Consigli turbo
Tutto quello che devi sapere sul turbo
Il turbo è uno dei componenti più importanti nel tuning. Nell’uso quotidiano è facile commettere errori se non sappiamo come trattarlo. Anche per aumentare la potenza, è fondamentale che i componenti del turbo e del motore lavorino bene insieme. Per questo abbiamo raccolto consigli preziosi che ti semplificheranno la vita con la tua auto elaborata. Parliamo di come portare il turbo in temperatura e farlo raffreddare, rispondiamo alle domande su aspirazione, wastegate e altro. Scoprirai anche se puoi riparare il turbo da solo, quali tipi di turbocompressori esistono e molto altro.
- 1. Com’è fatto un turbo?
- 2. Mai far girare il turbo con aria compressa: ecco perché
- 3. Perché scaldare gradualmente un motore turbo?
- 4. Turbo guasto: posso ripararlo da solo?
- 5. Cosa controllare dopo un guasto al turbo?
- 6. Montaggio del turbo: a cosa fare attenzione?
- 7. Turbo più grande: cosa considerare?
- 8. Come leggere la mappa del compressore
- 9. Collettore turbo fai da te con flange BAR-TEK®
- 10. Twin-scroll e single-scroll: cosa cambia?
- 11. Aspirazione: a cosa fare attenzione?
- 12. Come riconoscere un buon intercooler?
- 13. Cos’è una wastegate?
- 14. Come si regola la pressione del turbo?
- 15. Cosa indica il rapporto A/R?
- 16. Come leggere la mappa della turbina
- 17. Turbo KKK, Garrett, BorgWarner e Turbonetics: le differenze
Com’è costruito un turbocompressore?
Il turbocompressore è composto da
- una turbina di scarico, azionata dai gas di scarico del motore,
- un albero, che a sua volta è azionato dalla turbina di scarico e
- una turbina di aspirazione sull’altro lato dell’albero, che tramite l’energia meccanica ricevuta dall’albero aspira aria e la convoglia nel motore.
I turbocompressori moderni raggiungono velocità di rotazione dell’albero di oltre 200.000 giri al minuto; inoltre, un turbocompressore è esposto a temperature dei gas di scarico superiori a 1000 °C. In questo modo si generano sollecitazioni elevate sui materiali, fino al limite della loro durata.
Perché non si dovrebbero mai accelerare le parti rotanti di un turbocompressore con aria compressa
Se il turbocompressore supera la sua velocità massima di rottura, la forza centrifuga sulle ruote della turbina diventa così elevata che si rompe la turbina dei gas di scarico o quella dei gas freschi. Questo avviene in modo esplosivo e, nei casi peggiori, queste possono persino perforare il carter.
Perché bisognerebbe scaldare piano un motore turbo?
In realtà andrebbe scaldato piano qualsiasi motore di cui ci si vuole godere a lungo. Così il pistone e gli altri componenti possono raggiungere gradualmente la temperatura di esercizio e quindi la giusta dilatazione rispetto alle parti con cui lavorano. Inoltre non si crea un’usura eccessiva.
Col turbocompressore è simile. Se si scalda molto velocemente perché si chiede tanta coppia a motore freddo e si generano quindi alte temperature dei gas di scarico, il calore non riesce a distribuirsi in modo uniforme nel turbo. Questo può portare a tensioni del materiale, crepe e a un carico maggiore sui cuscinetti. Inoltre il turbocompressore è lubrificato dall’olio motore. Se l’olio non ha ancora raggiunto la sua temperatura di esercizio, le proprietà di lubrificazione non sono ottimali.
Quindi, se tieni al tuo turbocompressore e al tuo motore, dovresti tenere d’occhio l’indicatore della temperatura dell’olio e tirare il motore solo quando sono stati raggiunti gli 80°C.
Perché bisogna “raffreddare” i motori turbo e lasciarli al minimo per un po’ prima di spegnerli?
Più basse sono la temperatura e il regime delle ruote della turbina nel turbocompressore prima di spegnere il motore, meglio è per il turbo. Finché il motore gira, il turbocompressore viene ancora alimentato dalla pompa dell’olio del motore con olio fresco, che porta via calore. Inoltre, tramite la turbina lato aspirazione, a seconda del carico, viene sempre aspirato un certo flusso d’aria che raffredda anch’esso. La maggior parte dei turbo ha anche un circuito di mandata e ritorno per il liquido di raffreddamento, alimentato dalla pompa acqua del motore.
Se si spegne il motore e viene a mancare il raffreddamento tramite olio, aria fresca e liquido di raffreddamento, nel turbocompressore si crea un accumulo di calore: la temperatura dal carter di scarico migra nel core con i cuscinetti fino al lato aspirazione, perché questi componenti non vengono più raffreddati. Se questo avviene troppo in fretta, può portare a tensioni del materiale e a crepe da calore. Anche le guarnizioni e i cuscinetti in questo caso sono sottoposti a un forte carico termico. L’olio nei cuscinetti può surriscaldarsi e lasciare depositi carboniosi. Inoltre il liquido di raffreddamento nei canali del corpo del turbo può andare in ebollizione e, a causa della formazione di bolle di vapore, creare punti caldi non raffreddati.
«Penso sempre al povero turbocompressore del Golf TDI dei miei vicini, quando l’auto viene tirata su per lo scivolo del cortile ancora in seconda marcia quasi a pieno gas e subito dopo il motore viene spento. La centralina cerca ancora di ottenere il più possibile pressione di sovralimentazione, perché viene richiesta tanta coppia. Il turbo viene appena portato alla massima accelerazione, per quanto possibile ai bassi giri motore, e quando arriva a ben 10.000 giri al minuto, gli si tolgono di colpo lubrificazione e raffreddamento. Non proprio il massimo!» - Bartek
Se sei solo un driver e sul tuo mezzo non metti o metti a malapena le mani, qui ti basta fare attenzione a scaldare e raffreddare il motore con calma e puoi continuare a girare nello shop. Chi invece vuole saperne di più dal punto di vista tecnico dovrebbe assolutamente continuare a leggere.
Cosa bisogna considerare dopo un guasto al turbocompressore?
Per prima cosa è necessario analizzare con precisione la causa del danno e risolverla prima di montare un nuovo turbocompressore. Inoltre bisogna fare attenzione a pulire accuratamente tutti i condotti di aspirazione e i condotti dell’aria di sovralimentazione. Anche il collettore di scarico va pulito, per evitare che trucioli o parti rotte finiscano nel nuovo turbocompressore in rotazione o nel motore.
Cosa bisogna tenere presente durante il montaggio di un turbocompressore?
- Le linee di mandata e ritorno dell’olio andrebbero sempre sostituite, perché potrebbero essere parzialmente ostruite.
- Conviene anche montare un nuovo filtro aria, così il nuovo turbo può respirare liberamente e non viene limitato nella sua potenza.
- Tutte le guarnizioni collegate al turbocompressore andrebbero sostituite. Se, per esempio, una guarnizione del collettore su un cilindro non tiene, il turbocompressore non riceve l’intera quantità di gas di scarico, quindi è come avere la wastegate leggermente aperta. In questo modo tutta la regolazione della pressione di sovralimentazione non lavora correttamente e da un piccolo difetto possono derivare grandi conseguenze.
Come posso interpretare la mappa del compressore?
Portata d'aria / Massa d'aria (asse X):
Determinante per la potenza è quanta portata d'aria o massa d'aria il turbocompressore riesce a spingere. I dati dichiarati dai produttori purtroppo differiscono. Garrett, per p. es., indica la massa d’aria in lb/min. 10 lb/min vanno bene per circa 100 CV di potenza motore. Un turbocompressore che a 2 bar di pressione di sovralimentazione arriva a 50 lb/min è quindi adatto per 500 CV a 2 bar di pressione di sovralimentazione, sempre a patto, ovviamente, che il motore sia anche in grado, a 2 bar di pressione di sovralimentazione, di gestire questa massa d’aria.
10 lb/min corrispondono a ca. 4,538 kg/min, per chi vuole convertire i dati di altri produttori nel sistema metrico. Se si vuole convertire in volume d’aria, bisogna considerare la pressione e la temperatura dell’aria. A 1013,25 hPa di pressione atmosferica e 15 °C di temperatura, la densità dell’aria è 1,225 kg/m³. Quindi, nel nostro esempio, passiamo da 10 lb/min -> 4,538 kg/min x 1,225 kg/m³ = ~5,56 m³/min oppure ~5560 l/min che attraversano un motore a una potenza erogata di 100 CV.
Pressione di sovralimentazione / Rapporto di compressione (asse Y):
La pressione di sovralimentazione dovrebbe essere nota a chiunque abbia a che fare con i turbocompressori. La pressione di sovralimentazione si genera quando al motore viene fornito un volume d’aria, o anche una massa d’aria, maggiore di quella che il motore, senza sovralimentazione, potrebbe elaborare come motore aspirato.
Se, per esempio, si aumenta il flusso del motore tramite alberi a camme con tempi di apertura più lunghi, la pressione di sovralimentazione diminuirà a parità di portata del compressore. Tuttavia, la massa d’aria elaborata aumenta, il che fa crescere la potenza nonostante la pressione di sovralimentazione più bassa.
Nel campo caratteristico del compressore la pressione di sovralimentazione non viene indicata direttamente, ma come rapporto di compressione prima del compressore rispetto al rapporto di compressione dopo il compressore. Con un rapporto di compressione di 2,5 la pressione di sovralimentazione è circa 1,5 bar, quindi semplicemente rapporto di compressione meno 1.
Cosa rende buoni dei collettori per turbocompressore?
Bisogna distinguere tra collettori a sovralimentazione per contropressione e collettori a sovralimentazione a impulsi.
I collettori a sovralimentazione per contropressione vengono usati di solito sui motori di serie, ma sono disponibili anche per il tuning. Sono ideali quando c’è poco spazio. In un collettore a sovralimentazione per contropressione, i condotti dei singoli cilindri si uniscono in un tratto corto prima del turbocompressore. Davanti al turbocompressore si crea un accumulo di gas di scarico che mette in rotazione la turbina di scarico. I collettori a sovralimentazione per contropressione sono per lo più realizzati in ghisa, più raramente come strutture saldate. Chi vuole ottenere un leggero aumento di potenza può quindi tranquillamente optare per collettori a sovralimentazione per contropressione o semplicemente usare un turbocompressore che si adatti al collettore originale.
I collettori a impulsi sono, se si vogliono sfruttare tutti i loro vantaggi, una sorta di disciplina regina nella costruzione di motori turbo. Di solito sono costituiti da strutture di tubi molto contorte e saldate, con lunghezze dei tubi il più possibile uguali nel percorso dai singoli cilindri al turbocompressore. Un collettore a impulsi non deve azionare la turbina solo tramite la contropressione dei gas di scarico, ma anche tramite l’energia d’urto dei gas di scarico che fuoriescono dalla valvola di scarico. Per questo motivo questi collettori devono essere progettati in modo il più possibile favorevole al flusso e tenendo conto dell’ordine di accensione.
Esempio: su un 4 cilindri l’ordine di accensione è 1-3-4-2. Se tutti i tubi si incontrano prima del turbocompressore in un collettore 4-in-1, i tubi dovrebbero arrivare al collettore in modo tale da generare una rotazione nel flusso dei gas di scarico: cilindro 1 accanto al 3, 4 accanto al 3 e 2 accanto al 4. In questo modo gli impulsi di pressione dei cilindri scorrono sempre in cerchio e generano un vortice. Inoltre le onde di pressione possono agire sulla turbina di scarico del turbocompressore con una sequenza regolare.
Con lo stesso esempio, se si ha un turbocompressore con carter di scarico a 2 vie, bisognerebbe raggruppare sempre i cilindri con il maggior intervallo di accensione, quindi 1 con 4 e 3 con 2 oppure, su un 6 cilindri con ordine di accensione 1-5-3-6-2-4 e carter a 2 vie, i cilindri 1-3-2 e 5-6-4.
Con un collettore turbo si dovrebbe sempre fare attenzione che sia realizzato con materiali il più possibile resistenti al calore e alla calamina. Anche se molto rari da trovare, ma assolutamente ottimali, sono i collettori turbo con collettori finali inseriti, rispettivamente rimovibili, poiché grazie al giunto a innesto non possono insorgere tensioni termiche. In questo modo si possono realizzare collettori anche con tubi a parete sottile senza che si crepino. Nei collettori senza collettore finale innestato, sono piuttosto la costruzione e la scelta del materiale a essere responsabili, più che lo spessore del materiale, del fatto che col tempo si formino crepe.
Costruire da soli i collettori turbo – Con le flange di Bar-Tek
Chi vuole costruirsi da solo i collettori può trovare nel nostro shop subito le flange giuste. Sono in acciaio inox resistente alle alte temperature. Anche se si vuole solo identificare una flangia su un componente, questi disegni sono utili. Qui una panoramica delle flange più comuni, flange speciali sono disponibili su richiesta.
T25
T3
T4 diviso
T4
Twin-Scroll / Single-Scroll: Lato scarico a singolo o doppio flusso – dove sta la differenza?
A partire da una certa dimensione del turbocompressore esistono turbine a singolo flusso o a doppio flusso. Una turbina twin-scroll migliora la risposta del turbo però solo se si realizza anche un collettore di sovralimentazione a impulsi adatto. Su un 4 cilindri con ordine di accensione 1-3-4-2, per esempio, devono sempre andare sullo stesso canale della turbina i due cilindri con l’intervallo di accensione più grande. Quindi cilindro 1+4 e cilindro 2+3 vanno accoppiati. In questo modo si ottiene per il motore anche una guida dei collettori orientata alla coppia, come con un collettore 4in2in1.
Bisogna evitare di montare una turbina divisa con un collettore che prima unisce tutti e 4 i cilindri e poi divide di nuovo il flusso dei gas di scarico. Questi turbocompressori non sono pensati per questo e la risposta ai bassi giri del motore ne risente parecchio. In questi casi è meglio scegliere una turbina a singolo flusso.
Chi quindi, nonostante un turbocompressore grande, vuole ancora una buona risposta e non avere una contropressione di scarico troppo alta ed è in grado di costruire un collettore di scarico adatto, può tranquillamente optare per una turbina twin-scroll. Per la sovralimentazione a pressione di ristagno e i turbo più piccoli però lo sbattimento non vale la pena. Quindi entrambe le varianti hanno comunque la loro ragione d’essere.
A cosa devo prestare attenzione per l’aspirazione dell’aria?
La cosa più importante è in realtà che il turbocompressore possa aspirare il più possibile aria, con la minore resistenza al flusso possibile, il più fredda possibile e il più secca possibile. Con questa frase in realtà è già detto tutto, ma spesso non è per niente facile da realizzare.
Per prima cosa bisogna assicurarsi che la superficie filtrante dell’elemento del filtro aria non sia troppo piccola, altrimenti si crea troppa resistenza al flusso.
Esempio: Il filtro aria di una Porsche GT3 con 435 CV ha le dimensioni: 178 mm x 522 mm. Quindi, senza considerare la piegatura dell’elemento filtrante, si ottiene una superficie di 92.916 mm². Questo corrisponde a 92.916 mm² / 435 CV = 213,6 mm² / CV. Porsche, come costruttore, sicuramente non ha alcun interesse a limitare la potenza dei suoi motori tramite la portata del filtro aria, perciò con questo valore si può calcolare bene quanta superficie filtrante è necessaria più o meno per il proprio progetto turbo.
Purtroppo, in molte modifiche si vedono sì filtri grandi, ma spesso sono montati non protetti nel vano motore. Così aspirano molta aria calda e si butta via potenza. Se però si riflette un po’ su queste tre basi, si può sicuramente trovare una buona soluzione per ogni tipo di modifica.
Come riconosco un buon intercooler?
L’intercooler dovrebbe offrire alla pressione di sovralimentazione la minore resistenza possibile al passaggio e allo stesso tempo raffreddarla il più possibile. Per questo sono importanti i cassoni laterali con una forma aerodinamica favorevole al flusso e una grande superficie del radiatore. Grazie alla grande superficie aumenta il numero di canali nel radiatore e quindi anche la sezione attraverso la quale può fluire la pressione di sovralimentazione. Bisognerebbe inoltre fare attenzione, soprattutto quando il radiatore acqua si trova dietro l’intercooler, che il pacco alettato del radiatore non sia troppo spesso. Con un pacco sottile la sezione per la pressione di sovralimentazione diminuisce di nuovo, però il radiatore può essere attraversato meglio dal flusso d’aria in marcia. Se alla pressione di sovralimentazione si oppone poca resistenza ma, a causa di una scarsa aerazione dinamica, non viene raffreddata a sufficienza, non si è comunque ottenuto molto. Quindi è meglio cercare un radiatore il più possibile di grande superficie, con pacco alettato sottile e cassoni laterali dal flusso ottimizzato, che nel migliore dei casi sia anche facile da montare nel veicolo.
Cos’è una valvola wastegate?
La valvola wastegate è un bypass della turbina di scarico, attraverso il quale i gas di scarico vengono deviati oltre la turbina. Con la valvola wastegate aperta, la turbina non viene più azionata dai gas di scarico. Di conseguenza, il regime del turbocompressore cala. A seconda di quanto viene aperta la valvola wastegate, la pressione di sovralimentazione viene ridotta o addirittura completamente scaricata. La valvola wastegate è di solito comandata tramite un’asta collegata a una attuatore del wastegate. Per controllare l’attuatore del wastegate, di solito c’è una valvola a impulsi montata in serie.
È meglio usare una valvola wastegate esterna o interna?
Di solito i turbocompressori più piccoli sono dotati di valvola wastegate interna, mentre per i turbocompressori più grandi spesso serve in più una valvola wastegate esterna. Le valvole wastegate interne sono di solito già molto ben adattate al turbo di serie. Con le esterne bisogna fare qualche prova, ma in base all’utilizzo si possono ottenere magari risultati migliori rispetto alle interne.
Per trovare la soluzione giusta per la propria configurazione custom, bisogna prima vedere quanto spazio c’è nel vano motore e che dimensione di turbocompressore si vuole montare. Per questo bisognerebbe valutare quanta pressione di sovralimentazione si vuole usare con quale cilindrata e a che potenza ci si vuole più o meno attestare. In seguito bisogna capire come gestire al meglio lo spazio disponibile e come posizionare tutti i componenti nel modo più favorevole al flusso e termicamente meno critico possibile. Insomma, serve un po’ di creatività!
Come funziona il controllo della pressione di sovralimentazione?
Quando la valvola wastegate si apre, una parte dei gas di scarico può bypassare la turbina del turbocompressore. In questo modo il turbocompressore non viene più spinto così forte e di conseguenza la pressione di sovralimentazione si riduce. La valvola o la farfalla della wastegate è comandata da una capsula a membrana. Su un lato della membrana agisce la pressione di sovralimentazione e sull’altro lato la forza di una molla. Se la pressione di sovralimentazione supera la forza della molla, la wastegate si apre. Quindi, per impostare la pressione di sovralimentazione alla quale la wastegate si apre, si può aumentare o diminuire il precarico della molla oppure montare una molla più dura o più morbida. Se si fa lavorare la wastegate senza regolazione, si può impostare solo una pressione di sovralimentazione massima fissa.
Se si vuole regolare la pressione di sovralimentazione massima durante la marcia, nella linea di pressione verso la wastegate bisogna montare un “boost controller” manuale (dampfrad). È importante che la molla e il precarico della molla nella wastegate siano sempre dimensionati per la pressione di sovralimentazione massima più bassa che si vuole utilizzare. Il dampfrad funziona come una perdita regolabile. Più si apre il dampfrad, più pressione di sovralimentazione viene scaricata e meno pressione arriva alla capsula a membrana.
Esempio: La wastegate si aprirebbe a 0,6 bar se il dampfrad è chiuso. Se si apre il dampfrad fino al punto che, con 1,0 bar di pressione di sovralimentazione, alla capsula a membrana arrivano solo 0,5 bar, allora la wastegate si aprirà solo a 1,1 bar o 1,2 bar.
In modo simile funziona un dampfrad elettronico o un controllo elettronico della pressione di sovralimentazione. Entrambi hanno, invece del dampfrad meccanico, una valvola elettromagnetica (nel caso VAG per esempio chiamata valvola N75) che viene comandata a una certa frequenza. Se, per esempio, viene comandata con una frequenza di 50 Hz, può essere attivata 50 volte al secondo, cioè ogni 20 ms (millisecondi). Se quindi viene attivata 50 volte al secondo con 10 ms, quindi con un duty cycle del 50%, si apre circa a metà. 5 ms di tempo di attivazione aprirebbero la valvola circa al 25%, e così via.
L’elettronica della centralina motore o del dampfrad elettronico può quindi regolare il tempo di attivazione e determinare così quanta pressione di sovralimentazione viene inviata alla capsula a membrana. Con un controllo elettronico della pressione di sovralimentazione si ha il vantaggio di poter impostare, per esempio, una pressione diversa a seconda della temperatura motore, del regime motore o di altri parametri; è quindi molto più flessibile ma ovviamente anche tecnicamente molto più complesso.
Per fare un esempio di controllo elettronico della pressione di sovralimentazione, è adatta la funzione overboost. Alcune vetture ce l’hanno di serie. Tra le altre, il vecchio motore Turbo Audi 5 cilindri permette, quando si accelera a fondo, per circa 30 secondi una pressione di sovralimentazione più alta di 0,2 bar. Per quanto tempo e se la funzione overboost venga effettivamente utilizzata è però tutto definito nel programma del controllo della pressione di sovralimentazione ed è modificabile solo, per esempio, tramite chiptuning.
Cosa indica il rapporto A/R?
A/R sta per "Area over Radius” sul carter del turbocompressore, o detto più semplicemente: indica quanto cambia (o non cambia) la sezione del flusso all’interno del carter del turbocompressore lungo il suo raggio.
Se confrontiamo per esempio due carter di una turbina di scarico: uno con A/R 0,82 e l’altro con A/R 1,01, entrambi hanno la stessa sezione d’ingresso al collettore di scarico se hanno lo stesso tipo di flangia (per esempio flangia T4). Nel carter con A/R 0,82 però la sezione si riduce molto più rapidamente rispetto al carter con A/R 1,01. Di solito questo si nota anche dalle dimensioni esterne dei carter di scarico. Lo stesso discorso vale per i carter compressore, solo che in questo caso il flusso li attraversa al contrario, quindi la sezione lungo il flusso aumenta invece di diminuire. Normalmente i produttori dei carter compressore li realizzano sempre con un A/R fisso e offrono per il lato scarico diversi carter con A/R e/o tipi di flangia differenti. Per questo motivo le mappe delle turbine sono dotate di più curve caratteristiche per i diversi valori di A/R. In linea di base si può dire: più è piccolo l’A/R, prima entra in coppia il turbo, ma più contropressione di scarico genera ai regimi elevati. Con un A/R grande è l’esatto contrario.
Come posso interpretare la mappa della turbina di scarico?
La mappa ti mostra quale potenza genera il turbocompressore a quale regime. La curva caratteristica della turbina di scarico ha sull’asse x il rapporto di compressione. Tuttavia, qui non si tratta di aria aspirata rispetto all’aria compressa, ma di pressione dei gas di scarico prima della turbina rispetto a pressione dei gas di scarico dopo la turbina. Sull’asse y si può leggere la portata di massa dei gas di scarico.
Quali sono le differenze tra i turbocompressori di KKK, Garrett, BorgWarner e Turbonetics?
Potrebbe interessarti anche
Ratgeber
Rodaggio corretto del motore
Scaldare e raffreddare il motore: come trattarlo nel modo giusto