Per aumentare la potenza dei motori a combustione interna, vengono ampiamente utilizzate unità speciali: i turbocompressori.Cos'è un turbocompressore, di che tipo sono queste unità, come sono disposte e su quali principi si basa il loro lavoro, nonché la loro manutenzione e riparazione, leggi nell'articolo.
Cos'è un turbocompressore?
Il turbocompressore è il componente principale del sistema di pressurizzazione aggregato dei motori a combustione interna, un'unità destinata ad aumentare la pressione nel tratto di aspirazione del motore grazie all'energia dei gas di scarico.
Il turbocompressore viene utilizzato per aumentare la potenza di un motore a combustione interna senza interferire radicalmente nella sua progettazione.Questa unità aumenta la pressione nel tratto di aspirazione del motore, fornendo una maggiore quantità di miscela aria-carburante alle camere di combustione.In questo caso, la combustione avviene a una temperatura più elevata con la formazione di un volume maggiore di gas, che porta ad un aumento della pressione sul pistone e, di conseguenza, ad un aumento delle caratteristiche di coppia e potenza del motore.
L'utilizzo di un turbocompressore consente di aumentare la potenza del motore del 20-50% con un aumento minimo del suo costo (e con modifiche più significative l'aumento di potenza può raggiungere il 100-120%).Grazie alla loro semplicità, affidabilità ed efficienza, i sistemi di pressurizzazione basati su turbocompressore sono ampiamente utilizzati su tutti i tipi di veicoli con motore a combustione interna.
Tipi e caratteristiche dei turbocompressori
Oggi esiste un'ampia varietà di turbocompressori, ma possono essere suddivisi in gruppi in base allo scopo e all'applicabilità, al tipo di turbina utilizzata e alle funzionalità aggiuntive.
A seconda dello scopo, i turbocompressori possono essere suddivisi in diversi tipi:
• Per i sistemi di pressurizzazione a stadio singolo: un turbocompressore per motore o due o più unità funzionanti su più cilindri;
•Per sistemi di gonfiaggio in serie e serie-parallelo (varie varianti di Twin Turbo) - due unità identiche o diverse che operano su un gruppo comune di cilindri;
• Nei sistemi di pressurizzazione a due stadi esistono due turbocompressori con caratteristiche diverse, che funzionano in coppia (in sequenza uno dopo l'altro) per un gruppo di cilindri.
I più utilizzati sono i sistemi di pressurizzazione monostadio costruiti sulla base di un unico turbocompressore.Tuttavia, un tale sistema può avere due o quattro unità identiche: ad esempio, nei motori a V, vengono utilizzati turbocompressori separati per ciascuna fila di cilindri, nei motori multicilindrici (più di 8) possono essere utilizzati quattro turbocompressori, ciascuno dei quali che funziona su 2, 4 o più cilindri.Meno comuni sono i sistemi di pressurizzazione a due stadi e varie varianti del Twin-Turbo, utilizzano due turbocompressori con caratteristiche diverse che possono funzionare solo in coppia.
Secondo l'applicabilità, i turbocompressori possono essere suddivisi in diversi gruppi:
• Per tipo di motore - per motori a benzina, diesel e gas;
• In termini di volume e potenza del motore - per unità di potenza piccola, media e alta;per motori ad alta velocità, ecc.
I turbocompressori possono essere dotati di uno dei due tipi di turbina:
• Radiale (radiale-assiale, centripeto) - il flusso dei gas di scarico viene alimentato alla periferia della girante della turbina, si sposta al suo centro e viene scaricato in direzione assiale;
• Assiale: il flusso dei gas di scarico viene fornito lungo l'asse (al centro) della girante della turbina e viene scaricato dalla sua periferia.
Oggi vengono utilizzati entrambi gli schemi, ma sui piccoli motori è spesso possibile trovare turbocompressori con turbina radiale-assiale e sui potenti propulsori sono preferite le turbine assiali (anche se questa non è la regola).Indipendentemente dal tipo di turbina, tutti i turbocompressori sono dotati di un compressore centrifugo: in esso l'aria viene fornita al centro della girante e rimossa dalla sua periferia.
I moderni turbocompressori possono avere diverse funzionalità:
• Doppia aspirazione - la turbina ha due ingressi, ciascuno di essi riceve i gas di scarico da un gruppo di cilindri, questa soluzione riduce le perdite di carico nel sistema e migliora la stabilità della sovralimentazione;
• Geometria variabile - la turbina è dotata di pale mobili o di un anello scorrevole, attraverso il quale è possibile modificare il flusso dei gas di scarico verso la girante, questo consente di modificare le caratteristiche del turbocompressore a seconda della modalità di funzionamento del motore.
Infine, i turbocompressori si differenziano per le caratteristiche e le capacità prestazionali di base.Tra le principali caratteristiche di queste unità dovrebbero essere evidenziate:
• Il grado di aumento della pressione - il rapporto tra la pressione dell'aria all'uscita del compressore e la pressione dell'aria all'ingresso è compreso tra 1,5 e 3;
• Alimentazione del compressore (flusso d'aria attraverso il compressore) - la massa d'aria che passa attraverso il compressore per unità di tempo (secondo) è compresa tra 0,5 e 2 kg / s;
• La gamma di velocità operativa varia da diverse centinaia (per potenti locomotive diesel, motori industriali e altri motori diesel) a decine di migliaia (per moderni motori forzati) giri al secondo. La velocità massima è limitata dalla forza delle giranti della turbina e del compressore, se la velocità di rotazione è troppo elevata a causa delle forze centrifughe la ruota può collassare.Nei moderni turbocompressori, i punti periferici delle ruote possono ruotare a velocità di 500-600 o più m / s, cioè 1,5-2 volte più veloci della velocità del suono, ciò provoca il caratteristico fischio della turbina;
• La temperatura operativa/massima dei gas di scarico all'ingresso della turbina è compresa tra 650 e 700 ° C, in alcuni casi raggiunge i 1000 ° C;
• L'efficienza della turbina/compressore è solitamente 0,7-0,8, in un'unità l'efficienza della turbina è solitamente inferiore all'efficienza del compressore.
Inoltre le unità differiscono per dimensioni, tipologia di installazione, necessità di utilizzare componenti ausiliari, ecc.
Progettazione del turbocompressore
In generale, il turbocompressore è costituito da tre componenti principali:
1.Turbina;
2.Compressore;
3. Alloggiamento del cuscinetto (alloggiamento centrale).
Schema tipico del sistema di pressurizzazione dell'aria aggregata del motore a combustione interna
Una turbina è un'unità che converte l'energia cinetica dei gas di scarico in energia meccanica (nella coppia della ruota), che garantisce il funzionamento del compressore.Un compressore è un'unità per il pompaggio dell'aria.L'alloggiamento del cuscinetto collega entrambe le unità in un'unica struttura e l'albero del rotore situato al suo interno garantisce il trasferimento della coppia dalla girante della turbina alla girante del compressore.
Sezione turbocompressore
La turbina e il compressore hanno un design simile.La base di ciascuna di queste unità è il corpo cocleare, nelle cui parti periferiche e centrali sono presenti tubazioni per il collegamento al sistema di pressurizzazione.Nel compressore il tubo di aspirazione è sempre al centro, lo scarico (scarico) è alla periferia.La stessa disposizione dei tubi per le turbine assiali, per le turbine radiali-assiali, la posizione dei tubi è opposta (alla periferia - aspirazione, al centro - scarico).
All'interno della custodia è presente una ruota con lame di forma speciale.Entrambe le ruote, turbina e compressore, sono sostenute da un albero comune che passa attraverso l'alloggiamento del cuscinetto.Le ruote sono realizzate in fusione solida o in composito, la forma delle pale della ruota della turbina garantisce l'uso più efficiente dell'energia dei gas di scarico, la forma delle pale della ruota del compressore fornisce il massimo effetto centrifugo.Le moderne turbine di fascia alta possono utilizzare ruote composite con pale in ceramica, che hanno un peso ridotto e prestazioni migliori.La dimensione delle ruote dei turbocompressori dei motori automobilistici è 50-180 mm, le potenti locomotive, i motori industriali e altri motori diesel sono 220-500 mm o più.
Entrambi gli alloggiamenti sono montati sull'alloggiamento del cuscinetto con bulloni attraverso guarnizioni.Qui si trovano i cuscinetti radenti (meno spesso cuscinetti volventi di design speciale) e gli O-ring.Anche nell'alloggiamento centrale sono presenti canali dell'olio per la lubrificazione dei cuscinetti e dell'albero, e in alcuni turbocompressori e la cavità della camicia di raffreddamento dell'acqua.Durante l'installazione, l'unità è collegata ai sistemi di lubrificazione e raffreddamento del motore.
Nella progettazione del turbocompressore possono essere previsti anche vari componenti ausiliari, tra cui parti del sistema di ricircolo dei gas di scarico, valvole dell'olio, elementi per migliorare la lubrificazione delle parti e il loro raffreddamento, valvole di controllo, ecc.
Le parti del turbocompressore sono realizzate con acciai speciali, per la girante della turbina vengono utilizzati acciai resistenti al calore.I materiali sono accuratamente selezionati in base al coefficiente di dilatazione termica, che garantisce l'affidabilità del progetto in varie modalità operative.
Il turbocompressore è incluso nel sistema di pressurizzazione dell'aria, che comprende anche collettori di aspirazione e scarico, e in sistemi più complessi: un intercooler (radiatore di raffreddamento dell'aria di sovralimentazione), varie valvole, sensori, smorzatori e tubazioni.
Il principio di funzionamento del turbocompressore
Il funzionamento del turbocompressore si basa su principi semplici.La turbina dell'unità viene introdotta nel sistema di scarico del motore, il compressore nel tratto di aspirazione.Durante il funzionamento del motore, i gas di scarico entrano nella turbina, colpiscono le pale della ruota, cedendole parte della sua energia cinetica e facendola ruotare.La coppia della turbina viene trasmessa direttamente alle ruote del compressore tramite l'albero.Durante la rotazione, la girante del compressore lancia aria verso la periferia, aumentandone la pressione: quest'aria viene fornita al collettore di aspirazione.
Un singolo turbocompressore presenta una serie di svantaggi, il principale dei quali è il ritardo del turbo o il pit del turbo.Le ruote dell'unità hanno massa e una certa inerzia, quindi non possono girare istantaneamente quando la velocità dell'unità di potenza aumenta.Pertanto, quando si preme bruscamente il pedale dell'acceleratore, il motore turbo non accelera immediatamente: si verifica una breve pausa, un'interruzione di corrente.La soluzione a questo problema sono speciali sistemi di controllo della turbina, turbocompressori a geometria variabile, sistemi di pressurizzazione in serie parallela e a due stadi e altri.
Il principio di funzionamento del turbocompressore
Problemi di manutenzione e riparazione dei turbocompressori
Il turbocompressore necessita di una manutenzione minima.L'importante è cambiare l'olio motore e il filtro dell'olio in tempo.Se il motore può ancora funzionare per qualche tempo con olio vecchio, questo può diventare mortale per il turbocompressore: anche un leggero deterioramento della qualità del lubrificante a carichi elevati può portare all'inceppamento e alla distruzione dell'unità.Si consiglia inoltre di pulire periodicamente le parti della turbina dai depositi carboniosi, il che richiede il suo smontaggio, ma questo lavoro deve essere eseguito solo con l'uso di strumenti e attrezzature speciali.
Nella maggior parte dei casi è più facile sostituire un turbocompressore difettoso che ripararlo.Per la sostituzione è necessario utilizzare un'unità dello stesso tipo e modello installata in precedenza sul motore.L'installazione di un turbocompressore con altre caratteristiche può interrompere il funzionamento del propulsore.È meglio affidare la selezione, l'installazione e la regolazione dell'unità a specialisti: ciò garantisce la corretta esecuzione del lavoro e il normale funzionamento del motore.Con la corretta sostituzione del turbocompressore, il motore riacquisterà elevata potenza e sarà in grado di risolvere i compiti più difficili.
Orario di pubblicazione: 21 agosto 2023