Info - Il Turbo E I Suoi Componenti

[Ospite j0nj0nny]

IL TURBO

 

 

Come nasce :

Il turbocompressore e' nato nel lontano 1905 ad opera di uno svizzero, Albert Buchi; esso venne utilizzato quasi esclusivamente sui motori diesel o aereonautici fino ad una ventina di anni fa. Gli americani furono i primi ad utilizzarlo su di una autovettura a benzina di normale produzione commerciale,la Corvair, mentre i primi tentativi europei furono fatti dalla Porsche e dalla BMW.
Solo la Renault pero', sfruttando la fama acquisita come primo motore in F1 a montare il turbo,venne ripagata da un largo successo commerciale;sulla scia seguirono molte altre case costruttrici, utilizzandolo anche su piccole utilitarie e trasformandole in piccole bombe spesso ingovernabili (chi si ricorda la Y10 turbo ?!).
Negli anni '80 le vetture di F1 da 1500 cc che lo utilizzavano raggiunsero e superarono i 1200 cavalli di potenza !!Nell' ultimo anno in cui la pressione di sovralimentazione fu libera (correva, in tutti i sensi, l'anno 1986) arrivo' oltre i 5 bar; per competere con i motori aspirati fu limitata prima a 4 bar, poi a 2,5 bar ed infine ne fu vietato l'utilizzo per manifesta superiorita' !
Quando venne abolito il turbo nelle gare di F1, a detta dei tecnici, esso non era ancora arrivato all'apice dello sviluppo,lasciando così intendere che i livelli di potenza ottenuti erano tranquillamente superabili.

Una delle cose più difficili da comprendere è che più veloce gira la turbina e meno fatica essa fa a pompare ulteriormente l'aria: la portata d'aria lavorata cresce con il quadrato della velocità di rotazione, succede così che mentre una turbina a 80.000 giri al minuto pompa circa 0,4 metri cubi d'aria al secondo, a 160.000 non ne pompa il doppio ma bensì 4 volte tanto e nello stesso tempo la sovrapressione cresce in modo vertiginoso, passando da 0,2 bar a 1,6 bar con un incremento quindi di ben otto volte !
Ciò determina le sue due caratteristiche principali: una lentezza di risposta iniziale (il famoso turbolag) seguita poi da una eccezionale escalation di potenza. Infatti quando ai regimi di rotazione inferiori la spinta dei gas di scarico non è sufficiente a far girare velocemente le pale della turbina, la pressione di alimentazione del motore non supera quella atmosferica; dopodiché , insistendo con la richiesta di potenza, il flusso e la temperatura dei gas prodotti dalla combustione aumentano ed appena questi sono sufficienti a fornire una sovrapressione s'innesca una reazione a catena che porta ad una vera e propria esplosione di potenza che può essere fermata solo da due evenienze, la distruzione del motore o l'apertura della valvola wastegate (in verità vi è una terza passibilità: alzare il piede dall'acceleratore, ma questa non la prendo neanche in considerazione!).
Un motore turbo si adegua al carico che subisce il motore ed è facilmente verificabile: partendo da fermi, accelerate fino a raggiungere nella marcia più alta una velocità che sia quella di crociera del veicolo; tenendo sotto controllo il manometro della pressione vedrete che essa aumenterà ad ogni cambio di marcia fino al massimo, ma, stabilizzandosi la velocità (a parità di pressione sull'acceleratore) essa tenderà a diminuire. Per la stessa ragione è impossibile arrivare alla massima pressione accelerando il motore in folle.
Questo fatto è quello che favorisce in modo notevole l'utilizzo di un motore turbo in una gara in salita: non tenendo conto della variazione di potenza a seconda dell'altezza, maggiore è il carico che deve vincere il motore per spingere la macchina e maggiore automaticamente diventa la pressione di sovralimentazione.
 

 

Com'è fatto un turbo-compressore 

Il suo aspetto è standardizzato per cui, chiunque sia il produttore, la forma è sempre la medesima ed identici i principi di funzionamento; l'unica parte in cui si hanno delle differenze di costruzione e di azionamento è la valvola Wastegate.
Analizzato nelle sue varie parti è composto da:
1- una prima ventola mossa dai gas di scarico racchiusa in un corpo, detto chiocciola, normalmente in ghisa ed avente la forma di una spirale (la turbina);
2- un corpo centrale destinato a supportare i cuscinetti e la lubrificazione dell'asse che unisce le due ventole;
3- una seconda ventola destinata a succhiare ed a comprimere l'aria racchiusa in un corpo di alluminio con la forma sempre a spirale detta girante del compressore; è questa la più importante delle due perché il diametro, l'inclinazione e l'altezza delle pale, il regime di rotazione messi in rapporto fra loro danno il campo operativo entro il quale dovrà svolgere la propria funzione l'intera turbina, nonché il suo rendimento.
 

 

La valvola Wastegate

Si tratta di un dispositivo che, comandato dalla pressione esistente nel lato aspirazione, produce l'apertura di una valvola prima della turbina e lascia fuoriuscire nello scarico parte dei gas combusti che altrimenti porterebbero la turbina a girare ad una velocità eccessiva pompando quindi troppa aria ed aumentando così esageratamente la pressione; ciò evita l'autodistruzione del motore....
L'azionamento di questa valvola può essere meccanico, pneumatico o elettronico (gestito da una centralina) e normalmente e prevista una certa regolazione della Wastegate in modo da ottimizzarne il funzionamento.Può essere collocata a ridosso della chiocciola o piazzata sul collettore di scarico per indirizzare una porzione dei gas combusti direttamente a valle del turbocompressore senza attraversarlo (schema utilizzato nei propulsori da F1)..
 

 

La valvola by-pass e la valvola pop-off

La valvola di by-pass è chiamata a salvaguardare l'integrità della valvola a farfalla (posta sull'aspirazione), delle tubazioni e della girante del compressore quando si rilascia l'acceleratore. Queste valvole vengono montate quando, nella versione di serie o dopo una profonda elaborazione, vengono utilizzate elevate pressioni di esercizio. Tali valvole hanno il compito di aprirsi e dare sfogo al picco di pressione che si viene a creare nel collettore di aspirazione quando si chiude repentinamente il gas. In questa condizione, infatti, le pale del compressore continuano a ruotare velocemente pompando aria nel condotto che però risulta temporaneamente chiuso; per non danneggiare la delicata girante si apre dunque una via di fuga che lascia sfogare altrove l'eccesso di pressione (in questa fase inutile visto che siamo in fase di rilascio).
La valvola è dotata di un tubo di depressione che parte a valle della "farfalla" comandata dall'acceleratore e ne provoca l'apertura.
Sono possibili due schemi di utilizzo:
- nello schema con valvola by-pass (tipico delle vetture di serie) l'aria viene riconvogliata tramite un tubo a valle del filtro dell'aria in maniera silenziosa, si cerca in questo modo di riciclare quest'aria per mantenere comunque elevata la pressione di esercizio e per non far fermare del tutto il compressore anche ad acceleratore chiuso.
- nello schema con valvola pop-off (tipico delle vetture preparate) l'aria viene deviata verso l'esterno ed è questo che produce il famoso sibilo in fase di rilascio dei motori turbo da gara; normalmente queste valvole sono perfettamente calibrate o regolabili, permettendo quindi un maggior controllo senza inutili abbassamenti di pressione.
 

 

L'overboost

Oltre alle due valvole precedentemente descritte c'è un terzo dispositivo che controlla la pressione di sovralimentazione: l'overboost, che può essere realizzato a comando meccanico o elettronico. Attraverso il suo operato si può ingannare la wastegate per un determinato lasso di tempo, dando la possibilità di ottenere dei picchi di potenza.
In pratica si ritarda l'intervento della valvola lasciando salire la pressione di qualche punto (picco di overboost) e mantenendola per un tempo prestabilito, dopodiché la wastegate torna a svolgere il proprio compito facendo tornare la pressione di sovralimentazione al valore di taratura.

L'intercooler

Svolge la funzione di raffreddare l'aria di alimentazione del motore, infatti più aumenta la temperatura dell'aria più essa si espande e diventa meno densa e quindi a parità di pressione pompiamo meno aria nel motore; il rendimento dello stesso cala ed aumenta immediatamente quello che è il maggior pericolo di un motore turbo: l'autoaccensione.
Per svolgere bene il suo compito l'intercooler ha bisogno di un grande flusso d'aria che lo attraversi e pertanto sia davanti che dietro nulla deve impedire il libero fluire dell'aria ed è anche chiaro che maggiori saranno le dimensioni della superficie dissipante maggiore sarà la potenza a parità di pressione. Per sottolineare l'importanza della densità dell'aria aspirata basti pensare a quando si va in montagna: salendo di altitudine la densità dell'aria aumenta e solitamente viene indicata (per i motori turbo) una perdita di potenza del 1,5% ogni 100 metri di altitudine in più e quindi a 1000 metri avrete già perso il 15 % di potenza!
 

 

Riepilogando

# Waste Gate
Nel funzionamento normale del turbocompressore la regolazione della pressione massima di alimentazione è effettuata tramite l'apertura della valvola waste-gate ( . Infatti nel diaframma dell'attuatore (9) è sempre applicata la pressione di sovralimentazione cioè quella esistente a monte del compressore. Questa pressione crea una spinta sul diaframma; quando questa spinta supera quella antagonista della molla di reazione, la valvola waste-gate ( si apre ed una parte dei gas di scarico viene deviata dalla turbina, privando quest'ultima della propria forza.

# Overboost
Quando l'avvolgimento (5) viene magnetizzato dalla centralina comando iniezione-accensione, la valvola (7) mette in collegamento la pressione di sovralimentazione del condotto (6) al condotto aspirazione ossia a valle del compressore scaricando la pressione esistente sul diaframma dell'attuatore (9): la riduzione di spinta sul diaframma dell'attuatore determina la chiusura parziale della valvola waste-gate ( , per cui una quantità maggiore di gas va ad alimentare la turbina aumentando la sua velocità e quindi quella del compressore facendo così aumentare il valore della pressione di sovralimentazione.

# Valvola meccanica
Questa valvola ha lo scopo di ridurre e annullare il "colpo d'ariete" che si verificherebbe rilasciando bruscamente il pedale dell'acceleratore, con il motore in funzionamento sovralimentato. Quando si chiude la valvola a farfalla (10), la depressione trasmessa dal condotto (2) collegato al collettore di aspirazione, apre la valvola (3); questa apertura consente alla pressione a valle della farfalla (chiusa), di scaricarsi a valle del compressore ed annullare le onde di pressione che causano la rumorosità di funzionamento (colpo d'ariete).

Consigli per prolungare la vita del turbo

Con alcuni accorgimenti molto semplici da attuare è possibile prolungare la vita del turbocompressore o, perlomeno ritardarne la revisione.
Quando si avvia il motore, dopo una sosta prolungata o con temperature esterne rigide, l'olio di lubrificazione dell'alberino che collega le due giranti necessita di qualche minuto per raggiungere la temperatura di esercizio ottimale e quindi il primo consiglio è di non accelerare a fondo subito dopo la messa in moto.
Un'altra situazione critica si presenta quando si spegne il motore (sopratutto dopo una bella tirata autostradale): la temperatura del turbo è altissima e chiudendo improvvisamente il flusso (sia di lubrificazione che di raffreddamento), parte dell'olio, che è direttamente a contatto del corpo rovente, brucia e lascia depositi solidi che riducono la vita delle boccole di supporto dell'alberino che collega le due delle giranti; è basilare quindi lasciare girare al minimo il motore per uno o due minuti prima di spegnere il motore. Proprio per evitare questo tipo di danni alcune auto montano dei circuiti di ritardo che continuano a far girare la pompa per qualche minuto dopo lo spegnimento del motore.

[Vincent Vega]

Molto interessante, complimenti! Sarebbe carino poter approfondire il discorso con i concetti di surge, le compressor map, pressure ratio, choke line, tutti molto utili per comprendere come far lavorare al meglio una turbina IMHO etc.etc.!

[Ospite j0nj0nny]

Ottimo vincent, se hai altre info in possesso, postamele pure in Pm cosi le aggiungo a questo discorso e cerchiamo di completarlo cn altre utilita.

Rimango a disosizione

[Ospite j0nj0nny]

P.s

Aggiungerò anche un piccolo discorso, inerente la geometria.

[CREATIVE]

ottimo post J0nj0nny

[cecco]

Molto istruttivo.

[MiRacing]

ottime guide avrei tanto voluto un professore preparato come te

[motorss]

perfetta in tutti xD

[Engine90]

Ottima! Grazie

[birobiro]

interessante grazie

[Psycho]

chiarissima e completa.. complimenti..

[Vtsicily]

Interessante davvero!  Sarebbe da approfondire anche il funzionamento del turbo a doppio stadio. Volumetrico più turbina riescono a fare cose eccezionali