Appassionati ed esperti sanno bene come funziona e a cosa serve il turbocompressore, ma chi si affaccia per la prima volta sul mondo dei motori può avere difficoltà a comprenderne i segreti. Questo articolo illustra in modo semplice tutto ciò che occorre sapere su questo componente fondamentale. FTS è da anni il punto di riferimento per chi cerca i migliori turbocompressori disponibili sul mercato e può aiutare a comprenderne meglio il funzionamento.
Che Cos'è il Turbocompressore
Quando si parla di turbo o turbocompressore si intende un sistema meccanico che ha lo scopo di fornire alimentazione extra al motore a combustione interna. In poche parole, grazie al turbocompressore si recupera parte dell’energia dei gas di scarico (prodotti dalla combustione del carburante) e la si utilizza per aumentare le prestazioni del motore. È un sistema virtuoso, che ottimizza la performance del veicolo utilizzando gli scarti del meccanismo di produzione dell’energia. Nei motori endotermici, il turbocompressore serve per sfruttare i sottoprodotti della combustione del carburante (gas di scarico) e ottenere prestazioni superiori. I motori diesel sono quasi sempre turbocompressi, mentre per le controparti a benzina si sta assistendo nel corso degli ultimi anni a un utilizzo sempre più diffuso di questa tecnologia.
Come Funziona il Turbocompressore
Per comprendere appieno come funziona il turbocompressore, vediamo prima come è fatto. La struttura di questo componente è composta da due parti: una turbina e un compressore. Il turbocompressore è costituito dall'accoppiamento tra una turbina centripeta (il lato "caldo" o lato di scarico del turbocompressore, dove vengono ricevuti i gas di scarico ad alta temperatura) e un compressore centrifugo (il lato "freddo" o lato di aspirazione, nel quale viene risucchiata l'aria da comprimere). 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.
La turbina (lato caldo) è posta all’interno di una chiocciola (generalmente in ghisa) e viene azionata dai gas di scarico che vengono convogliati verso di essa. La rotazione della turbina genera movimento in una struttura rotante analoga montata sul compressore (quest’ultima parte realizzata di norma in magnesio), in quanto turbina e compressore sono collegati tra loro attraverso un piccolo albero, lungo l’asse di rotazione.
Come funziona un turbocompressore? (Animazione 3D)
La turbina recupera i gas di scarico, li trasforma in energia cinetica, innesca il movimento rotatorio del compressore che comprime l’aria e la immette nel collettore di aspirazione, facendo confluire nel motore una maggiore quantità di aria. La girante del compressore, all'interno della sua struttura a chiocciola (quest'ultima costruita in lega di titanio o alluminio), è trascinata in rotazione dalla turbina, comprime l'aria e la immette, quindi, nel collettore d'aspirazione, fornendo 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. La camera di scoppio riceve una maggiore quantità di miscela aria-carburante, e in questo modo offre prestazioni superiori in termini di potenza e accelerazione.
Il turbocompressore utilizza l’energia cinetica dei gas di scarico per sovralimentare il motore. In concreto, i gas che escono dalla camera di scoppio sono indirizzati dai collettori di scarico verso la turbina. Sotto la loro spinta, questa inizia a girare vorticosamente mettendo così in rotazione il compressore. Girando, questo risucchia aria e la comprime. A questo punto l’aria compressa viene fatta passare attraverso uno speciale radiatore chiamato intercooler, che la raffredda. 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 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. 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.
Cenni Storici del Turbocompressore
Il primo turbocompressore della storia? Sulla carta quello ideato dall’ingegnere svizzero Alfred Büchi. Il brevetto fu depositato da Büchi il 16 novembre 1905. Dobbiamo attendere la fine della Prima guerra mondiale per assistere all’impiego dell’invenzione di Büchi in concreto. Fu General Electric a scegliere il turbocompressore per il motore Liberty V-12. Si trattava di un dispositivo aeronautico, con il primo gruppo di sovralimentazione di sempre.
Dal cielo, il turbocompressore si diffuse al mare. Nel 1920 la sovralimentazione passa da un impiego aereo a un utilizzo navale. I motori diesel di alcune grandi imbarcazioni iniziano a sfruttare questa tecnologia. Nei ruggenti anni ’20 anche i treni avranno modo di beneficiare del turbocompressore.
Gli anni ’50 videro una prima rivoluzione stradale, in Europa. I motori diesel dei camion iniziarono a ospitare sistemi di sovralimentazione.
Nel 1962 ecco la prima automobile di serie dotata di turbocompressore: la F-85 Jetfire V-8 Oldsmobile. Coprotagonista di questa rivoluzione fu un nome che poi sarebbe diventato quasi sinonimo di Turbo: Garrett. Fino ad allora principalmente noto per sistemi di sovralimentazione per l’industria aeronautica, il brand realizzò il turbocompressore per la F-85 Jetfire contribuendo di fatto alla nascita di un nuovo modo di intendere i motori endotermici. Il resto è storia.
Il Turbo Lag e Le Turbine a Geometria Variabile
Con la loro struttura, i turbocompressori hanno a lungo lamentato una scarsa prontezza nelle fasi iniziali dell’accelerazione, seguita da una repentina impennata della potenza. Questo fenomeno è noto come "turbo lag". Per rendere più lineare e progressiva la curva di erogazione gli ingegneri hanno studiato vari rimedi. Tra loro ci sono le turbine a geometria variabile.
Concettualmente, il turbo a geometria variabile 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 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. 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, limitando contemporaneamente le doti di allungo, spesso poco in linea con lo spirito delle auto più comuni. 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.
Valvole di Controllo nei Sistemi Turbocompressi
A regolarizzare il funzionamento dei turbocompressori provvedono anche specifiche valvole.
Valvola Wastegate
Le valvole wastegate sono valvole per lo sfogo dei gas di scarico. La wastegate serve a controllare la pressione di sovralimentazione, deviando parte dei gas di scarico dalla turbina quando la pressione raggiunge un certo livello. Questo evita un eccessivo aumento della velocità della turbina e del compressore, proteggendo il motore da danni e garantendo una erogazione di potenza più controllata.
Valvola Pop-off (o Blow-off)
Un'altra valvola importante è la valvola pop-off (anche detta blow-off), situata fra il turbocompressore e la valvola a farfalla. Questa valvola 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 (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, 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 compressa in eccesso viene rilasciata direttamente nell'atmosfera, producendo il caratteristico fischio udito in alcune auto sportive turbo.
Configurazioni Avanzate di Turbocompressori
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.
Sovralimentazione Sequenziale e Biturbo
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 tale approccio si è visto nell'unità che 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.
Twin Scroll Turbo
Sezione laterale di un Turbo 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. Questa configurazione ottimizza la pulsazione dei gas di scarico, riducendo le interferenze tra i cilindri e migliorando l'efficienza complessiva del turbocompressore, in particolare ai bassi regimi.
Benefici e Considerazioni Ambientali
L'adozione del turbocompressore ha portato significativi benefici in termini di prestazioni e efficienza. La capacità di recuperare energia dai gas di scarico non solo aumenta la potenza del motore, ma contribuisce anche a ridurre i consumi di carburante e le emissioni inquinanti. Un motore turbocompresso, a parità di cilindrata, può erogare una potenza superiore rispetto a un motore aspirato, permettendo ai costruttori di realizzare motori più piccoli (downsizing) che sono intrinsecamente più efficienti. Questo si traduce in una minore impronta carbonica e un impatto ambientale ridotto, aspetti sempre più rilevanti nell'industria automobilistica odierna.
La tecnologia del turbocompressore, in continua evoluzione con l'introduzione di sistemi come le turbine a geometria variabile e le configurazioni multi-turbo, continua a giocare un ruolo cruciale nello sviluppo di motori più potenti, efficienti e rispettosi dell'ambiente. L'ingegneria meccanica dietro a questi dispositivi è complessa e affascinante, rappresentando un esempio eccellente di come l'innovazione possa trasformare uno "scarto" in una risorsa preziosa per migliorare le performance.
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