Il turbocompressore, spesso abbreviato in "turbo", è una tecnologia quasi magica che ha trasformato i motori diesel, tradizionalmente considerati goffi, in unità potenti e ricche di coppia, e ha reso più sobri quelli a benzina. Questo sistema meccanico di sovralimentazione, noto anche come turbo-gruppo, sfrutta i gas di scarico per aumentare le prestazioni del motore a combustione interna. La sua funzione principale è quella di recuperare parte dell'energia residua dei gas di scarico e utilizzarla per comprimere più aria nel motore, massimizzando così le sue effettive prestazioni.
Principi Fondamentali del Turbocompressore
Il principio alla base del funzionamento di un motore a scoppio è la combustione della miscela aria-carburante, che è tanto più energetica quanto più ossigeno è disponibile nella camera di scoppio. Per aumentare il numero delle molecole di O2 disponibili a combinarsi con il carburante, si possono percorrere due strade principali: ridurre la temperatura dell’aria o aumentarne la pressione tramite un compressore. Il turbocompressore adotta la seconda soluzione, utilizzando un compressore azionato non direttamente dal motore, ma da una turbina mossa dai gas di scarico.
Componenti Principali e Loro Interazione
Come dice la parola stessa, il turbocompressore è formato principalmente da due componenti: la turbina e il compressore. Entrambi hanno la forma di giranti, sono dotati di palette e sono collegati tra loro da un alberino di acciaio forgiato che passa attraverso il “core assy”, il vero cuore del turbo.
La Turbina: È il lato "caldo" o lato di scarico del turbocompressore, dove vengono ricevuti i gas di scarico ad alta temperatura. È composta dalla girante della turbina e dal suo alloggiamento, a forma di chiocciola, realizzato in ghisa. La girante della turbina viene messa in rotazione sia dall’azione dei gas di scarico spinti fuori dai cilindri grazie ai pistoni, sia dalla combustione della miscela aria/benzina, che creano una pressione positiva fra la valvola di scarico e la turbina. Diciamo subito che i gas di scarico contengono ancora molta energia - si parla di diversi kW - data sia dal loro calore sia dalla pressione (la fase di espansione non riesce ad abbassare la loro pressione fino a quella atmosferica) ed essa viene raccolta dalla turbina, che la trasferisce alla girante del compressore tramite l'alberino.
Il Compressore: È il lato "freddo" o lato di aspirazione, nel quale viene risucchiata l'aria da comprimere. Anche il compressore è composto dalla girante del compressore e dal suo alloggiamento. La girante del compressore è composta da una lega leggera che permette di ridurre la resistenza all’accelerazione cercando di avere l’effetto opposto del volano. La sua funzione è quella di comprimere l’aria e di immetterla nel collettore di aspirazione, fornendo ai cilindri un volume d’aria maggiore di quanto ne potrebbero aspirare nella medesima unità di tempo un motore aspirato. La modalità di azione del compressore è inversa rispetto a quella della turbina.
Il Processo di Sovralimentazione
Il funzionamento del turbocompressore inizia con i gas che fuoriescono dalla camera di combustione, i quali sono convogliati dai condotti di scarico verso la turbina. La turbina inizia a girare mettendo in movimento il compressore che risucchia aria e la comprime. L’aria compressa passa dapprima attraverso un radiatore chiamato intercooler, che provvede a raffreddarla, aumentandone la densità a parità di volume. Successivamente, confluisce nei condotti di aspirazione, nei quali 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. Questo significa che, con l'aumento di aria, è disponibile una quantità maggiore di carburante rispetto a un motore ad aspirazione naturale di pari dimensioni. Di conseguenza, questo fornisce maggiore energia meccanica e un generale miglioramento nel processo di combustione. 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 viene installato sul motore montando il lato caldo sui collettori di scarico che, per concentrare il flusso, possono essere ad esempio, del tipo 4 in 1 oppure 4 2 1. Questa dicitura indica il modo in cui i collettori sono stati realizzati ed in particolar modo, l’evoluzione delle curve. Il turbo viene utilizzato nei motori con sistemi a iniezione e nella maggior parte dei sistemi a carburatori, e il vantaggio è quello di limitare le dispersioni di carburante lungo le pareti dell'impianto di alimentazione.
Il Turbocompressore: Come Funziona il Motore Turbo!
Il "Turbo Lag" e le Soluzioni
Il principale difetto del turbo è il ritardo che si registra fra la pressione dell’acceleratore e l’aumento di coppia del motore, che si determina soprattutto ai regimi più bassi, quando il flusso dei gas di scarico è più debole. Questo fenomeno è definito con il termine turbo lag, una risposta iniziale più lenta del motore, seguita da un notevole aumento delle prestazioni. Un piccolo fattore di rotazione crea una spinta dei gas di scarico che impedisce alla turbina di ruotare a una certa velocità.
Per rendere più rapida la risposta e mitigare il turbo lag, sono state studiate diverse soluzioni:
Turbine a Geometria Variabile
Per rendere più rapida la risposta, sono state studiate delle turbine a geometria variabile, le quali modificano la sezione di passaggio dei gas tramite alette mobili. 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. 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.
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. All’aumentare dei giri motore, i gas di scarico acquisiscono velocità facendo aumentare significativamente i giri del rotore il quale garantisce una maggior compressione dell’aria in ingresso al motore. Ciò a sua volta permetterà di erogare più potenza sin dai bassi regimi in quanto sarà maggiore la quantità di carburante che il sistema di alimentazione potrà fornire al propulsore grazie all’incremento di ossigeno immesso nei cilindri. Questo effetto negativo, nel caso dei turbocompressori a geometria variabile, è molto limitato: infatti all’aumentare dei giri motore (e quindi del flusso dei gas di scarico), l’incidenza delle palette mobili varia. La sezione di passaggio dei gas di scarico aumenta con l’effetto sia di “modulare” la velocità di rotazione della turbina (evitandone il fuorigiri) sia per permettere un più efficace deflusso dei gas di scarico che garantisce bassi valori di contropressione nel collettore di scarico.
I vantaggi così ottenuti sono molteplici: ridotto consumo di carburante e aumento del rendimento del motore lungo tutto l’arco di regime di funzionamento. Per ottenere i vantaggi elencati è importante che la regolazione della geometria variabile sia molto precisa: in caso contrario il funzionamento del motore non sarebbe regolare e potrebbe provocare una rottura precoce del turbocompressore che opererebbe in condizioni di over-speed. È quindi determinante che l’elettronica di gestione del motore monitori con efficacia la posizione assunta dalla geometria variabile.
Valvole Wastegate
Per evitare che il turbocompressore raggiunga un numero di giri eccessivo o una pressione di sovralimentazione dannosa, vengono utilizzate valvole speciali, come le valvole wastegate, che aiutano effettivamente a regolare la compressione. Il ruolo di questa valvola è quello di ridurre o eliminare completamente il gas in eccesso in modo da non rilevare un’eccessiva rotazione della stessa turbina. In sostanza, una volta raggiunta una certa pressione, la valvola wastegate convoglia i gas di scarico direttamente nel collettore di scarico, evitando aumenti di giri e di giri. 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, 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.
Valvole Pop-Off (Blow-Off)
Nei motori a benzina, dato che sono provvisti di valvola a farfalla, può essere presente una valvola, detta “pop-off” (anche detta blow-off), posizionata fra il compressore e la farfalla. Questa valvola espelle l’aria compressa in rilascio. 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.
Le valvole pop-off possono essere a sfiato interno (dette anche a "ricircolo", o a "by-pass"), dove l'aria compressa in eccesso viene convogliata a monte del compressore, o a sfiato esterno (o sfiato libero), dove l'aria viene rilasciata nell'ambiente.
Turbine Elettriche
La moderna tecnologia ha prodotto compressori alimentati da motori elettrici. Ciò consente di aumentare il volume dell’aria aspirata al di sopra della velocità del motore, eliminando così la risposta lenta tipica dei motori turbocompressi. La soluzione standard era di esporlo ai gas di scarico per attivare il turbocompressore. La quantità di aria pompata nel cilindro è strettamente correlata alla velocità del motore. Man mano che viene richiesta maggiore potenza al veicolo, e quindi al motore, la massa d’aria, la quantità di aria che deve essere bruciata con benzina o gasolio, aumenta all’aumentare della velocità del motore, provocando reazioni diverse in termini di potenza del motore ed emissioni. Ciò ha creato la necessità di poter aumentare o diminuire la quantità di aria disponibile indipendentemente dal motore. Le turbine elettriche possono anche ridurre le emissioni di particolato dei motori diesel. Perché con l’aumento delle prestazioni, il volume d’aria non può essere aumentato senza una valvola a farfalla, solo arricchendo la miscela aria-diesel. È solo in un secondo momento che l’aumento della velocità del motore consentirà al turbo di aumentare comunque il flusso d’aria e di bruciare correttamente la miscela, rilasciando solo molti inquinanti nell’aria. Controllando il compressore e il volume d’aria, è possibile ridurre il tempo dalla velocità minima alla velocità massima. Infatti, è stato testato su motori diesel e ha mostrato il potenziale per ridurre le emissioni.
Tipologie di Turbocompressori
Esistono diverse configurazioni di turbocompressori, ognuna con le proprie peculiarità e vantaggi.
Single Scroll
Le turbine a geometria fissa sono quelle che abbiamo descritto prima e fanno sì che turbina e compressore mantengano fisso il volume d’aria. Un turbocompressore single scroll lavora con un unico flusso a pressione costante. Il principale vantaggio della geometria variabile rispetto a quella fissa è la riduzione del turbo lag che ha migliorato la linearità di funzionamento del motore sovralimentato rispetto, ad esempio, a quanto si poteva riscontrare nei primi motori diesel turbocompressi. Il turbo lag consiste nel ritardo della risposta della turbina ed è derivante dal fatto che il motore a bassi regimi offre un flusso limitato di gas di scarico che non permette alla turbina fissa di trasferire una sufficiente rotazione al rotore, impedendo al compressore di offrire al motore le pressioni utili per un concreto aumento dei valori di coppia e potenza.
Con i vecchi turbocompressori a geometria fissa si otteneva la situazione opposta: una grossa massa di gas di scarico in ingresso alla turbina produceva elevate contropressioni nello scarico con l’effetto di complicare l’espulsione di questi ultimi, incrementando quindi la temperatura degli stessi gas con l’effettiva riduzione del rendimento del motore.
Twin Scroll
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.
Ma cosa vuol dire questo? Vuol dire pulire il flusso dei gas di scarico in uscita dai cilindri, riducendo la contropressione nei collettori in quanto le fasi di scoppio di un 4 cilindri in alcuni istanti con i collettori 4 in 1 potrebbero ostacolare la velocità dei flussi aumentando contropressione e temperature. In questo modo i gas di scarico arrivano molto più velocemente alla girante lato caldo senza disturbi ma non è tutto qui, ci son ulteriori vantaggi. In questo modo i flussi provenienti da ogni singolo cilindro saranno ben distinti l’uno dall’altro evitando che le loro pulsazioni possano ostacolarsi a vicenda. Per farvi un esempio, in un motore 4 cilindri con ordine di scoppio 1-3-4-2 si raggruppano i collettori 1 con 4 e 2 con 3 cercando di utilizzare collettori di uguale lunghezza così da non generare diverse perdite di carico a causa della diversa lunghezza degli stessi collettori. In sostanza quindi i twin scroll lavorano con più flussi sfruttando la teoria degli impulsi già molto utile nella gestione della carica nel cilindro. Il risultato è un turbo estremamente pronto ed in grado di eliminare i problemi di efficienza che affliggono i turbo single scroll ai bassi regimi e ai carichi elevati. Ulteriore vantaggio dei twin scroll è l'adozione di collettori di immissione differenti, quindi oltre ad avere flussi più puliti possiamo avere flussi direzionati in maniera differente cercando di creare l'effetto dei turbo a geometria variabile.
Biturbo e Sovralimentazione Sequenziale
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. Tale unità utilizzava un sistema di sovralimentazione in cui un compressore volumetrico e un turbocompressore operavano in serie. Il compressore volumetrico partiva subito fin dal regime di minimo, e la sua azione di pompaggio dell'aria (il compressore era di tipo volumetrico a lobi) aumentava proporzionalmente con i giri 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.
Differenze tra Motore Diesel e Benzina con Turbocompressore
La differenza principale tra un motore diesel con turbocompressore e un motore a benzina aspirato è che l'aria in entrata nel motore diesel viene compressa prima che sia immesso il carburante. Il compito del turbocompressore è comprimere più aria diretta al cilindro del motore. Quando l'aria è compressa, le molecole d'ossigeno si avvicinano. Con l'aumento di aria è disponibile una quantità maggiore di carburante rispetto a un motore ad aspirazione naturale di pari dimensioni. Di conseguenza, questo fornisce maggiore energia meccanica e un generale miglioramento nel processo di combustione.
Nei motori turbo non patiscono i cambi di pressione atmosferica poiché vengono tarati attraverso dei sensori di pressione conosciuti come “wastegate” che lavorano costantemente sui valori prefissati. Su vetture stradali si parla in media di valori variabili tra 0.5 bar e 1 bar di pressione positiva mentre su vetture da corsa si possono raggiungere pressioni decisamente più elevate. Basti pensare che le auto da corsa degli anni '80 arrivavano a pressioni vicine ai 3 bar, tutto ovviamente a discapito dell’affidabilità, ma giustamente se si è in gara è più importante il risultato della conservazione.
Manutenzione e Durata del Turbocompressore
Una cosa a cui dovresti stare attento è aderire ai limiti. In caso contrario, si rischiano gravi danni al motore e problemi di detonazione. La valvola wastegate è un componente fondamentale per un turbo-compressore. Quest’ultimo, ricevendo tantissima energia cinetica dai gas di scarico, al raggiungimento della pressione di esercizio prefissata dal costruttore deve fermarsi per non superare tale limite onde evitare rotture indesiderate.
Il Turbocompressore: Come Funziona il Motore Turbo!
È importante monitorare regolarmente il funzionamento del turbocompressore e del motore in generale per prevenire guasti. Ad esempio, è fondamentale prestare attenzione a rumori anomali o cali di prestazione, che potrebbero indicare problemi al turbo. Un'adeguata lubrificazione è essenziale per la lunga durata del turbocompressore, dato che l'alberino che collega turbina e compressore ruota a velocità elevatissime e in un ambiente ad alta temperatura. L'olio motore deve essere di qualità e sostituito regolarmente secondo le indicazioni del costruttore.
Inoltre, un'intercooler pulito e in buono stato è cruciale per mantenere l'efficienza del turbocompressore, in quanto garantisce che l'aria compressa sia adeguatamente raffreddata prima di entrare nel motore. Questo non solo migliora le prestazioni ma contribuisce anche a ridurre lo stress termico sul motore. Infine, la verifica periodica dei collettori di scarico e di aspirazione è importante per assicurare che non ci siano perdite o ostruzioni che possano compromettere il flusso dei gas e dell'aria, influenzando negativamente il funzionamento del turbocompressore e, di conseguenza, l'efficienza complessiva del motore.
tags: #turbocompressore #motore #dci