TURBO - Cos'è e come funziona:

Il turbocompressore, noto come turbo-gruppo o turbo, è un sistema meccanico con scopo di sovralimentazione del motore a combustione interna che sfrutta i gas di scarico. E’ costituito dall'accoppiamento tra una turbina centripeta, detta il lato "caldo" o lato di scarico, dove vengono ricevuti i gas di scarico ad alta temperatura, e un compressore centrifugo, detto il lato "freddo" o lato di aspirazione, nel quale viene risucchiata l'aria da comprimere. Il turbo viene 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 oppure 4 2 1. Questa dicitura indica il modo in cui i collettori sono stati realizzati ed in particolar modo, l’evoluzione delle curve. Il turbo viene utilizzato nei motori con sistemi a iniezione e nella maggior parte dei sistemi a carburatori, e il vantaggio è quello di limitare le dispersioni di carburante lungo le pareti dell'impianto di alimentazione. All’interno del compressore e della turbina sono presenti due giranti che svolgono due funzioni separate: esse sono rese solidali da un albero di giunzione e ruotano alla stessa velocità all’interno del loro alloggiamento a forma di chiocciola. La girante della turbina, posta all’interno della chiocciola di scarico realizzata in ghisa, viene messa in rotazione sia dall’azione dei gas di scarico spinti fuori dai cilindri grazie ai pistoni, sia dalla combustione della miscela aria/benzina, che creano una pressione positiva fra la valvola di scarico e la turbina. La girante del compressore, posta all’interno del “lato freddo” è composta da una lega leggera che permette di ridurre la resistenza all’accelerazione cercando di avere l’effetto opposto del volano, ad esempio. La sua funzione è quella di comprimere l’aria e di immetterla nel collettore di aspirazione, fornendo ai cilindri un volume d’aria maggiore di quanto ne potrebbe aspirare nella medesima unità di tempo un motore aspirato. Come detto prima le due giranti sono collegate da un alberino che passa attraverso il “core assy”, il vero cuore del turbo. Riassumendo la turbina raccoglie l’energia dei gas di scarico e la trasforma in energia meccanica utile a mettere in rotazione il compressore e quindi la rotazione della girante di scarico aziona simultaneamente quella di aspirazione che comprime l’aria in ingresso verso l’intercooler e il corpo farfallato. Questo sistema è un complesso altamente efficiente che utilizza l’energia residua, altrimenti dispersa, dei gas di scarico per fornire maggior potenza al nostro motore.

Perchè i motori turbo non patiscono l'aria rarefatta?

Grazie a questo sistema i motori turbo non patiscono i cambi di pressione atmosferica poiché vengono tarati attraverso dei sensori di pressione conosciuti come “wastegate” che lavorano costantemente sui valori prefissati. Su vetture stradali si parla in media di valori variabili tra 0.5 bar e 1 bar di pressione positiva mentre su vetture da corsa si possono raggiungere pressioni decisamente più elevate. Basti pensare che le auto da corsa degli anni 80 arrivavano a pressioni vicine ai 3 bar, tutto ovviamente a discapito dell’affidabilità, ma giustamente se si è in gara è più importante il risultato della conservazione. La wastegate mantiene la pressione indicata variando solamente i giri al minuto delle due giranti, ad esempio: a livello del mare un turbo deve fare 1000 rpm per mantenere la pressione ad 1 bar, in montagna, per mantenere la stessa pressione, il turbo girerà a circa 15000 rpm.

Ma che cos’è la wastegate?

La valvola wastegate è un componente fondamentale per un turbo-compressore. Quest’ultimo, ricevendo tantissima energia cinetica dai gas di scarico, al raggiungimento della pressione di esercizio prefissata dal costruttore deve fermarsi per non superare tale limite onde evitare rotture indesiderate. Questa valvola viene comandata dalla pressione positiva presa dal lato freddo che spinge una membrana a molla e, attraverso un alberino meccanico, apre la valvola togliendo pressione dai collettori di scarico riducendo i giri delle giranti e la pressione del compressore.

Che differenza c'è tra turbine a geometria fissa e variabile?

Esistono in commercio cinque tipologie di turbine che andremo ad analizzare in questo video: le single scroll, le twin scroll, quelle a geometria fissa, quelle a geometria variabile e quelle elettriche. Le turbine a geometria fissa sono quelle che abbiamo descritto prima e fanno si che turbina e compressore mantengano fisso il volume d’aria. Quelle a geometria variabile invece hanno delle “palette mobili” poste intorno alla ruota della turbina con la funzione di variare la sezione dei canali delimitati dalle palette stesse e l’angolo di incidenza dei gas di scarico. In parole povere la posizione delle palette determina la velocità del rotore del turbocompressore. Il principale vantaggio della geometria variabile rispetto a quella fissa è la riduzione del turbo lag che ha migliorato la linearità di funzionamento del motore sovralimentato rispetto, ad esempio, a quanto si poteva riscontrare nei primi motori diesel turbocompressi. Il turbo lag consiste nel ritardo della risposta della turbina ed è derivante dal fatto che il motore a bassi regimi offre un flusso limitato di gas di scarico che non permette alla turbina fissa di trasferire una sufficiente rotazione al rotore, impedendo al compressore di offrire al motore le pressioni utili per un concreto aumento dei valori di coppia e potenza. Con la geometria variabile viene invece garantita un’elevata velocità di rotazione angolare del compressore sin dai bassi giri poiché le palette attuano una restrizione della sezione in cui influiscono i gas, garantendo una risposta pronta anche al minimo. All’aumentare dei giri motore, i gas di scarico acquisiscono velocità facendo aumentare significativamente i giri del rotore il quale garantisce una maggior compressione dell’aria in ingresso al motore. Ciò a sua volta permetterà di erogare più potenza sin dai bassi regimi in quanto sarà maggiore la quantità di carburante che il sistema di alimentazione potrà fornire al propulsore grazie all’incremento di ossigeno immesso nei cilindri. Arrivati a questo punto si innesca un circolo vizioso: si avrà più velocità dei gas di scarico che produrrà più rotazione del rotore e il compressore invierà aria più compressa al motore. Con i vecchi turbocompressori a geometria fissa si otteneva la situazione opposta: una grossa massa di gas di scarico in ingresso alla turbina produceva elevate contropressioni nello scarico con l’effetto di complicare l’espulsione di questi ultimi, incrementando quindi la temperatura degli stessi gas con l’effettiva riduzione del rendimento del motore. Questo effetto negativo, nel caso dei turbocompressori a geometria variabile è molto limitato: infatti all’aumentare dei giri motore (e quindi del flusso dei gas di scarico), l’incidenza delle palette mobili varia. La sezione di passaggio dei gas di scarico aumenta con l’effetto sia di “modulare” la velocità di rotazione della turbina (evitandone il fuorigiri) sia per permettere un più efficace deflusso dei gas di scarico che garantisce bassi valori di contropressione nel collettore di scarico. I vantaggi così ottenuti sono molteplici: ridotto consumo di carburante e aumento del rendimento del motore lungo tutto l’arco di regime di funzionamento. Per ottenere i vantaggi elencati è importante che la regolazione della geometria variabile sia molto precisa: in caso contrario il funzionamento del motore non sarebbe regolare e potrebbe provocare una rottura precoce del turbocompressore che opererebbe in condizioni di over-speed. È quindi determinante che l’elettronica di gestione del motore monitori con efficacia la posizione assunta dalla geometria variabile. La geometria variabile viene comandata da un attuatore che si divide sostanzialmente in tre tipologie principali: attuatori pneumatici; attuatori elettro- pneumatici; attuatori elettronici.

Single scroll o twin scroll?

Vista la differenza fra turbine a geometria fissa e turbine a geometria variabile, passiamo ad un’altra soluzione adottata per ridurre il lag di risposta dei turbo-compressori, le turbine twin scroll. Prima di elencare i vantaggio chiariamo cosa vuol dire il termine, immaginate il turbo tradizionale con un solo collettore di scarico in entrata proveniente dai collettori 4 in 1, ora immaginate di avere i collettori 4 2 2, ovvero collettori accoppiati a due a due che non si uniscono assieme fino alla girante di scarico, in questo caso avremmo i collettori e la girante twin scroll. Ma cosa vuol dire questo? Vuol dire pulire il flusso dei gas di scarico in uscita dai cilindri, riducendo la contropressione nei collettori in quanto le fasi di scoppio di un 4 cilindri in alcuni istanti con i collettori 4 in 1 potrebbero ostacolare la velocità dei flussi aumentando contropressione e temperature. In questo modo i gas di scarico arrivano molto più velocemente alla girante lato caldo senza disturbi ma non è tutto qui, ci son ulteriori vantaggi. In questo modo i flussi provenienti da ogni singolo cilindro saranno ben distinti l’uno dall’altro evitando che le loro pulsazioni possano ostacolarsi a vicenda. Per farvi un esempio, in un motore 4 cilindri con ordine di scoppio 1-3-4-2 si raggruppano i collettori 1 con 4 e 2 con 3 cercando di utilizzare collettori di equal lunghezza così da non generare diverse perdite di carico a causa della diversa lunghezza degli stessi collettori. In sostanza quindi i twin scroll lavorano con più flussi sfruttando la teoria degli impulsi già molto utile nella gestione della carica nel cilindro. Al contrario un turbocompressore single scroll lavora con un unico flusso a pressione costante. Il risultato è un turbo estremamente pronto ed in grado di eliminare i problemi di efficienza che affliggono i turbo single scroll ai bassi regimi e ai carichi elevati. Ulteriore vantaggio dei twin scroll è l'adozione di collettori di immissione differenti, quindi oltre ad avere flussi più puliti possiamo avere flussi direzionati in maniera differente cercando di creare l'effetto dei turbo a geometria variabile. Con i due collettori di immissione nel turbo differenti avremo un collettore più piccolo e direzionato in maniera tale da aiutare la rotazione della girante ai bassi ragimi ed un altro collettore leggermente più grande ed angolato in maniera tale da non creare drag ai gas di scarico agli alti regimi.