Turbina fissa o a geometria variabile, come funziona e cosa cambia?

Grazie allo sviluppo dei motori diesel e al downsizing, la turbina è sempre più presente all’interno del cofano del motore delle nostre auto. La turbina fissa o a geometria variabile, è un elemento tradizionalmente indispensabile per ottenere maggiore potenza. Vediamo come funziona e cosa cambia tra turbine a geometria fissa e geometria variabile.

Articolo aggiornato il 14 luglio 2020 alle ore 8:00

TURBINA FISSA O A GEOMETRIA VARIABILE DA DOVE ESCE PIU’ POTENZA

La potenza viene definita in meccanica, senza sprofondare in complicati tecnicismi, come “la velocità con cui viene compiuto un lavoro”. Alcuni dei fattori che determinano la potenza che un motore riesce a erogare sono cilindrata, regime di rotazione e pressione media effettiva (PME). Quello che ci interessa è proprio la PME, perché aumentando la pressione all’interno di un motore si riesce a immettere nei cilindri più aria di quella che il motore riuscirebbe ad aspirare. Ottenendo così un migliore riempimento dei cilindri e quindi una migliore combustione e incremento di potenza. Per generare la sovralimentazione in una vettura stradale sono state sviluppate diverse soluzioni: i compressori volumetrici, turbocompressori semplici, due turbocompressori in sequenza o in parallelo e, infine, turbine a geometria variabile. Più avanti vedremo com’è fatta una turbina a geometria fissa e le differenze con una a geometria variabile.

COM’E’ FATTO UN TURBO-COMPRESSORE

La prima vettura stradale ad adottare la turbina è stata la BMW 2002 Turbo nel 1973 e da allora tutte le case costruttrici presero in considerazione questa nuova tecnologia. La turbina ha il compito di creare pressione e spingerla con forza all’interno dell’impianto di sovralimentazione fino alla camera di combustione. In questo modo si migliora sensibilmente il riempimento del cilindro, la qualità della combustione e la velocità di lavoro o potenza. Il turbocompressore è da considerare come una pompa di aria, composta da due componenti principali, turbina e compressore, collegati tra loro dall’ alberino della turbina. La turbina è sul lato caldo del sistema (zona rossa delle foto allegate) mentre il compressore è sul lato freddo (zona azzurra). La particolarità è legata al suo funzionamento. I gas di scarico provenienti dal collettore di scarico (lato caldo) investono la turbina e la fanno girare. L’alberino trasmette il movimento al compressore che comprime l’aria proveniente dal filtro aria motore (lato freddo) mettendola in pressione.

COME FUNZIONA IL SISTEMA DI SOVRALIMENTAZIONE

Ripercorrendo il tragitto che compie l’aria, partendo dall’ambiente esterno fino all’impianto di scarico, guardiamo lo schema di funzionamento qui sotto. L’aria esterna che investe l’auto durante la marcia passa attraverso un convogliatore e defluisce nel filtro aria. L’aria filtrata arriva al compressore che comprime l’aria sfruttando la velocità dei gas di scarico provenienti dal collettore di scarico, che agiscono sulla turbina. Una valvola di scarico denominata Waste-Gate, comandata in maniera pneumatica, preserva turbina e motore espellendo la pressione in eccesso . Tuttavia questo aumento di pressione provoca un incremento di temperatura dell’aria, diminuendo così la sua densità e gravando quindi sul rendimento del motore. Per ovviare questo problema c’è l’intercooler che ha il compito di raffreddare l’aria e aumentarne la densità, infatti l’aria fredda è anche più ricca di ossigeno. Aumentando la quantità di comburente a parità di pressione all’interno della camera di combustione si ottiene un maggior rendimento e una potenza elevata. All’uscita dell’intercooler poi l’aria segue il circuito di sovralimentazione fino a raggiungere il collettore di aspirazione, la testata e infine il cilindro dove avviene la combustione.

GEOMETRIA FISSA E GEOMETRIA VARIABILE: COSA CAMBIA

Si sente parlare ormai da tempo della turbina a geometria variabile (VGT), ma ha realmente degli effetti benefici rispetto a una turbina fissa? Il turbocompressore a geometria variabile è diverso strutturalmente da uno a geometria fissa. I vantaggi di questa soluzione sono molteplici ma la differenza principale la troviamo nel lato caldo. Ovvero nella girante della turbina sono montate delle palette movimentate da un attuatore  elettrico, pneumatico o elettropneumatico, comandato dalla centralina motore. Il loro compito è regolare la pressione di sovralimentazione nei vari regimi di marcia. Modificando l’incidenza e la posizione delle palette varia la pressione di sovralimentazione, perché la spinta e la velocità dei gas esausti varia in funzione della posizione delle palette . Ciò porta a una migliore capacità di adattamento della pressione in tutti i regimi motore e dinamiche di marcia rispetto ad una turbina a geometria fissa. Un sistema anche più complesso rispetto al turbocompressore a geometria fissa, non esente da problemi, come i casi delle turbine PSA senza garanzia. Ma come si può capire se qualcosa non va nel turbocompressore e quali sono i difetti o le rotture che capitano di più in officina?

TURBINA FISSA O A GEOMETRIA VARIABILE: PROBLEMI E MALFUNZIONAMENTI

Stiamo accelerando per sorpassare un’altra vettura e la nostra auto non ha potenza per farlo, le cause posso essere diverse e tra queste il problema potrebbe risiedere nell’impianto di sovralimentazione. Ma come riescono in officina a diagnosticare la rottura della turbina e cosa può causarla? Come abbiamo già visto riguardo al modo con cui le centraline e i sensori dell’auto comunicano tra loro, la centralina motore controlla il valore della pressione della sovralimentazione attraverso un sensore preposto, con la diagnosi di officina è possibile visualizzare il valore dello stesso durante un test di guida. Se la pressione non aumenta le cause possono essere molte, ad esempio potremmo avere una rottura della turbina, un malfunzionamento della valvola di regolazione oppure una diminuzione della tenuta dell’impianto a causa di un tubo rotto, con perdite di aria o olio motore che può disperdersi o creare fumo allo scarico, etc. Una regolare manutenzione e una sostituzione dell’olio motore come previsto dal piano di manutenzione sono le basi per poter allungare la vita della nostra turbina perché con un olio pulito e più nuovo offre anche una migliore lubrificazione a tutte le parti in movimento del turbocompressore. Non perderti tante altre curiosità e consigli nei video #SicurEDU sulla manutenzione auto.