Un turbocompressore (detto "turbo", in gergo comune) è uno dei tre principali sistemi di sovralimentazione noti generalmente utilizzati sui motori a scoppio e a scoppio (benzina o diesel), destinati ad aumentare la densità di potenza - gli altri due sono il compressore meccanico e il gas iniezione.
Il ruolo del turbocompressore è quello di aumentare il livello di ossigeno (O 2) in ogni cilindro comprimendo l'aria aspirata.
Il principio è quello di aumentare la pressione dei gas immessi, consentendo un migliore riempimento dei cilindri con una miscela aria/benzina (rapporto stechiometrico ), consentendo sia di aumentare la potenza di un motore aspirato, sia di ridurre i consumi con un motore più basso Dislocamento.
Questo tipo di compressore è azionato da una turbina (da cui il nome) azionata dalla velocità dei gas di scarico in uscita dal blocco motore , che cedono parte della loro energia cinetica per far girare la turbina, senza consumare potenza sull'albero motore.
Il principio della sovralimentazione dei motori a combustione e dell'esplosione è stato proposto nei primi sviluppi di questi motori. Louis Renault ha depositato un brevetto nel 1902 sul principio della sovralimentazione tramite ventola o compressore, che ha usato in competizione, ma che non era ancora stato definito come turbocompressore.
Il 13 novembre 1905, il brevetto per il principio del turbocompressore viene concesso all'ingegnere svizzero Alfred Büchi dal Deutsches Reichspatent (DRP) e dal16 novembre 1905, un altro per la sua applicazione al motore a combustione interna. Era un compressore centrifugo azionato questa volta dai gas di scarico. Una delle prime applicazioni fu l'adattamento da parte dell'ingegnere Auguste Rateau del turbocompressore sul motore Renault 12 Fe , un V12 da 320 CV montato sul velivolo da ricognizione Breguet XIV A2 durante la prima guerra mondiale .
C'è stato uno sviluppo significativo del turbocompressore durante la seconda guerra mondiale dove il "turbo" era essenziale per consentire agli aerei con motori a pistoni di volare ad alta quota. Infatti, l'aria che diventa più rara da 3000 a 4000 metri, un motore atmosferico perde potenza e "stalla" a causa del poco ossigeno contenuto nell'aria.
Nel 1962, l' Oldsmobile F-85 Turbo Jetfire fu la prima versione commerciale di un motore sovralimentato turbo. Quel motore era il Turbo-Rocket, un motore V8 con un turbocompressore Garrett T5 di piccolo diametro .
La tecnica della sovralimentazione è molto spesso applicata ai motori delle auto da corsa . In Formula 1 ad esempio, ha rivoluzionato la motorizzazione dal 1977 con la Renault e ha ottenuto molti successi prima di essere bandita nel 1989. La stagione del campionato 2014 ha visto il suo ritorno alla disciplina, con un motore V6 da 1600 cm 3 turbo.
Oltre al fenomeno moda lanciato principalmente da Renault negli anni '80 ( R5 Turbo , Alpine turbo , R5 GT Turbo , ecc. ), un altro aspetto dimostrerà che il turbo non viene utilizzato solo per "gonfiare piccole auto leggere a un costo inferiore". In effetti, l'arrivo della fragorosa Porsche 911 Turbo 3.0 L (tipo 930) lancerà a sua volta un'intera generazione di appassionati di vetture gran turismo (GT), quest'ultima praticamente senza rivali al momento della sua uscita, grazie alle sue impressionanti prestazioni per l'epoca .
Nel XXI ° secolo, questo principio è ampiamente utilizzato su motori diesel moderni e, in misura minore, i motori a benzina a causa del rischio di auto-accensione quando la pressione della aria-carburante miscela aumenta. Tuttavia, un migliore controllo dell'iniezione e dell'accensione ha permesso di progettare motori a benzina turbocompressi, tra l'altro, nell'ambito del ridimensionamento .
L'efficienza di un motore a pistoni è funzione del suo rapporto di compressione, il rapporto di compressione all'interno del cilindro. Più è alto, migliore è la resa.
Il limite, per un motore a benzina , è legato al rischio di autoaccensione (o battito in testa), che, oltre una certa pressione, provoca un calo dei rendimenti. Un motore a benzina turbo è solitamente progettato con un rapporto di compressione inferiore a 10 ⁄ 1 , ma alcuni blocchi motore scendono addirittura al di sotto di 7 ⁄ 1 per blocchi classificati per potenze superiori a 100 CV / L e pressioni di sovralimentazione a - sopra 1 bar di pressione relativa. La prestazione ottimale per un progettista di motori sovralimentati sarebbe quella di ottenere un elevato rapporto di compressione con una pressione di sovralimentazione altrettanto elevata, per evitare il più possibile di penalizzare velocità al di sotto della carica positiva del turbocompressore, cosa difficile da ottenere anche a causa dei combustibili attuali. che il tintinnio , la soglia di quest'ultimo, possa ancora essere rilevato e trattato attraverso i progressi tecnologici dei computer di bordo.
Una turbina posta nel flusso dei gas di scarico in uscita dal motore viene azionata ad alta velocità (parte rossa nella foto). È collegato tramite un albero ad un compressore posto nel condotto di aspirazione del motore (parte blu). Questo compressore di tipo centrifugo aspira e comprime l'aria ambiente, la invia nei cilindri, eventualmente passando attraverso uno scambiatore aria/aria (in inglese intercooler ), o più raramente aria/acqua per raffreddarla, per i seguenti tre motivi:
Il fatto di inviare l'aria compressa nei cilindri permette di migliorare il riempimento di questi ultimi che, in caso contrario, vengono riempiti dal vuoto creato dal pistone che scende, e permette quindi di aumentare sensibilmente la quantità di aria / miscela carburante, che consente di migliorare la densità di potenza e ottenere la stessa potenza di un motore di cilindrata maggiore, riducendo al contempo le perdite meccaniche associate alla grande cilindrata.
Le crescenti considerazioni ecologiche fanno sì che si assista sempre di più ad un fenomeno di " downsizing " nella progettazione dei motori automobilistici da parte dei maggiori costruttori. Il principio mira a ridurre le emissioni e i consumi inquinanti riducendo la cilindrata del motore. Poiché un motore di piccola cilindrata è necessariamente meno potente, questa perdita viene compensata con il turbocompressore.
Benefici :
Svantaggi:
Gli ultimi due inconvenienti citati sono pressoché risolti con i moderni turbocompressori, detti turbocompressori a “geometria variabile”, che risultano più efficienti ai bassi regimi .
Il problema principale di un turbocompressore è il suo ritardo nell'avviamento, a causa dell'inerzia della sua ruota della turbina, ci sono molte auto sportive dotate di motori "bi-turbo" (o "twin-turbo" sequenziali). , dotate di un piccolo turbocompressore per caricare l'aspirazione a bassi regimi, poi rinviato da uno più grande per riempire i cilindri, una volta che il motore è a regime. Il vantaggio di questo tipo di montaggio è la virtuale assenza di tempo di risposta e l'assenza di sobbalzi sulla trasmissione causati dalla pressurizzazione di un unico grande turbocompressore, distribuendo più uniformemente il campo di coppia. Ma questo sistema occupa più spazio nel vano motore e richiede una seria manutenzione per rimanere affidabile nel tempo. Questo cosiddetto assemblaggio "sequenziale" equipaggia la Mazda RX-7 FD3S o la Porsche 959 . C'è anche un sistema bi-turbo più classico, come quello della Nissan 300ZX Z32 e del suo motore 24S V6 , su cui ogni turbo sovralimenta un banco di soli tre cilindri, i turbo sono montati su entrambi i lati del V6. Questo assemblaggio è molto comune sui motori a V. Si noti che altri produttori, come BMW, utilizzano questo principio ma installando i turbo all'interno della V, con l'aspirazione all'esterno.
Dalla loro installazione sui motori diesel nel 1997, alcuni turbocompressori sono definiti a “geometria variabile”. Questa soluzione consente un comportamento molto più lineare del motore e una risposta del turbocompressore a partire da 1500 giri/min invece di una risposta spesso compresa tra 3 e 4000 giri / min sui turbocompressori convenzionali. Ad esempio, auto come la produzione Peugeot 205 Turbo 16 o la Ferrari F40 si dice che siano "vuote" ai bassi regimi, con tutta la potenza che appare all'improvviso dopo un certo regime del motore. Al contrario, le Porsche 911 Turbo tipo 997 (dal 2006) dotate di geometria variabile distribuiscono immediatamente i loro cavalli alla minima richiesta sull'acceleratore. I turbocompressori nei motori diesel sono montati vicino al motore in modo che il percorso dei gas di scarico e dell'aria compressa sia il più breve possibile. Il più delle volte, si trova persino direttamente sul blocco motore.
La produzione Peugeot 405 Turbo 16 è stata una delle prime vetture dotate di serie di un turbo a geometria variabile.
Ci sono due principali sollecitazioni in un turbocompressore: l' attrito dell'albero della turbina e la temperatura dei gas di scarico.
Per preservare questo elemento dall'usura e per raffreddarlo, il turbocompressore condivide con il motore lo stesso sistema di lubrificazione ad olio. Questa caratteristica ha l'inconveniente di interrompere la lubrificazione del turbocompressore quando il motore è fermo, perché la pompa dell'olio non è più azionata, il che, a lungo andare, danneggerà il dispositivo. Infatti l'olio poi presente tra l'asse e il cuscinetto della turbina inizia a scaldarsi eccessivamente, perché la temperatura in turbina può salire fino a 1000 °C. , o anche di più. Si crea quindi un residuo dannoso, costituito da corpi solidi molto abrasivi che produrranno nel tempo eccessivi giochi (si parla di “coking” dell'olio). Inoltre la turbina, sempre spinta dalla sua inerzia , non viene più lubrificata o raffreddata e può quindi rompersi a causa di eccessive sollecitazioni termiche e meccaniche. Per ovviare a questo problema, è buona norma lasciare il motore al minimo, da uno a tre minuti circa a seconda del modello, prima di spegnere l'accensione, in modo che la turbina interna veda diminuire la sua velocità di rotazione. La lubrificazione del motore, e quindi del turbocompressore, continua ad avvenire ea dissipare calore dall'impianto. Un altro modo per raffreddare il meccanismo è, se il viaggio lo consente, guidare lentamente a velocità moderata per alcuni chilometri. Questa raccomandazione è anche più generalmente consigliata per i motori, anche aspirati, o per i freni se sono stati appena utilizzati molto. Se questa procedura, così spesso dimenticata dal neofita, a volte non può essere eseguita, se non altro per il tempo necessario per la sua attuazione, un'attrezzatura aftermarket può essere installata da uno specialista in accessori per autoveicoli: un turbo timer , che avrà solo il compito di spegnere il motore una volta che il turbo si è adeguatamente raffreddato, anche se l'accensione viene disinserita con la chiave. Tuttavia, poiché la maggior parte dei veicoli attuali è dotata di turbocompressore, i produttori generalmente equipaggiano i loro veicoli con pompe dell'olio dedicate che garantiranno la lubrificazione dei cuscinetti durante il tempo necessario affinché l'asse del turbo smetta di ruotare una volta spento il motore del veicolo per per garantire la longevità del sistema rendendo i requisiti di questa tecnologia completamente trasparenti alle abitudini dell'utente.
Alcune case automobilistiche, tra cui BMW o PSA, equipaggiano i propri motori con un sistema che consente il funzionamento di una pompa dell'acqua elettrica, anche dopo lo spegnimento del motore. Questo è presente in particolare sulla Peugeot 405 T16 (versione di produzione) del 1992, così come sulla Renault 21 2 L Turbo o più recentemente sui veicoli dotati di motore 1.6 L PSA / BMW di piccole auto sportive come la Mini Cooper S , o la Peugeot 207 RC .
Alcuni modelli hanno la particolarità di appoggiare il proprio asse su cuscinetti a sfera, che permette una maggiore affidabilità nel tempo.
Il guasto del turbocompressore che causa l'aumento della temperatura del motore può causare l'incendio di un veicolo.
Un turbocompressore è un compressore, centrifugo o assiale, azionato da una turbina alimentata o dal vapore (turbina a vapore), o da un altro gas (turbina a gas), o dall'espansione di un gas ( turbina di espansione ).
Un turbocompressore può raggiungere una velocità di rotazione di circa 250.000 giri/min ma la sua velocità media è compresa tra 100.000 e 200.000 giri min . Attualmente, la velocità massima raggiunta è di 280.000 giri/min in una Smart Diesel.
L' accelerazione centrifuga sperimentata dalla periferia delle due ruote pale del turbo supera generalmente i 100.000 g . Questa accelerazione genera vincoli significativi che richiedono una lavorazione rigorosa di questi due elementi, la cui lavorazione ed equilibratura devono rispettare precise tolleranze (un minimo sbilanciamento può essere sufficiente a rendere inoperante l'assieme).