La sovralimentazione dei motori 4T e il funzionamento dei turbocompressori

Generalità sulla sovralimentazione dei motori 4T

LA SOVRALIMENTAZIONE DEI MOTORI 4TGENERALITÀ"
S
dreamstime
Turbo-compressore
Ortime
vnload from
amstime.com
tormarked comp image is for prev
Compressore
volumetrico
Potenza e coppia motrice di un motore dipendono strettamente dalla
quantità del carburante combusto nei cilindri e dalla qualità della
combustione stessa; alla qualità della combustione concorre la quantità di
aria introdotta nei cilindri.
Il metodo più diretto per incrementare potenza e coppia di un motore.
consiste nell'introdurre nei cilindri più carburante cercando di ottenerne la
completa combustione; ciò è possibile solo introducendo una proporzionata
quantità di aria e questo risultato lo si ottiene solo nei motori sovralimentati
dove un compressore aspira l'aria dall'esterno, la comprime ad una
pressione superiore a quella atmosferica e la invia al collettore di aspirazione
per essere poi introdotta, insieme al carburante, nei cilindri (nei motori
aspirati, invece, la quantità di combustibile/aria introdotta nei cilindri è
fortemente limitata dalla sola aspirazione per depressione indotta dal
movimento del pistone dal PMS al PMI).
Rispetto ai motori aspirati, quelli sovralimentati a ciclo Otto hanno
normalmente un rapporto di compressione più basso perchè la
sovrappressione indotta dall'aria compressa nei cilindri comporta, in fase di
compressione, un aumento considerevole delle temperature tale da causare
accensioni anticipate (auto-accensione) della miscela con conseguente
"battito in testa", irregolare erogazione di potenza e rapida usura/rottura di
pistoni, valvole e guarnizione di testa.
In linea di massima ad ogni bar in più di pressione nel collettore di
aspirazione, corrisponde un raddoppio del rapporto di compressione (per es .:
se in un motore aspirato con r.d.c. 10:1 la compressione sviluppa 10 bar, nel
corrispettivo motore sovralimentato con 1 bar in più, la compressione sarà di
20 bar).
La riduzione del rapp. di compress. determina, in generale, il calo dei picchi di
pressione e delle temperature massime sviluppate in combustione,
consentendo la riduzione percentuale, soprattutto nei motori diesel, degli
ossidi di azoto (NOx).
Il diminuito rapporto di compressione nei motori sovralimentati determina,
inoltre, una riduzione dell'azione frenante del motore (effetto freno-motore).

Il turbo-compressore

Componenti del turbo-compressore

II TURBO-COMPRESSORE
ineering
O
O
O
Il sistema di sovralimentazione più utilizzato nei propulsori di uso più
comune è quello basato sul TURBO-COMPRESSORE, composto da
una chiocciola contenente una girante di aspirazione, detta anche
compressore (parte fredda o soffiante), azionata tramite un albero da
una seconda girante, detta turbina (parte calda o motrice), messa in
movimento dai gas di scarico e contenuta anch'essa in una chiocciola
di dimensioni di norma più contenute.
SEZIONE
COMPRESSORE
(Parte FREDDA)
CORPO
TURBINA
USCITA GAS
DI SCARICO
TURBINA
CORPO
COMPRESSORE
GIRANTE
TURBINA
INGRESSO GAS DI
SCARICO ALLO,
TURBINA
USCITA ARIA
COMPRESSA
SEZIONE
TURBINA
(Parte CALDA)
INGRESSO ARIA
COMPRESSORE
GIRANTE
COMPRESSORESeque II TURBO-COMPRESSORE

Funzionamento del turbo-compressore

VALVOLA WASTE-GATE
TUBO DI
PRESSIONE
DAL COLLETTORE
DI SCARICO
ENTRATA
OLIO
BYPASS
AL COLLETTORE
DI ASPIRAZIONE
TURBINA DI
AZIONAMENTO
FUNZIONAMENTO DEL T .- C.
L'uscita del collettore di scarico convoglia i gas esausti sulla bocca di
ingresso della girante MOTRICE (o turbina) che fa da motore azionando il
sistema e gira su un alberino solidale ad una seconda girante detta
SOFFIANTE (o compressore) che serve per comprimere l'aria in
aspirazione, attraverso il relativo collettore, dentro ai cilindri.
Sia la parte motrice che la parte soffiante di un T.C., è composta dalla girante
che funge da rotore e da un involucro fisso che la contiene e che viene
chiamato chiocciola e che rappresenta lo statore.
La girante, soffiante o motrice che sia, è una ventola a palette più o meno
inclinate con geometria elicoidale che gira sfiorando i bordi delle rispettive
chiocciole.
II T.C .:
1.
riceve assialmente l'aria in aspirazione;
2.
comprime l'aria nel collettore d'aspirazione radialmente;
3.
riceve i gas di scarico radialmente;
4.
espelle i gas di scarico assialmente.

Pressioni e regimi di rotazione del turbo-compressore

Seque II TURBO-COMPRESSORE
compressore
turbina
girante
dal filtro
dell'aria
gas di
scarico
ventola
valvola
waste-gate
collettore di
aspirazione
molla
collettore di
scarico
cilindro
II T.C. permette di ottenere pressioni di sovralimentazione comprese,
mediamente, tra 0,7 e 2,5 bar, con regimi massimi di rotazione compresi tra
60000 e 250000 g/min. In ragione di queste elevate velocità di rotazione, è
fondamentale prestare molta attenzione all'olio motore e relativo filtro,
curandone la sostituzione periodica per non pregiudicare la corretta
lubrificazione (e il relativo raffreddamento) dei punti di scorrimento dell'albero.
L'albero infatti, di norma, non gira su bronzine o cuscinetti ma, per garantirne
la funzionalità senza che questo si usuri precocemente, all'interno di una
boccola lubrificata da un velo di olio motore (chiamato epilamina) che, una
volta entrato in azione il T.C., "sostiene" l'albero impedendone lo sfregamento
sulla superficie della boccola stessa.
Olio motore
Epilamina
(Velo di olio
motore)
te
Nel T.C.
T.C. non attivato
T.C. attivato
temperature dei gas di scarico (800" ca. nei diesel, 1000" ca. nei benzina). Di
norma la turbina e la relativa chiocciola sono costruite,rispettivamente, in
acciaio e ghisa. La geometria della turbina prevede un andamento
leggermente elicoidale delle palette, quasi perpendicolari rispetto al flusso in
ingresso dei gas in modo tale da riceverne la massima spinta possibile.
La parte soffiante, messa in movimento dalla turbina, è il COMPRESSORE,
le cui palette assumono una geometria maggiormente elicoidale rispetto alla
turbina, partendo molto larghe alla base e terminando più rastremate in cima.
Il materiale utilizzato per compressore e relativa chiocciola è, di norma,
l'alluminio.

Il turbo-lag

Seque II TURBO-COMPRESSORE
compressore
turbina
girante
dal filtro
dell'aria
gas di
scarico
4
ventola
valvola
waste-gate
1
molla
collettore di
aspirazione
collettore di
scarico
cilindro
IL TURBO-LAG
L'inerzia delle masse, pur ridotte, delle giranti, ritarda l'entrata in pressione
dell'aria nei cilindri. Questo ritardo genera quel fenomeno noto come
TURBO-LAG. Il turbo-lag fa sì che al di sotto di un certo regime (attorno ai
2000-2500 g/min), il T.C. non entri in funzione, rendendo di fatto il motore un
normale "aspirato", con relativa scarsa coppia.

La valvola waste-gate

LA VALVOLA WASTE-GATE
Al salire dei giri del motore la pressione di sovralimentazione tenderebbe a
crescere ben oltre il limite ammesso (tipicamente tra 0,7 e 2,5 bar) e quindi,
per non causare danni irreparabili al t.c. e - peggio - al motore, è necessario
limitarla.
La limitazione avviene grazie alla valvola WASTE-GATE (di tipo pneumatico
o, a volte, elettrico) che apre, modulando, un passaggio che devia parte dei
gas di scarico a valle della turbina. In pratica, solo una parte dei gas di
scarico andrà ad azionare la turbina, diminuendo la spinta sulle palette e
quindi anche il numero di giri di turbina e compressore; la restante parte dei
gas di scarico viene by-passata direttamente al tubo di scarico, senza
coinvolgere la turbina.
Revisione turbo con descrizione guasti
https://www.youtube.com/watch?v=143PG 3RINK
FUNZIONAMENTO WASTE-GATE (+ OVERBOOST)
https://www.youtube.com/watch?v=bBWHHYJug_8

Funzionamento della waste-gate pneumatica

Segue I TURBO-COMPRESSORE
NISSAN
Codice Saito: TMHAT135-18900N
Codice Attuatore: 49135-18911
Tipologia: Pneumatico
Applicazioni: Grand Cherokee
CCG
WG-75
Boost dial
Hose clamps
Boost Tee
Pressure source port
(Located before the
throttle body)
Wastegate Arrow
12V DC
Wastegate actuator port
Compressor
ZURBOSMART
PERFORMANCE PRODUCTS
Funzionamento della Waste-Gate
La waste-gate (pneumatica) è azionata da un'asta spinta da un diaframma
posto in un polmoncino e contrastata da una molla; una delle due camere del
polmoncino (diviso dal diaframma) è a pressione atmosferica e contiene la
molla di contrasto; l'altra camera, tramite l'aria in pressione che arriva
dall'uscita del compressore per mezzo di un tubicino di alimentazione,
consente il movimento del diaframma e di conseguenza dell'asta e del flap a
questa collegato: aprendosi il flap della valvola, una parte dei gas viene così
dirottata al tubo di scarico diminuendo la pressione (e la portata) sulla girante
della turbina.
Limitando la pressione sulla turbina, si limita automaticamente la pressione di
sovralimentazione del compressore e di conseguenza la potenza del motore;
diminuendo la compressione dell'aria nel collettore di aspirazione, diminuisce
la forza dell'aria sul diaframma dell'attuatore che, grazie alla forza di
contrasto della molla, tenderà a richiudere il flap della waste-gate.
Variando il precarico della molla (regolando, quando previsto, la corsa
dell'asta) o sostituendola con altra di caratteristiche diverse (più morbida o
più dura, a seconda delle esigenze), è possibile variare la pressione di
sovralimentazione.

L'over-boost

L'OVER-BOOST
In alcune tipologie di sovralimentazione è prevista un'elettrovalvola, chiamata
OVER-BOOST, che ha il preciso scopo di ritardare l'intervento della
waste-gate in modo tale da poter disporre, seppur per brevi periodi, di
potenza supplementare, aumentando la sovrappressione oltre i valori
massimi prestabiliti.
L'over-boost, attraverso l'elettrovalvola comandata dalla ECU, agisce
direttamente sulla waste-gate (pneumatica) tagliando o limitando
l'introduzione dell'aria in pressione all'interno del polmoncino di attuazione.
24-09
CE
1700 113 071

L'intercooler

Circuito dell'intercooler

Segue II TURBO-COMPRESSORE
Circuito dell'intercooler
ARIA COMPRESSA
CILINDRO
INGRESSO
OLIO
INTERCOOLER
GIRANTE
TURBINA
INGRESSO ARIA
COMPRESSORE
USCITA
GAS DI
SCARICO
GIRANTE
COMPRESSORE
USCITA OLIO
VALVOLA
WASTEGATE
-
Intercooler aria-aria
Oand Kumble
Intercooler aria-liquido
(doppio scambiatore)
INTERCOOLER
ARIA - ACQUA
COMPRESSORE
MONOSTADIO
MOTORE
ENDOTERMICO
POMPA ACQUA A
CIRCOLAZIONE
CONTINUA
SCAMBIATORE DI RAFFREDDAMENTO
ACQUA DELL'INTERCOOLER

Vantaggi dell'intercooler

L'INTERCOOLER
L'aria compressa in uscita dal compressore ha una temperatura media vicina
ai 100 °℃ (con punte vicine ai 200). Ciò è dovuto a due fattori:
1)
l'aria, comprimendosi, si riscalda;
2)
l'aria si riscalda sia passando accanto ai condotti di scarico (il T.C. è
a ridosso del collettore di scarico), che per il calore che la girante
della turbina, attraverso l'albero di azionamento, trasmette
inevitabilmente alle palette del compressore.
Per queste ragioni l'aria in uscita dal compressore, prima di essere immessa
nel motore, conviene sia raffreddata per mezzo di uno scambiatore aria-aria:
l'intercooler.
[Nei sistemi più raffinati e costosi (ma più ingombranti e delicati) si utilizzano due
scambiatori aria-liquido: uno posto fisicamente all'interno del collettore di aspirazione
che raffredda l'aria in ingresso ai cilindri, l'altro collocato frontalmente al veicolo (dove
di norma si trova l'intercooler tradizionale) che raffredda il liquido (con circuito
dedicato ed indipendente, a circolazione forzata).]
I vantaggi del raffreddamento in termini di potenza sono evidenti:
ad una diminuzione di 10 ℃ della temperatura dell'aria compressa
corrisponde un aumento della massa, a parità di volume d'aria inviata ai
cilindri, di circa il 3% con contestuale aumento di potenza di circa il 3,5%.
In definitiva: l'intercooler permette di aumentare la quantità di aria compressa
a parità di volume e pressione.
Il raffreddamento indotto dall'intercooler consente, inoltre, di abbassare la
temperatura in camera di combustione riducendo le emissioni inquinanti degli
ossidi di azoto (NOx).