Soggetti:
- operazione
- Buco turbo
- Biturbo
- Triturbo
- Turbo Twin-Scroll
- Turbo a geometria variabile
- Valvola di scarico
- wastegate
- Intercooler
- Caratteristiche del compressore (surge e chokeline)
- Combinazione turbo e compressore
- Turbo elettronico
Operazione:
I gas di scarico che escono dai cilindri vengono alimentati dal collettore di scarico al turbo. La pressione dei gas di scarico fa ruotare la girante della turbina (i gas rossi). I gas di scarico lasciano quindi il turbo attraverso la stessa girante della turbina fino allo scarico. La girante del compressore viene azionata tramite un albero (i gas blu). La girante del compressore aspira l'aria lateralmente (dove è mostrato il filtro dell'aria) e la fornisce sotto pressione (tramite la freccia blu) attraverso il tubo turbo al intercooler. L'intercooler raffredda l'aria compressa (il motore funziona meglio con aria più fresca). L'aria entra quindi nel collettore di aspirazione.
Quando si utilizza un turbo, durante la corsa di aspirazione entra nei cilindri più aria che in un motore ad aspirazione naturale, che viene aspirata solo perché il pistone si sposta verso il basso. Fornendo più aria ai cilindri in questo modo e aggiungendo più carburante, sarà disponibile una potenza maggiore.
La pressione turbo viene misurata dal sensore di pressione di carica. La pressione del turbo viene regolata in base al segnale che questo sensore invia alla ECU.
Il turbo è montato il più vicino possibile dopo il collettore di scarico. A volte il collettore e il turbo sono progettati come un tutt'uno. Il turbo deve essere montato il più vicino possibile alla testata, perché la velocità dei gas di scarico diminuisce il meno possibile e si perde meno pressione possibile.
Turbolag:
I turbo più vecchi spesso soffrono del famigerato turbo lag. Il turbo funziona sui gas di scarico del motore. Se si preme fino in fondo il pedale dell'acceleratore in un colpo solo, il motore ha bisogno di molta aria a bassa velocità, ma in quel momento il turbo deve ancora partire dai gas di scarico che si liberano. Il turbo non fornisce ancora una pressione sufficiente. Solo quando il motore ha raggiunto una velocità maggiore il turbo si avvia correttamente. Questo di solito accade intorno ai 2000 giri al minuto ed è evidente perché l'auto accelera più forte.
Questo turbo lag è visto come uno dei principali svantaggi. Di conseguenza, molte persone sono a favore di uno compressore meccanico. Questo funziona costantemente, perché è azionato direttamente dall'albero motore e quindi sempre alla stessa velocità con cui gira il motore. Un compressore fornirà immediatamente pressione dal regime minimo quando si accelera. I turbo montati oggi sulle auto ne risentono meno, in parte grazie al turbo variabile.
Doppio turbo:
L'aggiunta "twin-turbo" indica la presenza di due turbo. Questi 2 turbo possono essere posizionati uno accanto all'altro su 1 fila di cilindri o 1 turbo per fila di cilindri. Ciò offre al conducente il vantaggio di una maggiore coppia ai bassi regimi, migliori prestazioni nella gamma degli alti regimi e un carattere più fluido del motore. A basse velocità l'aria viene poi fornita al motore da un piccolo turbo mentre a velocità più elevate entra in funzione il turbo più grande. Il turbo più grande ha un ritardo turbo maggiore, perché ha bisogno di più aria per funzionare, ma questo viene poi annullato dal turbo piccolo.
Le quattro immagini sottostanti descrivono le situazioni in cui funzionano entrambi i turbo, oppure quando funziona solo uno dei due. I quattro cerchi sono i cilindri, le parti rosse e blu sono i gas di scarico e l'aria aspirata. L'intercooler è contrassegnato con "IC".
Basso regime motore e basso carico motore:
A velocità inferiori a 1800 giri/min si verifica un piccolo flusso volumetrico di gas di scarico. Il piccolo volume rende possibile l'utilizzo del piccolo turbo. La valvola tra il collettore di scarico e il grande turbo è chiusa. I gas di scarico vengono quindi trasferiti solo dal piccolo al grande turbo. Il grande turbo è già su di giri. Questo è un collegamento in serie, poiché vengono utilizzati entrambi i turbo.
Regime motore medio e carico moderato:
Tra i 1800 e i 3000 giri si apre la valvola tra il collettore di scarico e il grande turbo. Attualmente entrambi i turbo sono azionati direttamente dai gas di scarico del motore. Anche questo è un collegamento in serie, perché vengono utilizzati entrambi i turbo.
Regime motore elevato e carico elevato:
Al di sopra dei 3000 giri/min la portata volumetrica dei gas di scarico diventa troppo grande per il piccolo turbo. Il turbo viene spento in modo da non attraversare la cosiddetta “chokeline” (vedi capitolo caratteristiche del compressore più in basso nella pagina). La valvola di scarico del piccolo turbo viene aperta, in modo che tutti i gas di scarico alimentati al turbo vengano guidati oltre il turbo. I gas di scarico quindi non raggiungono la girante del compressore.
Il grande turbo è completamente alimentato con gas di scarico. La valvola rimane aperta, in modo che il grande turbo possa raggiungere un'elevata velocità e quindi spostare molta aria aspirata al collettore di aspirazione.
Triturbo:
Oggigiorno vengono realizzati anche motori “tri-turbo”. Su questi motori sono montati tre turbo, in modo da poter raggiungere il massimo livello di riempimento in ogni gamma di velocità. BMW utilizza la tecnologia tri-turbo, tra gli altri, con la M550d. I due piccoli turbo utilizzano la geometria variabile, quindi sono adatti sia alle basse che alle alte velocità. A seconda della velocità, il turbo viene regolato per una migliore risposta. Il grande turbo utilizza una valvola di scarico.
Di seguito vengono descritte due situazioni, che indicano quale turbo è in funzione e a che ora.
Basso regime del motore e basso carico:
Viene azionato solo uno dei due piccoli turbo. A causa delle dimensioni del turbo, viene avvolto rapidamente. Il piccolo turbo trasmette i gas di scarico al grande turbo. Questo avvierà già il grande turbo.
Regime motore e carico medi e alti:
Entrambi i piccoli turbo sono azionati. I due piccoli turbo azionano il grande turbo. In questo modo si ottiene la massima pressione di sovralimentazione a tutte le velocità medie e alte.
Turbo a doppio scorrimento:
Quando più gas di scarico si uniscono nel collettore di scarico, possono sorgere problemi di interferenza; le onde di pressione si ostacolano a vicenda. Nel turbo Twin-scroll i gas di scarico vengono separati gli uni dagli altri e convogliati nel turbo in due canali. I gas di scarico dei cilindri 1 e 2 non si riuniscono nel collettore di aspirazione, ma colpiscono la girante della turbina indipendentemente l'uno dall'altro. L'applicazione di un turbo Twin-scroll si traduce in una risposta dell'acceleratore più rapida e in una maggiore efficienza. L'immagine sotto mostra che i gas di scarico dei cilindri 1 e 4 si uniscono, e quelli dei cilindri 2 e 3 si uniscono.
Con un turbo convenzionale i gas di scarico entrano in contatto tra loro nel collettore di scarico. Chiamiamo questa “interferenza”. L'immagine seguente mostra gli impulsi di pressione creati nel collettore di scarico di un cilindro.
Poiché abbiamo a che fare con la sovrapposizione delle valvole (le valvole di aspirazione e di scarico sono entrambe aperte durante il passaggio dalla corsa di scarico alla corsa di aspirazione), si creano anche pressioni negative (inferiori alla pressione atmosferica). Con la sovrapposizione delle valvole, i gas di scarico aiutano ad aspirare aria fresca nella camera di combustione e ad allontanare i gas di scarico rimanenti. Ciò fornisce al pettine di combustione più ossigeno, in modo che l'efficienza volumetrica aumenti.
Quando osserviamo le pressioni nel collettore di scarico di un motore a quattro cilindri, vediamo molte interferenze. Ogni impulso positivo diventa meno elevato a causa della pressione negativa dovuta alla sovrapposizione della valvola. Questo è uno svantaggio del turbo lag (tempo di reazione per l'avvio)
L'utilizzo del turbo twin-scroll migliora i tempi di risposta, poiché i gas di scarico dei cilindri 1+4 e 2+3 vengono separati. Gli impulsi sono molto più forti perché in quel momento non vengono influenzati dagli impulsi negativi. Il produttore può quindi anche aumentare il tempo in cui si verifica la sovrapposizione delle valvole per ottenere un'efficienza volumetrica ancora più elevata.
Turbo a geometria variabile:
Un turbo con Wastegate soffre di turbo lag; Solo quando il motore compie un certo numero di giri il turbo viene rifornito di gas di scarico sufficienti per entrare in funzione. Un turbo a geometria variabile non ha una valvola di scarico, ma ha pale regolabili nel canale di scarico. Queste lame possono essere regolate ruotando un anello di regolazione. Questo anello di regolazione viene ruotato mediante il vuoto. La quantità di vuoto richiesta è fornita da un'elettrovalvola (elettrovalvola) in base al carico e alla velocità del motore, controllata dall'ECU.
Regolando le alette è possibile direzionare il flusso d'aria. A causa di una modifica del flusso d'aria, il turbo può funzionare a una velocità più elevata già a bassi regimi del motore, comprese pressioni dei gas di scarico inferiori. La posizione delle alette limita la quantità di gas di scarico che può affluire. Per poter funzionare a velocità più elevate, le pale verranno regolate verso l'interno a una velocità del motore più elevata. È possibile ottenere un'elevata pressione di riempimento sia a bassa che ad alta velocità. Ciò garantisce che il turbo funzioni in modo ottimale su un ampio intervallo di velocità, poiché il motore riceve la stessa pressione di sovralimentazione a bassa velocità come a una velocità più elevata.
Valvola di scarico:
La valvola di scarico è anche chiamata “valvola di scarico”. La valvola di scarico è montata su un tubo turbo, dove l'aria viene alimentata dal turbo al lato di aspirazione del motore. In accelerazione, il turbo di un'autovettura può raggiungere le 200.000 rotazioni al minuto. A quella velocità viene raggiunta la massima pressione di carica. Quando il pedale dell'acceleratore viene rilasciato tutto in una volta, c'è molta pressione d'aria sul lato di aspirazione del motore, ma la valvola a farfalla è chiusa.
Senza valvola di scarico si crea una contropressione verso il turbo, facendo sì che l'aria di sovralimentazione fornita riduca rapidamente la velocità del turbo. Quando acceleri di nuovo, ci vuole molto tempo prima che il turbo riprenda la sua velocità. La valvola di scarico lo impedisce. Quando il gas viene rilasciato, espellerà una certa quantità di aria fornita. L'aria in eccesso è quindi scomparsa dal sistema di aspirazione. Le pale del turbo non vengono rallentate e quindi si avviano più velocemente quando si accelera nuovamente l'acceleratore. La valvola di scarico si chiude immediatamente quando l'aria fornita è stata scaricata. Contrariamente a quanto molti pensano, una valvola di scarico non fornisce più potenza.
La valvola di scarico provoca il tipico rumore di scarico quando il gas viene rilasciato durante l'accelerazione in un'auto con turbo.
Porta dei rifiuti:
Su ogni turbo senza palette variabili è montata una valvola di scarico. La valvola di scarico garantisce che la pressione nell'alloggiamento della turbina (quindi sul lato di scarico) non diventi eccessiva. Quando il turbo è in funzione e la pressione aumenta, la valvola Wastegate è chiusa. Tutta l'aria che esce dai cilindri durante la fase di scarico viene effettivamente utilizzata per azionare la girante della turbina. In questo modo si raggiunge la massima pressione di riempimento.
Al minimo, tuttavia, non è necessaria alcuna pressione di sovralimentazione. In quel momento si apre la porta dei rifiuti. Una parte dei gas di scarico viene deviata allo scarico; può fluire direttamente allo scarico. La Wastegate è sostanzialmente una valvola posta tra il collettore di scarico e lo scarico del motore; tutta l'aria che scorre attraverso la valvola di scarico non passa attraverso il turbo. Quindi in linea di principio l’energia disponibile non viene utilizzata. Si spiega quindi anche il nome della Wastegate; “Waste” in inglese significa “perdita”.
La Wastegate si apre anche al raggiungimento di una certa velocità; Durante l'accelerazione, il turbo deve accelerare rapidamente, ma quando la turbina, compresa la girante del compressore, raggiunge una certa velocità, questa velocità deve essere mantenuta costante. Aprendo la valvola di scarico a questa velocità, il gas di scarico in eccesso può essere convogliato direttamente allo scarico. La velocità del turbo può essere controllata regolando l'angolo di apertura della valvola Wastegate. L'ECU regola in base ai dati del sensore di pressione di carica la misura in cui la Wastegate è controllata.
Intercooler:
La temperatura dell'aria compressa può diventare molto elevata (oltre 60 gradi Celsius). Per una migliore combustione è necessario che l'aria si raffreddi. A questo pensa l'intercooler. L'intercooler è una parte separata e viene quindi descritto dettagliatamente in un'altra pagina; vedere la pagina intercooler.
Caratteristiche del compressore (surge e chokeline)
Quando si progetta un motore è necessario tenere conto delle dimensioni del turbo. L'abbinamento delle dimensioni del turbo al motore è chiamato "abbinamento". Se il turbo è troppo grande, si verificherà un ampio "gap turbo". Il turbo si avvierà meno velocemente perché l'alloggiamento della turbina è troppo grande per la bassa quantità di gas di scarico. Solo a velocità più elevate il turbo sarà in grado di raggiungere la velocità e di fornire un'alta pressione. Se il turbo è troppo piccolo, il turbo lag sarà quasi inesistente. La girante della turbina si avvierà rapidamente con una piccola quantità di gas di scarico. Un'elevata pressione turbo viene raggiunta già a basse velocità. Lo svantaggio è che a velocità più elevate la quantità di gas di scarico è troppo grande per questo piccolo turbo. C'è più gas di scarico di quanto possa entrare nel turbo; in quel caso la serranda deve aprirsi prima e deviare molti gas di scarico. Rifiuto è una traduzione di “perdita”, che vale anche qui; i gas di scarico che fluivano attraverso la Wastegate non contribuivano ad azionare il turbo.
La dimensione del turbo è quindi molto importante per la progettazione del motore. Ad ogni turbo è stata assegnata una caratteristica del compressore durante la progettazione. La caratteristica del compressore può essere utilizzata per determinare se è adatto per un particolare motore. L'immagine seguente mostra un esempio di caratteristica del compressore.
Il rapporto di pressione P2/P1 (sull'asse Y) è il rapporto tra l'ingresso (P1) e l'uscita del turbo (P2). La pressione dopo la girante della turbina è sempre inferiore rispetto a prima. Il rapporto di pressione (adimensionale) di 2,0 significa che la pressione prima della girante è doppia rispetto a quella dopo la girante. Il fattore di portata volumetrica (sull'asse X) è la quantità di aria che fluisce attraverso il turbo. Le linee curve orizzontali indicano la velocità dell'albero turbo.
La figura mostra che la linea rossa è la linea di picco e la linea blu è la linea di strozzamento. La linea di picco, chiamata anche limite della pompa, è il limite in cui la velocità della girante del compressore è troppo bassa. La linea di picco è la limitazione del flusso d'aria dovuta alla girante del compressore troppo piccola. Il rapporto di pressione è troppo alto e la portata volumetrica troppo bassa. L'aria non viene più aspirata dal compressore, quindi si ferma e poi riprende la sua velocità. Questo flusso d'aria instabile provoca fluttuazioni di pressione e pulsazioni nel tratto di aspirazione. La pulsazione è anche chiamata “impennata” del compressore. Da qui il nome “surgeline”. L'aria che scorre avanti e indietro provoca grandi forze che possono sovraccaricare il turbo. Le pale della ruota del compressore possono rompersi e i cuscinetti possono sovraccaricarsi.
La chokeline è un altro limite che il compressore non deve superare. Qui la portata volumetrica massima si verifica con un rapporto di pressione basso. Il diametro dell'alloggiamento del compressore determina la portata volumetrica massima. Quando la linea dell'aria viene superata, la girante del compressore è troppo piccola per gestire il flusso di volume (maggiore). Di conseguenza, molta potenza del motore viene persa. Lo strozzatore è anche chiamato “strozzatore overspin”.
La figura mostra la caratteristica del compressore con motore a carico parziale. Il motore dovrebbe avere il consumo di carburante più basso a carico parziale. Il consumo specifico di carburante più basso si ottiene con l'isola più piccola. La valvola Wastegate regola la pressione in modo che scorra dritta attraverso l'isola centrale. Inizialmente la valvola Wastegate è chiusa in modo che la pressione del turbo aumenti. Il sistema di gestione del motore apre la valvola di scarico come mostrato dalla linea verde nell'immagine. La velocità dell'albero turbo è compresa tra 8000 e 9000 giri al minuto.
Quando si guida in montagna c'è una maggiore altitudine geografica; l'aria è più rarefatta lì. Ciò influisce sul funzionamento del turbo, perché l'aria più sottile contiene meno ossigeno, il che fa diminuire la pressione del compressore. Il rapporto di pressione, inclusa la velocità del compressore, deve aumentare per arrivare alla pressione di riempimento finale. Questa situazione può essere vista nella figura.
La linea verde indica la situazione di carico parziale durante la guida al livello del mare e la linea arancione quando si guida in montagna. A causa dell'aria più rarefatta, la velocità del compressore aumenterà fino a 100000 giri al minuto.
La maggiore velocità del compressore aumenterà anche la temperatura dell'aria in ingresso fornita al motore. L'intercooler dovrà quindi dissipare più calore. Adesso la differenza si vede anche nei consumi; In montagna il consumo di carburante aumenterà a causa del rapporto di pressione P2/P1 più elevato e della velocità del turbo più elevata.
Combinazione di turbo e compressore:
Al giorno d'oggi, le case automobilistiche scelgono sempre più spesso di dotare il motore di un turbo e di un compressore. Il turbo ha spesso dimensioni maggiori ed è dotato di Waste Gate. Il compressore serve a prevenire il turbo lag; A bassi regimi del motore il compressore fornisce la pressione di sovralimentazione e avvia il turbo. A velocità più elevate prende il sopravvento il turbo.
L'aria compressa passa attraverso il compressore o la valvola di bypass al turbo e attraverso il turbo attraverso l'intercooler fino al collettore di aspirazione.
Fare clic qui per ulteriori informazioni sul compressore Roots.
Turbo elettronico:
Un turbo convenzionale soffre di turbo lag alle basse velocità, perché i gas di scarico sono necessari per azionare la girante della turbina. Un compressore non ne soffre e fornisce la pressione di carica dal regime al minimo. Una combinazione dei due sembra ideale. Tuttavia, un compressore Roots meccanico deve essere azionato dall'albero motore. L'energia viene persa in questo processo. Le case automobilistiche stanno quindi sperimentando più turbo a gas di scarico o turbo elettrici per prevenire il turbo lag del turbo a gas di scarico.
Il turbo elettrico è controllato dalla centralina del motore. In soli 250 millisecondi la ruota del compressore raggiunge una velocità di ben 70.000 giri al minuto. Il motore elettrico nel turbo aziona la girante del compressore. La girante del compressore convoglia l'aria aspirata sotto pressione alla girante del compressore del turbogas di scarico. La ruota del compressore gira molto rapidamente quando il motore elettrico è controllato.
Con l'aiuto del turbo elettrico, il motore ha un comportamento di risposta più rapido. A velocità più elevate, quando il turbo gas di scarico è in grado di fornire l'intera pressione di sovralimentazione, il turbo elettronico viene disattivato.
