La valvola By-Pass e la valvola Pop-Off
La valvola di by-pass e' chiamata a salvaguardare l'integrita' della valvola a farfalla (posta sull'aspirazione), delle tubazioni e della girante del compressore quando si rilascia l'acceleratore. Queste valvole vengono montate quando, nella versione di serie o dopo una profonda elaborazione, vengono utilizzate elevate pressioni di esercizio. Queste valvole hanno il compito di aprirsi e dare sfogo al picco di pressione che si viene a creare nel collettore di aspirazione quando si chiude repentinamente il gas. In questa condizione, infatti, le pale del compressore continuano a ruotare velocemente pompando aria nel condotto che pero' risulta temporaneamente chiuso; per non danneggiare la delicata girante si apre dunque una via di fuga che lascia sfogare altrove l'eccesso di pressione (in questa fase inutile visto che siamo in fase di rilascio). La valvola e' dotata di un tubo di depressione che parte a valle della "farfalla" comandata dall'acceleratore e ne provoca l'apertura. Sono possibili due schemi di utilizzo: - nello schema con valvola by-pass (tipico delle vetture di serie) l'aria viene riconvogliata tramite un tubo a valle del filtro dell'aria in maniera silenziosa, si cerca in questo modo di riciclare quest'aria per mantenere comunque elevata la pressione di esercizio e per non far fermare del tutto il compressore anche ad acceleratore chiuso. - nello schema con valvola pop-off (tipico delle vetture preparate) l'aria viene deviata verso l'esterno ed e' questo che produce il famoso sibilo in fase di rilascio dei motori turbo da gara; normalmente queste valvole sono perfettamente calibrate o regolabili, permettendo quindi un maggior controllo senza inutili abbassamenti di pressione.
Si tratta di un dispositivo che, comandato dalla pressione esistente nel lato aspirazione, produce l'apertura di una valvola prima della turbina e lascia fuoriuscire nello scarico parte dei gas combusti che altrimenti porterebbero la turbina a girare ad una velocita' eccessiva pompando quindi troppa aria ed aumentando cosi' esageratamente la pressione; cio' evita l'autodistruzione del motore.... L'azionamento di questa valvola puo' essere meccanico, pneumatico o elettronico (gestito da una centralina) e normalmente e prevista una certa regolazione della Wastegate in modo da ottimizzarne il funzionamento. Puo' essere collocata a ridosso della chiocciola o piazzata sul collettore di scarico per indirizzare una porzione dei gas combusti direttamente a valle del turbocompressore senza attraversarlo (schema utilizzato nei propulsori di F1).
Oltre alle due valvole precedentemente descritte c'e' un terzo dispositivo che controlla la pressione di sovralimentazione: l'overboost, che puo' essere realizzato a comando meccanico o elettronico. Attraverso il suo operato si puo' ingannare la wastegate per un determinato lasso di tempo, dando la possibilita' di ottenere dei picchi di potenza. In pratica si ritarda l'intervento della valvola lasciando salire la pressione di qualche punto (picco di overboost) e mantenendola per un tempo prestabilito, dopodiche' la wastegate torna a svolgere il proprio compito facendo tornare la pressione di sovralimentazione al valore di taratura.
Svolge la funzione di raffreddare l'aria di alimentazione del motore, infatti piu' aumenta la temperatura dell'aria piu' essa si espande e diventa meno densa e quindi a parita' di pressione pompiamo meno aria nel motore; il rendimento dello stesso cala ed aumenta immediatamente quello che e' il maggior pericolo di un motore turbo: l'autoaccensione. L'intercooler e' un radiatore dell'aria che ha il compito di limitare la temperatura in aspirazione ad un massimo di 50-60 gradi (la temperatura ideale si aggira sui 20-30 gradi). Per svolgere bene il suo compito l'intercooler ha bisogno di un grande flusso d'aria che lo attraversi e pertanto sia davanti che dietro nulla deve impedire il libero fluire dell'aria ed e' anche chiaro che maggiori saranno le dimensioni della superficie dissipante maggiore sara' la potenza a parita' di pressione. Per sottolineare l'importanza della densita' dell'aria aspirata basti pensare a quando si va in montagna: salendo di altitudine la densita' dell'aria aumenta e solitamente viene indicata (per i motori turbo) una perdita di potenza del 1,5% ogni 100 metri di altitudine in piu' e quindi a 1000 metri avrete gia' perso il 15 % di potenza !
Il turbocompressore non e' altro che un compressore centrifugo, trascinato per mezzo di un alberino da una turbina centripeta che è mossa a sua volta dal flusso dei gas di scarico che la investono; le due giranti sono simili, soltanto che hanno i flussi di entrata ed uscita invertiti. Una delle cose piu' difficili da comprendere è che piu' veloce gira la turbina e meno fatica essa fa a pompare ulteriormente l'aria: la portata d'aria lavorata cresce con il quadrato della velocita' di rotazione, succede cosi' che mentre una turbina a 80.000 giri al minuto pompa circa 0,4 metri cubi d'aria al secondo, a 160.000 non ne pompa il doppio ma bensi' 4 volte tanto e nello stesso tempo la sovrapressione cresce in modo vertiginoso, passando da 0,2 bar a 1,6 bar con un incremento quindi di ben otto volte ! Cio' determina le sue due caratteristiche principali: una lentezza di risposta iniziale (il famoso turbo lag) seguita poi da una eccezionale escalation di potenza . Infatti quando ai regimi di rotazione inferiori la spinta dei gas di scarico non e' sufficiente a far girare velocemente le pale della turbina, la pressione di alimentazione del motore non supera quella atmosferica; dopodiche' , insistendo con la richiesta di potenza, il flusso e la temperatura dei gas prodotti dalla combustione aumentano ed appena questi sono sufficienti a fornire una sovrapressione s'innesca una reazione a catena che porta ad una vera e propria esplosione di potenza che puo' essere fermata solo da due evenienze, la distruzione del motore o l'apertura della valvola wastegate (in verita' vi e' una terza possibilita': alzare il piede dall'acceleratore, ma questa non la prendo neanche in considerazione !). Un motore turbo si adegua al carico che subisce il motore ed e' facilmente verificabile: partendo da fermi, accelerate fino a raggiungere nella marcia piu' alta una velocita' che sia quella di crociera del veicolo; tenendo sotto controllo il manometro della pressione vedrete che essa aumentera' ad ogni cambio di marcia fino al massimo, ma, stabilizzandosi la velocita' (a parita' di pressione sull'acceleratore) essa tendera' a diminuire. Per la stessa ragione e' impossibile arrivare alla massima pressione accelerando il motore in folle. Questo fatto e' quello che favorisce in modo notevole l'utilizzo di un motore turbo in una gara in salita: non tenendo conto della variazione di potenza a seconda dell'altezza, maggiore e' il carico che deve vincere il motore per spingere la macchina e maggiore automaticamente diventa la pressione di sovralimentazione.
Si tratta di un tipo particolare di turbocompressore dove al posto della girante mossa dai gas di scarico si ha invece una puleggia, collegata mediante una cinghia all'albero motore (praticamente un mezzo turbo). Gli unici modelli sono il Paxton ed il Mach, entrambi americani. Dato che le velocita' di rotazione sono piu' basse la dimensione della girante deve essere maggiore rispetto ad un turbo soffiato e la sua portata dipende esattamente dal numero dei giri del motore e pertanto ai medio-bassi regimi non si ha pressione. Il suo uso e' limitato normalmente a motori molto grossi che pertanto hanno gia' elevata coppia ai bassi regimi.
Il turbocompressore e' nato nel lontano 1905 ad opera di uno svizzero, Albert Buchi; esso venne utilizzato quasi esclusivamente sui motori diesel o aereonautici fino ad una ventina di anni fa. Gli americani furono i primi ad utilizzarlo su di una autovettura a benzina di normale produzione commerciale, la Corvair, mentre i primi tentativi europei furono fatti dalla Porsche e dalla BMW. Solo la Renault pero', sfruttando la fama acquisita come primo motore in F1 a montare il turbo, venne ripagata da un largo successo commerciale;sulla scia seguirono molte altre case costruttrici, utilizzandolo anche su piccole utilitarie e trasformandole in piccole bombe spesso ingovernabili (chi si ricorda la Y10 turbo ?!). Negli anni '80 le vetture di F1 da 1500 cc che lo utilizzavano raggiunsero e superarono i 1200 cavalli di potenza !! Nell' ultimo anno in cui la pressione di sovralimentazione fu libera (correva, in tutti i sensi, l'anno 1986) arrivo' oltre i 5 bar; per competere con i motori aspirati fu limitata prima a 4 bar, poi a 2,5 bar ed infine ne fu vietato l'utilizzo per manifesta superiorita' ! Quando venne abolito il turbo nelle gare di F1, a detta dei tecnici, esso non era ancora arrivato all'apice dello sviluppo, lasciando così intendere che i livelli di potenza ottenuti erano tranquillamente superabili.
Il turbocompressore non e' altro che un compressore centrifugo, trascinato per mezzo di un alberino da una turbina centripeta che è mossa a sua volta dal flusso dei gas di scarico che la investono; le due giranti sono simili, soltanto che hanno i flussi di entrata ed uscita invertiti. Una delle cose piu' difficili da comprendere è che piu' veloce gira la turbina e meno fatica essa fa a pompare ulteriormente l'aria: la portata d'aria lavorata cresce con il quadrato della velocita' di rotazione, succede cosi' che mentre una turbina a 80.000 giri al minuto pompa circa 0,4 metri cubi d'aria al secondo, a 160.000 non ne pompa il doppio ma bensi' 4 volte tanto e nello stesso tempo la sovrapressione cresce in modo vertiginoso, passando da 0,2 bar a 1,6 bar con un incremento quindi di ben otto volte ! Cio' determina le sue due caratteristiche principali: una lentezza di risposta iniziale (il famoso turbo lag) seguita poi da una eccezionale escalation di potenza . Infatti quando ai regimi di rotazione inferiori la spinta dei gas di scarico non e' sufficiente a far girare velocemente le pale della turbina, la pressione di alimentazione del motore non supera quella atmosferica; dopodiche' ,insistendo con la richiesta di potenza, il flusso e la temperatura dei gas prodotti dalla combustione aumentano ed appena questi sono sufficienti a fornire una sovrapressione s'innesca una reazione a catena che porta ad una vera e propria esplosione di potenza che puo' essere fermata solo da due evenienze, la distruzione del motore o l'apertura della valvola wastegate (in verita' vi e' una terza possibilita': alzare il piede dall'acceleratore, ma questa non la prendo neanche in considerazione !). Un motore turbo si adegua al carico che subisce il motore ed e' facilmente verificabile: partendo da fermi, accelerate fino a raggiungere nella marcia piu' alta una velocita' che sia quella di crociera del veicolo; tenendo sotto controllo il manometro della pressione vedrete che essa aumentera' ad ogni cambio di marcia fino al massimo, ma, stabilizzandosi la velocita' (a parita' di pressione sull'acceleratore) essa tendera' a diminuire. Per la stessa ragione e' impossibile arrivare alla massima pressione accelerando il motore in folle. Questo fatto e' quello che favorisce in modo notevole l'utilizzo di un motore turbo in una gara in salita: non tenendo conto della variazione di potenza a seconda dell'altezza, maggiore e' il carico che deve vincere il motore per spingere la macchina e maggiore automaticamente diventa la pressione di sovralimentazione.
Il suo aspetto e' standardizzato per cui, chiunque sia il produttore, la forma e' sempre la medesima ed identici i principi di funzionamento; l'unica parte in cui si hanno delle differenze di costruzione e di azionamento e' la valvola Wastegate. Analizzato nelle sue varie parti e' composto da: 1- una prima ventola mossa dai gas di scarico racchiusa in un corpo, detto chiocciola, normalmente in ghisa ed avente la forma di una spirale (la turbina); 2- un corpo centrale destinato a supportare i cuscinetti e la lubrificzione dell'asse che unisce le due ventole; 3- una seconda ventola destinata a succhiare ed a comprimere l'aria racchiusa in un corpo di alluminio con la forma sempre a spirale detta girante del compressore; e' questa la piu' importante delle due perche' il diametro, l'inclinazione e l'altezza delle pale, il regime di rotazione messi in rapporto fra loro danno il campo operativo entro il quale dovra' svolgere la propria funzione l'intera turbina, nonche' il suo rendimento.
Si tratta di un dispositivo che, comandato dalla pressione esistente nel lato aspirazione, produce l'apertura di una valvola prima della turbina e lascia fuoriuscire nello scarico parte dei gas combusti che altrimenti porterebbero la turbina a girare ad una velocita' eccessiva pompando quindi troppa aria ed aumentando cosi' esageratamente la pressione; cio' evita l'autodistruzione del motore.... L'azionamento di questa valvola puo' essere meccanico, pneumatico o elettronico (gestito da una centralina) e normalmente e prevista una certa regolazione della Wastegate in modo da ottimizzarne il funzionamento. Puo' essere collocata a ridosso della chiocciola o piazzata sul collettore di scarico per indirizzare una porzione dei gas combusti direttamente a valle del turbocompressore senza attraversarlo (schema utilizzato nei propulsori di F1).
La valvola di by-pass e' chiamata a salvaguardare l'integrita' della valvola a farfalla (posta sull'aspirazione), delle tubazioni e della girante del compressore quando si rilascia l'acceleratore. Queste valvole vengono montate quando, nella versione di serie o dopo una profonda elaborazione, vengono utilizzate elevate pressioni di esercizio. Queste valvole hanno il compito di aprirsi e dare sfogo al picco di pressione che si viene a creare nel collettore di aspirazione quando si chiude repentinamente il gas. In questa condizione, infatti, le pale del compressore continuano a ruotare velocemente pompando aria nel condotto che pero' risulta temporaneamente chiuso; per non danneggiare la delicata girante si apre dunque una via di fuga che lascia sfogare altrove l'eccesso di pressione (in questa fase inutile visto che siamo in fase di rilascio). La valvola e' dotata di un tubo di depressione che parte a valle della "farfalla" comandata dall'acceleratore e ne provoca l'apertura. Sono possibili due schemi di utilizzo: - nello schema con valvola by-pass (tipico delle vetture di serie) l'aria viene riconvogliata tramite un tubo a valle del filtro dell'aria in maniera silenziosa, si cerca in questo modo di riciclare quest'aria per mantenere comunque elevata la pressione di esercizio e per non far fermare del tutto il compressore anche ad acceleratore chiuso. - nello schema con valvola pop-off (tipico delle vetture preparate) l'aria viene deviata verso l'esterno ed e' questo che produce il famoso sibilo in fase di rilascio dei motori turbo da gara; normalmente queste valvole sono perfettamente calibrate o regolabili, permettendo quindi un maggior controllo senza inutili abbassamenti di pressione.
Oltre alle due valvole precedentemente descritte c'e' un terzo dispositivo che controlla la pressione di sovralimentazione: l'overboost, che puo' essere realizzato a comando meccanico o elettronico. Attraverso il suo operato si puo' ingannare la wastegate per un determinato lasso di tempo, dando la possibilita' di ottenere dei picchi di potenza. In pratica si ritarda l'intervento della valvola lasciando salire la pressione di qualche punto (picco di overboost) e mantenendola per un tempo prestabilito, dopodiche' la wastegate torna a svolgere il proprio compito facendo tornare la pressione di sovralimentazione al valore di taratura.
Svolge la funzione di raffreddare l'aria di alimentazione del motore, infatti piu' aumenta la temperatura dell'aria piu' essa si espande e diventa meno densa e quindi a parita' di pressione pompiamo meno aria nel motore; il rendimento dello stesso cala ed aumenta immediatamente quello che e' il maggior pericolo di un motore turbo: l'autoaccensione. L'intercooler e' un radiatore dell'aria che ha il compito di limitare la temperatura in aspirazione ad un massimo di 50-60 gradi (la temperatura ideale si aggira sui 20-30 gradi). Per svolgere bene il suo compito l'intercooler ha bisogno di un grande flusso d'aria che lo attraversi e pertanto sia davanti che dietro nulla deve impedire il libero fluire dell'aria ed e' anche chiaro che maggiori saranno le dimensioni della superficie dissipante maggiore sara' la potenza a parita' di pressione. Per sottolineare l'importanza della densita' dell'aria aspirata basti pensare a quando si va in montagna: salendo di altitudine la densita' dell'aria aumenta e solitamente viene indicata (per i motori turbo) una perdita di potenza del 1,5% ogni 100 metri di altitudine in piu' e quindi a 1000 metri avrete gia' perso il 15 % di potenza !
E' risaputo che il peggior difetto delle vetture sovralimentate consiste in quel vuoto di potenza ai bassi regimi prima dell'entrata in azione del turbo (definito turbo-lag); uno dei dispositivi inventati per eliminare questo inconveniente e' il dispositivo 'bang-bang'. Si tratta di una post-combustione che avviene nel breve collettore di scarico che porta i gas esausti dai cilindri alla turbina: l'elettronica ordina agli iniettori di inviare benzina nei condotti di aspirazione anche se l'acceleratore e' parzialmente o totalmente chiuso; in quest'ultimo caso viene lasciata passare anche una porzione d'aria fresca tramite un by-pass e si verifica un'accensione spontanea di questa nuova miscela a contatto con le pareti roventi del collettore di scarico. L'esplosione (o bang-bang) genera un flusso di gas caldi che si dirige verso la turbina impedendogli di rallentare e quindi si puo' sfuttare la sovralimentazione senza ritardi; l'unico inconveniente e' quello di non poter disporre di freno motore, perche' il propulsore non scende mai sotto i 2500 giri al minuto ! Questo dispositivo viene solitamente utilizzato in quelle competizioni caratterizzate da tracciati tortuosi quali il rally e le gare in salita.
Con alcuni accorgimenti molto semplici da attuare e' possibile prolungare la vita del turbocompressore o, perlomeno ritardarne la revisione. Quando si avvia il motore, dopo una sosta prolungata o con temperature esterne rigide, l' olio di lubrificazione dell'alberino che collega le due giranti necessita di qualche minuto per raggiungere la temperatura di esercizio ottimale e quindi il primo consiglio e' di non accelerare a fondo subito dopo la messa in moto (sarebbe auspicabile l'utilizzo di un termometro per la temperatura dell'olio). Un'altra situazione critica si presenta quando si spegne il motore (sopratutto dopo una bella tirata autostradale): la temperatura del turbo e' altissima e chiudendo improvvisamente il flusso (sia di lubrificazione che di raffreddamento), parte dell'olio, che e' direttamente a contatto del corpo rovente, brucia e lascia depositi solidi che riducono la vita delle boccole di supporto dell'alberino che collega le due delle giranti; e' basilare quindi lasciare girare al minimo il motore per uno o due minuti prima di spegnere il motore. Proprio per evitare questo tipo di danni alcune auto montano dei circuiti di ridardo che continuano a far girare la pompa per qualche minuto dopo lo spegnimento del motore.
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