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ciao ragazzi, visto che se ne parla in molti forum e che è praticamente un componente standard, volevo cimentarmi e provare a descrivere cos'è il turbo-compressore, cosa fa, come funziona come e quando si applica e quali sono i suoi problemi.
Il turbo-compressore, normalmente chiamato affettuosamente turbo (ricordate le scritte sulle auto anni 80?) è un oggetto molto particolare e interessante.
Si compone di due parti idrauliche collegate rigidamente fra di loro mediante un piccolo albero.
La prima parte è la turbina e la seconda è il compressore vero e proprio. il suo funzionamento è molto semplice, qualcosa fa muovere la turbina che a sua volta muove il compressore che appunto comprime. Ma chi muove la turbina e cosa comprime il compressore?
La turbina viene mossa dai gas di scarico prodotti dalla macchina (è la parte calda del sistema) mentre il compressore comprime l'aria aspirata attraverso il filtro per poter immettere all'interno della camera di scoppio un maggior volume di aria. La differenza a questo punto è che in un motore aspirato è il cilindro che durante la fase di discesa si occupa del lavoro di aspirazione dell'aria generando una depressione nella cassetta filtro, mentre in questo caso è il compressore che si occupa lui del lavoro di spingere l'aria dentro il cilindro.
Nello spaccato sotto si vedono i componenti indicati sopra:
a destra si vede il compressore, a sinistra (più grande) la turbina.
L'idea alla base del turbo è, come in certi aspetti avviene per i motori di aereo, sfruttare l'energia dei gas di scarico in espansione e fuori-uscita dal motore che sarebbe persa per far compiere del lavoro ad altri oggetti.
Tutto bene in teoria ma in pratica ci sono alcuni problemi legati alla natura dell'oggetto. Primo fra tutti la temperatura, la lubrificazione (figlia anche della temperatura) e la velocità di rotazione.
L'aspetto più critico è sicuramente la temperatura. Essendo mosso dai gas di scarico viene azionato da fluidi a temperature di 8-900° C e non tutti i materiali sono idonei. Secondo aspetto critico è la lubrificazione. Essendo la parte turbina ad alta temperatura, l'albero che collega turbina e compressore normalmente viene montato su bronzine che necessitano di lubrificazione. Di per se non è un problema ma l'elevata temperatura a cui si trova e l'elevato numero di giri quando è in rotazione stressano molto l'olio motore normalmente utilizzato per la sua lubrificazione. Regimi di rotazione di qualche decina di migliaia di giri o anche centinaia sono normali ed il rischio di centrifugazione dell'olio è realmente presente considerando anche il comportamento dell'olio con la temperatura che tende a diventare più fluido e quini essere sparato fuori e non lubrificare più correttamente. Da qui la prassi sempre consigliata di, prima di fermarsi dopo un lungo viaggio o una tirata, un poco con il motore al minimo o fare qualche km in tranquillità per far abbassare la temperatura dell'olio e la temperatura della turbina. Un arresto repentino con tutto molto caldo potrebbe portare a bruciare l'olio con la nascita di depositi di carbonio sull'albero che possono o staccarsi o ostruire i condotti di lubrificazione con il relativo grippaggio e le famose fumate blu allo scarico
Un turbo sezionato si presenta così:
Oltre ai problemi tipici esistono dei problemi e limiti applicativi diversi tra motore a benzina e a gasolio.
Come detto prima, il compressore comprime l'aria. Tutto ok se non fosse che l'aria comprimendosi si scalda e questo può presentare un problema. Per i motori ad accensione spontanea, ossia i motori a gasolio che funzionano perché "battono in testa" per natura, questo non è un problema. Essendo aspirata solo aria con il gasolio spruzzato direttamente nella camera di scoppio solo alla fine, avere aria più calda non è un problema perché per funzionare l'aria deve essere calda bene ma bene a tal punto da far esplodere il gasolio iniettato.
Per i motori ad accensione comandata questo è un problema. Essendo la miscela aria-benzina fatta esplodere mediante una scintilla, una temperatura troppo elevata dell'aria o della miscela aria-benzina può generare fenomeni di auto-accensione spontanei e per un motore a benzina non è normale che batta in testa e tenda, per esempio a non spegnersi. Considerando che comunque la miscela aria-benzina durante la fase di compressione nella camera di scoppio di riscalderà per il processo di compressione, il problema di inserire incamera di combustione arai fredda o non farla scaldare troppo è stato prima risolto tenendo dei rapporti di compressione più bassi, indicativamente 8:1 rispetto ai 12-13:1 degli aspirati ed applicando un radiatore sull'aria compressa del compressore del turbo, l'intercooler che nelle versioni aria-acqua provvede anche a riscaldare l'aria in caso i temperatura fredda per avere sempre una corretta temperatura. Raffreddando l'aria si ha anche un altro effetto che è quello di poterne inserire di più perché l'aria fredda è più densa.
C'è un ulteriore problema connesso con il turbo, che è legato ai gas di scarico. Se in un motore aspirato lo scarico avviene in aria libera e, marmitta a parte, non è strozzato, il turbo rappresenta una strozzatura vera e propria che può creare dei problemi e cambia anche il sound.
Per quanto riguarda alcuni limiti, il primo fra tutti è il tempo di ritardo della sua risposta e come si comporta in fase di rilascio del gas.
Il compressore viene azionato dai gas di scaricano che colpiscono la turbina. Per poter funzionare correttamente e fare il suo compito la turbina deve ruotare molto velocemente e questo avviene solo in determinate condizioni e quando i gas di scarico sono belli presenti. A basso carico o bassi regimi di rotazione, i gas di scaricano latitano ed il compressore girerà piano. Questo suo girare piano si traduce nel generare poca pressione e poca spinta ma accelerando l'aumento di spinta non sarà istantaneo ma avverrà con un certo ritardo, turbo-lag, perché il sistema deve accelerare a dovere. Questo fenomeno è più accentuato quanto più grande è la turbina perché le masse in gioco da accelerare sono maggiori. Maggiore è il turbo-lag, maggiore sarà anche la sensazione di spinta quando il turbo sarà a regime.
Per diminuire il ritardo la prima soluzione fu quella di adottare turbine più piccole e quindi più leggere e la seconda è quella di usare i turbo a geometria variabile. Si tratta di una serie di palette mobili che deviano il flusso di aria che internamente colpisce la girante del turbo per variare la velocità o la portata di aria che colpisce la turbina interna. A bassa velocità le palette saranno messe nella condizione di favorire la massima velocità per aumentare velocemente la velocità di rotazione del gruppo turbina compressore ed ad elevata velocità riducono la velocità ma aumentano la portata di aria. con questo sistema, quello che sarà adottato sul TSI 130, il motore diventerà più reattivo a basso regime ed avrà anche una coppia più bassa come rpm perché il turbo risponderà meglio.
Se lo scopo di un eventuale tuning è quello di avere solo maggiore potenza, allora si userà un turbo grosso anni 80, se invece si vuole ottimizzare il rendimento del motore per avere motori piccoli da consumi modesti si userà un turbo piccolo, turbo anni 2000.
Va inoltre aggiunto che i gas di scarico, percorrendo lo scarico, man mano che si allontanano dal motore perdono energia e temperatura e più vicino è il turbo alla testata meglio è. Sfrutta gas di scarico più caldi ma molto più veloci e con più energia.
Il turbo a geometria variabile si presenta così:
Il turbo è anche dotato di un paio di sistemi di sicurezza, che sono la waste-gate e la valvola pop-off e servono principalmente per controllare la velocità di rotazione della turbina (waste-gate) scaricando parte dei gas di scarico in modo da rallentare la turbina come rpm o durante le fasi di rilascio dell'acceleratore (pop-off) scaricare l'aria nel condotto che va dal compressore per evitare che il compressore comprima l'aria contro la farfalla chiusa con suo danneggiamento.
Altro giochino che hanno certi turbo è l'overboost che altro non è che una momentanea chiusura forzata della waste-gate in modo da far alzare la pressione di sovra-alimentazione e far fare alla turbina tutti i giri che può fare
Il turbo-compressore, normalmente chiamato affettuosamente turbo (ricordate le scritte sulle auto anni 80?) è un oggetto molto particolare e interessante.
Si compone di due parti idrauliche collegate rigidamente fra di loro mediante un piccolo albero.
La prima parte è la turbina e la seconda è il compressore vero e proprio. il suo funzionamento è molto semplice, qualcosa fa muovere la turbina che a sua volta muove il compressore che appunto comprime. Ma chi muove la turbina e cosa comprime il compressore?
La turbina viene mossa dai gas di scarico prodotti dalla macchina (è la parte calda del sistema) mentre il compressore comprime l'aria aspirata attraverso il filtro per poter immettere all'interno della camera di scoppio un maggior volume di aria. La differenza a questo punto è che in un motore aspirato è il cilindro che durante la fase di discesa si occupa del lavoro di aspirazione dell'aria generando una depressione nella cassetta filtro, mentre in questo caso è il compressore che si occupa lui del lavoro di spingere l'aria dentro il cilindro.
Nello spaccato sotto si vedono i componenti indicati sopra:
a destra si vede il compressore, a sinistra (più grande) la turbina.
L'idea alla base del turbo è, come in certi aspetti avviene per i motori di aereo, sfruttare l'energia dei gas di scarico in espansione e fuori-uscita dal motore che sarebbe persa per far compiere del lavoro ad altri oggetti.
Tutto bene in teoria ma in pratica ci sono alcuni problemi legati alla natura dell'oggetto. Primo fra tutti la temperatura, la lubrificazione (figlia anche della temperatura) e la velocità di rotazione.
L'aspetto più critico è sicuramente la temperatura. Essendo mosso dai gas di scarico viene azionato da fluidi a temperature di 8-900° C e non tutti i materiali sono idonei. Secondo aspetto critico è la lubrificazione. Essendo la parte turbina ad alta temperatura, l'albero che collega turbina e compressore normalmente viene montato su bronzine che necessitano di lubrificazione. Di per se non è un problema ma l'elevata temperatura a cui si trova e l'elevato numero di giri quando è in rotazione stressano molto l'olio motore normalmente utilizzato per la sua lubrificazione. Regimi di rotazione di qualche decina di migliaia di giri o anche centinaia sono normali ed il rischio di centrifugazione dell'olio è realmente presente considerando anche il comportamento dell'olio con la temperatura che tende a diventare più fluido e quini essere sparato fuori e non lubrificare più correttamente. Da qui la prassi sempre consigliata di, prima di fermarsi dopo un lungo viaggio o una tirata, un poco con il motore al minimo o fare qualche km in tranquillità per far abbassare la temperatura dell'olio e la temperatura della turbina. Un arresto repentino con tutto molto caldo potrebbe portare a bruciare l'olio con la nascita di depositi di carbonio sull'albero che possono o staccarsi o ostruire i condotti di lubrificazione con il relativo grippaggio e le famose fumate blu allo scarico
Un turbo sezionato si presenta così:
Oltre ai problemi tipici esistono dei problemi e limiti applicativi diversi tra motore a benzina e a gasolio.
Come detto prima, il compressore comprime l'aria. Tutto ok se non fosse che l'aria comprimendosi si scalda e questo può presentare un problema. Per i motori ad accensione spontanea, ossia i motori a gasolio che funzionano perché "battono in testa" per natura, questo non è un problema. Essendo aspirata solo aria con il gasolio spruzzato direttamente nella camera di scoppio solo alla fine, avere aria più calda non è un problema perché per funzionare l'aria deve essere calda bene ma bene a tal punto da far esplodere il gasolio iniettato.
Per i motori ad accensione comandata questo è un problema. Essendo la miscela aria-benzina fatta esplodere mediante una scintilla, una temperatura troppo elevata dell'aria o della miscela aria-benzina può generare fenomeni di auto-accensione spontanei e per un motore a benzina non è normale che batta in testa e tenda, per esempio a non spegnersi. Considerando che comunque la miscela aria-benzina durante la fase di compressione nella camera di scoppio di riscalderà per il processo di compressione, il problema di inserire incamera di combustione arai fredda o non farla scaldare troppo è stato prima risolto tenendo dei rapporti di compressione più bassi, indicativamente 8:1 rispetto ai 12-13:1 degli aspirati ed applicando un radiatore sull'aria compressa del compressore del turbo, l'intercooler che nelle versioni aria-acqua provvede anche a riscaldare l'aria in caso i temperatura fredda per avere sempre una corretta temperatura. Raffreddando l'aria si ha anche un altro effetto che è quello di poterne inserire di più perché l'aria fredda è più densa.
C'è un ulteriore problema connesso con il turbo, che è legato ai gas di scarico. Se in un motore aspirato lo scarico avviene in aria libera e, marmitta a parte, non è strozzato, il turbo rappresenta una strozzatura vera e propria che può creare dei problemi e cambia anche il sound.
Per quanto riguarda alcuni limiti, il primo fra tutti è il tempo di ritardo della sua risposta e come si comporta in fase di rilascio del gas.
Il compressore viene azionato dai gas di scaricano che colpiscono la turbina. Per poter funzionare correttamente e fare il suo compito la turbina deve ruotare molto velocemente e questo avviene solo in determinate condizioni e quando i gas di scarico sono belli presenti. A basso carico o bassi regimi di rotazione, i gas di scaricano latitano ed il compressore girerà piano. Questo suo girare piano si traduce nel generare poca pressione e poca spinta ma accelerando l'aumento di spinta non sarà istantaneo ma avverrà con un certo ritardo, turbo-lag, perché il sistema deve accelerare a dovere. Questo fenomeno è più accentuato quanto più grande è la turbina perché le masse in gioco da accelerare sono maggiori. Maggiore è il turbo-lag, maggiore sarà anche la sensazione di spinta quando il turbo sarà a regime.
Per diminuire il ritardo la prima soluzione fu quella di adottare turbine più piccole e quindi più leggere e la seconda è quella di usare i turbo a geometria variabile. Si tratta di una serie di palette mobili che deviano il flusso di aria che internamente colpisce la girante del turbo per variare la velocità o la portata di aria che colpisce la turbina interna. A bassa velocità le palette saranno messe nella condizione di favorire la massima velocità per aumentare velocemente la velocità di rotazione del gruppo turbina compressore ed ad elevata velocità riducono la velocità ma aumentano la portata di aria. con questo sistema, quello che sarà adottato sul TSI 130, il motore diventerà più reattivo a basso regime ed avrà anche una coppia più bassa come rpm perché il turbo risponderà meglio.
Se lo scopo di un eventuale tuning è quello di avere solo maggiore potenza, allora si userà un turbo grosso anni 80, se invece si vuole ottimizzare il rendimento del motore per avere motori piccoli da consumi modesti si userà un turbo piccolo, turbo anni 2000.
Va inoltre aggiunto che i gas di scarico, percorrendo lo scarico, man mano che si allontanano dal motore perdono energia e temperatura e più vicino è il turbo alla testata meglio è. Sfrutta gas di scarico più caldi ma molto più veloci e con più energia.
Il turbo a geometria variabile si presenta così:
Il turbo è anche dotato di un paio di sistemi di sicurezza, che sono la waste-gate e la valvola pop-off e servono principalmente per controllare la velocità di rotazione della turbina (waste-gate) scaricando parte dei gas di scarico in modo da rallentare la turbina come rpm o durante le fasi di rilascio dell'acceleratore (pop-off) scaricare l'aria nel condotto che va dal compressore per evitare che il compressore comprima l'aria contro la farfalla chiusa con suo danneggiamento.
Altro giochino che hanno certi turbo è l'overboost che altro non è che una momentanea chiusura forzata della waste-gate in modo da far alzare la pressione di sovra-alimentazione e far fare alla turbina tutti i giri che può fare
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