Prima di vedere qual’è il funzionamento di un turbocompressore osserviamo la sua composizione in modo da avere le idee chiare su come è fatta.
A - Chiocciola
B - Supporto
C - Corpo centrale
D - Protezione termica
E - Chiocciola turbina
F - Turbina
G - Uscita gas di scarico
H - Wastegate
I - Ingresso gas di scarico
J - Scarico olio
K - Sede boccola
L - Sede boccola
M - Guida in grafite
N - Compressore
O - Attuatore Wastegate
P - Ingresso aria
Q - Tubo attuatore
R - Diffusore
S - Chiocciola compressore
T - Ingresso olio
U - Uscita compressore
Questa è la chiocciola del lato tubina:
Tale scelta è dovuta all’aumento della quantità dei gas di scarico che vengono evacuati al salire dei giri, se la chiocciola non garantisce un corretto deflusso la turbina può andare in stallo e provocare un surriscaldamento del motore portando conseguenti detonazioni. Proprio queste ultime sono la causa principale di molte rotture di propulsori turbocompressi.
Con esso si riesce a comprendere il campo operativo della turbina. Con rapporti elevati (intorno e superiore a 1) la turbina girerà lentamente dato la possibilità di sfruttare un numero di giri maggiore rispetto ad una con un valore piccolo che gira ad un velocità maggiore e, di conseguenza, una rapido incremento delle pressioni (in un motore stradale il valore è intorno ai 0.5).
Un incremento di tale rapporto, a parità di condizioni di pressione, provoca una diminuzione della contropressione allo scarico la quale determina una maggiore potenza ma come disagio si avrà una risposta fiacca ai regimi bassi. Tale funzionamento è dovuto all’aumento della sezione di passaggio dei gas di scarico e ad un conseguente loro rallentamento. Mantenendo costante R, un rapporto A/R minore determina un comportamento migliore ai bassi regimi, un’accelerazione maggiore della turbina, un regime più elevato del turbocompressore.
Un altro materiale utilizzato è il Titanio, leggero e resistente. Unitamente a questi due vi è l’ Inkenel 718 che ha un’ ottimo rapporto prezzo- prestazioni, permette di avere eccellenti caratteristiche meccaniche e un’alta resistenza alla torsione e all’usura. Un altro materiale che si sta studiando è la CERAMICA che, grazie all’entità del legame ionico-covalente tra gli atomi, presenta una grande resistenza al calore e all’attacco di agenti chimici. Inoltre tale materiale non richiede neppure una lubrificazione diffusa. Il grande problema della ceramica è da ricercarsi nei costi di realizzazione elevati e al non eccellente nella resistenza all’affaticamento. Comunque sono già presenti sul mercato molte turbine che montano alberini di collegamento in ceramica.
Chiocciola lato compressore:
L’alberino di collegamento può essere lavorato tramite asportazione del materiale. In questo modo di riesce a diminuire il momento di inerzia e garantendo un turbo-lag minore. Effettuata l’operazione di alleggerimento si deve eseguire un riporto al cromo duro e successivamente una lappatura, ciò garantirà il ripristino della durezza e della finitura. Può essere costruito in Marangin amagnetico MAR-247 che garantisce un’ottima resistenza anche a temperature oltre i 1000° C, inoltre non genera campo magnetico alle alte velocità.
Per evitare un eccessivo gradiente di pressione (ovvero un incremento troppo brusco)che porta ad un contemporaneo aumento della temperatura dell’aria con tutti i problemi annessi, la chiocciola deve garantire un aumento graduale della pressione e una rapida evacuazione dell’aria senza attriti e resistenze. Il sistema di produzione delle turbine, genera una tolleranza di lavorazione. Questo lo si può notare misurando lo spessore di uscita in una turbina, può essere di 3-4mm con una tolleranza del 5% in più. Tale valore è lo stesso che esiste nell’ aumento d’aria e con essa anche alla potenza ottenibile. Un intervento che può essere eseguito è l’ eliminazione di ogni possibile sbavatura di fusione.
Sulla chiocciola possono essere eseguiti alcune lavorazioni per garantire un miglior rendimento a tutti i regimi. intervento viene eseguito mediante lucidatura dei piatti e modificando le altezze delle volute e dei disegni dei diffusori. Ovviamente, a causa della delicatezza dell’intervento, il lavoro deve essere fatto da un esperto onde evitare la distruzione del turbocompressore a causa dell’allungamento dei materiali a caldo (DILATAZIONE TERMICA).
Un altro intervento da poter eseguire sulla chiocciola del compressore è quella di ottimizzare l’ingresso dell’aria allargando la parte esterna ed eliminando salti indesiderati di sezione, oppure sbavature di fusione. Modificando il diametro esso lo si deve raccordare con l’interno stando attenti nel garantire una curva il più dolce possibile fino al punto in cui lavora la turbina. (orientativamente non si dovrebbero superare i 5°).
Un’altra operazione che garantisce ottimi risultati è l’adeguamento del raccordo fra il tubo ed il corpo aspirante. La lucidatura, a specchio, dell’intera superficie interna partendo dalla faccia che delimita la turbina.
Gruppo girante turbo-alberino-girante compressore:
Viene anche chiamato CORE-ASSY, esso può essere modificato a livello di bronzine, di passaggio d’olio (dell’acqua) e di anello di spallamento. Le bronzine possono essere sostituite con altre più grandi e costruite in materiale migliore (ceramica o sostituite, se possibile, con altre volventi). L’anello di spallamento è in lega e tiene in posizione l’alberino del lato scarico, solitamente sono a 270° e spesso viene sostituito con uno a 360°, per garantire il massimo rendimento agli alti regimi di rotazione. Un altro compito di tale anello è di mantenere lo scuotimento dell’alberino.
Quando si vogliono sfruttare al massimo le turbine spesso si ricorre all’aumento della sezione di passaggio dell’olio in modo da garantire il corretto apporto di lubrificazione agli alti regimi.
La girante del compressore generalmente è in lega di alluminio, ha circa 14-15 pale (spesso a bordi di ingresso alternativamente accorciati, dette a “FALSE PALE”) se le dimensioni sono nell’ordine dei 50-60mm ( dimensioni utilizzate per i veicoli commerciali). Vi è un certo rapporto tra la il numero di pale e il diametro della girante, dato molto importante che determina la velocità di entrata a regime del compressore, visto che più è il numero delle pale e maggiore è il diametro, più energia dovrà essere fornita per vincere la loro inerzia.
Nei primi turbocompressori le palette erano ad uscita radiale, in seguito, dopo vari studi, si è passati a quelle curvate all’indietro poiché tale disegno garantiva un miglior rendimento aerodinamico.
Le varie dimensioni specifiche della girante, diametro, inclinazione delle pale. Altezza delle stesse, regime di rotazione al quale gira, messe in rapporto fra loro generano il campo operativo entro il quale dovrà svolgere il proprio lavoro l’intera turbina, oltre al rendimento. Se le pale sono inclinate troppo, superata una certa velocità producono un fenomeno di cavitazione, per cui si forma una bolla di vuoto e pertanto la ventola non riesce a spostare l’aria che rimane confinata all’interno del turbo, mentre se per il contrario, cioè le pale sono poco inclinate, spostano una quantità d’aria troppo esigua e tale da non essere sufficiente a produrre la portata e la pressione desiderata. Lo stesso problema è presente anche sul lato turbina, se l’angolo di uscita non è esatto l’aria tende a rientrare bloccando il flusso e provocando uno stallo della turbomacchina.
Con l’evoluzione dei materiali si è potuto garantire la possibilità di realizzare tali pale senza incorrere in rovinose rotture. Le giranti sono, generalmente, ottenute per microfusione mentre, in campo corsaiolo viste le elevate sollecitazioni a cui sono sottoposte, tali pezzi vengono realizzati tramite lavorazioni dal pieno. Quest’ultimo tipo di fabbricazione garantisce una maggiore resistenza strutturale alle sollecitazioni.
La girante lato turbina essendo costruita in materiali pesanti (Nimonic, Inconel, ecc) è la più responsabile del turbo-lag, per questo motivo il progetto sacrifica molto il rendimento a favore di una bassa inerzia. Le turbine hanno un diametro piccolo e un disco fortemente intagliato (“FESTONATO”) tra una pala e l’altra, in modo da ridurre al massimo il momento di inerzia. In questo modo si ha la garanzia di abbassare il turbo-lag. Unitamente a tale metodo si è intrapresa un’altra strada: quella di costruire le turbine in ceramica leggere e refrattarie.
Boccola di contenimento cuscinetti:
Essa viene raffreddata tramite olio del motore.
Per alcuni turbocompressori, non essendo sufficiente tale sistema, vengono realizzati dei passaggi supplementari per poter sfruttare le caratteristiche dell’acqua in fatto di estrazione del calore, per evitare i fenomeni di carbonizzazione dell’olio lubrificante
Questo garantisce la possibilità di poter far lavorare il turbocompressore (e i cuscinetti) anche a temperature molto elevate (anche oltre i 1000° C).
Sistema di cuscinetti:
In questo spaccato possibile vedere il doppio raffreddamento tramite olio ed acqua, unitamente al circuito di passaggio.
I cuscinetti hanno il compito di tenere in asse l’alberino e devono, allo stesso tempo, garantire il minor attrito possibile. Il sistema più utilizzato dai costruttori è quello della bronzina galleggiante, in cui la bronzina è avvolta intorno all’asse con un certa tolleranza, ma esiste un gioco anche intorno alla stessa. Quando l’olio entra in turbina sotto pressione, avvolge sia l’interno che l’esterno della bronzina, facendola galleggiare unitamente all’alberino all’interno del corpo turbocompressore.
In questo modo si garantisce una maggiore risposta del turbo ed uno smaltimento maggiore del calore che si accumula sull’alberino e sulla bronzina. Esistono due tipi di cuscinetti: a trascinamento, volventi. Un altro materiale con cui vengono prodotti tali elementi è la ceramica che conferisce grandi doti di leggerezza e un minor attrito garantendo un turbolag ridotto.
Da questo spaccato potete osservare sia l’utilizzo di cuscinetti volventi che il sistema di raffreddamento tramite l’acqua:
FUNZIONAMENTO:
Qui di seguito si può osservare un ciclo di un motore sovralimentato mediante turbocompressore:
I turbocompressori devono il loro nome al fatto che sono costituiti da un compressore azionato da una turbina a sua volta mossa dai gas di scarico del motore. I turbocompressori utilizzati nelle auto sono di tipo radiale e centrifugo, ovvero con flusso d’aria si muove verso la parte esterna della girante, secondo una traiettoria perpendicolare all’asse di rotazione. L’aria esterna viene aspirata tramite tubazioni e/o filtro, dalla bocca di presa del lato compressore e viene centrifugata per effetto della rotazione della girante. Quest’ultimo componente presenta delle palette curvate verso l’interno ed è realizzata in lega di alluminio, per microfusione.
Il compito della turbina è quello di trasformare l’energia termocinetica dei gas di scarico in energia meccanica (cioè trasformare la forza che hanno i gas di scarico quando escono dalle camere in energia capace di far muovere le giranti). L’energia meccanica che proviene dalla girante turbina viene utilizzata dal compressore per aspirare e comprimere l’aria.
Quindi in sostanza il turbocompressore è una pompa (COMPRESSORE) accoppiata ad una turbina. Il compressore è composto da una girante ed un chiocciola di raccolta per l’aria e ,come detto prima, essa prende il moto dalla TURBINA. A collegare le due giranti, in modo assiale vi è l’alberino. Il compito è quello di far ruotare le giranti ai medesimi giri/min. L’alberino ruota su cuscinetti volventi o a sfere all’interno del CARTER (un corpo cilindrico che ne permette la lubrificazione ed il raffreddamento).
Le dimensioni, le proporzioni ed i profili dei compressori e delle turbine determinano il campo operativo del turbocompressore
Come si può facilmente intuire la turbina inizia a muoversi nel momento in cui i gas di scarico iniziano ad uscire dalle camere di scoppio, ciò permette al compressore di poter aspirare l’aria attraverso il filtro. Una volta aspirata l’aria il compressore la fa centrifugare tramite le palette e la spinge verso il condotto d’uscita che la porterà verso l’intercooler. Si può capire quindi che il volume e la violenza con cui arrivano i gas combusti nella turbina determinano l’entrata in regime del turbocompressore. Dopo esser passati nella chiocciola vengono espulsi dalla girante turbina verso lo scarico.
L’aria che esce dal compressore, a causa dell’accelerazione adoperata dalla girante e per effetto del campo centrifugo, subisce una prima compressione ( con conseguente innalzamento della temperatura ). All’uscita della girante, l’aria può arrivare a 160° C (nelle applicazioni più spinte). La compressione prosegue nel diffusore, che ha il compito di trasformare in pressione l’elevata energia cinetica che l’aria possiede all’ uscita della girante ( il diffusore è la parte che collega la voluta alla girante del compressore ). In tale fase l’aria può arrivare fino a 300° . L’aria poi passa nella VOLUTA (condotto che serve a raccogliere l’aria ed inviarla verso l’uscita della chiocciola), per poi dirigersi verso l’intercooler.
VISTA DI UNA TURBINA:
Un’importante dispositivo che svolge il compito di tenere sotto controllo la pressione del turbocompressore e la valvola WASTEGATE. Essa è posizionata sul corpo di scarico del turbocompressore e compie il suo lavoro evacuando parte dei gas prodotti dalla combustione verso il tubo di scarico senza passare per la girante turbina. In passato questi dispositivi erano azionati meccanicamente, oggi sono comandati elettronicamente e riescono di gestire in modo più ampio e accurato la turbina.
L’aria in uscita dal compressore, a causa della compressione che riceve, aumenta la sua temperatura andando ad influire negativamente sul rendimento del motore fino ad arrivare, in casi eccessivi, a creare delle detonazioni o delle preaccensioni. Per prevenire questi disastrosi inconvenienti viene montato un INTERCOOLER ( un radiatore aria-aria o aria-acqua ) che ha il compito di abbassare la temperatura prima che l'aria raggiunga il corpo farfallato. Bisogna tenere presente che il motore turbo soffre più di ogni altro l’aumento della temperatura a causa dell’elevato calore prodotto. Per rendersi conto di ciò basta considerare che l’aria in uscita dalla chiocciola del compressore arriva a temperature prossime ai 160° C vanificando gli sforzi fatti per guadagnare cavalli. L’intercooler, come scritto prima, ha il compito di cercare di abbassare tale temperatura fino ai 50-60° C che può essere accettata se vi sono forti pressioni. A titolo informativo un’auto per dare il massimo in termini prestazionali deve aspirare l’aria a temperature di 20°-25° C (ciò vale sia per motori turbo sia per quelli aspirati).
Ed inoltre ad ogni abbassamento di 10°C si otterrà un aumento della potenza di 3cv:
Oltre ai citati intercooler aria-aria esistono anche quelli aria-acqua. Una delle differenze che spesso fa decidere su quale poter sfruttare risiede nelle esigenze del pilota, infatti mentre quelli aria-aria garantiscono maggior efficienza alle alte velocità (a causa della maggiore aria che investe la superficie alettata) quelli aria-acqua garantiscono ottimi risultati alle basse velocità e hanno una perdita di carico inferiore. Questa ultima caratteristica, unita alle dimensioni nettamente minori (e quindi ad un minor peso), li fanno degli ottimi partner per le gare di accelerazione dove le velocità elevate vengono percorse per tratti molto brevi.
Il sistema aria-acqua, grazie alla minor perdita di carico, permette di avere una maggiore risposta quando si apre l’acceleratore ed inoltre, permette di abbassare la zona di turbolag.
Un’altro vantaggio che l’acqua porta con sé è dato dalla possibilità di avere una minor temperatura dell’aria anche durante le stagioni calde, fattore da non sottovalutare poiché i motori turbo soffrono più degli altri le variazioni climatiche!
Un nuovo sistema per controllare a proprio piacimento il valore di pressione raggiungibile e i tempi di intervento della sovrapressione, è il SUPERPICCO. E’ è un dispositivo che dialoga con la centralina e permette di modificare ,in base alle esigenze, i parametri per personalizzare l’elaborazione. Se si vuole una forte sovrapressione, la si può ottenere a qualsiasi regime in modo da evitare innalzamenti di temperature che invece si verificherebbero a 6000 giri, ciò permette di ottenere il massimo possibile in fatto di prestazioni senza però mettere a rischio l’integrità del motore. Questo poiché in alcuni casi gli iniettori a 6000 giri potrebbero non riuscire a fornire il necessario flusso di carburante generando uno smagrimento tale da far bucare in un attimo i pistoni.
Tali problemi non sussistono a regimi inferiori ai 6000 giri quindi si può fruttare il Superpicco in modo da aumentare la pressione solo in un determinato range di giri. Un’ulteriore vantaggio che tale dispositivo concede è allungare il tempo di discesa dalla pressione di picco fino a quella di regime.
L’OVERBOOST (un dispositivo che può essere sia manuale che meccanico)ha la funzione di ingannare la wastegate per un determinato lasso di tempo. In questo periodo può essere mantenuto il valore di picco (pressione massima) per un tempo prestabilito in modo da avere un surplus di cavalli
solo nel momento di reale necessità. Concluso tale periodo la wastegate riprende il suo funzionamento facendo ritornare le pressioni ai livelli originali. Tale dispositivo può essere manuale e ciò permette al guidatore di poter disporre di un surplus di cavalli per tutto il tempo che reputa necessario. Il controllo avviene tramite degli interruttori posti all’interno dell’abitacolo.
QUI DI SEGUITO POTRETE TROVARE DELLE FOTO DI ALCUNI TURBOCOMPRESSORI:
TURBOCOMPRESSORI GARRET T04B-T04E
E’ un turbocompressore molto versatile, ha un’alta efficienza del compressore. Questo turbocompressore garantisce portate per 300-550 cv in modalità singola, mentre in in coppia raggiunge anche oltre i 1000 cv . Essi vengono proposti anche con il raffreddamento ad acqua e con la possibilità di montare i cuscinetti ceramici.
TURBOCOMPRESSORI GARRET T3-T4 (turbina ibrida)
Questa turbina ha una girante lato turbo che deriva da una Garrett T3 e una lato compressore da una Garrett T4 ( girante della T04B o T04E ). Ciò combina una bassa inerzia e un veloce risposta della girante lato turbina T3 e le caratteristiche di maggior portata della girante lato compressore T4. Tale turbina viene commercializzata anche con i cuscinetti ceramici che permettono di far caricare prima il turbocompressore. E’ una valida proposta per ottenere grandi prestazioni ed un turbo-lag contenuto. La Garrett T3/T4 su cuscinetti garantisce portate per potenze tra i 250-500cv
Altri tipi di turbocompressori:
TURBOCOMPRESSORI GARRET T2
Questo turbocompressore è stato costruito per piccoli motori, è stato progettato per garantire performance in economia sia per i propulsori a benzina che diesel. La T2 equipaggia molte auto e permette di avere portate per potenze dai 100 ai 150cv sia per i motori diesel che benzina.
La T2 ha un il blocco dei cuscinetti raffreddato ad acqua per garantire la massima resa anche a temperature elevate, inoltre ha una bassa inerzia della girante della turbina. Pesa 4.2 Kg, il diametro della girante lato compressore è di 48mm, quella della turbina è di 47mm, carter cuscinetti è di 31.9mmm, il momento di inezia 1.6*10-5 kg/m2
TURBOCOMPRESSORI GARRET T25
Questa turbina è raffreddata ad acqua ed ha una wastegate integrale. Viene usata per i piccoli propulsori di tutti i giorni. Semplice e leggera nel disegno permette di poter intercambiare una ampia gamma di trims del compressore e di giranti della turbina permettendo di trovare il miglior compromesso per i motori. La T25 garantisce portate che vanno dai 125cv ai 210cv. Pesa 5.3 Kg, il diametro del compressore è di 51.4mm, quello della turbina è di 53mm, carter cuscinetti di 31.9mm ed il momento di inerzia è 2.1*10-5 Kg/m2
TURBOCOMPRESSORI GARRET T3
E’ studiata per motori di media cilindrata e per avere un ampio range di utilizzo. Essa garantisce una coppia a bassi regimi di rotazione donando una guidabilità maggiore del veicolo. Viene usata sia per i propulsori a benzina sia per quelli diesel, e portate che permettono di avere potenze comprese tra 175-250cv. Tale turbina è raffreddata ad acqua, pesa 7.5kg, ha una girante compressore di 60mm e di turbina che va da 59 a 65mm, il carter dei cuscinetti è di 37.8mm e il momento di inerzia è 5.4*10-5 Kg/m2
TURBOCOMPRESSORI Y2K
Questo tipo di turbina è stata concepita per essere usata in coppia e capace di supportare potenze fino a 2000cv. La girante del compressore ha un disegno dell’ultima generazione che garantisce un aumento dell’efficienza dell’airflow. Anche la girante della turbina è di nuova concezione e il suo disegno riduce il passaggio della pressione di ritorno. Ogni turbina garantisce la possibilità di supportare potenze nell’ordine dei 1000cv.
TURBOCOMPRESSORI THUMPER
La “Thumper Serie” è stata progettata per le applicazioni che richiedono un alto numero di cavalli. Tali turbo sono studiati per essere usati singolarmente e garantiscono potenze comprese tra i 1200-2000cv. Disponibili in 4 differenti flow range a pressioni oltre a 4:1.
Thumper series:
T88: 88mm di diametro della girante e una capacità fino a 1200cv
T91: 91mm di diametro della girante e una capacità fino a 1400cv
T100: 100mm di diametro della girante e una capacità fino a 1800 cv
T105: 105mm di diametro della girante e una capacità fino a 2000cv
BANG BANG
Il BANG-BANG è un’artifizio studiato nell’ambito dei rally al fine di mantenere in pressione il turbo anche nel momento in cui si alza il piede dal gas, in modo da avere un motore sempre pronto a riprendere anche dai bassi regimi. Lo stratagemma è quello di lasciare che gli iniettori continuino ad alimentare il motore anche quando la farfalla è chiusa, ritardando al massimo, contemporaneamente, l’anticipo di accensione: in questo modo la miscela aria-benzina brucia soltanto in piccolissima parte. La grande quantità di gas incombusti emessi dal motore in queste condizioni di lavoro tende ad esplodere all’interno dei collettori di scarico roventi, dove viene “bypassata” dell’aria per facilitare questa combustione anomala, generando un’onda di pressione che mantiene in movimento la turbina. Un grande svantaggio che questo sistema porta è il fatto che in pochissimo tempo annienta il catalizzatore. Un altro svantaggio che porta tale dispositivo è la totale assenza di freno motore in rilascio. Nelle auto da rally la pressione di sovralimentazione massima è all’incirca 1.5 bar e viene mantenuta in modo pressoché costante anche in fase di rilascio dell’acceleratore proprio grazie al bang-bang.
SISTEMA TWIN SCROLL
La chiocciola della turbina è dotata di doppia entrata dei gas di scarico ovviamente lo scarico ha una conformazione 4-2-1), con l’unione dei due flussi direttamente in corrispondenza della palettatura della girante. Con questo sistema i due flussi che si generano con regolarità dai diversi cilindri (che hanno una accensione sfasata 1-4-2-3) riescono a cedere l’energia necessaria all’azionamento della girante del compressore in modo più efficiente e garantiscono un miglior rendimento. La coppia di cilindri che viene unità non dovrà avere le valvole di scarico aperte contemporaneamente. In modo da ottienere il giusto accoppiamento tra quelli che hanno gli impulsi dello scarico equidistanti.
Un convertitore ad impulsi si comporta come una sorta di “RETTIFICATORE GASDINAMICO” che permette agli impulsi di pressione di viaggiare dai cilindri alla turbina, ma non in direzione opposta.
Dalle seguenti immagini si può notare la differenza tra due chiocciole lato turbina. Nella prima è presente il sistema Twin Scroll mentre nella seconda è assente:
DIFFERENZA TRA MOTORI SOVRALIMENTATI A BENZINA E QUELLI DIESEL
I motori diesel differiscono dai cugini a benzina per le limitazioni. I primi ne hanno pochissime ed inoltre le temperature in gioco sono molto più basse.
Una differenza sostanziale tra di essi si può notare nel rapporto di compressione: i motori ad accensione comandata devono restare bassi per scongiurare il pericolo della detonazione e della preaccensione.
Un altro aspetto da considerare è che, nei motori a benzina, bisogna regolare la potenza erogata strozzando l’aspirazione tramite la valvola a farfalla, cosa che non accade ai cugini a causa della regolazione della potenza che avviene mediante il dosaggio del gasolio (combustibile) introdotto, ciò spiega il motivo per cui i diesel in città consumano meno.
Una causa che determina gli elevati rapporti di compressione dei diesel è che il gasolio non teme detonazioni infatti più aumentano le temperature e le pressioni nelle camere di scoppio più essi si accende facilmente.
Un’importante parametro di paragone tra i due tipi di alimentazione sta nel fatto che, per i diesel, a fine fase di compressione nel cilindro si ha una pressione compresa tra i 30 e i 50bar (nel benzina si arriva al massimo ai 20bar). Questi valori si innalzano vertiginosamente nel momento in cui ha inizio la combustione, infatti la pressione può arrivare a superare anche i 110bar e internamente la temperatura sorpassa abbondantemente i 1000° C. Cosa assai differente accade ai motori a benzina che generano una temperatura interna comprese tra i 1900° C e i 2500° C.
Un altro dato da tenere in considerazione è la percentuale di trasformazione dell’energia termica in energia meccanica: 40% per i diesel e “solo” il 30% sui motori a benzina. Da tali valori si evince la notevole differenza di struttura e di meccanica che intercorre nella realizzazione di entrambi i propulsori.
Anche i turbo delle due diverse alimentazioni differiscono sul livello delle temperature critiche raggiungibili: i diesel possono arrivare a temperature intorno agli 850°C mentre i benzina arrivano anche oltre i 1000°C. Tali valori sono causati dal fatto che, sui diesel, il turbo gira sempre ad un regime di rotazione inferiore rispetto a quelle dei cugini garantendo anche una minore produzione di gas di scarico (normalmente la differenza tra i diesel e i benzina è di 50.000-60.000 giri/min). Per le pressioni assolute i turbo “a gasolio” arrivano intorno ai 2.7 bar mentre per i benzina il valore si aggira intorno ai 1.9 bar.
La più grande differenza tra le turbine usate nei motori a combustione comandata e quelli diesel nella la possibilità di inclinare le palette in base al carico del motore ( turbine a geometria variabile).
In queste turbine, come ad esempio la validissima Garrett GT1749V montata sulle golf TDI 115-130-150 cv ) vi è una corona sulla quale sono imperniate le palette orientabili e comandate da un attuatore pneumatico (o da un motore elettrico) per gestire l’efficienza della sovralimentazione. Tali palette vengono orientate in base ai giri del motore: ai bassi regimi le palette vengono rivolte verso l’esterno in modo da poter indirizzare il flusso dei gas di scarico verso la parte più esterna della girante. Inoltre la sezione di passaggio è ridotta dalle palette per aumentare la velocità di percorrenza dei gas. All’aumentare dei giri l’assetto delle palette cambia in modo che il loro orientamento determini un aumento della sezione di passaggi per indirizzare il flusso verso il centro della girante.
Così facendo si riduce l’entità della sovralimentazione, come se si fosse aperta la valvola wastegate di un turbocompressore tradizionale (infatti tale sistema la sostituisce) Questa turbina permette di avere dei momenti motore corposi già hai bassi regimi. Quello che si realizza tramite la geometria variabile è una continua variazione del rapporto A/R, creando una turbina duttile alle varie esigenze dettate da carico e regime di rotazione.
La geometria variabile può essere realizzata anche utilizzando palette fisse con un diffusore che si muove assialmente, in modo da poter variare la sezione di passaggio dei gas di scarico per raggiungere lo stesso scopo.
RENDIMENTI DEL TURBOCOMPRESSORE
Iniziamo col dire che il turbocompressore ha un proprio grafico ad isole di rendimento. Da esso si può determinare quale sia la pressione migliore da utilizzare per garantire maggiori prestazioni dal motore. Ovviamente abbassando il rendimento del turbocompressore (causato dall’eccessivo aumento della pressione) si provoca un aumento dell’aria compressa in uscita ma un abbassamento della sua densità. Aumentando la pressione del turbo per garantire una maggiore fase respiratoria del motore, un’ abbassamento della densità e di conseguenza una diminuzione della massa d’aria elaborata producendo meno potenza.
LINEA DI POMPAGGIO
Luogo dei punti in cui l’equilibrio aerodinamico interno del compressore viene rotto, e si ha un periodico, rumoroso e violento rifiuto di portata alla bocca, con effetti che possono essere distruttivi per la palettatura. La zona a sinistra della linea di pompaggio e da considerarsi PROIBITIVA.
LINEA DI SATURAZIONE
Corrisponde al raggiungimento di condizioni soniche (e conseguente blocco della portata) ll’ingresso della girante. Essa definisce la massima portata possibile che il compressore può fornire nelle date condizioni dell’ambiente di aspirazione ed ha un andamento verticale. Qui avviene il blocco sonico che generalmente avviene all’ingresso del compressore. In questa zona le forti depressioni in corrispondenza della sezione di ingresso possono provocare l’aspirazione d’olio dai cuscinetti e conseguente danneggiamento del catalizzatore.
RAPPORTO DI COMPRESSIONE
E’ il rapporto tra la pressione allo scarico del compressore e quella all’aspirazione dello stesso. (sempre superiore a 1). Tale rapporto è più basso se si usano delle palette all’indietro rispetto a quelle radiali. Su compressori destinati a fornire rapporti di compressione molto elevati un metodo per estendere ulteriormente il campo di funzionamento è costituito dall’impiego di giranti dette”PORTED SHROUD”, nelle quali una parte del canale viene messo in comunicazione con la sezione di aspirazione tramite fori in posizione opportuna. Così facendo, in corrispondenza delle basse portate si ottiene una stabilizzazione del flusso tramite riflusso di una parte della portata stessa, allontanando csì l’insorgenza del pompaggio. Alle portate elevate tale modifica permette di aspirare una portata aggiuntiva innalzando ulteriormente il limite imposto dal blocco sonico.
RAPPORTO DI ESPANSIONE
E’ il rapporto tra la pressione all’ingresso della turbina e quella allo scarico della stessa. (sempre superiore a 1)
RENDIMENTO ADIABATICO O ISENTROPICO
Rapporto tra la potenza che spenderebbe una macchina perfetta per comprimere l’aria e la potenza che invece spende il compressore reale per raggiungere la stessa pressione. Il rendimento adiabatico massimo dei compressori impiegati su motori stradali non supera l’80%.
Le curve caratteristiche del compressore riportano il rapporto di compressione in funzione della portata corretta al variare del regime di rotazione corretto.
AIRFLOW
E’ l’ammontare dell’aria che entra nel turbo, generalmente viene misurata in metri cubi al secondo (m3/s), in pound per minuto (lb/min), o kilogrammi per secondo (kg/s).
RAPPORTO DI PRESSIONE
E’ il rapporto dell’aria compressa allo scarico diviso la pressione dell’aria dell’ambiente all’entrata P2c – P1c.
PERDITE DI RENDIMENTO
sono da ricercarsi nell’attrito e nelle formazioni di vortici continui e stagnanti lungo tutte le superfici in cui l’aria scorre.
Una situazione da considerare è quella in cui le onde d’urto, formatesi se la velocità dell’aria supera quella del suono, provocano, ripercuotendosi sulle pareti, onde di compressione e rarefazione.
Le pale, essendo frutto di una microfusione, producono fenomeni di turbolenza sia all’interno che sul bordo di stacco. La causa principale è da ricercarsi nelle imperfezioni causate dal tipo di lavorazione. Tutti questi attriti (oltre ai fenomeni causati dalle imperfezioni delle pale) rubano dell’energia al lavoro fornito dalla turbina di scarico e producono un innalzamento ulteriore della temperatura dell’aria.
Molti credono che per il suo azionamento il turbo non faccia altro che utilizzare i gas di scarico che altrimenti andrebbero persi e per tanto il lavoro per far muovere la turbina non costa nulla. CIO’ NON E’ VERO! Infatti ogni lavoro costa energia e quindi esiste una certa perdita. Il solo fatto che i gas di scarico debbano vincere la resistenza della palette per uscire dal cilindro, dà un bilancio termodinamico negativo che per essere pareggiato necessita di una maggiore quantità di benzina. Il fatto di dover aumentare i gas per vincere la resistenza generata dalle pale produce una perdita, anche se di lieve entità.
COME MANTENERE VIVO UN TURBO
Il motore sovralimentato è più delicato di uno aspirato poiché le temperature in gioco sono molto differenti, inoltre il circuito di lubrificazione svolge un ruolo determinante ai fini della longevità del sistema di sovralimentazione. Per questo motivo è fortemente sconsigliato spegnere la macchina dopo una tirata, questo causerebbe la cessazione della mandata dell’olio sui cuscinetti della turbina, la quale continua a girare per inerzia prima di fermarsi per almeno un minuto. Vi sono molti fattori che vanno a sommarsi, la turbina a temperature intorno ai 700°, mancanza del flusso d’aria esterno dato dalla vettura in movimento e mancanza del flusso interno dell’aria nella parte del compressore. Il risultato è che il poco olio rimasto non riesce a lubrificare la bronzina della girante, provocando il suo deterioramento, e si trova a friggere con la produzione di residui che, rimanendo incrostati sull’asse, alla successiva messa in moro producono un’ulteriore usura delle bronzine di supporto.
Per quanto riguarda il riscaldamento del motore sovralimentato ci sono alcune regole da rispettare per garantire un’adeguata affidabilità alla turbina. Appena messo in moto bisogna lasciare il propulsore al minimo in modo da non stressare oltre misura la sovralimentazione. Dopo uno/due minuti si può partire tenendo presente di far lavorare il turbocompressore a pressione atmosferica (in questo caso è molto utile installare un manometro del turbo nell’abitacolo). Questo permette di arrivare alle temperature di esercizio con il minor stress possibile e garantisce una minore longevità alla turbina.
