Quando si parla di auto da corsa o di auto sportive ad alte prestazioni, il tema dei turbocompressori di solito viene fuori. I turbocompressori compaiono anche sui grandi motori diesel. Un turbo può aumentare significativamente la potenza di un motore senza aumentarne significativamente il peso, che è l'enorme vantaggio che rende i turbo così popolari!
In questo articolo impareremo come un turbocompressore aumenta la potenza di un motore sopravvivendo a condizioni operative estreme. Impareremo anche come i wastegate, le pale delle turbine in ceramica e i cuscinetti a sfera aiutano i turbocompressori a svolgere il loro lavoro ancora meglio. I turbocompressori sono un tipo di sistema a induzione forzata . comprimono l'aria che fluisce nel motore (vedi Come funzionano i motori per auto per una descrizione del flusso d'aria in un motore normale). Il vantaggio di comprimere l'aria è che consente al motore di spremere più aria in un cilindro e più aria significa che è possibile aggiungere più carburante. Pertanto, ottieni più potenza da ogni esplosione in ogni cilindro. Un motore turbo produce più potenza complessiva rispetto allo stesso motore senza la carica. Questo può migliorare significativamente il rapporto peso/potenza del motore (vedi Come funziona la potenza per i dettagli).
Per ottenere questa spinta, il turbocompressore utilizza il flusso di scarico del motore per far girare una turbina , che a sua volta fa girare una pompa d'aria . La turbina nel turbocompressore gira a velocità fino a 150.000 giri al minuto (rpm), circa 30 volte più veloce della maggior parte dei motori delle automobili. E poiché è agganciato allo scarico, anche le temperature nella turbina sono molto elevate.
Continua a leggere per scoprire quanta potenza in più puoi aspettarti dal tuo motore se aggiungi un turbocompressore.
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Uno dei modi più sicuri per ottenere più potenza da un motore è aumentare la quantità di aria e carburante che può bruciare. Un modo per farlo è aggiungere cilindri o ingrandire i cilindri attuali. A volte questi cambiamenti potrebbero non essere fattibili:un turbo può essere un modo più semplice e compatto per aggiungere potenza, soprattutto per un accessorio aftermarket.
I turbocompressori consentono a un motore di bruciare più carburante e aria riempiendo di più i cilindri esistenti. La spinta tipica fornita da un turbocompressore è compresa tra 6 e 8 libbre per pollice quadrato (psi). Poiché la normale pressione atmosferica è di 14,7 psi al livello del mare, puoi vedere che stai ricevendo circa il 50 percento in più di aria nel motore. Pertanto, ti aspetteresti di ottenere il 50 percento in più di potenza. Non è perfettamente efficiente, quindi potresti ottenere un miglioramento dal 30 al 40% invece.
Una delle cause dell'inefficienza deriva dal fatto che la potenza per far girare la turbina non è gratuita. Avere una turbina nel flusso di scarico aumenta la restrizione nello scarico. Ciò significa che durante la corsa di scarico, il motore deve spingere contro una contropressione più elevata. Questo sottrae un po' di potenza ai cilindri che si attivano contemporaneamente.
Il turbocompressore è imbullonato al collettore di scarico del motore. Lo scarico dei cilindri fa girare la turbina , che funziona come un motore a turbina a gas. La turbina è collegata da un albero al compressore , che si trova tra il filtro dell'aria e il collettore di aspirazione. Il compressore pressurizza l'aria che entra nei pistoni.
Lo scarico dei cilindri passa attraverso le pale della turbina , facendo girare la turbina. Più scarico passa attraverso le lame, più velocemente girano.
All'altra estremità dell'albero a cui è collegata la turbina, il compressore pompa aria nei cilindri. Il compressore è un tipo di pompa centrifuga:aspira l'aria al centro delle sue pale e la lancia verso l'esterno mentre gira.
Per gestire velocità fino a 150.000 giri/min, l'albero della turbina deve essere supportato con molta attenzione. La maggior parte dei cuscinetti esploderebbe a velocità come questa, quindi la maggior parte dei turbocompressori utilizza un cuscinetto fluido . Questo tipo di cuscinetto sostiene l'albero su un sottile strato di olio che viene costantemente pompato attorno all'albero. Ciò ha due scopi:raffredda l'albero e alcune delle altre parti del turbocompressore e consente all'albero di ruotare senza molto attrito.
Ci sono molti compromessi coinvolti nella progettazione di un turbocompressore per un motore. Nella prossima sezione, esamineremo alcuni di questi compromessi e vedremo in che modo influiscono sulle prestazioni.
Troppa spinta?Con l'aria pompata nei cilindri sotto pressione dal turbocompressore e quindi ulteriormente compressa dal pistone (vedi Come funzionano i motori delle auto per una dimostrazione), c'è più pericolo di bussare. Bussare accade perché mentre si comprime l'aria, la temperatura dell'aria aumenta. La temperatura può aumentare abbastanza da accendere il carburante prima che la candela si accenda. Le auto con turbocompressore spesso devono funzionare con carburante ad alto numero di ottani per evitare colpi. Se la pressione di sovralimentazione è molto elevata, potrebbe essere necessario ridurre il rapporto di compressione del motore per evitare colpi.
Uno dei problemi principali dei turbocompressori è che non forniscono una spinta di potenza immediata quando si preme il gas. Ci vuole un secondo perché la turbina raggiunga la velocità prima che venga prodotta la spinta. Ciò si traduce in una sensazione di ritardo quando si preme il gas, e poi l'auto si lancia in avanti quando il turbo si avvia.
Un modo per ridurre il turbo lag è ridurre l'inerzia delle parti rotanti, principalmente riducendone il peso. Ciò consente alla turbina e al compressore di accelerare rapidamente e iniziare a fornire la spinta prima. Un modo sicuro per ridurre l'inerzia della turbina e del compressore è ridurre il turbocompressore. Un piccolo turbocompressore fornirà la spinta più rapidamente e a regimi del motore più bassi, ma potrebbe non essere in grado di fornire molta spinta a regimi del motore più elevati quando un volume d'aria davvero elevato sta entrando nel motore. Rischia anche di girare troppo velocemente a regimi del motore più elevati, quando molti gas di scarico passano attraverso la turbina.
La maggior parte dei turbocompressori automobilistici ha un wastegate , che consente l'uso di un turbocompressore più piccolo per ridurre il ritardo evitando che giri troppo rapidamente a regimi motore elevati. Il wastegate è una valvola che consente allo scarico di bypassare le pale della turbina. Il wastegate rileva la pressione di sovralimentazione. Se la pressione diventa troppo alta, potrebbe essere un indicatore che la turbina gira troppo velocemente, quindi il wastegate bypassa parte dello scarico attorno alle pale della turbina, consentendo alle pale di rallentare.
Alcuni turbocompressori utilizzano cuscinetti a sfera invece di cuscinetti fluidi per supportare l'albero della turbina. Ma questi non sono i normali cuscinetti a sfera:sono cuscinetti super precisi realizzati con materiali avanzati per gestire le velocità e le temperature del turbocompressore. Consentono all'albero della turbina di ruotare con meno attrito rispetto ai cuscinetti fluidi utilizzati nella maggior parte dei turbocompressori. Consentono inoltre di utilizzare un'asta leggermente più piccola e leggera. Questo aiuta il turbocompressore ad accelerare più rapidamente, riducendo ulteriormente il ritardo del turbo.
Pale per turbine in ceramica sono più leggere delle lame in acciaio utilizzate nella maggior parte dei turbocompressori. Anche in questo caso, ciò consente alla turbina di girare più velocemente, riducendo il ritardo del turbo.
Alcuni motori utilizzano due turbocompressori di diverse dimensioni. Quello più piccolo accelera molto rapidamente, riducendo il ritardo, mentre quello più grande prende il sopravvento a regimi del motore più elevati per fornire più spinta.
Quando l'aria è compressa, si riscalda; e quando l'aria si riscalda, si espande. Quindi parte dell'aumento di pressione di un turbocompressore è il risultato del riscaldamento dell'aria prima che entri nel motore. Per aumentare la potenza del motore, l'obiettivo è far entrare più molecole d'aria nel cilindro, non necessariamente più pressione dell'aria.
Un intercooler o raffreddatore ad aria sovralimentazione è un componente aggiuntivo che assomiglia a un radiatore, tranne per il fatto che l'aria passa attraverso l'interno e l'esterno dell'intercooler. L'aria aspirata passa attraverso passaggi sigillati all'interno del radiatore, mentre l'aria più fresca dall'esterno viene soffiata attraverso le alette dalla ventola di raffreddamento del motore.
L'intercooler aumenta ulteriormente la potenza del motore raffreddando l'aria pressurizzata che esce dal compressore prima che entri nel motore. Ciò significa che se il turbocompressore funziona con una spinta di 7 psi, il sistema intercooler immetterà 7 psi di aria più fredda, che è più densa e contiene più molecole d'aria rispetto all'aria più calda.
Un turbocompressore aiuta anche ad alta quota , dove l'aria è meno densa. I motori normali sperimenteranno una potenza ridotta ad alta quota perché per ogni corsa del pistone, il motore riceverà una massa d'aria inferiore. Un motore turbo può anche avere una potenza ridotta, ma la riduzione sarà meno drammatica perché l'aria più sottile è più facile da pompare per il turbocompressore.
Le auto più vecchie con carburatori aumentano automaticamente la velocità del carburante per adattarsi all'aumento del flusso d'aria che entra nei cilindri. Anche le auto moderne con iniezione di carburante lo faranno fino a un certo punto. Il sistema di iniezione del carburante si basa sui sensori di ossigeno nello scarico per determinare se il rapporto aria-carburante è corretto, quindi questi sistemi aumenteranno automaticamente il flusso di carburante se viene aggiunto un turbo.
Se un turbocompressore con troppa spinta viene aggiunto a un'auto a iniezione di carburante, il sistema potrebbe non fornire abbastanza carburante:il software programmato nel controller non lo consentirà o la pompa e gli iniettori non sono in grado di fornirlo. In questo caso dovranno essere apportate altre modifiche per ottenere il massimo beneficio dal turbocompressore.
Pubblicato originariamente:4 dicembre 2000
