Spinta massima: A cosa serve un turbocompressore e perché è così importante?

Il turbocompressore ha una storia di oltre cento anni, ma la sua applicazione nell’industria automobilistica è iniziata molto più tardi. Tuttavia, possiamo essere sicuri che i motori a combustione continueranno ad essere utilizzati sul mercato finché ci saranno anche le turbine.

In questo articolo spiegheremo in dettaglio a cosa serve un turbocompressore e perché è così importante.

Definizione

Nei motori a combustione interna, il turbocompressore è un dispositivo che forza il flusso dei gas di scarico. L’energia cinetica risultante viene utilizzata per comprimere i gas di aspirazione, introducendo più aria nella camera di combustione per produrre più potenza per una data cilindrata.

Secondo la classificazione attuale, il turbocompressore è azionato dall’energia cinetica dei gas di scarico, mentre il compressore è azionato meccanicamente (solitamente tramite la cinghia di trasmissione del motore).

Dedicheremo un articolo separato alla questione del compressore.

Storia

Prima dell’invenzione del turbocompressore, la compressione forzata era possibile solo tramite una trasmissione meccanica.

Nel 1905, l’ingegnere svizzero Alfred Büchi, che lavorava per Sulzer, brevettò il turbocompressore, dando inizio alla storia di questo dispositivo che ha oltre cento anni.

Il brevetto riguardava un motore radiale con turbina a flusso assiale azionata dai gas di scarico e compressore montato su un albero.

Il primo prototipo fu completato nel 1915 con l’obiettivo di superare le perdite di potenza dei motori aeronautici causate dalla diminuzione della densità dell’aria in quota. Tuttavia, il prototipo non era affidabile e non è arrivato alla fase di produzione.

Un altro primo brevetto di turbocompressore fu depositato nel 1916, dall’inventore francese della turbina a vapore Auguste Rateau. Questo prototipo è stato progettato per funzionare con i motori Renault utilizzati dagli aerei da combattimento francesi.

La prima applicazione commerciale del turbocompressore fu nel 1925, quando Alfred Büchi installò con successo i turbocompressori nei motori diesel a dieci cilindri, aumentandone la potenza da 1.300 a 1.860 kW (da 1.750 a 2.500 CV). Questo tipo di motore è stato utilizzato in due grandi navi passeggeri tedesche, Preussen e Hansestadt Danzig. Il progetto fu concesso in licenza da diversi produttori e i turbocompressori hanno iniziato ad essere utilizzati in applicazioni marittime, ferroviarie e stazionarie.

I turbocompressori furono utilizzati nei motori di molti aerei durante la seconda guerra mondiale, a cominciare dal Boeing B-17 Flying Fortress del 1938, che utilizzava turbocompressori prodotti dalla General Electric.

La loro prima applicazione pratica nei camion è stata sviluppata dal produttore automobilistico svizzero Saurer negli anni ’30.

Le case automobilistiche hanno iniziato a ricercare motori turbocompressi negli anni ’50, ma il lungo tempo di funzionamento del dispositivo e le dimensioni ingombranti hanno reso impossibile adattarlo alle esigenze dei clienti.

Le prime auto turbocompresse furono la Chevrolet Corvair Monza e la Oldsmobile Jetfire, entrambe introdotte nel 1962. L’uso più ampio del turbocompressore nelle autovetture è iniziato solo negli anni ’80, che è stato fortemente influenzato dallo sviluppo degli sport motoristici.

Principio di funzionamento

Lo scopo del progetto è aumentare le prestazioni di un motore a combustione interna con una data cilindrata o di migliorare sua efficienza  riutilizzando l’energia dei gas di scarico. Questo è uno dei modi più semplici per aumentare le prestazioni, ma il suo utilizzo modifica le caratteristiche operative del motore, il che può ridurne la durata aumentando il consumo di carburante.

Un turbocompressore è sostanzialmente composto da una turbina posta su un asse di lavoro comune e un compressore centrifugo a pale radiali. Durante il suo utilizzo, i gas di scarico del motore attraversano la turbina, generando una velocità di rotazione molto elevata (100.000-270.000 giri/min) sull’albero motore del compressore. Il compressore fornisce più aria al motore, aumentandone allo stesso tempo la pressione.

Secondo le leggi della fisica del gas, quando la pressione nel turbocompressore aumenta, la temperatura dell’aria che lo attraversa aumenta notevolmente, quindi prima di entrare nella camera di combustione è necessario raffreddarla utilizzando uno scambiatore di calore (il cosiddetto intercooler ). Questo a sua volta consente di introdurre più ossigeno nella camera di combustione. Questo turbocompressore, utilizzato per ridurre il consumo di carburante, consente anche di ridurre il volume dei cilindri del motore originale (un processo chiamato downsizing).

Tipi diversi

Doppio scorrimento

Il turbocompressore twin-scroll utilizza la suddivisione del collettore di scarico in condotti di scarico per sfruttare al massimo l’energia impulsiva di ciascun cilindro. In un turbocompressore standard (monocilindrico), i gas di scarico di tutti i cilindri vengono combinati ed entrano nel turbocompressore attraverso un’unica luce di aspirazione, che fa sì che interferiscano tra loro e, di conseguenza, non sfruttino appieno il loro potenziale energetico pulsante. Nel caso di un turbocompressore twin scroll, i cilindri sono divisi in gruppi, il che consente di sfruttare al massimo l’energia dei gas di scarico che fluiscono da essi.

Un’altra caratteristica comune dei turbocompressori twin scroll è che i due condotti hanno dimensioni diverse: quello più piccolo è installato con un angolo più ripido e utilizzato a bassi regimi, mentre quello più grande è con un angolo più ottuso per periodi di funzionamento ad alta potenza.

VGT

I turbocompressori a geometria variabile sono dotati di turbine con la capacità di modificare dolcemente l’inclinazione delle pale, che influisce sulla dinamica del flusso di gas attraverso la turbina.

Se il rapporto d’aspetto della turbina è troppo grande, il turbocompressore non fornisce una potenza adeguata a bassi regimi. Se il rapporto è troppo piccolo, il turbocompressore accelera il motore ad alti regimi, il che comporta un’elevata pressione di scarico, elevate perdite di energia e quindi una potenza ridotta. Modificando la geometria dell’alloggiamento della turbina mentre il motore accelera, il rapporto di forma può essere mantenuto a un livello ottimale. Per questo motivo, i turbocompressori a geometria variabile hanno spesso un ritardo inferiore, soglie di scatto inferiori e una maggiore efficienza a regimi del motore più elevati.

Turbocompressori “elettrici”.

Il turbocompressore ad assistenza elettrica combina una tradizionale turbina azionata dai gas di scarico con un motore elettrico per ridurre il ritardo di attuazione. Questo, ovviamente, differisce da un turbocompressore alimentato elettricamente, che è alimentato esclusivamente da un motore elettrico.

Ritardo turbo

Questo termine si riferisce al ritardo che si verifica tra la pressione dell’acceleratore e l’avvio del turbocompressore.

Questo ritardo è dovuto al fatto che ci vuole tempo per accelerare la turbina fino alla velocità alla quale verrà generata la contropressione. L’effetto di questo fenomeno è una risposta dell’acceleratore più lunga e un ritardo nell’aumento di potenza. Questo fenomeno non è dannoso per il turbocompressore, perché il suo meccanismo è azionato direttamente dal motore.

Fonte:

https://en.wikipedia.org/wiki/Turbocharger#/media/File:Mitsubishi_twin-scroll_turbo.JPG

https://en.wikipedia.org/wiki/Turbocompressore

https://hu.wikipedia.org/wiki/Turb%C3%B3felt%C3%B6lt%C5%91

https://en.wikipedia.org/wiki/Turbocharger#/media/File:Turbo-turbine.jpg

https://en.wikipedia.org/wiki/Turbocharger#/media/File:Turbocharger.jpg

https://www.eagleridgegm.com/cosa-è-un-turbocompressore-e-come-funziona-

https://www.cummins.com/components/turbo-technologies/turbochargers/how-a-turbocharger-works