Cos'è un turbocompressore e come funziona - guida tecnica completa

Un turbocompressore è uno dei dispositivi più efficienti per aumentare potenza ed efficienza di un motore a combustione interna. Comprimendo l’aria che entra nelle camere di combustione, il turbocompressore permette al motore di bruciare più combustibile e, di conseguenza, di generare maggiore potenza senza aumentare le dimensioni del motore. Sebbene in passato i turbocompressori fossero considerati equipaggiamenti speciali, oggi quasi ogni produttore automobilistico li integra nella gamma dei propri motori, sia benzina che diesel.

Nel tempo, sebbene in passato i turbocompressori fossero considerati dispositivi speciali, oggi quasi tutti i produttori automobilistici li integrano nella gamma dei propri motori, sia a benzina che diesel.

Cos’è un turbocompressore

Un turbocompressore, chiamato anche turbo-sovralimentatore o semplicemente turbo, è un dispositivo di induzione forzata azionato da una turbina che aumenta la potenza di un motore a combustione interna forzando aria compressa supplementare nel cilindro di combustione. A differenza di un motore a scoppio aspirato naturalmente che si basa solo sulla pressione atmosferica per portare aria nei cilindri, la turbina utilizza l’energia dei gas di scarico per comprimere l’aria immessa.

Il principio di funzionamento si basa su una realtà semplice: più aria introduci nel motore, più combustibile puoi bruciare, e questo significa più potenza. La centralina di bordo di un’auto moderna controlla costantemente con precisione la quantità necessaria di miscela aria-combustibile da portare al cilindro per ottenere le prestazioni desiderate. Tuttavia, ogni motore è limitato dal sistema di aspirazione e dalla quantità di aria che può raggiungere naturalmente i cilindri.

Il turbocompressore risolve questa limitazione fondamentale comprimendo l’aria prima che entri nel motore. Quando l’aria viene compressa, le molecole di ossigeno si legano tra loro più strettamente, e lo stesso volume di spazio contiene molte più molecole di ossigeno. Ciò significa che puoi immettere la stessa quantità di aria in uno spazio più piccolo, o più aria nello stesso spazio - esattamente ciò che offre la turbina.

Differenze tra motori turboalimentati e quelli ad aspirazione naturale

Una differenza essenziale tra un motore diesel turboalimentato e un motore benzina tradizionale ad aspirazione naturale è il momento e il modo in cui l’aria viene compressa. Nel caso dei motori diesel, l’aria viene compressa prima di iniettare il combustibile, e il rapporto di compressione è notevolmente più alto rispetto ai motori a benzina. Per un diesel, il turbocompressore diventa praticamente essenziale per prestazioni ed efficienza, non solo un accessorio per potenza aggiuntiva.

Per i motori a benzina, la turbina offre in primo luogo un aumento significativo di potenza, permettendo a un motore più piccolo di produrre la stessa potenza di un motore atmosferico molto più grande. Ad esempio, un motore turbo da 1.5 litri può produrre la potenza di un motore atmosferico di 2.5 litri, mantenendo i benefici di un motore più piccolo: minore peso, consumi inferiori in condizioni normali ed emissioni più contenute.

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Questa efficienza di combustione migliorata consente ai produttori di praticare lo “downsizing” - riduzione delle dimensioni del motore mantenendo o addirittura aumentando le prestazioni. Un motore turboalimentato più piccolo pesa di meno, occupa meno spazio nel vano motore e può ottenere un risparmio di carburante complessivo migliorato, soprattutto in condizioni di guida urbana dove la turbina non è costantemente sollecitata al massimo.

Quanta potenza aggiuntiva fornisce un turbocompressore

La domanda su quanta potenza aggiunge effettivamente un turbocompressore è complessa e dipende da numerosi fattori tecnici. In generale, un turbocompressore standard può offrire un aumento di potenza tra il 20 e il 40% rispetto a un motore identico senza sovralimentazione. Per contestualizzare, se un motore atmosferico produce 100 CV, la versione turbo dello stesso motore può arrivare a 120-140 CV, o anche oltre.

Tuttavia, il guadagno di potenza esatto varia in funzione di diversi elementi:

• Dimensione del turbocompressore: turbine più grandi possono comprimere più aria, ma possono soffrire di “turbo lag” (ritardo di risposta)
• Pressione di sovralimentazione: quanto più aria viene compressa (misurata in bar o PSI), tanto maggiore è la potenza, ma aumenta anche lo stress sui componenti
• Sistema di raffreddamento dell’aria: un intercooler efficiente raffredda l’aria compressa, aumentando la densità e di conseguenza la potenza
• Calibrazione del motore: l’ECU deve essere riprogrammata per gestire correttamente la maggiore quantità di aria e combustibile
• Resistenza dei componenti: pistoni, bielle, albero motore devono sopportare potenza e pressione aggiuntive

Oltre alla potenza lorda misurata in CV, la turbina migliora significativamente anche la coppia motrice (Nm). Questa coppia maggiore a regimi medi e bassi rende l’auto molto più reattiva nell’uso quotidiano, offrendo accelerazioni più vivaci e una migliore capacità di sorpasso.

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Come funziona un turbocompressore - componenti e principi

Struttura di base

Un turbocompressore è composto da due metà principali unite tra loro da un albero in acciaio forgiato ad alta resistenza:

Parte della turbina (ruota calda): Questa è la metà collegata al sistema di scarico. I gas di scarico caldi, che sarebbero comunque espulsi in atmosfera, sono convogliati verso la ruota della turbina. Questi gas ad alta velocità e a temperature superiori ai 900°C fanno ruotare la turbina a velocità estremamente elevate, che tipicamente vanno da 80.000 a 200.000 giri al minuto (rpm), a seconda delle dimensioni e del tipo.

Parte del compressore (ruota fredda): Sull’altro lato dell’albero si trova la ruota del compressore, che aspira l’aria dall’esterno e la comprime. Quando la turbina fa ruotare l’albero, la ruota del compressore ruota alla stessa velocità, aspirando l’aria e comprimerla prima di inviarla al motore.

Processo di funzionamento passo-passo

1. Espulsione dei gas di scarico: Quando il motore è in funzione, i pistoni espellono i gas di combustione attraverso le valvole di scarico. Questi gas, ancora molto caldi e sotto pressione, vengono indirizzati verso la turbina invece di andare direttamente nel tubo di scarico.

2. Rotazione della turbina: L’energia cinetica dei gas di scarico colpisce le pale della turbina, facendola girare a velocità estremamente elevate. La forma delle pale è progettata per estrarre la massima energia dal flusso di gas. Dopo aver fatto ruotare la turbina, i gas proseguono verso il sistema di scarico e il catalizzatore.

3. Aspirazione e compressione dell’aria: L’albero è collegato rigidamente alla turbina, e quindi la ruota del compressore ruota allidentica velocità. Questa rotazione ad alta velocità crea un vuoto che aspira aria dall’esterno attraverso l’ariafiltrata. Le pale del compressore accelerano questa aria a velocità molto elevate e la comprimono.

4. Diffusione dell’aria: Il carter del compressore è progettato per trasformare il flusso d’aria ad alta velocità e bassa pressione in un flusso ad alta pressione e bassa velocità. Questo processo, chiamato diffusione, è cruciale per l’efficienza della turbina. L’aria compressa diventa più densa e più calda.

5. Raffreddamento dell’aria (opzionale ma consigliato): Nella maggior parte dei sistemi moderni, l’aria compressa passa poi attraverso un intercooler - uno scambiatore di calore che raffredda l’aria. L’aria fredda è più densa dell’aria calda, quindi il raffreddamento migliora ulteriormente l’efficienza. Un intercooler può ridurre la temperatura dell’aria di 50-70°C.

6. Ingresso nel motore: Infine, l’aria compressa e raffreddata viene forzata nei cilindri del motore tramite la farfalla dell’acceleratore e il collettore di aspirazione. L’ECU rileva questa maggiore quantità di aria e inietta proporzionalmente più combustibile. L’impasto arricchito di aria e combustibile produce una combustione più forte, generando maggiore potenza.

Sistema di lubrificazione e raffreddamento

L’albero della turbina ruota ad idonee velocità tali che l’usura dei cuscinetti sarebbe rapida senza una lubrificazione adeguata. Per questo motivo, il turbocompressore è collegato al sistema di lubrificazione del motore tramite una linea dedicata di alimentazione con olio. L’olio ad alta pressione forma un film attorno all’albero, permettendogli di ruotare quasi senza contatto tra metallo e metallo.

Inoltre, l’olio aiuta a raffreddare le componenti interne della turbina, che raggiungono temperature estremamente elevate. Alcune turbine moderne sono dotate anche di raffreddamento ad acqua fornito dal motore, il che migliora la durata e permette pressioni di sovralimentazione più elevate.

Vantaggi e considerazioni tecniche

Vantaggi della turboalimentazione

• Aumento della potenza senza aumentare le dimensioni: il beneficio più evidente - si ottiene più potenza dalla stessa unità.
• Efficienza migliorata: motori più piccoli turboalimentati possono essere più efficienti rispetto a motori atmosferici di grandi dimensioni.
• Riduzione delle emissioni: motori più piccoli comportano emissioni inferiori in condizioni normali.
• Coppia maggiore a regimi bassi: utile nel traffico e nelle overture di sorpasso.
• Peso ridotto: motore più piccolo = auto più leggera = dinamica migliorata.

Considerazioni di manutenzione

Le moderne turbocompresse possono essere molto affidabili, ma richiedono il rispetto di alcune regole di manutenzione:

• Cambio dell’olio agli intervalli consigliati con olio di alta qualità
• Lasciare che il motore vada a regime di minimo per 30-60 secondi prima di spegnerlo dopo un uso intenso
• Utilizzare il carburante consigliato (ottani corretti)
• Controllare e sostituire il filtro dell’aria secondo il programma

Ignorare questi aspetti può portare a usura prematura della turbina, e la sostituzione di un turbocompressore può costare tra circa 1.100 e 3.000 euro, a seconda del modello e della marca del veicolo.

In conclusione, il turbocompressore rappresenta una delle soluzioni più efficienti per aumentare la potenza e l’efficienza di un motore a combustione interna, trasformando l’energia residua dei gas di scarico in potenza utile aggiuntiva. Con una manutenzione adeguata e un uso corretto, un turbocompressore può funzionare senza problemi per tutta la vita del veicolo.