Per chi fosse interessato a una spiegazione piu' dettagliata, ma anche molto piu' lunga e pallosa di quella corretta ma sintetica di Blackblizzard, ecco qui quel che fa per voi.
STRUTURA BASE DEL TURBOCOMPRESSORE.
Il turbocompressore e' costituito da due parti funzionalmente distinte e accoppiate meccanicamente: la turbina e il compressore (scommetto che non ve l'aspettavate, eh?
)
Il regime di rotazione della turbina e' elevatissimo, attorno ai 200.000 giri minuto, e l'albero che unisce turbina e compressore viene mantenuto in un regime di lubrificazione idrodinamica, cioe' sospeso su un velo d'olio in pressione.
La turbina, funzionando, puo' raggiungere temperature elevatissime, che la portano all'incandescenza.
Per questo motivo non bisogna MAI spegnere un motore turbocompresso subito dopo una tirata. Perche' verrebbe a mancare la circolazione dell'olio, che raffredda l'albero, e il calore che si trasferisce a questo dalla turbina cuocerebbe l'olio.
Al prossimo riavvio, verrebbe a mancare una adeguata lubrificazione che comporterebbe un danneggiamento delle superfici di albero e cuscinetto a strisciamento. Un danneggiamento di questo tipo peggiora le condizioni fluidodinamiche del cuscinetto stesso e comporta un ulteriore degradarsi delle prestazioni.
Su certi turbocompressori basta spegnere il motore a questo modo UNA volta, per comprometterne il funzionamento.
Altri turbocompressori usano cuscinetti a sfere speciali che garantiscono attriti ancora minori e una maggiore resistenza, ma sono molto costosi.
I gas di scarico prodotti dal motore conservano ancora una buona quantita' di energia espressa sia in termini di pressione che di energia cinetica che di temperatura.
La turbina sfrutta le prime due per azionare, mediante la propria rotazione, il compressore, che non e' altro che una turbina al contrario.
Questa sostanzialmente ottiene due effetti:
1) Svincolare l'alimentazione del motore dalla pressione atmosferica (poi vedremo dettagliatamente come), cosa che ha reso il turbocompressore molto apprezzato in ambito aeronautico dove ha consentito di realizzare motori ad elevata potenza specifica dal rendimento indipendente dalla quota di volo.
2) Incrementare la potenza specifica del motore aumentando la quantita' di ossigeno presente in camera di scoppio e dunque la quantita' di carburante utilizzabile a parita' di volume (cilindrata) disponibile.
Naturalmente non esistono pasti gratis.
RITARDO DEL TURBO
L'assieme turbina-compressore ha una massa, e dunque un'inerzia.
Questo significa che inizialmente essi sono in fase di quiete e, da quando si preme sull'acceleratore, ci vuole un certo tempo perche' i gas di scarico li mettano in moto.
Inoltre la pressione di sovralimentazione si ottiene solo sopra un certo regime di rotazione, e ovviamente piu' e' pesante la coppia turbina/compressore, piu' impiega a raggiungere il regime di funzionamento ideale.
Infine, i condotti a valle della turbina hanno un volume, e portano una certa massa d'aria, dunque ci vuole un certo tempo perche' vengano pressurizzati.
Tutto questo si traduce nel cosiddetto "ritardo" del turbo, che e' ulteriormente scindibile in due aspetti distinti: il ritardo propriamente detto, costituito dal tempo complessivo che il turbocompressore impiega a raggiungere il regime di efficienza dal regime di minimo, e la latenza del turbo, che si manifesta nei transitori (ad esempio cambiando marcia) intesa come il tempo tra cui affondiamo nuovamente l'acceleratore dopo un rilascio e il tempo in cui effettivamente la turbina torna a regime massimo e l'assieme turbocompressore-aspirazione funziona a pieno regime nuovamente.
Entrambi dipendono in parte dalla turbina, in parte dall'assieme (vedremo poi come).
Il ritardo del turbo puo' essere minimizzato alleggerendo le componenti della turbina e minimizzando i volumi a valle, piu' altri piccoli accorgimenti che vedremo piu' avanti.
In questo modo, pero', si rendono le varie componenti anche piu' fragili.
Si puo' ricorrere a una turbina piu' piccola, che pero' offre una portata d'aria minore.
PRESSIONE DEL TURBO
Cominciamo col dire che c'e' un limite alla pressione di sovralimentazione pratica utilizzabile.
Questa e' data da vari fattori ma e' sostanzialmente vincolata, in maniera inderogabile, dalla struttura del motore. Un motore open deck (vedi
http://www.live2drive.net/forum/viewtopic.php?p=24649#24649) non sopporta alte pressioni di sovralimentazione, ad esempio.
Un errore piuttosto comune e' quello di ritenere che turbine piccole non possano fornire una grande pressione di sovralimentazione.
In effetti questo non e' vero. Le turbine piccole non possono fornire una grande portata d'aria, cosa che, se il motore e' molto grande, puo' limitare la pressione massima pratica di sovralimentazione, ma in realta' tutte le turbine possono fornire una pressione massima ben superiore a quella utile necessaria al motore.
Serve dunque un modo per limitare tale pressione.
LA VALVOLA WASTEGATE.
Si tratta di una valvola che, registrando la pressione di sovralimentazione del compressore, apre uno sfiato per i gas di scarico in eccesso, stabilizzando la pressione a un dato livello.
In sostanza, raggiunta la pressione massima necessaria, la wastegate sfiata il resto dei gas di scarico impedendo alla turbina di comprimere ulteriormente.
Bisogna distinguere tra due pressioni: Picco ed Effettiva massima.
La wastegate ha un ritardo (minimo ma significativo) di intervento, e le masse d'aria e di gas agenti hanno un'inerzia e una elasticita'.
La wastegate viene azionata dopo che tale picco e' stato raggiunto. Una volta in funzione, la wastegate mantiene la pressione entro un range ondulante ma stabile leggermente piu' basso.
Questo e' chiaramente visibile se si osserva il grafico di pressione di una turbina rispetto ai giri. Si vedra' la pressione salire, mano a mano che ci si avvicina al regime di massima efficienza della turbina, fino a un massimo, al quale interviene la wastegate. La pressione ha poi un lieve calo e si stabilizza sulla effettiva pressione massima di lavoro.
Le wastegate possono essere puramente meccaniche, dove una molla di valore prestabilito aziona la valvola in funzione della pressione rilevata al compressore, o elettroniche, dove un sensore rileva la pressione e un solenoide aziona la valvola. Queste turbine sono piu' facili da modificare ed e' possibile dotarle piu' facilmente della funzione di overboost.
L'OVERBOOST.
Cos'e' l'overboost? I motori sono calibrati per funzionare a una certa pressione "di sicurezza" di sovralimentazione continuativa, ma possono funzionare, per brevi periodi, anche a pressioni piu' elevate, con incremento di potenza.
L'Overboost non e' altro che un dispositivo comandato dal conducente che consente di elevare a un valore superiore la pressione di sovralimentazione.
Tipicamente l'overboost e' comandato da un pulsante posto a fine corsa dell'accdeleratore o da un pulsante manuale. Gli overboost moderni hanno un limitatore di funzionamento che li disattiva automaticamente dopo alcuni secondi per evitare danni al motore.
Anche per l'overboost bisogna tenere presente che la pressione di picco e la pressione massima effettiva sono diverse, e che il picco e' piu' elevato, dunque se per l'overboost vado a scegliere una pressione limite, potrei trovarmi, nel caso di continui apri-chiudi (ad esempio su un misto stretto) a dare continue martellate al motore quando la wastegate si chiude e poi si riapre dando ogni volta picchi pressori.
In alcuni motori con una gestione particolarmente cauta della carburazione, i picchi vengono visti come temporaneo smagrimento della miscela e possono mandare in protezione la centralina.
LA BLOWOFF O POP OFF.
Una seconda valvola presente nel turbo, da non confondere con la wastegate, e' la cosiddetta valvola popoff.
Quando a pieno regime rilascio l'acceleratore di colpo, ad esempio per una cambiata, la farfalla si chiude. Il turbo, per inerzia, sta continuando a girare, ma i cilindri non consumano piu' l'aria che immette.
A questo punto si verificano due fenomeni:
La pressione dell'aria nel condotto d'aspirazione sale bruscamente, e cosi' la sua densita', e allo stesso modo la resistenza offerta a ulteriore compressione dall'aria nel condotto stesso.
Inoltre, la colonna d'aria che viaggiava spedita verso i cilindri va a sbattere contro la farfalla chiusa (in casi di motori estremi e' capitato che l'effetto ariete della colonna d'aria, che ha una massa, sfondasse le farfalle!) e da qui rimbalza come onda di pressione verso il compressore, che la rimanda indietro e cosi' via.
Le palette del compressore, per dirla eufemisticamente, non sono felici di questo trattamento. Il compressore, che gira a oltre 200.000 giri / min, viene improvvisamente sottoposto a una resistenza che ne produce una frenatura rapidissima, con uno sforzo per le palette considerevole.
Queste possono anche rompersi, a lungo andare.
Péer evitare questo fenomeno si pone nel condotto d'aspirazione a valle del compressore la valvola pop-off. Una valvola tarata a una certa pressione che sfiata la pressione in eccesso aprendosi.
Anche in questo caso esiste una inerzia e, una volta aperta, la valvola non si richiude immediatamente quando la pressione torna sotto il valore desiderato, ma dopo.
Questo fa si' che dopo lo sfiato il condotto possa trovarsi vuoto o quasi.
Ovviamente questa condizione peggiora la latenza del turbo, perche' il condotto deve nuovamente essere messo in pressione, e anche se la turbina pompa da subito, e' necessario un certo tempo per ritrovarsi in condizioni di massima efficienza.
D'altro canto in questo modo la turbina non viene frenata, e resta su di giri.
Se ho un turbo a bassa pressione, la popoff puo' tranquillamente sfiatare in aria libera senza problemi. Se tuttavia ho un turbo a pressioni piu' alte, puo' essere necessario ricorrere a una popoff a ricircolo. Questa fa si' che l'aria in eccesso venga sfiatata nel condotto d'aspirazione a monte del compressore stesso, e questa pressione di sfiato ottiene il duplice effetto di fornire aria extra al compressore mantenendo in pressione nominale (o quasi) il condotto e di mantenere accelerate le palette del compressore, eliminando (o quasi) la latenza.
Questo e' possibile solo se ho portate d'aria fino a un certo punto, poi la popoff a ricircolo puo' non riuscire a smaltire abbastanza aria. In tal caso si ricorre a pop-off miste ricircolo-sfiato libero, o a pop-off a sfiato libero e si convive con la latenza del turbo, dato che comunque soluzioni di questo genere vengono attuate su auto ad elevate prestazioni concepite per la pista e per girare sempre a elevato numero di giri.
Notare che la wastegate gestisce gas incandescenti, mentre la pop-off gestisce aria relativamente fredda.
L'INTERCOOLER
L'intercooler serve sostanzialmente a raffreddare l'aria in ingresso dalla turbina al motore, perche' la compressione ne alza la temperatura e ne riduce conseguentemente la densita'. La pressione elevata infatti, non e' il fine del turbocompressore, ma solo un mezzo grazie al quale facciamo arrivare una superiore massa d'aria ai cilindri. Se la temperatura dell'aria sale troppo, io posso paradossalmente avere una pressione doppia, ma la stessa massa d'aria in ingresso, che non solo non serve a niente, ma per assurdo peggiora il rendimento del motore dato che, per gestire la pressione superiore, avro' dovuto ridurre il rapporto di compressione del motore.
L'intercooler mi raffredda l'aria assicurandomi che questa sia piu' densa.
Naturalmente l'intercooler aggiunge un certo volume al condotto a valle del compressore e, se ne metto uno troppo grosso, pur riuscendo a raffreddare bene l'aria, mi aumentera' la latenza del turbo.
IMPIEGHI DEL TURBOCOMPRESSORE
Bisogna a questo punto distinguere se si desidera incrementare la prontezza a bassi regimi del motore, offrendo una coppia maggiore, o aumentarne la potenza assoluta.
Nel primo caso si adotta un compressore a bassa pressione, che puo' anche essere piccolo, e dunque con bassissima inerzia e bassa latenza.
Questo pero' non offre abbastanza portata d'aria per fornire una efficace sovralimentazione del motore ad alti regimi.
In alternativa posso scegliere di privilegiare la potenza ad alti regimi e adottare una turbina grossa, con alta portata d'aria, capace di garantire tutta la sovralimentazione necessaria, anche ad alte pressioni, ma con un ritardo da basso numero di giri significativo e una latenza marcata.
BITURBO E QUADRITURBO
Come risolvere questo dilemma, se voglio prontezza in basso ma potenza in alto?
Il biturbo mi viene incontro.
Si tratta sostanzialmente di due soluzioni: serie e parallelo.
Un biturbo serie accoppia una turbina di piccole dimensioni che spinge a bassi regimi a una di dimensioni grandi che subentra a regime elevato quando si ha a disposizione la massa di gas per farla funzionare.
E' un sistema efficace ma costoso e complesso da gestire, inoltre spesso comporta un allungamento dei condotti con peggioramento delle caratteristiche di latenza.
Una soluzione piu' semplice e' il biturbo parallelo, dove due turbine di piccole dimensioni sono messe a gestire ciascuna una bancata di cilindri (o una sezione). Ha il vantaggio che le turbine possono essere messe molto vicine all'aspirazione, e che ciascuna turbina, dovendo alimentare solo parte dei cilindri, puo' essere piu' piccola, pur fornendo tutta la pressione che serve, perche' deve supplire una massa d'aria inferiore.
Una soluzione abbastanza esotica e usata di rado e' il quadriturbo, con due coppie di biturbo serie messe a gestire ciascuna una bancata di cilindri.
GEOMETRIA VARIABILE (palette e ugello)
Un'altro metodo per ridurre il ritardo del turbo e' la turbina a geometria variabile.
Cio' che alimenta la turbina e' prevalentemente l'energia cinetica dei gas di scarico. Questa e', come si sa, proporzionale al quadrato della velocita' degli stessi. E' dunque imperativo mantenere una elevata velocita' dei gas.
A bassa pressione, caratteristica dei bassi regimi di funzionamento, si puo' garantire una velocita' piu' elevata dei gas riducendo il passaggio per i gas stessi (effetto Venturi) accelerandoli e mantenendo una buona velocita' della turbina.
E' una soluzione solo di recente adottata sui motori a benzina (Porsche) a causa della temperatura molto elevata dei gas di scarico di questi che rendeva difficile la gestione del meccanismo necessario.
Un'altro modo, piu' recente, e' l'utilizzo di un ugello gas a sezione variabile.
TURBINE ELETTRICHE.
L'ultima frontiera del turbo pare essere la turbina elettrica, in cui la turbina in se' non e' direttamente collegata al compressore ma a un generatore elettrico a sua volta connesso con batterie tampone a un motore che aziona il compressore.
In questo modo il compressore e' completamente svincolato dal regime di rotazione del motore e puo' essere comandato autonomamente da una centralina che si occupa di stabilire quando e come farlo funzionare annullando virtualmente il ritardo.
il tureboalternatore puo' inoltre alimentare altre utenze come il condizionatore, che non si trova piu' a sottrarre potenza al motore.
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