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  Turbocompressore  
     
 

Cos'è il turbocompressore

E' un dispositivo costituito dall'abbinamento di un compressore centrifugo e di una turbina a gas di scarico, entrambi fissati a un carter centrale. Viene impiegato per sovralimentare il motore "gratis", ovverosia sfruttando energia contenuta nei gas di scarico (si viene ad avere solo una limitata contropressione allo scarico). Per avere una inerzia limitata (ed assicurare cosi una risposta pronta) i turbocompressori hanno le giranti di dimensioni molto ridotte. Un albero che attraversa il carter centrale per tutta la lunghezza e che e' supportato da due cuscinetti lubrificati e raffreddati da olio in pressione (proveniente dal sistema di lubrificazione del motore) provvede a collegare direttamente la girante della turbina a quella del compressore. I turbocompressori presentano alcune caratteristiche che li rendono molto adatti ad essere impiegati in campo automobilistico (ridotte dimensioni, peso limitato, grande libertà di posizionamento, dato che il collegamento al motore e' solo fluidodinamico, ovverosia viene effettuato per mezzo di tubazioni, e non di tipo meccanico).Il turbocompressore, spesso abbreviato in turbo, è un organo meccanico il cui scopo è quello di sovralimentare un motore endotermico. Talora noto come turbogruppo, per l'integrazione tra turbina e compressore vero e proprio, costituisce il metodo più diffuso per incrementare l'alimentazione dei motori, in particolare quelli di autotrazione.

 
     
 

Cos'è la sovralimentazione

La sovralimetazione consiste nell'introdurre nei cilindri una quantità di aria superiore a quella normalmente aspirata. In un motore aspirato la quantità di aria immessa nei cilindri è limitata dal valore della depressione che si genera in fase di aspirazione, tale limitazione può essere superata comprimendo l'aria aspirata tramite un compressore (volumetrico o a turbina).
L'aria aspirata dopo essere stata compressa raggiunge temperature elevatissime, e per evitare il pericolo di autoaccensione della miscela aria-benzina viene ridotto il rapporto di compressione.
Al fine di introdurre la maggior quantità di aria nella camera di scoppio è necessario raffreddarla, ciò avviene tramite uno scambiatore di calore, comunemente detto intercooler.
Il turbocompressore è costituito da una turbina (da 50.000 a 150.000 giri minuto) inserita sul collettore di scarico e collegata tramite un asse ad un compressore inserito nel collettore di aspirazione.
Alla maggior quantità di aria immessa nel cilindro corrisponde una maggior quantità di carburante iniettata nel medesimo al fine di mantenere sempre lo stesso rapporto di aria e benzina nella miscela, aumentando quindi la spinta sul pistone nella fase di scoppio ed incrementando di conseguenza la potenza erogata a parità di cilindrata.
Come funziona un turbocompressore: i gas di scarico espulsi dal cilindro fanno ruotare la girante all'interno della turbina, che essendo collegata direttamente alla ventola posta nel compressore, permette a quest'ultima di comprimere l'aria da immettere nella camera di scoppio.
La valvola waste-gate regola il flusso dei gas di scarico; quando la pressione nel collettore di scarico è troppo elevata la valvola si apre, permettendo di diminuire la pressione che mette in movimento la girante nella turbina, di conseguenza il regime di rotazione del complesso ventola-girante si stabilizzerà su valori di sicurezza.
Quando è richiesta una forte accelerazione la valvola waste-gate rimane chiusa, permettendo ai gas di scarico di raggiungere una pressione molto elevata, al fine di garantire un istantaneo aumento del regime di rotazione della girante, garantendo un brusco incremento della potenza erogata dal motore.
I motori turbo a parità di cilindrata offrono valori di potenza superiori anche del 50% rispetto ad un motore aspirato, ma l'erogazione della potenza è talmente brutale che oggi si preferisce tararli su valori di pressione più bassi o adottare un compressore volumetrico, che raggiunge una potenza decisamente inferiore, ma rende il motore più progressivo nell'erogazione.
Se però sono richieste accelerazioni istantanee il turbo ad alta pressione è d'obbligo.

 
     
 

La valvola waste-gate

Il meccanismo che effettua questa operazione non e' altro che una valvola chiamata waste-gate che, posta in prossimità della turbina possa, aprendosi, far defluire i gas evitando che la investano.
La waste-gate e' come ho detto una valvola e per il suo azionamento si usa un polmoncino a comando pneumatico collegato con un tubicino allo scarico del compressore dove si ha la pressione di sovralimentazione,e' visibile nella foto sopra con il nome "sensore della waste-gate".
L'azionamento della waste-gate avviene tramite una astina che la collega al su detto polmoncino.
Questa astina ha una corsa che permette di avere delle aperture della waste-gate di tipo progressive e direttamente proporzionali alla pressione di sovralimentazione.
Il movimento dell'astina però, e' vincolato da una molla che e' contenuta nel polmoncino cosi che perchè si sposti e' necessario che la pressione di sovralimentazione sia tale da vincere il carico della molla.
Da questo si capisce che e' il tipo di molla (o meglio il suo precarico) a definire la massima pressione di sovralimentazione.
In genere i turbocompressore installati nelle motorizzazioni destinate alle auto sono dotate di wastegate integrata,ma esistono altre applicazioni in cui essa e' un componente a parte (tipicamente nei motori impiegati nelle competizioni) ed in altre ancora e' addirittura assente.
Esiste poi un'altra classe di turbocompressori privi della waste-gate ma dotati di un sistema a geometria variabile per l'orientamento dei gas di scarico, in questo caso e' proprio la geometria variabile a determinare l'entità della sovralimentazione; questi turbocompressore sono caratterizzati da un campo di funzionamento più ampio e da un turbo-lag ridotto.
Un motore dotato di turbocompressore è capace di ingurgitare più aria di quanto la sua volumetria gli consentirebbe in condizioni di aspirato, cosi che il suo rendimento volumetrico supera  e alle volte anche abbondantemente il 100%, ecco perchè è facile imbattersi in motori che pur essendo di piccola cubatura esprimono grandi potenze pur senza raggiungere regimi di rotazione elevati.
L'uso del turbocompressore però comporta una erogazione della coppia del motore particolare, infatti se il volume dei gas di scarico e'  (ad esempio a basso numero di giri) insufficiente, il motore si comporta come un aspirato (e anche peggio).
Il motore turbo ha tre  condizioni di funzionamento : aspirato,di transizione e sovralimentato.

Quello di transizione e' caratterizzato dal brusco passaggio fra i gli altri due stati riperquotendosi sulla potenza erogata dal motore che vedrà in un ristretto arco di giri aumentata anche del 100%. Inoltre durante questo stato di transizione e' particolarmente evidente quel fenomeno chiamato turbo-lag che non e' altro che il tempo di risposta del motore o della turbina ai comandi dell'acceleratore.
 
 
     
 

Intercooler

L'intercooler e' un radiatore dell'aria applicato alla condotta di sovralimentazione; per comprenderne la necessità è necessario sapere che durante la sovralimentazione l'aria subisce un surriscaldamento e che questa surriscaldandosi si dilata aumentando la pressione.
Il risultato di questo surriscaldamento e' che l'aria  ha una minore densità e quindi un minore contenuto di ossigeno rispetto a quella a temperatura ambiente, inoltre a causa della sua temperatura può innescare fenomeni di detonazione e preaccensione nel motore.
Per riportare l'aria a temperature più basse si fa uso dell'intercooler che e' strutturalmente analogo al radiatore dell'acqua se non fosse altro per le dimensione dei condotti.
A titolo di esempio se si monta un intercooler ad un motore che ne e' privo, e' facile ottenere aumenti di potenza anche del 30% a pari condizioni.

 
     
 

Pop-off

La pop-off e' una valvola a controllo pneumatico che permette l'evaquazione dell'aria sovralimentata dalle condotte di sovralimentazione.
Il suo scopo e' quello di evitare danni alla girante del compressore quando si richiedono le massime prestazioni al motore.
La sua necessità è dovuta dall'onda di pressione che in sua assenza investirebbe il compressore ogni qualvolta si rilasci l'acceleratore.
Qui affianco si può vedere una pop-off a scarico interno, ma ne esistono pure a scarico esterno che sono caratterizzate per l'assenza del tubo di scarico aria.
Il comando di questa valvola e' effettuato dal tubicino che si vede nella parte più alta della pop-off che va a collegarsi al collettore di aspirazione a valle della valvola a farfalla.
Quando si rilascia l'acceleratore la pressione all'interno del collettore cala bruscamente,e solo a questo punto la valvola si apre permettendo la fuoriuscita dell'aria.
Le pop-off a scarico interno hanno al caratteristica di poter essere collegate all'ingresso del compressore permettendo il mantenimento di elevati regimi di rotazione del turbocompressore per una limitazione del turbolag.

 
     
 

Overboost

L'overboost e' una condizione particolare della sovralimentazione, e' il momento in cui la pressione di sovralimentazione raggiunge il sua apice prima di ridiscendere ai valori definiti dalla waste-gate.
Il dispositivo che lo permette si chiama overbooster, infatti in sua assenza la pressione del turbo sarebbe definita dalla taratura della waste-gate e, soprattutto, sarebbe costante.
L'overbooster e' costituito da una parte elettromeccanica ed una elettronica.
Quella elettronica può essere integrata nella centralina elettronica del veicolo oppure esterna come nel caso di applicazioni particolari o di elaborazioni.
Un'elettrovalvola comandata dal modulo di gestione della sovralimentazione spesso chiamata pierburg non fa altro che intercettare la pressione che pilota il trasduttore della wastegate.
L'appropriato comando della pierburg permette un controllo lineare della pressione di sovralimentazione tramite un treno di impulsi di durata variabile.
L'overboost e' il modo più intelligente per sfruttare il turbocompressore che dal canto suo non può ruotare a qualsiasi regime senza distruggersi.
Con l'overboost non si fa altro che mantenere il turbocompressore all'interno del suo campo ottimale di funzionamento compatibilmente con la massima pressione di sovralimentazione.
Va da se che si possono avere pressioni del turbo di 1.5 bar in overboost e pressioni costanti di 0.8bar senza compromettere l'affidabilità di questo gioiello.
Oramai quasi tutte le auto di nuova generazione sfruttano questo meccanismo per le massime prestazioni e la massima affidabilità.

 
     
 

Posizione

A seconda della posizione rispetto all'organo che miscela il combustibile al comburente (carburatore o iniettore), il turbogruppo viene chiamato turbocompressore (se la compressione avviene prima) oppure turboaspirato (se avviene dopo). Il primo è il più comune, utilizzato nei sistemi ad iniezione e nella maggior parte di quelli a carburatori, e il vantaggio è limitare le dispersioni di combustibile lungo le pareti dell'impianto d'alimentazione. In alcuni casi (come sulla Renault 5 Alpine Turbo), il sistema è turboaspirato a carburatori, questo per far lavorare il carburatore come su un motore aspirato, facilitando la messa a punto.
 
     
 
Struttura

Esso è composto da una girante turbina che viene messa in rotazione dai gas di scarico e da una girante compressore, generalmente in lega di magnesio, collegata alla turbina mediante un piccolo albero. Il compressore, trascinato 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. Si tratta di un complesso altamente efficiente in quanto utilizza l'energia residua dei gas di scarico per azionare la turbina e quindi il compressore.
 
     
 
Caratteristiche

In questo modo è possibile immettere nella camera di scoppio anche un maggior quantitativo di carburante, assicurando così una maggiore potenza. 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. La girante normalmente supera i 180.000 giri/min. Il turbocompressore funziona particolarmente bene agli alti regimi di rotazione mentre fino ai 2000-3000 RPM rappresenta quasi sempre uno svantaggio per via dell'inerzia della girante che rallenta i gas di scarico, anche se questa considerazione è valida soprattutto per sistemi turbo proporzionalmente grandi, mentre questo problema non si verifica con sistemi più piccoli i quali però hanno meno capacità sovralimentante. Nei motori ad alte prestazioni c'è quindi la tendenza a installare più turbocompressori di ridotte dimensioni anziché uno solo.

 
     
  Accorgimenti

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 e per questo motivo si usano più valvole:

  • Waste-gate, per eliminare i gas in eccesso che azionerebbero eccessivamente la turbina evitando problemi d'affidabilità.
  • pop-off (situata fra il turbocompressore e la valvola a farfalla) provvede ad aprirsi totalmente in fase di rilascio del gas quando, pur essendo la farfalla totalmente chiusa, la turbina continua a ruotare per effetto dell'inerzia comprimendo l'aria che tuttavia non viene immessa nei cilindri ed evitando il cosiddetto "colpo d'ariete".

Queste valvole possono essere di due tipi:

  • A sfiato interno (detta anche a ricircolo o a By-pass) nel caso della pop-off l'aria in eccesso viene convogliata a monte del compressore, tramite un tubicino situato nella valvola stessa, che riesegue tutto il ciclo, mentre nel caso della wastegate l'aria in eccesso viene convogliata a valle della turbina, tramite un condotto situato nella valvola stessa, che la fa scaricare direttamente sul fondo dell'impianto di scarico.
  • A sfiato esterno (o sfiato libero) e in questo caso l'aria in eccesso viene semplicemente espulsa da un apposito ugello situato nella valvola, creando il tipico sbuffo.

Altro metodo consiste nel montare un sistema ad iniezione d'acqua.

 
     
  Sistemi combinati

Il sistema turbocompressore può essere gestito in vari modi

 
     
 
Turbocompressore e compressore volumetrico

In tema di turbocompressore e di compressore volumetrico, vale la pena dedicare due righe alla Lancia Delta S4 del 1985, il cui quattro cilindri con cilindrata 1759cc erogava, nella versione "stradale" ed in quella da rally rispettivamente ben 250 CV e 500 CV (dichiarati, si parlava di 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 recentemente dal gruppo Audi-VW sulla Golf V, per esempio, di cilindrata 1.400 e con una potenza di ben 180 CV (sulla nuova Polo GTI) con un ottimo risultato in ambito di prestazioni e consumi.

 
     
  Multi-turbo

Il multi turbo è un sistema turbocompresso, che utilizza due o più unità invece che la soluzione singola; queste unità possono essere collegate in due modi:

 
     
 

1. Sequenziale

Questo sistema utilizza delle diverse unità con caratteristiche diverse, per alimentare il motore nelle diverse situazioni.
Generalmente si utilizza un sistema doppio, dove c'è una turbina piccola, che ha una risposta veloce e una ridotta pressione d'uscita, mentre l'altra è di grandi dimensioni, con una risposta lenta, ma con un'elevata pressione d'uscita.
Queste unità vengono utilizzate in momenti diversi, l'intero funzionamento si può dividere in tre passi:

  • Bassi regimi, in questa situazione i gas di scarico vengono convogliati tutti sulla turbina più piccola, nel passaggio ai medi regimi una parte dei gas di scarico viene convogliata alla turbina più grande
  • Medio regimi, in questa situazione i gas di scarico vengono convogliati su entrambe le turbine, nel passaggio ai alti regimi i gas di scarico vengono convogliati principalmente alla turbina più grande.
  • Alti regimi, in questa situazione i gas di scarico vengono convogliati tutti sulla turbina più grande

Questa procedura permette d'avere un funzionamento più lineare del sistema di sovralimentazione con una risposta più rapida al comando del gas, come contro questo risulta un sistema molto costoso e complesso da mettere a punto.

 
     
 
2. Parallelo

Questo sistema convoglia i gas di scarico proveniente dal motore in parti uguali sui vari sistemi turbo, che in questo caso sono identici e che alimentano parti uguali e distinte del motore o possono funzionare in modo diverso a seconda del regime.

Nell'esempio di un sistema a doppio turbo, questi ricevono rispettivamente la parte di gas proveniente da una metà del motore ed alimentano una metà del motore.
Mentre nei sistemi più sofisticati le diverse turbine vengono utilizzate in modo diverso a seconda del regime, facendo funzionare più turbine in parallelo all'aumentare del regime del motore.
Questo sistema permette di ridurre il ritardo di risposta del sistema, inoltre permette un funzionamento del motore anche con una turbina danneggiata, come contro ha un costo superiore.

 
     
 
Turbocompressore a geometria variabile

 Concettualmente identico al turbocompressore, la differenza più grande da questo è insita nella girante motrice o di scarico. Essa infatti è circondata da palette mobili il cui movimento, controllato dalla centralina elettronica, determina la variazione dell'angolo d'incidenza dei gas di scarico con le palette della girante motrice stessa. In funzione del regime di rotazione, queste vengono chiuse o aperte per favorire la velocità o la portata a seconda dei regimi stessi. Ciò porta ad una maggiore flessibilità e adattabilità di comportamento rispetto al "Turbo" a chiocciola 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 potenza) di una turbina di maggiori dimensioni. Il campo di applicazione più vasto è quello dei TurboDiesel ad alta pressione di iniezione come Common Rail e iniettore pompa.

 
   
     
     
     
 
 
 
     
 
     
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