Il turbo compressore

300ZX Italian Club
Il turbo compressore
Il sistema di sovralimentazione mediante turbocompressore si è iniziato a studiare verso l'inizio del 1900 e, qualche
decina di anni dopo, è stato applicato ai motori degli aerei da guerra. Il turbo ha fatto il suo ingresso verso la fine degli
anni '70 sia in Formula 1, con la Renault (1977), che nei rally, con la Saab 99 Turbo (1978). Rimane tuttora,
probabilmente, la migliore soluzione per incrementare la potenza e le prestazioni di un motore. Basti pensare che la auto
di F1 di metà anni '80 arrivavano a potenze sull'ordine dei 1000CV/litro (erano dei 1500cc che erogavano circa 1500CV)!!
Il funzionamento del turbocompressore è relativamente semplice da capire. Il dispositivo è costituito da due parti, solidali
fra loro, chiamate, per l'appunto, turbina e compressore. La prima è un dispositivo costituito da una girante munita di
palette ed alloggiata in uno statore avente una conformazione a chiocciola. In alcuni turbocompressori, onde ottimizzare
la resa anche ai bassi regimi, viene adottato un sistema di palette a geometria variabile che modificano la loro posizione
determinando un aumento o una diminuizione di pressione nel flusso di gas che mette in movimento la girante.
Questa girante è collegata direttamente, tramite un albero, al compressore, che altro non è che un'altra girante munita di
palette. La girante della turbina prende il suo movimento sfruttando la pressione e la spinta dei gas di scarico in uscita
dal collettore e lo trasmette direttamente al compressore, il quale aspira l'aria in arrivo dal filtro e la comprime
aumentandone la densità. Per limitare la pressione dei gas di scarico all'interno della turbina, esiste una valvola di by-pass
chiamata WASTEGATE che, a seconda della sua apertura (nei motori più evoluti è a controllo elettronico), devia una
quantità più o meno grande di gas combusti direttamente allo scarico senza che agiscano sulla girante della turbina.
(Alcune turbine, evidentemente montate su motori estremamente prestazionali, arrivano a ruotare anche a 200000
giri/min!). In alcuni casi, sempre per salvaguardare la salute del sistema, esiste un'altra valvola chiamata POP-OFF che
limita la pressione nel condotto di aspirazione. Infatti, al momento in cui si rilascia l'acceleratore, nonostante il lavoro
svolto dalla WASTEGATE capita che il compressore tardi un attimo ad andare giù di regime (specie in caso vi siano dei
ritorni di fiamma) e che, quindi, continui ad essere mantenuta una pressione elevata verso il collettore di aspirazione.
L'aria viene ostacolata dalla farfalla, chiusa per via del rilascio dell'acceleratore, rischiando di danneggiare la farfalla
stessa o le tubazioni. Qui entra in gioco la POP-OFF che, essendo tarata per sfogare le sovrapressioni, si apre e lascia
defluire all'esterno del collettore l'aria in esubero. Chiunque abbia assistito ad una partenza "tirata" di un'auto
sovralimentata ad alte prestazioni ha sicuramente notato il sibilo di sfiato che segue il rilascio dell'acceleratore al
momento del cambio marcia. Quel sibilo è provocato proprio dalla POP-OFF che esegue il suo lavoro.
Con questo sistema è un po' come se si riuscisse a fare stare una maggior quantità di aria in uno stesso volume. Questo
permette, al momento dell'iniezione del carburante, di immettere una maggior quantità di combustibile (sovralimentazione)
in quanto il rapporto della miscela aria/benzina deve restare pari a 14.7/1 (14.7 kg di aria per 1 kg di benzina): se, per
esempio, si comprime l'aria fino a farne stare una quantità tripla rispetto al normale nel volume di un cilindro, va da sé che
si può iniettare una anche quantità di carburante 3 volte maggiore rispetto al normale nello stesso cilindro! Il rapporto di
compressione nei motori turbo viene tenuto piuttosto basso in quanto i gas vengono giù compressi dalla turbina ed una
ulteriore compressione potrebbe dare luogo a detonazioni anticipate o indesiderate. La compressione dell'aria in
aspirazione, infatti, comporta anche dei problemi: un gas, comprimendolo, si scalda ed aumenta la sua temperatura. Ne
possono conseguire problemi quali, come giù detto, la detonazione anticipata della miscela aria/benzina (battito in testa)
ed un eccessivo surriscaldamento del motore. Per questo vengono adottati alcuni sistemi che raffreddano i gas
provenienti dalla turbina o direttamente la miscela aria/benzina iniettata.
Il sistema più comune è l'INTERCOOLER. In pratica si tratta di uno scambiatore di calore (sistema analogo ad un
radiatore) posto lungo il condotto che porta l'aria dal compressore al collettore di aspirazione. Generalmente vengono
utilizzati scambiatori di calore aria/aria, ma esistono anche degli scambiatori aria/acqua. Dal compressore l'aria può uscire
anche a temperature molto elevate (160-200°C sono valori comuni) che vengono abbassate tramite l'intercooler, che
"scambia" il calore dell'aria di aspirazione con quello dell'aria esterna (scambiatore aria/aria) o con quello di un
"serbatoio" di liquido refrigerante (scambiatore aria/acqua).
Altro sistema per abbassare le temperature della miscela aria/benzina agendo direttamente in camera di combustione
(abbassando, quindi, anche la temperatura del pistone e della testa) è realizzato tramite un INIETTORE D'ACQUA. In
pratica consiste in un dispositivo che, ad alti regimi di funzionamento del motore, inietta piccolissime quantità di acqua
assieme alla miscela in modo da abbassarne la temperatura. Questo dispositivo, comunque, è adottato solo su motori
turbo altamente prestazionali (vedi Ford Escort Cosworth o altre auto da rally) che non risentono quasi per nulla
dell'acqua che, di fatto, potrebbe "disturbare" la combustione.
I problemi della sovralimentazione mediante turbocompressore sono svariati e stanno determinando una lenta ma
inesorabile scomparsa di questo genere di motori. Questo vale per lo più per le auto a benzina, perché per i diesel il
discorso è quasi inverso! Come si è giù visto uno di questi è la gestione delle alte pressioni e temperature che entrano in
gioco. Inoltre la benzina è molto più suscettibile alle temperature rispetto al gasolio. Altro problema dei motori turbo sta
nel fatto che ai bassi regimi, quanto il compressore non sta praticamente lavorando, il rapporto di compressione basso fa
si che la risposta all'acceleratore non sia pronta, la turbina accusa un certo ritardo per arrivare a regime (ritardo del
turbo, o "turbo-lag") e nel momento in cui ci arriva l'erogazione della coppia e della potenza sono immediate e brutali! In
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pratica ci si può trovare a viaggiare con il motore che ruota a 2000-2500giri/min ed avere la necessità di accelerare
notevolmente sfruttando la ripresa; ci si trova a schiacciare il pedale dell'acceleratore e ad avere una risposta
estremamente blanda da parte del motore, che tarda a riprendere giri. Per potere "andare via" diventa necessario
scalare una o più marce, per trovarsi ad un regime di giri per il quale il compressore cominci a "soffiare" (generalmente si
parla di 3000-3500giri/min) e a fare erogare tutta la coppia al motore. Questo va ad influire tragicamente sui dati dei
consumi (i motori turbo benzina sono incredibilmente assetati)! Stiamo quindi parlando di un comportamento prettamente
sportivo: poca spinta in basso, ma erogazione poco fluida e brutale appena passata la soglia di intervento del turbo! Per
avere una risposta più morbida e lineare bisognerebbe utilizzare turbine piccole, quindi con una minore inerzia nella
rotazione ed una risposta più pronta anche "in basso", ma questo significherebbe anche non avere un grande
incremento di prestazioni in termini di potenza e coppia (non avrebbe senso avere quasi le stesse prestazioni di un
motore aspirato con un motore turbo). Questi problemi sono stati solo in parte risolti tramite la gestione elettronica del
turbocompressore, ma non è stato sufficiente per la "salvaguardia della specie". Nei rally la soluzione adottata è molto
diversa e spettacolare! Su strada, la tendenza che si sta avendo è quella di avere dei motori aspirati plurivalvole con
valori di potenza non eccellenti, ma con erogazioni di coppia molto fluide e lineari onde ottimizzare i consumi, ridurre le
emissioni inquinanti e permettere anche ai più inesperti di riuscire a guidare delle GTI (se GTI si possono chiamare!)
senza correre troppi pericoli.
Tratto da : http://xoomer.virgilio.it/f.beltramello/Varie%20ed%20eventuali/Turbocompressore.htm
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