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Turbocompressore per motore auto

In Motori
8 feb, 2014

Un turbo è un compressore che si utilizza per l’induzione forzata di un motore a combustione interna, sostanzialmente è un tipo di sovralimentatore che aumenta la quantità d’aria che entra nel motore, per ottenere una potenza maggiore. Solitamente è alimentato da una turbina messa in rotazione dai gas di scarico del motore, piuttosto che da una spinta meccanica. Ciò gli consente di raggiungere un livello di efficienza superiore rispetto ad altri modelli a induzione forzata.

Turbocompressore

Caratteristiche

I primi turbo vennero indicati dai loro produttori con il termine di “turbosupercompressori”. Un supercompressore è un compressore ad aria usato per l’induzione forzata di un motore. Aggiungendo una turbina a un supercompressore si ottiene un “turbosupercompressore”, comunemente abbreviato in turbo. Talvolta si crea confusione, poiché il termine “turbosupercompressore” può essere utilizzato per riferirsi a un motore che combina un supercompressore con albero a gomiti e un turbo che sfrutta i gas di scarico, sistema spesso indicato con il termine twincharging. Alcune compagnie come Teledyne Continental Motors utilizzano ancora il termine turbosupercompressore con il suo significato originale.

Un turbocompressore è costituito da una piccola turbina azionata dall’energia dei gas di scarico e da un compressore vero e proprio, collegato alla turbina mediante un albero. La turbina converte l’energia e la pressione dei gas di scarico in energia rotazionale, utilizzata a sua volta per azionare il compressore. Il compressore pompa una maggiore quantità di aria ambientale nel collettore a una pressione maggiore, immettendo un volume d’aria maggiore nei cilindri.
Lo scopo di un turbocompressore è lo stesso di un sovralimentatore: migliorare l’efficienza volumetrica del motore risolvendo uno dei suoi limiti fondamentali. In un motore ad aspirazione naturale la discesa dei pistoni crea una bassa pressione che permette di aspirare aria nei cilindri attraverso le valvole di aspirazione. La pressione atmosferica non supera 1 atm, perciò c’è un limite alla differenza pressoria con le valvole di aspirazione e di conseguenza alla quantità d’aria che può entrare nella camera di combustione. Dal momento che il turbocompressore aumenta la pressione nel punto in cui l’aria entra nel cilindro, verrà forzata all’interno una maggiore massa d’aria (e quindi di ossigeno) mano a mano che la pressione nel collettore d’aspirazione aumenta.
L’aumento del flusso d’aria rende possibile mantenere costanti nella camera di combustione la pressione e il rapporto carburante / aria anche ad alti regimi di rotazione, aumentando la potenza e il momento torcente del motore.
Per evitare la detonazione e un danno al motore, la pressione nei cilindri non deve aumentare troppo; per evitarlo è necessario controllare la pressione facendo fuoriuscire il gas in eccesso.
La funzione di controllo viene eseguita dalla wastegate, una valvola di pressione massima che allontana il flusso in eccesso dalla turbina, regolando la pressione nel collettore di aspirazione.

Struttura

Il turbocompressore è costituito da alcune componenti principali: la turbina (quasi sempre una turbina radiale) e il girante/compressore sono contenuti ciascuno nel proprio alloggiamento a chiocciola con al centro il terzo componente, il corpo centrale della turbina (CHRA). Gli alloggiamenti intorno al compressore e alla turbina raccolgono e indirizzano il flusso di gas attraverso le palette tramite la loro rotazione. Forma e dimensioni dei componenti possono determinare cambiamenti nella performance del turbocompressore. Spesso con lo stesso modello base di turbocompressore è possibile fare scelte diverse per quanto riguarda gli alloggiamenti della turbina, e talvolta del compressore.

Questo permette al progettista del motore di fare compromessi per quanto riguarda performance, risposta ed efficienza. I modelli twin-scroll hanno due ingressi a valvole per i gas di scarico, uno più piccolo e dall’angolazione più stretta per una risposta veloce, e uno più grande e meno angolato per performance di picco. Le dimensioni delle palette della turbina e del girante condizionano anche la quantità di aria che può essere immessa attraverso il sistema e la loro efficienza relativa. In genere, più grandi sono il compressore e la turbina, maggiore sarà il flusso dell’aria.
Dimensioni e forme possono variare, e così l’angolazione e la conformazione delle palette. Dallo sviluppo di queste idee sono nati i turbocompressori a geometria variabile.

Il corpo centrale della turbina (CHRA) contiene l’albero che collega il compressore alla turbina. Alloggia anche un sistema di supporto che permette all’albero di ruotare a una velocità molto alta generando un attrito minimo. Ad esempio, nelle applicazioni automobilistiche il corpo centrale della turbina utilizza tipicamente un sistema di cuscinetti fluttuanti lubrificati da olio sotto pressione proveniente dal motore. La temperatura del corpo centrale della turbina può essere raffreddata attraverso la circolazione di liquidi di raffreddamento che permettono di mantenere a una bassa temperatura l’olio lubrificante, evitando che venga bruciato dalla temperatura altissima della turbina. Lo sviluppo dei cuscinetti di sostegno ha ridotto questo rischio.

Modelli multipli

  • Paralleli
    Alcuni motori, come quelli di tipo a V, utilizzano due turbo uguali ma più piccoli, ciascuno dei quali è alimentato dai gas di scarico del motore in maniera autonoma. I due turbo più piccoli producono la stessa quantità di potenza di un singolo turbo più grande (o una potenza maggiore), ma essendo più piccoli raggiungono il loro regime di rotazione, e quindi generano la potenza ottimale, più velocemente. Questo sistema è definito comunemente sistema a turbo gemelli in parallelo. La prima autovettura con turbocompressori gemelli in parallelo è stata la Maserati Biturbo all’inizio degli anni ’80.
  • Sequenziali
    Alcuni fabbricanti d’auto utilizzano due piccoli turbo sequenziali. Un sistema tipico è avere un turbo attivo a tutti i regimi di rotazione del motore e uno solo ai regimi più alti. A regimi di rotazione bassi, la valvola di ingresso dei gas di scarico e la valvola di aspirazione dell’aria del secondo turbo sono chiuse. Essendo più piccoli, questi turbo hanno meno sfasamento e il fatto che il secondo turbo operi solo ad alti regimi di rotazione gli permette di aumentare le prestazioni molto velocemente. Questa combinazione è definita a turbo-gemelli sequenziali. Porsche ha utilizzato per prima questa tecnologia nel 1985 sulla Porsche 959. I turbo-gemelli sequenziali in genere sono più complicati di un turbo singolo o dei sistemi di turbo-gemelli in parallelo, perché richiedono tre set valvole di aspirazione e wastegate oltre alle valvole per controllare la direzione dei gas di scarico. Molti nuovi motori diesel utilizzano questa tecnologia non solo per eliminare lo sfasamento, ma anche per ridurre il consumo di carburante e le emissioni.

Talvolta i turbocompressori sono installati lontano dal motore, nel terminale dell’impianto di scarico. Questi turbocompressori remoti richiedono un rapporto d’aspetto più piccolo per via del flusso più lento e del minor volume di gas di scarico che ci passa attraverso. Per applicazioni a bassa spinta non è essenziale un raffreddamento con  intercooler; spesso l’aria si raffredda fino a una temperatura quasi pari a quella ambientale mentre viene condotta verso il motore. Un turbo remoto può avere una temperatura di parecchi gradi più bassa rispetto a un turbocompressore tradizionale, perciò il riscaldamento eccessivo dell’olio con la formazione di residui solidi è meno frequente. I sistemi con turbo remoto possono comprendere turbocompressori multipli, in serie o in parallelo.

Affidabilità

I turbocompressori possono essere danneggiati da olio sporco o scadente e la maggior parte dei produttori raccomanda di cambiare l’olio più spesso se avete un motore con turbocompressore. Molti proprietari e alcuni produttori raccomandano l’utilizzo di oli sintetici, che tendono a fluire più in maniera più rapida quando sono freddi e durano più a lungo degli oli tradizionali. Dal momento che il turbocompressore si scalda quando è in funzione, molti raccomandano di lasciare il motore acceso per circa tre minuti prima di spegnerlo se il turbo è stato usato fino a poco prima di fermarsi. Questo accorgimento dà all’olio il tempo di raffreddare il sistema rotante del turbocompressore e assicura che l’olio arrivi al turbo quando l’alloggiamento della turbina e il collettore di scarico sono ancora molto caldi; in caso contrario, l’olio lubrificante potrebbe rimanere intrappolato nell’unità e scaldarsi troppo, determinando una veloce usura dell’auto e problemi quando il motore verrà riavviato. Lo stesso problema può essere determinato anche dall’accumulo di piccole particelle di olio bruciato.

Il problema è meno grave nei motori diesel, per via della migliore qualità dell’olio utilizzato. Un turbo timer può mantenere il motore acceso per un periodo di tempo preimpostato, in modo da garantire automaticamente questo periodo di raffreddamento. L’olio bruciato viene eliminato anche dai cuscinetti. Una barriera protettiva più complessa è data dall’utilizzo di supporti per cuscinetti raffreddati ad acqua. L’acqua bolle nel supporto quando il motore viene spento e garantisce un circolo naturale per allontanare calore. In ogni caso, non è una buona idea spegnere il motore mentre il turbo e il collettore sono ancora in funzione. I collettori tubulari rispetto ai collettori in ferro battuto necessitano di un periodo di raffreddamento ridotto, perché collettori più leggeri immagazzinano molto meno calore rispetto ai più pesanti collettori in ferro battuto.