girante ma la valvola a farfalla chiusa fa da barriera, spingendo l'aria compressa indietro verso la girante stessa e originando il cosiddetto "colpo d'ariete", una sovrappressione dannosa per il turbocompressore. 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.
La valvola pop-off può essere di due tipi:
- A sfiato interno (dette anche a "ricircolo", o a "by-pass"): sul lato di aspirazione del turbo, l'aria compressa in eccesso viene convogliata a monte del compressore, tramite un tubo (o manicotto) 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. In questo caso l'aria in eccesso viene semplicemente espulsa in aria libera da un'apposita apertura situata nella valvola, creando il tipico "sbuffo" quando si rilascia -in modo repentino- il pedale acceleratore.
Il colpo d'ariete compromette sia l'affidabilità del turbocompressore e, per altro verso, contribuisce a un aumento dell'effetto "turbo-lag" a causa del rallentamento della velocità del compressore costretto a "soffiare" contro la valvola a farfalla chiusa.
Tipologie di Turbocompressori: Evoluzione e Soluzioni al Turbo Lag
Per rendere più lineare e progressiva la curva di erogazione e mitigare il turbo lag, gli ingegneri hanno studiato vari rimedi, dando vita a diverse tipologie di turbocompressori.
Turbocompressore a Geometria Fissa
Questa è la tipologia base descritta finora, dove le palette della turbina hanno una configurazione statica. Il turbocompressore a geometria fissa funziona particolarmente bene agli alti regimi di rotazione mentre, fino ai 2000-3000 RPM, rappresenta solo uno svantaggio per via dell'inerzia della girante che rallenta i gas di scarico, inducendo una non trascurabile contropressione. Per limitare questo problema, i progettisti adottano turbocompressori di piccole dimensioni o più turbo con configurazione ben studiate per ottenere il massimo delle prestazioni.
Turbocompressore a Geometria Variabile (VNT - Variable Nozzle Turbine)
Una importante evoluzione del turbocompressore ha riguardato proprio il distributore. Concettualmente è identico al turbocompressore classico, ma la differenza più grande da quest'ultimo è insita nella girante motrice o di scarico. Nella girante della turbina sono montate delle palette che vengono movimentate da un attuatore, o comunemente chiamata anche valvola, che può essere elettrico, pneumatico o elettropneumatico, a sua volta comandato dalla centralina motore. Il suo compito è regolare la pressione di sovralimentazione nei vari regimi di marcia. Internamente, vi sono installate in forma circolare una serie di palette, quali a seconda della loro incidenza e posizione varia la pressione di sovralimentazione. 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.
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 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. Ai bassi regimi queste piccole alette sono inclinate in modo da ridurre la sezione di passaggio dei gas, che aumentano la loro velocità e assumono una direzione che accelera prima il regime della girante: è infatti meglio avere flussi di gas più piccoli ma meglio orientati invece di un getto grande ma dispersivo. 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.
Questa soluzione consente al turbocompressore di dare un contributo tangibile a livello di spinta già ai bassi regimi. Nello stesso tempo vengono limitate le doti di allungo, spesso poco in linea con lo spirito delle auto più comuni. In questo modo vengono anche ridotti i surriscaldamenti e i problemi di lubrificazione, a tutto vantaggio dell'affidabilità nel tempo. Ciò porta a una maggiore flessibilità e adattabilità di comportamento rispetto al "Turbo" a geometria fissa: una turbina a geometria variabile consente di ottenere la stessa bassa inerzia di una turbina di piccole dimensioni e la portata d'aria (quindi l'effetto di maggior riempimento volumetrico dei cilindri) di una turbina di maggiori dimensioni. Il campo di applicazione più vasto è quello dei TurboDiesel ad alte prestazioni.
Tipologie di Installazione Multi-Turbo (Multi-Turbo Systems)
Nei motori ad alte prestazioni c'è la tendenza a installare più turbocompressori di ridotte dimensioni anziché uno solo. Il sistema Twin Turbo, detto anche biturbo, utilizza due unità invece che un turbocompressore singolo. 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 turbolag e si ottiene un funzionamento più omogeneo, che si traduce in una risposta più rapida all'acceleratore. Il sistema turbocompressore può anche essere costituito da più turbocompressori organizzati in vario modo, oppure si può associare uno o più turbo a un compressore meccanico.
I sistemi a doppio turbo possono essere sequenziali o in parallelo.
Sistemi Sequenziali: Nel primo caso, 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, agli alti regimi in quello più grande. 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 storico di questa soluzione è la Lancia Delta S4 del 1985, il cui quattro cilindri con cilindrata 1759cc erogava, nella versione "stradale" ed in quella da rally, rispettivamente ben 250cv e 500cv (dichiarati, si parlava in realtà di circa 600 effettivi). Quest'unità utilizzava un sistema combinato in cui un compressore volumetrico ed un turbocompressore operavano in serie: ai bassi regimi era attivo il volumetrico, la cui azione diminuiva all'aumentare dei giri - ed alla corrispondente entrata in funzione del turbocompressore - per poi essere completamente "by-passato" ad alto numero di giri. Questa soluzione è stata ripresa -ad esempio- recentemente dal gruppo Audi-VW sulla Golf V equipaggiata con motore di cilindrata 1.400 in grado di sviluppare una potenza di ben 170cv, con un ottimo risultato in ambito di prestazioni e consumi.
Sistemi in Parallelo: In questo caso, i due turbocompressori lavorano contemporaneamente, ciascuno alimentando una parte dei cilindri del motore (ad esempio, un turbo per ogni bancata di un motore V6 o V8). Questa configurazione è tipica dei motori di alta cilindrata o ad alte prestazioni, dove l'obiettivo è massimizzare il flusso d'aria e la potenza.
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, migliorando ulteriormente la risposta ai bassi regimi rispetto a un turbo tradizionale.
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, fornendo una spinta immediata.
Un esempio avanzato di questa tecnologia si trova in Formula 1, dove i motori V6 turbo-hybrid implementano un sistema ibrido parallelo, in cui i due motori elettrici (MGU-K e MGU-H) lavorano per supportare il motore termico. L'MGU-H è un motore elettrico collegato alla turbina del turbo. Il suo compito è quello di far girare la turbina nelle fasi in cui i gas di scarico non assicurano abbastanza pressione per farla girare. Questo sistema permette ai piloti di formula 1 di non lamentare problemi di turbo-lag, offrendo immediata potenza erogabile.
Il Compressore Volumetrico: Un'Alternativa Storica
Il compressore volumetrico utilizza lo stesso principio di sovralimentazione, la differenza principale però è che la girante non è messa in funzione dai gas di scarico ma da una puleggia calettata sull'alberino della girante e collegata tramite cinghia a una delle pulegge che ruotano insieme al motore, come se fosse una puleggia della distribuzione, oppure può essere mossa da un motore elettrico. Il vantaggio in termini di potenza di quest'ultima soluzione è molto ridotto rispetto al turbocompressore, e la principale causa sta nel fatto che ruotando vincolata al motore (al contrario della girante del turbo che ruota liberamente) il numero di giri raggiungibile fa sì che non si possa arrivare ad elevate pressioni; tuttavia la estrema semplicità di installazione di questo tipo di sovralimentazione fa sì che vengano abbattuti tutti i problemi (e conseguentemente i costi) relativi all'installazione del turbo e la rende un'ottima alternativa qualora l'incremento di cavalli si voglia contenere entro l' 80-99% della potenza iniziale (questo nel caso di giranti molto grandi). Una soluzione molto più rara sta nell'utilizzare un compressore centrifugo con la girante mossa da un motorino elettrico. La particolarità di questa installazione risiede nel fatto che in generale si sfruttano trasmissioni meccaniche per l'azionamento di compressori volumetrici mentre quelli dinamici vengono azionati con i gas di scarico.
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 significativo e 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 a un malfunzionamento di una valvola di regolazione, a 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. È importante sottolineare che la diagnostica del veicolo potrebbe indicare "malfunzionamento del turbocompressore", ma la causa del problema è da ricercarsi altrove, poiché non ci sono sensori sulla turbina che possono segnalare un malfunzionamento della stessa.
Manutenzione e Prevenzione
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.
Prima di installare il nuovo turbocompressore è fondamentale verificare che l'olio arrivi correttamente alla turbina, effettuandone uno "spurgo" in questo modo:
- 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.
- Verificate 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.
- 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 ed eventuale rimozione di 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).
Se hai notato delle problematiche o dei sintomi che il tuo turbocompressore non sta funzionando al meglio, non puoi fare altro che portare la tua auto in un'officina specializzata. Trattandosi di tecnologia moderna, non tutti i meccanici sono già in grado di lavorare con questa tipologia di motore, quindi è consigliabile evitare assolutamente il fai da te e non cimentandoci noi stessi in riparazioni casalinghe ed evitare persone non qualificate ma con la passione per i motori. Affidati agli specialisti del settore, come la Griffo - CSG Service, sempre in costante aggiornamento nell'ambito dei turbocompressori, che collabora con numerosi Partner Produttori per la distribuzione e la rivendita dei propri prodotti.
tags: #spaccato #del #turbocompressore