Turbocompressori a Geometria Variabile di nuova e vecchia generazione. Turbo Waste Gate

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1 Turbocompressori a Geometria Variabile di nuova e vecchia generazione Nel mondo delle elaborazioni dei turbo per motori Diesel equipaggiati con controllo della pressione tramite sistema waste gate Turbo Waste Gate (normalmente chiamati a Geometria Fissa) si possono effettuare diversi livelli di preparazione con ovvi diversi livelli del risultato finale. La tecnologia è alquanto complessa ed assolutamente non relazionata al classico sistema adottato da molte officine che seguono il concetto del più grosso spinge di più. Bisogna in primo luogo tener conto del fatto che il turbo funziona grazie ad un ben definito equilibrio fra compressore e turbina Compressore Turbina che coinvolge non solo la parte meccanica e quindi determinate usure ma anche il sistema di tenuta dell olio all interno del corpo centrale. Spaccato Corpo Centrale A livello meccanico un errata definizione del rapporto fra compressore e turbina può portare al superamento del limite della spinta assiale con prematura usura della ralla reggispinta Ralla Reggispinta non ne è consentita la copia integrale o parziale 1

2 che inevitabilmente porterà alla rottura della girante compressore in quanto quest ultima giungerà a sfregare contro il profilo interno di lavoro del coperchio. Profilo di lavoro del Compressore Per quanto riguarda le tenute d olio è importante sapere che non sono tenute totali infatti sia lato compressore che turbina il non trafilamento dell olio è garantito dall utilizzo di fascette elastiche Fascia tenuta lato compressore Fascia tenuta lato turbina (notoriamente non completamente stagne) e dalle pressioni presenti dietro alle giranti ed all interno del corpo centrale. Una girante compressore troppo grossa rispetto alla turbina genererà uno sforzo meccanico eccessivo dovuto sia all elevata depressione in aspirazione (trazione dell albero in senso assiale con direzione dalla turbina al compressore) che all elevata contropressione di scarico (spinta assiale che si sommerà alla precedente citata trazione) dovuta alla maggior massa d aria inviata in camera di scoppio. La base per la definizione del giusto matching compressore/turbina/motore si può riassumere in positività e negatività del lavaggio della camera di scoppio che più semplicemente può esser riassunta in pressione all ingresso della valvola d aspirazione verso contropressione all uscita della valvola di scarico. non ne è consentita la copia integrale o parziale 2

3 Il lavaggio motore nelle versioni turbo è negativo ai bassi regimi, positivo al momento dell inizio del lavoro del turbocompressore e nuovamente negativo un po dopo il regime di coppia massima (identificabile nel massimo rendimento motore). Il motore ideale dovrebbe operare in modo continuo al massimo rendimento avendo un lavaggio motore sempre positivo ma questo è impossibile dal momento che la turbina posta sullo scarico acquisisce energia ma genera contropressione allo scarico. L ideale sarebbe poter ottenere valori di sovralimentazione sempre superiori rispetto alla contropressione e per soddisfare parzialmente questo requisito sono state introdotte nuove tecnologie di gestione denominate variabili. Queste tecnologie coinvolgono sia i condotti d aspirazione motore che le fasature delle valvole di scarico che, non ultimo, il turbocompressore. Una voluta (area di passaggio dei gas interna al carter) di scarico troppo permeabile (volgarmente detta larga) Sezione interna al Carter Turbina non consentirà alla bassa massa di gas, ottenibile ai bassi regimi motore, di eccitare (cedere energia) la girante turbina. Quest ultima incamera energia cinetica ed energia termica (alle massime potenze il salto termico in turbina supera anche i 100 ) ed è da tener presente che ai bassi regimi motore la prima è assai limitata, soprattutto se i gas devono passare all interno di un condotto largo, così come la seconda, dovuta alla scarsa energia generata dalla combustione, con il risultato finale di avere a disposizione una limitata energia totale. Per poter aumentare i livelli di energia il sistema più semplice è strozzare (ridurre) il passaggio al cui interno transitano i gas così da accelerarli ed al tempo stesso aumentare, se pur di poco, il livello di energia termica in essi trattenuta grazie all aumento della pressione che si viene a generare fra valvola di scarico e turbina. Banalmente si può quindi pensare di far transitare i gas all interno di un condotto di dimensioni minori ma ovviamente questo avrebbe poi un effetto estremamente dannoso agli alti regimi motore ove le temperature dei gas di scarico e la loro velocità risultano essere molto elevate. Per anni gli addetti ai lavori hanno definito il non ne è consentita la copia integrale o parziale 3

4 matching turbina/motore in funzione dell utilizzo di quest ultimo cercando d intonare il sistema così da privilegiare l area di maggior utilizzo (per esempio un turbo poco permeabile per l utilizzo sui fuoristrada od i motori nei quali lo spunto ai bassi regimi è di primaria importanza ed un turbo un po più largo per una vettura da corsa o per le macchine agricole). E da tener presente che l intonazione del turbo sul motore ne cambia completamente i parametri sia affidabilistici che prestazionali permettendo di ottimizzare non solo le prestazioni motore ma anche la durata e non ultimo il consumo specifico. Un esperto in turbocompressori (non tanto della meccanica bensì dell aerodinamica) può quindi centrare l obiettivo desiderato dall utente finale valutando correttamente il mix fra voluta, girante di scarico e girante d aspirazione. Sono in pochissimi in Italia gli esperti di turbocompressori con conoscenza dell aerodinamica mentre sono molti gli addetti ai lavori con conoscenza della meccanica (in genere da prendere in considerazione non per le modifiche ma bensì per la sola rigenerazione del componente originale). Alla fine degli anni 90 in Europa sono stati applicati sui motori i primi turbocompressori a geometria variabile ovvero turbine equipaggiate con un sistema particolare di palette mobili inserite all interno del carter di scarico nell area di passaggio dei gas. Turbo VGT vecchia generazione Le palette, sincronizzate fra loro ed azionate da un sistema a ghiera, permettono di variare la sezione di passaggio dei gas così da poter alterare la condizione del flusso. Quando le palette vengono portate quasi in chiusura il passaggio sarà assai limitato con conseguente aumento della velocità dei gas (aumento dell energia cinetica) e della temperatura (energia termica) grazie all incremento della pressione. Questa condizione viene sfruttata ai bassi regimi motore così da eccitare immediatamente la turbina trasferendogli le maggiori energie ottenute. All aumentare dei giri motore e quindi della massa dei gas e delle temperature post combustione le palette vengono mosse in modo da aprire maggiormente il passaggio evitando fenomeni di sovrappressione, particolarmente dannosi per il sistema meccanico del turbo. E da ricordare con orgoglio che questa splendida invenzione, messa sul mercato dalla non ne è consentita la copia integrale o parziale 4

5 Garrett, ha visto il suo debutto in Europa sul motore della famosa Fiat Croma 1.9 L Turbo Diesel Fiat Croma cc TDI il cui sviluppo fu seguito in modo estremamente attento da parte della Fiat con il Signor Valente, sotto la direzione dell ingegner Stroppiana (ovviamente in collaborazione con il Centro Ricerche Fiat, sempre molto attivo nella ricerca di nuovi sistemi per aumentare l efficienza motore quali il common rail ed il sistema multiair, orgoglio dell ingegneria italiana) e dell Ingegner Luciano Bernardini allora responsabile del mercato Italia Garrett. Il sistema diede subito grandi risultati mostrando un potenziale elevatissimo ma allo stesso tempo anche grandi problemi e preoccupazioni mostrando la necessità di effettuare un più accurato studio e sviluppo sia dei materiali che dell azionamento del sistema. Lo sviluppo avviato allora è ancora oggi in evoluzione e sono state moltissime le variazioni apportate al sistema rendendolo sempre più affidabile e performante. Tutti i costruttori europei utilizzano ormai in modo massiccio i turbo a geometria variabile non solo per la ricerca dell ottenimento di elevate prestazioni motore ma anche per la riduzione dei consumi carburante e soprattutto delle emissioni nocive allo scarico. L elevato costo dei turbo a geometria variabile all inizio ha rallentato la loro espansione sul mercato portando i costruttori motore ad applicarli solo per le versioni top di gamma ma negli ultimi anni, per rientrare nei livelli di emissione sempre più ridotti, la scelta verso il VGT (Variable Geometry Turbo) si è resa spesso obbligatoria. Per soddisfare le richieste del mercato che chiedeva motori più potenti, meno assetati di carburante e meno nocivi per la salute del pianeta, i costruttori hanno dovuto aumentare le pressioni d esercizio (Pressione di sovralimentazione) al fine di gestire sempre più elevate masse d aria mentre al tempo stesso venivano aggiunti nuovi sistemi anti-inquinamento quali catalizzatori e valvole EGR. Questi nuovi sistemi hanno aumentato le sollecitazioni termiche e meccaniche dei turbocompressori nonché di vari altri organi motore rendendo necessari più attenti piani di manutenzione. La sofisticazione raggiunta oggi è elevatissima infatti i VGT sono non ne è consentita la copia integrale o parziale 5

6 realizzati con materiali di altissimo livello (particolarmente costosi) lavorati con grandissima precisione ed assemblati con processi rigorosi che prevedono continui controlli lungo la linea al fine di ottenere un componente privo di difetti. Nel campo del tuning è importantissimo orientare la scelta verso sistemi di ultima generazione al fine di beneficiare delle tecnologie di ultimo grido così da rendere l insieme motore/turbina non solo prestazionale ma anche affidabile. In Saito abbiamo realizzato con grande passione kit di potenziamento Kit Nissan Patrol 2.8 Kit Land Rover 300 per rendere i motori dei vecchi fuoristrada più prestazionali e volendo mantenere alta l immagine dell azienda abbiamo orientato le nostre scelte verso i turbocompressori a geometria fissa prodotti dalla Mitsubishi Heavy Industries, indiscutibilmente i migliori turbocompressori disponibili sul mercato sia in termini di resistenza meccanica che di raffinatezza di realizzazione e non ultimo di rendimento aerodinamico. I turbo a geometria variabile prodotti sino alla fine degli anni 2000 non erano a nostro giudizio all altezza di soddisfare le esigenze del mercato non tanto a livello prestazionale quanto affidabilistico infatti l insieme delle palette del VGT si muoveva all interno del carter avendo come piani di riferimento le superfici del carter stesso. Sistema VGT vecchia generazione I depositi carboniosi e le morchie, uniti alle deformazioni dei piani indotte dagli stress termici, portavano al bloccaggio delle palette con ovvio deterioramento delle prestazioni e rischio di rottura del sistema rotorico. La migliorata tecnologia delle turbine a geometria variabile di ultima generazione non ne è consentita la copia integrale o parziale 6

7 Turbo VGT nuova generazione ci ha permesso di entrare con successo nel mondo dei Kit di potenziamento realizzati con turbo VGT garantendo al cliente finale sia una migliorata affidabilità che un ulteriore, seppur piccolo, incremento delle prestazioni. I turbo VGT di ultima generazione sono infatti equipaggiati con compressori specificamente progettati per aumentare lo spettro d utilizzo generato della variabilità del sistema di scarico. Tali compressori lavorano con rendimenti più elevati a tutto vantaggio delle condizioni di combustione infatti maggiore è l efficienza migliori saranno le condizioni dell aria elaborata. Più semplicemente possiamo dire che a parità di pressione l aria subirà un minor incremento termico e pertanto, essendo la molecola meno dilatata, nello stesso spazio verranno introdotte più molecole. Il risultato finale è di apportare una maggior quantità d ossigeno (necessario per la combustione) in camera di scoppio. Se l aria viene correttamente miscelata con il combustibile, si ottiene una combustione perfetta con conseguente riduzione delle temperature e del consumo. Il sistema meccanico dei nuovi geometria variabile è racchiuso in una specie di cartuccia Vista superiore e posteriore nuovo sistema VGT realizzata con materiali nobili assai più costosi della normale ghisa con la quale vengono realizzati i carter turbina ma rendono il sistema decisamente più affidabile infatti le palette si muovono fra due superfici d acciaio decisamente meno sensibili al fenomeno di deformazione e corrosione delle precedenti realizzate direttamente sul carter. Un altro vantaggio importante nell utilizzo dei turbo VGT di ultima generazione sta nel fatto che il corpo centrale del turbo può ruotare a 360 gradi rispetto al carter turbina e tale condizione permette di ottimizzare la sua posizione nello spazio tenendo presente che per operare bene e per evitare trafilamenti d olio quest ultimo deve entrare in modo perfettamente verticale (il corpo centrale deve essere posizionato sul motore in modo che l asse entrata/uscita olio sia non ne è consentita la copia integrale o parziale 7

8 perpendicolare al terreno con un inclinazione massima accettabile di +/- 5 ). Nei vecchi VGT il corpo poteva ruotare rispetto al carter turbina in modo assai limitato (in certi casi nullo) costringendo alla realizzazione di adattatori particolari da posizionare fra collettore e turbina o rischiose modifiche interne atte a far ruotare il sincronismo del movimento palette. Per i non addetti ai lavori è difficile comprendere se un turbo VGT è di ultima generazione o no ma di base possiamo asserire che quelli equipaggiati con attuatore elettrico sono tutti realizzati con tecnologie meccaniche all avanguardia. Oggi la Saito propone Kit VGT per il potenziamento di vetture Toyota, Land Rover, Range Rover, Mitsubishi e Nissan. Vetture datate ma veri fuoristrada adatti ad utilizzi gravosi ed agonistici la cui unica pecca è identificabile nelle limitate prestazioni ai bassi regimi motore. Questa condizione costringe il pilota a continui cambi di marcia se non addirittura all utilizzo del riduttore. In questi motori, operanti in origine a bassa pressione di sovralimentazione (0.6 / 0.7 Bar relativi) l aumento della potenza assoluta è possibile utilizzando anche la turbina originale infatti basta variare la taratura dell attuatore della waste gate così da ottenere pressioni di sovralimentazione intorno ad 1.1 / 1.2 Bar relativi mentre risulta praticamente impossibile aumentare le prestazioni in regime di coppia a causa della ben definita e non variabile struttura della turbina. L aumento della mandata gasolio ai bassi regimi può portare ad un non sensibile aumento delle prestazioni ma causa anche fumosità allo scarico dovuta alla carenza d aria. E da tener presente che un cattivo rendimento di combustione (identificabile in fumo allo scarico) è sinonimo di aumento delle condizioni termiche in camera di scoppio e quindi a minor affidabilità della testata. Modificare la sovralimentazione adottando aerodinamiche non correttamente valutate può quindi portare il motore a subire seri danni nonché incorrere nella rottura del turbo stesso. Osimo 11 Dicembre 2013 Scritto da Pier Stefano Gallo Perozzi (condivisa/aa/tecnica e dati generali/articoli tecnici di stefano/ geometria variabile di vecchia e nuova generazione) non ne è consentita la copia integrale o parziale 8

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