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 turbocompressore & sovraalimentazione

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el magutt

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MessaggioTitolo: turbocompressore & sovraalimentazione   Ven Mar 07, 2014 6:20 pm

Il turbocompressore, spesso abbreviato in turbo, è un organo meccanico il cui scopo è quello di sovralimentare un motore endotermico.
Talora noto come turbogruppo, per l'integrazione tra turbina e compressore vero e proprio, costituisce il metodo più diffuso per incrementare l'alimentazione dei motori, in particolare quelli di autotrazione.
Il turbocompressore è installato sui collettori di scarico, (che per concentrare il flusso sono, a esempio di tipo 4 in 1) e a seconda della posizione del condotto dell'aria che parte dal compressore, rispetto all'organo che miscela il combustibile al comburente (carburatore o iniettore), il turbogruppo viene chiamato turbocompressore (se la compressione avviene prima) oppure turboaspirato (se avviene dopo). Il primo è il più comune, utilizzato nei sistemi ad iniezione e nella maggior parte di quelli a carburatori, e il vantaggio è limitare le dispersioni di combustibile lungo le pareti dell'impianto d'alimentazione. In alcuni casi (come sulla Renault 5 Alpine Turbo), il sistema è turboaspirato a carburatori, questo per far lavorare il carburatore come su un motore aspirato, facilitando la messa a punto.
Esso è composto da una girante turbina che, all'interno di una struttura a "chiocciola" in ghisa, viene messa in rotazione dai gas di scarico e da una girante compressore, generalmente in lega di magnesio, collegata alla turbina mediante un piccolo albero. All'interno di una struttura a "chiocciola" in leghe di titanio o alluminio, il compressore, trascinato in rotazione dalla turbina, comprime l'aria e la immette, quindi, nel collettore d'aspirazione, fornendo ai cilindri del motore un volume d'aria maggiore di quanto ne potrebbero aspirare. Si tratta di un complesso altamente efficiente in quanto utilizza l'energia residua dei gas di scarico per azionare la turbina e quindi il compressore.

In questo modo è possibile immettere nella camera di scoppio un maggior quantitativo di miscela aria/benzina, assicurando così maggiori prestazioni, espresse in potenza e accelerazione. Tuttavia proprio in virtù di tale potenza anche i gas di scarico sono costretti a uscire più velocemente, così anche il turbocompressore ruoterà più rapidamente conferendo una sempre maggiore potenza al propulsore. La girante normalmente supera i 180.000 giri/min. Il turbocompressore funziona particolarmente bene agli alti regimi di rotazione mentre fino ai 2000-3000 RPM rappresenta quasi sempre uno svantaggio per via dell'inerzia della girante che rallenta i gas di scarico, anche se questa considerazione è valida soprattutto per sistemi turbo proporzionalmente grandi, mentre questo problema non si verifica con sistemi più piccoli i quali però hanno meno capacità sovralimentante. Nei motori ad alte prestazioni c'è quindi la tendenza a installare più turbocompressori di ridotte dimensioni anziché uno solo
Per non incorrere nel cosiddetto fenomeno della "detonazione" o addirittura nella rottura del motore stesso non si può superare un determinato rapporto di compressione all'interno dei cilindri e per questo motivo si usano più valvole:
wastegate, per eliminare i gas in eccesso che azionerebbero eccessivamente la turbina evitando problemi d'affidabilità.
pop-off (anche detta blow-off, situata fra il turbocompressore e la valvola a farfalla) provvede ad aprirsi totalmente in fase di rilascio del gas quando, pur essendo la farfalla totalmente chiusa, la turbina continua a ruotare per effetto dell'inerzia comprimendo l'aria che tuttavia non viene immessa nei cilindri ed evitando il cosiddetto "colpo d'ariete".
Queste valvole possono essere di due tipi:
a sfiato interno (detta anche a ricircolo o a By-pass) nel caso della pop-off l'aria compressa in eccesso viene convogliata a monte del compressore, tramite un tubo (o manicotto) situato nella valvola stessa, cioè la massa d'aria ripasserà dal compressore ovvero limitando il fenomeno chiamato turbo-lag, mentre nel caso della wastegate i gas esausti in eccesso vengono convogliati a valle della turbina (ovvero by-passano la turbina), tramite un condotto dedicato situato nella turbina stessa (o situato nel collettore di scarico nel caso sia una wastegate separata dalla turbina), la cui apertura viene comandata appunto dalla valvola wastegate, da dove fuoriescono attraverso il collettore di scarico.
a sfiato esterno (o sfiato libero) vale solo per la pop-off in questo caso, l'aria compressa in eccesso viene semplicemente espulsa in atmosfera da un apposito ugello situato nella valvola, creando un effetto sonoro udibile (il tipico sbuffo).

Turbocompressore e compressore volumetrico[modifica | modifica sorgente]
In tema di turbocompressore e di compressore volumetrico, si cita ad esempio quello della Lancia Delta S4 del 1985, il cui motore a quattro cilindri di 1.800 cm³ erogava, nella versione "stradale" e in quella da rally rispettivamente 250 e 500 cavalli (185 e 370 kW). Tale unità utilizzava un sistema combinato in cui un compressore volumetrico e un turbocompressore operavano in serie: ai bassi regimi era attivo il volumetrico, la cui azione diminuiva all'aumentare dei giri e alla corrispondente entrata in funzione del turbocompressore, per poi essere completamente bypassato ad alto numero di giri
Turbocompressore e compressore volumetrico[modifica | modifica sorgente]
In tema di turbocompressore e di compressore volumetrico, si cita ad esempio quello della Lancia Delta S4 del 1985, il cui motore a quattro cilindri di 1.800 cm³ erogava, nella versione "stradale" e in quella da rally rispettivamente 250 e 500 cavalli (185 e 370 kW). Tale unità utilizzava un sistema combinato in cui un compressore volumetrico e un turbocompressore operavano in serie: ai bassi regimi era attivo il volumetrico, la cui azione diminuiva all'aumentare dei giri e alla corrispondente entrata in funzione del turbocompressore, per poi essere completamente bypassato ad alto numero di giri

Sequenziale[modifica | modifica sorgente]
Questo sistema utilizza delle diverse unità con caratteristiche diverse, per alimentare il motore nelle diverse situazioni.
Generalmente si utilizza un sistema doppio, dove c'è una turbina piccola, che ha una risposta veloce e una ridotta pressione d'uscita, mentre l'altra è di grandi dimensioni, con una risposta lenta, ma con un'elevata pressione d'uscita.
Queste unità vengono utilizzate in momenti diversi, l'intero funzionamento si può dividere in tre passi:
Bassi regimi, in questa situazione i gas di scarico vengono convogliati tutti sulla turbina più piccola, nel passaggio ai medi regimi una parte dei gas di scarico viene convogliata alla turbina più grande
Medio regimi, in questa situazione i gas di scarico vengono convogliati su entrambe le turbine, nel passaggio ai alti regimi i gas di scarico vengono convogliati principalmente alla turbina più grande.
Alti regimi, in questa situazione i gas di scarico vengono convogliati tutti sulla turbina più grande
Questa procedura permette d'avere un funzionamento più lineare del sistema di sovralimentazione con una risposta più rapida al comando del gas, come contro questo risulta un sistema molto costoso e complesso da mettere a punto.


Questo sistema convoglia i gas di scarico proveniente dal motore in parti uguali sui vari sistemi turbo, che in questo caso sono identici e che alimentano parti uguali e distinte del motore o possono funzionare in modo diverso a seconda del regime.
Nell'esempio di un sistema a doppio turbo, questi ricevono rispettivamente la parte di gas proveniente da una metà del motore ed alimentano una metà del motore.
Mentre nei sistemi più sofisticati le diverse turbine vengono utilizzate in modo diverso a seconda del regime, facendo funzionare più turbine in parallelo all'aumentare del regime del motore.
Questo sistema permette di ridurre il ritardo di risposta del sistema, inoltre permette un funzionamento del motore anche con una turbina danneggiata, come contro ha un costo superiore.

Concettualmente identico al turbocompressore, la differenza più grande da questo è insita nella girante motrice o di scarico. Essa infatti è circondata da palette mobili il cui movimento, controllato dalla centralina elettronica, determina la variazione dell'angolo d'incidenza dei gas di scarico con le palette della girante motrice stessa. In funzione del regime di rotazione, queste vengono chiuse o aperte per favorire la velocità o la portata a seconda dei regimi stessi. Ciò porta ad una maggiore flessibilità e adattabilità di comportamento rispetto al "Turbo" a chiocciola fissa: una turbina a geometria variabile consente di ottenere la stessa bassa inerzia di una turbina di piccole dimensioni e la portata d'aria (quindi potenza) di una turbina di maggiori dimensioni. Il campo di applicazione più vasto è quello dei TurboDiesel ad alta pressione di iniezione come Common Rail e iniettore pompa.

Si definisce sovralimentazione di un motore endotermico l'introduzione forzata di miscela combustibile nei cilindri rispetto a quella che sarebbe possibile con la normale aspirazione, per garantire al motore maggiore potenza e coppia. Si può sovralimentare un motore in maniera meccanica o chimica.
Per sovralimentazione meccanica s'intende la compressione dell'aria all'interno del collettore d'aspirazione e generalmente può essere ottenuta con due diversi sistemi: con il turbocompressore (spesso indicato solo con turbo) o con il compressore volumetrico, o più raramente con entrambi i metodi. Altri sistemi usati possono essere il compressore centrifugo ed il Comprex.

Il compressore volumetrico è collegato all'albero motore tramite una cinghia, e forza l'immissione del quantitativo d'aria predeterminato all'interno del collettore d'aspirazione. La sovralimentazione si realizza tramite il differenziale del volume d'aria processata dal compressore rispetto alla cilindrata del motore. Questo assicura un maggior rendimento ai bassi e medi regimi di rotazione. È un sistema non molto diffuso in Europa, Mercedes, Jaguar e Fiat-Lancia (sui modelli indicati come "Volumex") lo adottano su alcuni modelli della gamma (l'Alfa Romeo lo utilizzava su vetture speciali sin dagli anni venti, e la Mini Cooper S prima serie adottava un compressore volumetrico). È invece molto diffuso nei motori statunitensi di grossa cubatura, dove può essere applicato senza penalizzare in maniera rilevante la potenza massima espressa. La tipologia più diffusa di compressore volumetrico è quella a lobi, o Roots, ma vi sono anche altri tipi quali il Lysolm a vite, il Bendix a palette e il G Lader a chiocciole utilizzato durante gli ann
lo utilizza assieme al turbocompressore

Il turbocompressore o turboaspirato noto spesso come turbo (chiamato anche turbogruppo giacché è l'unione di una turbina e compressore come in figura) rappresenta senza dubbio il sistema più diffuso.
Esso è composto da una girante turbina che viene messa in rotazione dai gas di scarico e da una girante compressore, generalmente in lega di magnesio, collegata alla turbina mediante un piccolo albero. Il compressore, trascinato in rotazione dalla turbina, comprime l'aria e la immette, quindi, nel collettore d'aspirazione, fornendo ai cilindri del motore una quantità d'aria maggiore di quanto ne potrebbero aspirare. Si tratta di un complesso altamente efficiente in quanto utilizza l'energia residua dei gas di scarico per azionare la turbina e con essa il compressore. In questo modo è possibile immettere nella camera di scoppio anche un maggior quantitativo di carburante, assicurando così una maggiore potenza. Tuttavia proprio in virtù di tale potenza, ovvero maggior consumo, anche i gas di scarico sono costretti a uscire più velocemente, così anche il turbocompressore ruoterà più rapidamente conferendo una sempre maggiore potenza al propulsore. La girante normalmente supera i 180.000 giri/min.

Concettualmente identico al turbocompressore, la differenza più grande da questo è insita nella girante motrice o di scarico. Essa infatti è circondata da palette mobili che determinano la variazione dell'angolo d'incidenza dei gas di scarico con le palette della girante motrice. In funzione del regime di rotazione, queste vengono chiuse o aperte per favorire la velocità o la portata a seconda dei regimi stessi. Ciò porta ad una maggiore flessibilità e adattabilità di comportamento rispetto al "Turbo" a chiocciola fissa: una turbina a geometria variabile consente di ottenere la stessa bassa inerzia di una turbina di piccole dimensioni e la portata d'aria (quindi potenza) di una turbina di maggiori dimensioni. Il campo di applicazione più vasto è quello dei TurboDiesel ad alta pressione di iniezione come Common Rail e iniettore pompa. Alcune applicazioni vengono definite turbo-compound allorché all'azione di sfruttamento della velocità dei gas di scarico per aumentare la compressione dell'aria di aspirazione, viene ulteriormente sfruttata parte della coppia di rotazione della girante del turbocompressore per supportare il motore stesso, come accade nei grandi motori diesel adibiti a trasporto pubblico con cambio automatico

L'accostamento del compressore volumetrico a insieme quello turbo è usato soprattutto nelle macchine da competizione, (nel rally per esempio)[1] . Quest'abbinamento è utile perché l'effetto del compressore volumetrico oltre i 3500-4000 giri è bypassato, causa la densità dell'aria e la dimensione della ventola, quindi si mette il turbo compressore che sfruttando l'alta pressione dei gas di scarico che fanno girare la sua turbina sovralimenta il motore anche agli alti regimi.

Il compressore centrifugo utilizza lo stesso principio del turbocompressore, la differenza principale però è che la girante non è messa in funzione dai gas di scarico ma da una puleggia calettata sull'alberino della girante e collegata tramite cinghia a una delle pulegge che ruotano insieme al motore, come se fosse una puleggia della distribuzione, oppure può essere mossa da un motore elettrico. Il vantaggio in termini di potenza di quest'ultima soluzione è molto ridotto rispetto al turbocompressore, e la principale causa sta nel fatto che ruotando vincolata al motore (al contrario della girante del turbo che ruota liberamente) il numero di giri raggiungibile fa sì che non si possa arrivare ad elevate pressioni; tuttavia la estrema semplicità di installazione di questo tipo di sovralimentazione fa sì che vengano abbattuti tutti i problemi (e conseguentemente i costi) relativi all'installazione del turbo e la rende un'ottima alternativa qualora l'incremento di cavalli si voglia contenere entro l'80-99% della potenza iniziale (questo nel caso di giranti molto grandi). Una soluzione molto più rara sta nell'utilizzare un compressore centrifugo con la girante mossa da un motorino elettrico.
La particolarità di questa installazione risiede nel fatto che in generale si sfruttano trasmissioni meccaniche per l'azionamento di compressori volumetrici mentre quelli dinamici vengono azionati con i gas di scarico.
Questo tipo di compressore, brevettato il 3 ottobre 1905 da Léon Creux della Francia (US Patent 801182)[2], è caratterizzato da due giranti a spirale poste l'una dentro l'altra, di cui una fissa, mentre l'altra ha un movimento planetario, senza ruotare sul suo asse, durante la rotazione queste giranti si sfiorano e portano l'aria dall'esterno delle due giranti al centro delle stesse, dove è posizionato un foro, diretto al condotto d'alimentazione[3]. È noto commercialmente con la denominazione in lingua inglese di scroll compressor, italianizzato da alcuni in pompa scroll.


La sovralimentazione chimica è un altro sistema per immettere maggiore ossigeno nei cilindri rispetto a quello che sarebbe normalmente presente con la sola aspirazione e consiste nel miscelare l'aria con un fluido più ossigenato. L'atmosfera contiene infatti solo circa il 20% di ossigeno. Il composto con cui miscelare l'aria più utilizzato al giorno d'oggi è il protossido d'azoto (N_2O) che contiene circa il 36% di ossigeno in peso. Esso viene immesso nel collettore d'aspirazione attraverso particolari ugelli e reagisce non appena viene a contatto con zone ad alta temperatura, liberando ossigeno puro. L'incremento di potenza e coppia è notevole, con un guadagno fino al 50-60% di CV disponibili. Questo è un sistema molto poco usato, per problemi legali, costi, problemi di affidabilità e perché provoca una rapida usura del motore. Inoltre le bombole di protossido d'azoto consentono solo pochi secondi di effettiva sovralimentazione, limitandone il sistema a gare di accelerazione o manifestazioni. Il sistema di iniezione al protossido d'azoto è forse più noto con l'acronimo NOS dal nome dell'azienda che per prima nel 1978 ne ha prodotto un sistema per veicoli.

I primi impieghi di sovralimentazione chimica risalgono al secondo conflitto mondiale sui caccia quando serviva potenza extra in fase di decollo o ad alta quota in zone d'aria rarefatte. I primi tentativi furono fatti dai tedeschi con iniezione di ossigeno, il che garantiva grandi incrementi di potenza ma una pressoché istantanea usura delle valvole di scarico, dal momento che l'intensità del fronte di fiamma nel cilindro aveva l'effetto di una fiamma ossiacetilenica. Tale sistema poteva quindi essere usato per pochissimi secondi, solo in manovre di emergenza durante il combattimento. Successivamente si sperimentò con maggiore successo il protossido d'azoto ma anche altre miscele che garantivano l'incremento di potenza per periodi maggiori e senza danni fatali al motore. I primi sviluppi automobilistici si ebbero negli anni sessanta e settanta con il proliferare delle gare di accelerazione (Drag Strips), anche se i sistemi di derivazione aeronautica utilizzati erano molto complessi. Un'ottima semplificazione venne elaborata da Mike Thermos e Dale Vaznaian mediante un sistema "bolt on", cioè "imbullonato sopra" e quindi meno costoso e non irreversibile. La buona richiesta del mercato portò i due creatori alla creazione della Nitrous Oxide Systems Inc. nel 1978, tuttora esistente e attiva. Ad oggi l'utilizzo di tale sovralimentazione è illegale in Italia.

Costituito da una girante a forma di cilindro con tanti passaggi interni dritti di diametro diverso, dove a un'estremità si ha l'aspirazione di miscela fresca, mentre dall'altra si ha l'espulsione di gas esausti e l'interazione di questi gas fa sì che il motore nel compiere l'azione d'espulsione incentivi l'aspirazione dei gas freschi.
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