Il turbocompressore è un sistema meccanico con lo scopo di sovralimentare il motore a combustione interna. Come suggerisce il nome, è formato principalmente da due componenti: la turbina e il compressore. Entrambi hanno la forma di giranti, sono dotati di palette e sono collegati tra loro da un alberino.
Funzionamento del Turbocompressore
Il turbocompressore lavora per aumentare la quantità di aria nel motore, massimizzando le prestazioni. Affinché un motore funzioni in modo ottimale, deve avere la corretta miscela di carburante e aria. Maggiore è il consumo di carburante, migliori sono le prestazioni del motore. Il compressore aumenta la pressione dell’aria aspirata e la dirige nella camera di combustione.
I gas di scarico producono energia e vengono inviati alla turbina. La turbina recupera parte di quell’energia e la restituisce al compressore. L’aria prodotta dal compressore viene utilizzata per generare energia e alimentare altri componenti, riducendo il carico sul motore e il consumo di carburante. Una valvola wastegate contribuisce a questo meccanismo: una volta raggiunta una certa pressione, convoglia i gas di scarico direttamente nel collettore di scarico, evitando aumenti di giri.
La quantità di aria pompata nel cilindro è strettamente correlata alla velocità del motore. Man mano che viene richiesta maggiore potenza al veicolo, la massa d’aria aumenta all’aumentare della velocità del motore, provocando reazioni diverse in termini di potenza del motore ed emissioni. Ciò ha creato la necessità di poter aumentare o diminuire la quantità di aria disponibile indipendentemente dal motore.
Componenti del Turbocompressore
- Turbina: Inserita in un vano a forma di chiocciola nell’impianto di scarico, la turbina è responsabile del recupero di parte dell’energia dai gas di scarico.
- Compressore: Alloggiato nel vano di aspirazione, il compressore aumenta la pressione dell’aria aspirata e la dirige nella camera di combustione. È composto dalla girante del compressore e dall’alloggiamento del compressore.
- Alberino: Collega la turbina e il compressore, permettendo alla turbina di far girare la girante del compressore.
- Intercooler: Un radiatore che raffredda l’aria compressa, aumentandone la densità a parità di volume.
- Valvola Wastegate: Regola la compressione riducendo o eliminando il gas in eccesso per evitare un’eccessiva rotazione della turbina.
Modalità di Azione
La girante del compressore è collegata alla turbina tramite un albero di acciaio forgiato. La turbina fa girare la girante del compressore e l’alta velocità della rotazione aspira l’aria comprimendola. L’alloggiamento del compressore converte il flusso d’aria ad alta velocità e bassa pressione in un flusso d’aria a bassa velocità e alta pressione tramite un processo chiamato diffusione.
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I gas che fuoriescono dalla camera di combustione sono convogliati dai condotti di scarico verso la turbina, che inizia a girare mettendo in movimento il compressore che risucchia aria e la comprime. L’aria compressa passa attraverso un radiatore chiamato intercooler e quindi confluisce nei condotti di aspirazione, nei quali determina un aumento della pressione. La maggior quantità d’aria che raggiungere i cilindri, abbinata a un proporzionale incremento del combustibile iniettato, garantisce un aumento della coppia motrice e della potenza rispetto al motore aspirato di pari cilindrata.
Vantaggi del Turbocompressore
- Maggiore Efficienza: Sfrutta l’energia dei gas di scarico che altrimenti andrebbe sprecata.
- Aumento della Potenza: Incrementa la coppia motrice e la potenza rispetto al motore aspirato di pari cilindrata.
- Riduzione del Consumo di Carburante: In determinate condizioni, può contribuire a ridurre il consumo di carburante.
Svantaggi del Turbocompressore
- Turbo Lag: Ritardo tra la pressione dell’acceleratore e l’aumento di coppia del motore, soprattutto ai regimi più bassi.
- Complessità Meccanica: Aggiunge un certo livello di complessità al motore.
Turbocompressore vs Compressore Volumetrico
In confronto al compressore volumetrico, che ha la medesima funzione ma è azionato dal motore attraverso una cinghia, il turbo ha il vantaggio del maggior rendimento, dato che non assorbe potenza dal propulsore e, anzi, sfrutta l’energia dei gas di scarico che altrimenti andrebbe sprecata.
Compressore Volumetrico:
- Vantaggi: Risposta immediata, erogazione di potenza lineare, maggiore potenza ai bassi regimi.
- Svantaggi: Consumo di energia, efficienza inferiore rispetto al turbocompressore, complessità meccanica.
Turbine a Geometria Variabile
Per rendere più rapida la risposta, sono state studiate delle turbine a geometria variabile, che modificano la sezione di passaggio dei gas tramite alette mobili. Questa soluzione permette al turbocompressore di garantire un’apprezzabile sovralimentazione ai bassi e di evitare di raggiungere un numero di giri troppo elevato agli alti.
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. Con la geometria variabile viene 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.
Turbine Single Scroll e Twin Scroll
Un’altra soluzione adottata per ridurre il lag di risposta dei turbo-compressori sono le turbine twin scroll. Le turbine twin scroll puliscono il flusso dei gas di scarico in uscita dai cilindri, riducendo la contropressione nei collettori. 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. Al contrario un turbocompressore single scroll lavora con un unico flusso a pressione costante.
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Turbocompressori Elettrici
La moderna tecnologia ha prodotto compressori alimentati da motori elettrici. Ciò consente di aumentare il volume dell’aria aspirata al di sopra della velocità del motore, eliminando la risposta lenta tipica dei motori turbocompressi. Le turbine elettriche possono anche ridurre le emissioni di particolato dei motori diesel. Controllando il compressore e il volume d’aria, è possibile ridurre il tempo dalla velocità minima alla velocità massima.
Tipologie di Turbocompressori
- Geometria Fissa: Turbina e compressore mantengono fisso il volume d’aria.
- Geometria Variabile: Palette mobili intorno alla ruota della turbina variano la sezione dei canali e l’angolo di incidenza dei gas di scarico.
- Single Scroll: Lavora con un unico flusso a pressione costante.
- Twin Scroll: Lavora con più flussi sfruttando la teoria degli impulsi.
- Multi-Turbo (Twin Turbo/Biturbo): Utilizza due unità per coprire differenti range di giri.
- Elettrico: Azionato da un motore elettrico per ridurre il turbo lag.
Installazione Multi-Turbo
Il sistema Twin Turbo, detto anche biturbo, utilizza due unità invece che un turbocompressore singolo. Il vantaggio di avere più turbo (si parla infatti di multi-turbo) è di poter coprire differenti range di giri, a differenza del turbocompressore singolo che funziona al meglio solo agli alti regimi, anzi risulta addirittura controproducente ai bassi. In questo modo si riduce il turbolag e si ottiene un funzionamento più omogeneo, che si traduce in una risposta più rapida all’acceleratore. I sistemi a doppio turbo possono essere sequenziali o in parallelo. Nel primo caso le due unità, spesso di dimensioni differenti, entrano in funzione in momenti diversi: ai bassi regimi i gas di scarico vengono convogliati nel turbo più piccolo, agli alti regimi in quello più grande.
Problemi e Malfunzionamenti
La rottura di una turbina, nella maggior parte dei casi è subito attuabile. La resa dell'auto scende in modo evidente ed anche un semplice sorpasso o una normale ripartenza creano difficolta evidenti al motore e al conducente stesso. Le cause di una possibile rotture possono essere molte e varie; la colpa può essere imputata ad un malfunzionamento di una valvola di regolazione, ad una diminuzione della tenuta dell'impianto a causa di un tubo rotto, con perdite di aria o olio motore che può disperdersi o creare fumo allo scarico, ecc. Una regolare manutenzione e una sostituzione dell'olio motore come previsto dal piano di manutenzione sono le basi per poter allungare la vita della nostra turbina perché con un olio pulito e nuovo offre anche una migliore lubrificazione a tutte le parti in movimento del turbocompressore.
Turbo Lag: Cause e Soluzioni
Il turbo lag è il tempo che intercorre tra la pressione del pedale dell’acceleratore e l’effettiva risposta del turbocompressore nei motori sovralimentati. Questo ritardo dipende dal tempo necessario al turbo per raggiungere i regimi ottimali di funzionamento.
Soluzioni per Ridurre il Turbo Lag:
- Turbine a geometria variabile: Modificano la sezione di passaggio dei gas per garantire una risposta più rapida.
- Turbine twin scroll: Pulire il flusso dei gas di scarico per ridurre la contropressione.
- Turbocompressori elettrici: Forniscono una spinta immediata grazie al motore elettrico.
- Rimappatura della centralina: Ottimizza i parametri di iniezione, anticipo e pressione del turbo.
Rimappatura della Centralina per Ridurre il Turbo Lag
La rimappatura della centralina è il metodo più efficace per ridurre il turbo lag senza modifiche meccaniche. Modificando i parametri di iniezione, anticipo e pressione del turbo, si può ridurre significativamente il turbo lag. La vera bravura sta nel bilanciamento di questi parametri. Una mappatura professionale deve considerare le caratteristiche specifiche del motore e i suoi limiti meccanici. Non si tratta solo di aumentare la pressione del turbo, ma di creare un equilibrio tra prontezza di risposta, potenza e affidabilità.
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