Turbocompressore

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Turbocharger.jpg

Il turbocompressore, spesso abbreviato in turbo, è un organo meccanico il cui scopo è quello di sovralimentare un motore endotermico.

Talora noto come turbo-gruppo, per l'integrazione tra una turbina centripeta (il lato "caldo" o lato di scarico del turbo-compressore, a causa del fatto che riceve i gas di scarico ad alta temperatura) ed un compressore centrifugo (il lato "freddo" o lato di aspirazione, nel quale viene risucchiata l'aria da comprimere), esso costituisce il metodo più diffuso per incrementare l'alimentazione dei motori endotermici, in particolare quelli di autotrazione.

Posizione[modifica | modifica wikitesto]

Il turbocompressore è 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) e, a seconda della posizione del condotto dell'aria che parte dalla sezione d'uscita del compressore rispetto all'organo di miscelazione del combustibile col comburente (carburatore o iniettore), il turbogruppo viene denominato turbocompressore (se la compressione dell'aria avviene prima di venir miscelata col combustibile) oppure turboaspirato (se la compressione dell'aria avviene dopo la miscelazione).
Il primo tipo, il turbocompressore, è il più comune ed è utilizzato nei motori con sistemi ad iniezione e nella maggior parte di quelli con carburatori, ed il vantaggio è di limitare le dispersioni di carburante lungo le pareti dell'impianto d'alimentazione. In alcuni casi, come sulla Renault 5 Alpine Turbo, il sistema è un turboaspirato a carburatori, questo per far lavorare il carburatore in condizioni di depressione, come su un motore aspirato, un fatto che facilita enormemente la messa a punto del motore.
Si ricordi che, quando vengono usati dei carburatori assieme a un sistema turbocompressore, questi vengono detti carburatori aspirati o carburatori soffiati, a seconda che siano posti, rispettivamente, a monte od a valle del compressore.[1]

Struttura[modifica | modifica wikitesto]

Questa turbomacchina è composta da due parti collegate tra loro:

Questi due elementi sono caratterizzati, ciascuno, da una girante dedicata, o impeller, che può ruotare ad alta velocità all'interno di un suo alloggiamento a forma di chiocciola. Perciò, nel turbocompressore, vi saranno una girante di aspirazione ed una di scarico che sono collegate tra di loro e rese solidali tramite un alberino metallico, e che sono poste, rispettivamente, all'interno della chiocciola di aspirazione ed in quella di scarico, e tali giranti ruoteranno, all'interno dei loro alloggiamenti, alla stessa velocità angolare. La girante della turbina, posta all'interno della sua chiocciola di scarico in ghisa, viene messa in rotazione dall'azione dei gas di scarico, quando questi ultimi hanno valori sufficientemente elevati di salto entalpico (cioè di energia ceduta dalla corrente dei gas di scarico alla girante della turbina) ed energia cinetica. Dunque, la turbina raccoglie l'energia (sotto la forma di energia cinetica e di entalpia) dei gas di scarico e la trasforma in energia meccanica utile a mettere in rotazione il compressore. Perciò, la rotazione della girante di scarico provoca, conseguentemente, la rotazione della girante del compressore (generalmente, quest'ultima è costruita in lega leggera di magnesio), dato che sono collegate tra di loro, lungo il loro asse di rotazione, mediante un piccolo alberino metallico. 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, 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. Quindi, il turbocompressore è un complesso altamente efficiente, in quanto utilizza l'energia residua (che altrimenti andrebbe dispersa) dei gas di scarico per azionare la turbina e, di conseguenza, il compressore.

Caratteristiche[modifica | modifica wikitesto]

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. Tuttavia, proprio in virtù di tale potenza, anche i gas di scarico sono costretti ad uscire più velocemente, così anche il turbocompressore ruoterà più rapidamente conferendo una sempre maggiore potenza al propulsore. Le giranti dei moderni turbocompressori possono arrivare a superare i 180.000 giri al minuto. Il turbocompressore funziona particolarmente bene agli alti regimi di rotazione del motore a scoppio, mentre fino ai 2000-3000 giri al minuto rappresenta quasi sempre uno svantaggio per il motore, per via dell'inerzia della girante di scarico che rallenta l'uscita dei gas di scarico (in quanto la girante della turbina, quando è ferma o gira a velocità di rotazione molto ridotte, rappresenta un ostacolo per il movimento del flusso dei gas di scarico, andando ad aumentare la cosiddetta contropressione allo scarico), ma questo problema è valido soprattutto per sistemi turbo proporzionalmente grandi, mentre 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, in modo da avere un ridotto ritardo di risposta alla pressione dell'acceleratore (cioè un basso turbolag) associato a notevoli portate d'aria di alimentazione ad alto regime.

Accorgimenti[modifica | modifica wikitesto]

Per non incorrere nel cosiddetto fenomeno della detonazione (cioè il battito in testa), 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 sistemi di sfogo e di deviazione sia dell'aria di aspirazione che dei gas di scarico, sotto forma di particolari valvole:

  • valvola wastegate, per deviare (o bypassare) i gas di scarico in eccesso, che altrimenti imprimerebbero alle giranti del turbo una velocità di rotazione troppo elevata, creando così problemi di affidabilità;
  • valvola pop-off (anche detta blow-off, situata fra il turbocompressore e la valvola a farfalla), che 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 ed a sospingere l'aria verso la valvola a farfalla. Quando la pop-off si apre, quest'aria sfiata verso l'esterno o verso un tubo di ritorno. Se quest'aria (che non viene immessa nei cilindri) non venisse sfiatata, andrebbe a "sbattere" contro la farfalla chiusa e creerebbe un'onda di pressione di ritorno verso la girante del compressore, dando origine al cosiddetto colpo d'ariete, un fenomeno che può essere molto dannoso per varie componenti del turbocompressore.

Queste valvole possono essere di due tipi:

  • 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. Sul lato di scarico del turbo, nel caso della valvola wastegate, i gas esausti in eccesso vengono convogliati a valle della turbina (ovvero bypassano la turbina), tramite un condotto dedicato (situato nella chiocciola della turbina stessa, nel caso di wastegate interna; o situato nel collettore di scarico nel caso sia una wastegate esterna, separata dalla turbina), la cui apertura viene comandata appunto dalla valvola wastegate, da dove fuoriescono attraverso il collettore di scarico;
  • 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 semplicemente espulsa in atmosfera da un apposito ugello situato nella valvola, creando un effetto sonoro udibile (il tipico sbuffo).

Un altro metodo di evitare l'insorgenza del fenomeno della detonazione, consiste nel montare un sistema ad iniezione d'acqua.

Sistemi combinati[modifica | modifica wikitesto]

Il sistema turbocompressore può anche essere costituito da più turbocompressori organizzati in vario modo, oppure si può associare uno o più turbo ad un compressore meccanico. Vediamo alcuni esempi.

Turbocompressore e compressore volumetrico[modifica | modifica wikitesto]

In tema di sistema combinato di turbocompressore e di compressore volumetrico si cita, ad esempio, il sistema montato sulla Lancia Delta S4 del 1985, il cui motore a quattro cilindri di 1.800 cm³ era declinato in due versioni, una stradale che erogava 250 cavalli (circa 185 kW) ed una da rally che poteva erogare oltre 500 cavalli (circa 370 kW). Tale unità utilizzava un sistema di sovralimentazione in cui un compressore volumetrico ed 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. Ad un certo regime di giri del motore c'era l'entrata in funzione del turbocompressore che, per un breve range di giri funzionava insieme al compressore; quando il turbo raggiungeva la condizione di pieno carico, il compressore veniva completamente bypassato: una funzione in particolar modo utile agli alti regimi motore, per limitare l'assorbimento meccanico di potenza all'albero motore che serviva per l'azionamento del compressore. Questa soluzione è stata ripresa recentemente dal gruppo Audi-VW sulla Polo GTI, per esempio, di cilindrata 1.400 e con una potenza di 180 CV.

Multi-turbo[modifica | modifica wikitesto]

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

Sequenziale[modifica | modifica wikitesto]

Questo sistema utilizza diverse unità con caratteristiche diverse, per alimentare il propulsore in varie situazioni di carico motore.

Generalmente si utilizza un sistema doppio, dove c'è una 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 ed alla loro azione sulle giranti delle turbine. Quindi l'azione di un sistema sequenziale si può suddividere in tre passi:

  • bassi regimi del propulsore, in questa situazione i gas di scarico vengono convogliati tutti sulla turbina più piccola e, nell'intervallo di giri di passaggio dai bassi ai medi regimi, una parte dei gas di scarico viene convogliata anche alla turbina più grande;
  • medi regimi, in questa situazione i gas di scarico vengono convogliati su entrambe le turbine e, nel passaggio dai medi agli 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, mentre quella piccola viene totalmente bypassata.

Questa procedura permette d'avere un funzionamento molto lineare del sistema di sovralimentazione, con una risposta più rapida al comando del gas. Di contro, la gestione elettronica delle valvole che consentono di realizzare i vari transitori è molto complessa, per cui questa combinazione risulta molto costosa e difficile da mettere a punto.

Parallelo[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Lo stesso argomento in dettaglio: Triflux.

Questo sistema convoglia i gas esausti provenienti dai collettori di scarico del motore, suddividendoli in parti uguali sui vari sistemi turbo, che, in questo caso, sono identici ed alimentano parti uguali e distinte del motore, o possono funzionare in modo diverso a seconda del regime di giri e della condizione di carico motore a cui si trova il propulsore.

Nell'esempio di un sistema a doppio turbo, le turbine ricevono, sul lato di scarico, la parte di gas esausti proveniente da una metà del motore ed alimentano l'altra metà del motore sul lato di aspirazione.
Mentre nei sistemi più sofisticati le diverse turbine, sul lato caldo, 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 e, inoltre, permette il funzionamento del motore anche con un turbina danneggiata, con il difetto di avere un costo elevato.

Turbocompressore a geometria variabile[modifica | modifica wikitesto]

Turbocompressore a geometria variabile

Concettualmente 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 ad incidenza variabile. Il movimento di tali palette statoriche, controllato dalla centralina elettronica, 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. Ciò porta ad una maggiore flessibilità ed 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 ed una portata d'aria di alimentazione elevata (e, quindi, potenza elevata del motore) di un turbo di grandi dimensioni. Il campo di applicazione più vasto è quello dei turbodiesel ad alta pressione di iniezione, come i Common-Rail e gli iniettore-pompa.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Carburazione

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

Altri progetti[modifica | modifica wikitesto]

Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]