L'insegna del Garagetorino
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Titolo della Sezione Tecnica

Il Funzionamento del Turbo

Il principio di funzionamento

Il turbocompressore non è altro che un compressore centrifugo, trascinato per mezzo di un alberino da una turbina centripeta che è mossa a sua volta dal flusso dei gas di scarico che la investono; le due giranti sono simili, soltanto che hanno i flussi di entrata ed uscita invertiti.
Immagine Schema Funzionamento del Turbo 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

Immagine Turbina 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.

Immagine Schema degli elementi della turbina

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 diminuisce 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!

    Schema dell' Overboost
    Riepilogando
  • Waste Gate
    Nel funzionamento normale del turbocompressore la regolazione della pressione massima di alimentazione è effettuata tramite l'apertura della valvola waste-gate (8). 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 (8) 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 (8), 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.

    Applicazioni pratiche
    E ora la parte più divertente. Vuoi un turbo TD04-14B, un K04-001 oppure un turbo ibrido T3/T04E? Ok, innanzitutto cercherò di spiegarvi cosa significano le indecifrabili sigle alfanumeriche che identificano i turbo. Prima di tutto, i tre turbo appena menzionati sono realizzati da tre differenti costruttori.
    Il TD04-14B è prodotto dalla Mitsubishi ed è utilizzato come turbo originale dalle Talon/Eclipse/Lasers costruite dal 1990 fino al 1994.
    Il K04-001 è fatto dalla KKK ed è usato dalla più potente versione europea dell'Audi A4. (Una nota di margine: la fabbrica originale della KKK è stata rilevata dall'americana BorgWarner).
    I turbo ibridi, invece, sono progettati completamente per il "performance aftermarket", ossia il mercato dei ricambi ad alte prestazioni e, in generale, sono basati sui turbocompressori Garrett. Esso è chiamato T3/T04E perché la sezione della turbina viene dal turbo T3, che è progettato per le auto a benzina. Il compressore viene dal ben più grande turbo T4, che è progettato per furgoni da lavoro pesante. Così viene accoppiata una turbina T3 per piccoli motori da città con un compressore T4 per mezzi dalle grandi potenze (Un motore ad esempio da 1.5L probabilmente non potrebbe generare abbastanza gas di scarico da muovere le palette di un vero turbo T4, lasciato da solo a produrre potenza.). In generale, ogni produttore di turbocompressori avrà prestazioni similari se si considerano simili specifiche tecniche. Mediamente le uniche differenze riguardano le tipologie di supporti per il montaggio. Così se hai una Volkswagen col turbo BorgWarner K03 turbo e volessi un upgrade, il modo più semplice per ottenerlo è montando un più grande K04. Certamente, potresti usare un turbo TD04-14B, che potrebbe generare qualcosa in più in termini di potenza, ma in più dovresti ingegnarti su come montare il nuovo turbo. Se invece tu dovessi modificare un'auto con motore aspirato per farla diventare sovralimentata il discorso cambia completamente (il limite è il cielo!). Per le Honda, la maggiorparte dei componenti che puoi comprare nei negozi sono assemblati intorno ai turbo di tipo Garrett.

    Immagine Turbo della Turbonetics Immagine Girante Turbo della Turbonetics Immagine Turbo della Turbonetics fronte Immagine Turbo della Turbonetics retro

    Il turbocompressore nelle foto di sopra (tratte dal sito www.overboost.com è realizzato dalla Turbonetics, e si adatta alle applicazioni dei Garrett. Esso è un turbo ibrido T3/T04E e può soffiare fino a circa 500 hp. Si noti che sulla chiocciola del compressore è stampata la sigla "E50", che indica il compressore T04E con un settaggio "50", mentre sulla chiocciola del turbo è riportata il numero "63", che indica che la chiocciola del turbo ha un rapporto stechiometrico, o a/r, di 0.63. In generale, più sono alti tali numeri è maggiore sarà il range di RPM in cui il turbo lavorerà al meglio producendo la massima potenza per cui è stato progettato. Un turbo T3/T04E-50 è generalmente considerato lo standard per ottenere la massima potenza dai motori a 4 cilindri poiché eleva la potenza per un largo intervallo di giri del motore e produce molti hp. (A 4,5kg di spinta questo componente produrrà 260 hp con un buon intercooler).

    Quale turbo usare?
    Adesso che hai deciso quale produttore di turbocompressori scegliere,non ti rimane che scegliere quale modello è il più adatto alle tue esigenze? Non è possibile dare tutte le risposte a tale domanda in un solo articolo ma di solito si guarderà per un kit già pronto. Con i kit, le principali equazioni ingegneristiche sono già state fatte per te e tutto quello che devi fare è semplicemente selezionare quale kit ti piace e poi montarlo su. Se non esistono kit pronti per la tua applicazione, il consiglio è di andare su ibridi basati su turbo Garrett. La disponibilità di parti significa avere a disposizione una selezione più vasta di turbo per il tuo motore e una facile reperibilità di parti di ricambio. Segue una breve lista di case automobilistiche e delle marche di turbo che usano in origine:
  • Fiat / Lancia: Garrett, IHI;
  • Audi / Volkswagen: KKK / BorgWarner K0-series;
  • Mazda: per la maggior parte sono turbo realizzati direttamente dalla Mazda;
  • Mitsubishi: Mitsubishi serie TD e Garrett T25;
  • Nissan: Garrett T25;
  • Subaru: IHI;
  • Toyota: Toyota serie CT e Mitsubishi serie TD.
    (Si noti poi che i turbo Mitsubishi TD sono intercambiabili con i Garrett T25)

    Resta da dire che installare un turbocompressore in una macchina è un po' più complicato del semplice montaggio della turbina sui tubi di scarico del motore e del montaggio del compressore a sistema di aspirazione. Per evitare di dimezzare la vita del proprio motore occorrerà revisionare tutti i componenti e valutare prima se è il caso di intraprendere o meno una via così laboriosa e costosa per modificare la propria auto.
    Ah dimenticavo, se il vostro scopo è quello di utilizzare una macchina così preparata sulle strade di tutti i giorni, prima di cominciare una elaborazione del genere fate 2 chiacchiere con un ingegnere della Motorizzazione, troverà di certo degli argomenti di vostro interesse...
  • Informazioni e immagini tratti dai siti:
    Clubalfa.it , Overboost.com
    (Le immagini appartengono ai legittimi proprietari)
    Autore: Ing. Pezzali, Francesco Nugara
    Per suggerimenti, correzioni, segnalazioni:
    Suggerimenti
    ToRnA aLLa
    PaGinA della TecNicA