Tecnologia turbocompressori
Lo scopo del turbocompressore è quello di sovralimentare il motore migliorandone le prestazioni in termini di coppia e potenza. Ciò si ottiene comprimendo l'aria di aspirazione. Dovuto all’incrementata densità si ha un aumento della quantità di ossigeno che può raggiungere la camera di combustione del motore ad ogni fase di aspirazione. Grazie al più alto contenuto di ossigeno è possibile una migliore combustione ed un aumento delle prestazioni.
L'energia termica e cinetica dei gas di scarico del motore vengono utilizzati per azionare la turbina a gas di scarico del turbocompressore. La turbina aziona il compressore. Questo comprime l'aria di aspirazione, che viene riscaldata ed in seguito nuovamente raffreddata nell'intercooler.
I turbocompressori sono solitamente utilizzati su motori alternativi a quattro tempi.
Un motore alternativo a quattro tempi è controllato da valvole. A differenza del motore a due tempi, in cui tutte le fasi avvengono durante un giro dell'albero motore, il motore a quattro tempi richiede due giri dell'albero motore per un ciclo.
Funzionamento di un motore a quattro tempi sovralimentato
1. Aspirazione
Il pistone si muove verso l'albero motore (punto morto inferiore). La valvola di ingresso è aperta. La miscela aria-carburante viene aspirata a causa della pressione creata.
2. Compressione
Le valvole di aspirazione si chiudono ed il pistone si muove verso il punto morto superiore. Il volume della miscela aria-carburante si riduce e contemporaneamente aumentano la pressione e la temperatura della miscela.
3. Espansione
Tutte le valvole sono chiuse. Al momento della massima compressione, la miscela aria-carburante nel motore a benzina viene accesa dalla candela; nel motore diesel il forte aumento di pressione provoca l’autoaccensione. Il volume della miscela aria-carburante aumenta ed i gas in espansione producono lavoro spingendo il pistone verso il punto morto inferiore.
4. Scarico
Quando viene raggiunto il punto morto inferiore, la valvola di scarico si apre. Il pistone ora si muove verso il punto morto superiore. L'apertura della valvola di scarico riduce la pressione ad un valore vicino alla pressione dell'aria esterna. Alla fine di questo ciclo, la valvola di scarico si chiude e la valvola di ingresso si apre. Inizia un nuovo ciclo a quattro tempi!
La sovralimentazione è particolarmente utile al fine di soddisfare i criteri odierni in termini di economicità ed emissioni di CO2 e di rumore.
Energia di scarico
Durante la sovralimentazione gran parte dell'energia dei gas di scarico, che altrimenti andrebbe persa, viene utilizzata per azionare il turbocompressore. All'interno del turbocompressore, da questa energia dei gas di scarico viene azionata una girante turbina, questa aziona a sua volta un albero con una girante compressore posizionata alla sua estremità. Questa girante compressore comprime l'aria di aspirazione del motore.
Peso
L’immissione di aria di aspirazione compressa aumenta la potenza del motore. I motori con sovralimentazione possono essere ridimensionati (downsizing) e quindi progettati e realizzati in forma più leggera rispetto ai motori di aspirazione con una potenza equivalente. Grazie a questa riduzione di peso diminuisce anche il consumo di carburante.
Emissioni di CO2
L'utilizzo dei moderni sistemi di sovralimentazione con turbocompressori riduce le emissioni di CO2 grazie al migliore riempimento dei cilindri con la miscela aria-carburante in quasi tutte le condizioni operative, garantendo così una combustione più "pulita".
Consumo
Nel loro complesso tutte queste considerazioni danno luogo alle condizioni di base per un basso consumo. Attualmente il solo aumento delle prestazioni dei motori a benzina, come ai tempi dei primi turbocompressori, non è più il motivo per una sovralimentazione. Oggigiorno in questa tecnica è piuttosto la riduzione delle emissioni ad essere ricercata in primo luogo.