IL TURBOCOMPRESSORE


L'esigenza di ricorrere alla sovralimentazione nei motori è nata dai costruttori di motori aeronautici durante la prima guerra mondiale. Infatti, gli aerei del tempo presentavano un rapido calo di potenza all'aumentare della quota di volo, per via della rarefazione dell'aria. Le prime soluzioni riguardavano i motori aspirati, che venivano alleggeriti (infatti, un alleggerimento è equivalente ad un aumento di potenza), e veri e propri potenziamenti del motore utilizzando alesaggi maggiori e rapporti di compressione più elevati. Il problema era che motori così tirati non avrebbero resistito a lungo a terra, inoltre l'elevato (per le benzine dell'epoca) rapporto di compressione faceva presentare il problema del battito in testa, così i piloti erano costretti a non dare pieno gas in partenza, dosando a orecchio l'acceleratore. Si utilizzaro allora dei compressori, trascinati dal motore, che avevano lo scopo di ripristinare la pressione a terra anche in quota, e che quindi venivano esclusi mentre l'aereo era a terra. Finita la guerra, però, queste nuove soluzioni furono impiegate in ambito sportivo, con lo scopo di aumentare le prestazioni dei motori. Il passo dai motori aeronautici a quelli automobilistici fu breve, e i concetti di sovralimentazione vennero quindi travasati sulle auto, che presentavano generalmente un compressore di tipo volumetrico. Nel frattempo, però, si stava sviluppando il turbocompressore.
Nella sovralimentazione, il principio base è quello dell'aumento della densità dell'aria, e quindi ad un aumento della potenza proporzionale ad essa, che si opera in due modi:
  1. Aumento della pressione
  2. Abbassamento della temperatura
Sebbene esistano anche altri tipi di compressore, in questo articolo parlerò di quello che si è maggiormente affermato, ovvero il turbocompressore.

Schema turbocompressore


Forte sviluppo del turbocompressore si ebbe all'inzio degli anni '60, con lo scopo di potenziare il motore diesel. Questo è formato da un compressore, generalmente centrifugo, che aspira l'aria dall'esterno, entra assialmente e, tramite le palette, viene spinta verso l'esterno della girante. L'aria ora ha un elevato termine cinetico, che viene poi trasformato in pressione nel diffusore. Da qui passa per un eventuale intercooler, che la raffredda, per poi entrare nel motore, che dopo averla utilizzata la scarica sottoforma di gas di scarico che entrano nella chiocciola della turbina, quindi nel diffusore che li indirizza verso le pale della turbina, dalla quale escono poi assialmente. La turbina è collegata al compressore tramite un albero, è quindi l'energia dei gas di scarico che permette la compressione dell'aria, si utilizza allora una energia che altrimenti andrebbe buttata via.
Altro componente fondamentale nei motori turbo è la valvola wastegate, che serve a limitare la potenza massima erogabile dalla turbina per evitare rotture della stessa. questa non è altro che una valvola di sfiato che, raggiunta la massima potenza della turbina, apre un condotto di bypass per i gas di scarico, che quindi in parte non superano la turbina. Questa valvola in passato era controllata meccanicamente tramite la pressione del compressore, mentre oggi si utilizza un più raffinato controllo elettronico. Altra valvola importante è quella denominata in gergo pop off, montata solo nei motori a ciclo Otto (i Diesel infatti non hanno la valvola a farfalla in aspirazione). Quando si rilascia il gas in un motore a benzina, la valvola a farfalla si chiude, ma la turbina per inerzia continua a pompare gas compresso, si inserisce allora la pop off, che scarica questo eccesso di pressione.
Un problema importante delle turbine è il cosiddetto "turbo-lag", ovvero il ritardo di risposta dell'acceleratore. Chiunque abbia una vettura turbo lo può sperimentare, affodando il piede nell'acceleratore la risposta del turbo non è immediata, ma impiega qualche secondo. Questo dovuto principalmente alla girante, che ha una sua inerzia e quindi impiega un certo tempo a raggiungere la corretta velocità di rotazione. Generalmente allora si preferisce sacrificare un pò il rendimento della turbina, utilizzando giranti di minore diametro e più leggere, per ridurne il momento d'inerzia e quindi il turbo-lag.

Punti a favore e sfavore del turbocompressore


Il primo punto a favore del turbocompressore è certamente il modesto incremento di ingombro e peso che apporta al motore, a fronte di un elevato aumento delle prestazioni. Inoltre, sfrutta anche la temperatura dei gas di scarico e non solo la loro pressione, questo fa si che l'aumento di pressione in aspirazione è più elevato della perdita di pressione allo scarico. Tra i punti a sfavore, c'è il gia citato turbo-lag, dovuto al fatto che la turbina ha un rapporto di compressione fortemente variabile col regime di rotazione, al contrario del motore a scoppio che, essendo una macchina volumetrica, presenta un rapporto di compressione costante. Inoltre, presenta il problema del pompaggio, ovvero un periodico rifiuto di portata alla bocca del compressore che può creare danni. Quindi, un motore turbocompresso funzionerà al meglio se l'accoppiamento turbina-motore è eseguito al meglio.

Accoppiamento motore-turbocompressore


Affinchè l'accoppiamento sia ottimale, bisogna rispettare determinate condizioni:
  1. La PORTATA IN MASSA aspirata dal motore deve essere uguale a quella fornita dal compressore e a quella elaborata dalla turbina.
  2. La POTENZA fornita dalla turbina deve essere uguale a quella assorbita dal compressore e dalle perdite di attrito dell'alberino.
  3. Bisogna poi limitare il REGIME MASSIMO DEL TURBO, o per motivi strutturali della turbina (oltre un certo regime potrebbe rompersi) o per motivi strutturali del motore (per non sovralimentarlo eccessivamente).
Tenendo conto di questi fattori, si conoscono ora tutti i valori di portata, pressione, temperatura del compressore ad ogni suo regime, e di conseguenza le caratteristiche dell'aria che il motore aspira ad ogni dato regime del compressore. Conoscendo il rendimento volumetrico del motore, si conosce quindi a che regime di funzionamento del motore corrisponde ogni dato regime del compressore, uguagliando le portate. Conoscendo questi valori, è possibile tracciare l'intera mappa di accoppiamento motore-compressore. Ora, la linea di saturazione del compressore (ovvero la massima portata che esso è in grado di erogare) è il luogo dei punti di potenza massima del motore. Poi, il regime al quale inizia ad aprirsi la valvola di wastegate sarà il regime di coppia massima del motore. Questo regime dunque è ottimizzabile, in base al dimensionamento della turbina, nella progettazione dei motori turbo è quindi possibile scegliere sia il regime di potenza massima che quello di coppia massima (mentre nei motori aspirati il progetto è sulla base della potenza massima, e poi si accetta la coppia che viene). Quindi, anche per diminuire il turbo-lag, generalmente si preferisce mettere questo punto più in basso possibile, anche se questo comporta una perdita di efficienza della turbina.
Questo per quanto riguarda il compressore, la turbina invece viene dimensionata sul punto di apertura della wastegate.



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