Come funzionano i turbocompressori

Galleria di immagini: Turbocompressori Il sistema turbocompressore della Mitsubishi Lancer Evolution IX. Guarda altre foto del turbocompressore. YOSHIKAZU TSUNO / AFP / Getty Images

Quando si parla di auto da corsa o di auto sportive ad alte prestazioni, l'argomento di turbocompressori di solito viene fuori. I turbocompressori compaiono anche sui grandi motori diesel. Un turbo può aumentare in modo significativo la potenza di un motore senza aumentare in modo significativo il suo 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 wastegate, pale di turbine in ceramica e cuscinetti a sfera aiutano i turbocompressori a svolgere il loro lavoro ancora meglio. I turbocompressori sono un tipo di sistema di induzione forzata. Essi comprimere l'aria che fluisce nel motore (vedere Come funzionano i motori delle automobili 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 complessivamente più potenza rispetto allo stesso motore senza la ricarica. Questo può migliorare in modo significativo 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 a turbina, che a sua volta gira un file pompa d'aria. La turbina del turbocompressore gira a velocità fino a 150.000 giri al minuto (rpm), circa 30 volte più veloce di quanto possa fare la maggior parte dei motori delle auto. E poiché è collegato 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.

Contenuti

1. Turbocompressori e motori
2. Design turbocompressore
3. Parti del turbocompressore
4. Utilizzo di due turbocompressori e altri componenti turbo

Dove si trova il turbocompressore nell'auto.

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 inserendone di più nei 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 a livello del mare, puoi vedere che stai ricevendo circa il 50% di aria in più nel motore. Pertanto, ti aspetteresti di ottenere il 50% di potenza in più. Non è perfettamente efficiente, quindi potresti ottenere un file Miglioramento dal 30 al 40 percento anziché.

Una delle cause di inefficienza deriva dal fatto che il potere di far girare la turbina non è gratuito. 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 maggiore. Questo sottrae un po 'di potenza ai cilindri che stanno sparando allo stesso tempo.-

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Come viene collegato un turbocompressore in un'auto Immagine gentilmente concessa da Garrett

Il turbocompressore è imbullonato al collettore di scarico del motore. Lo scarico dei cilindri fa girare il turbina, che funziona come un motore a turbina a gas. La turbina è collegata tramite 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.

All'interno di un turbocompressore Immagine per gentile concessione di Garrett

Lo scarico dei cilindri passa attraverso il lame a turbina, facendo girare la turbina. Più scarico passa attraverso le lame, più velocemente girano.

All'altra estremità dell'albero a cui è attaccata la turbina, il compressore pompa aria nei cilindri. Il compressore è un tipo di pompa centrifuga: aspira l'aria al centro delle pale e la lancia verso l'esterno mentre gira.

Per gestire velocità fino a 150.000 giri / min, l'albero della turbina deve essere sostenuto con molta attenzione. La maggior parte dei cuscinetti esploderebbe a velocità come questa, quindi la maggior parte dei turbocompressori utilizza a cuscinetto fluido. Questo tipo di cuscinetto supporta l'albero su un sottile strato di olio che viene costantemente pompato attorno all'albero. Questo 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 sezione successiva, esamineremo alcuni di questi compromessi e vedremo come influenzano le prestazioni.

Troppa spinta?

Con l'aria pompata nei cilindri sotto pressione dal turbocompressore e quindi ulteriormente compressa dal pistone (vedere come funzionano i motori delle auto per una dimostrazione), c'è più pericolo di colpi. Bussare accade perché quando 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 a più ottani per evitare colpi. Se la pressione di sovralimentazione è molto alta, potrebbe essere necessario ridurre il rapporto di compressione del motore per evitare colpi.

I turbocompressori forniscono spinta ai motori alle alte velocità. © Fotografo: Max Dimyadi | Agenzia: Dreamstime.com

Uno dei problemi principali con i turbocompressori è che non forniscono un aumento di potenza immediato quando si preme il gas. Ci vuole un secondo prima che la turbina si accenda prima che venga prodotta la spinta. Ciò si traduce in una sensazione di ritardo quando si preme l'acceleratore, quindi l'auto si lancia in avanti quando il turbo si avvia.

Un modo per diminuire il ritardo del turbo è ridurre il 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 una spinta più rapidamente e a regimi del motore inferiori, ma potrebbe non essere in grado di fornire una spinta molto a regimi del motore più elevati quando un volume d'aria molto grande entra nel motore. Inoltre, corre il rischio di girare troppo velocemente a regimi 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 velocemente ad alti regimi del motore. La 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 usano 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 albero leggermente più piccolo e leggero. Questo aiuta il turbocompressore ad accelerare più rapidamente, riducendo ulteriormente il ritardo del turbo.

Pale di turbina in ceramica sono più leggere delle lame in acciaio utilizzate nella maggior parte dei turbocompressori. Ancora una volta, questo consente alla turbina di girare più velocemente, riducendo il ritardo del turbo.

Una Mazda RX-8 coupé rotante dotata di un sistema di turbocompressore aftermarket. TOSHIFUMI KITAMURA / AFP / Getty Images

Alcuni motori usano due turbocompressori di diverse dimensioni. Il più piccolo gira per accelerare molto rapidamente, riducendo il ritardo, mentre quello più grande prende il sopravvento a regimi del motore più alti per fornire più spinta.

Quando l'aria viene compressa, si riscalda; e quando l'aria si riscalda, si espande. Quindi una 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 caricare il dispositivo di raffreddamento dell'aria 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 di aspirazione passa attraverso passaggi sigillati all'interno del radiatore, mentre l'aria più fredda dall'esterno viene soffiata attraverso le alette dalla ventola di raffreddamento del motore.

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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 a 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 a altitudini elevate, dove l'aria è meno densa. I motori normali subiranno una potenza ridotta ad altitudini elevate perché per ogni corsa del pistone, il motore riceverà una massa d'aria inferiore. Un motore turbocompresso 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 quantità di 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.

Per ulteriori informazioni sui turbocompressori e sugli argomenti correlati, consultare i collegamenti nella pagina successiva.

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