Come funzionano i turbocompressori e i compressori nei motori a pistoni?

Mar 09, 2024

Molti hanno sentito i termini; oggi li analizziamo.

I motori producono energia bruciando aria e carburante. L'aria e il carburante insieme sono conosciuti come una miscela, a volte chiamata carica. In un motore a pistoni, la potenza erogata dipende dalla quantità o dal peso della carica che può essere accettata dai cilindri del motore.

Il peso della miscela, che può essere aspirata dai pistoni nei cilindri, dipende in gran parte dalla sua temperatura e pressione. Mentre un aereo sale, la ridotta densità dell'aria si traduce in una riduzione della pressione dell'aria e, in definitiva, meno ossigeno entrerà nei cilindri. Per questo motivo un motore aspirato perde potenza con l’aumentare della quota.

Per aumentare la potenza di un motore a pistoni, questo può essere turbocompresso o sovralimentato.

Un turbocompressore comprende una turbina e un gruppo compressore. La turbina ed il compressore sono montati sullo stesso albero; quindi, quando la turbina gira, lo fa anche il compressore.

Il compressore del turbocompressore è collegato direttamente al sistema di aspirazione dei cilindri, mentre la turbina è collegata al sistema di scarico. Il compressore è anche esposto alla presa d'aria del motore.

I turbocompressori possono aumentare la potenza del motore per il decollo e consentire agli aerei di salire ad altitudini più elevate. Un motore normalmente aspirato può produrre solo una pressione a livello del mare di 29,92 pollici di mercurio. Man mano che si sale, la pressione diminuisce a causa della ridotta densità dell'aria. Con un turbocompressore, un motore può generare molta più potenza. Ad esempio, uno dei motori a pistoni più potenti mai costruiti, il Pratt & Whitney R-4360, che è sovralimentato, può produrre una pressione collettore di 60 pollici di mercurio al decollo, poco più del doppio della normale pressione atmosferica.

Indipendentemente dal fatto che un motore sia turbocompresso o meno, perderà comunque potenza man mano che l'aereo sale. Tuttavia, con un motore turbocompresso o sovralimentato, il motore perde potenza a un ritmo molto inferiore. Ciò facilita altitudini più elevate e il raggiungimento di velocità maggiori.

Quando un turbocompressore ruota, l'aria fluisce nel compressore, aumentando la pressione dell'aria. I compressori utilizzati nei turbocompressori sono per lo più centrifughi e sono costituiti da due parti principali: una girante e un diffusore. Quando l'aria colpisce la girante, viene accelerata e viene lanciata verso l'esterno della girante. Dalla girante l'aria, che ora ha acquisito una notevole energia cinetica, viene fatta passare nel diffusore. Il diffusore è costituito da alette che formano passaggi divergenti. Quando il flusso d'aria attraversa questi passaggi, l'area aumentata diminuisce la velocità dell'aria, aumentandone la pressione. È una semplice conversione dell'energia cinetica (velocità) in energia potenziale (pressione).

Il gruppo turbina di un turbocompressore è ciò che fa funzionare il compressore. Per questo, i gas di scarico del motore vengono diretti verso la turbina, facendola girare. La quantità di gas di scarico che può fluire nella turbina è controllata da qualcosa chiamato Wastegate.

Questa è la parte più essenziale di un turbocompressore poiché ne controlla la velocità o la rotazione. La valvola di scarico è essenzialmente un meccanismo a valvola che controlla la quantità di gas di scarico che fluisce nella turbina del turbocompressore. Quando la valvola di scarico è completamente chiusa, quasi tutti i gas di scarico del motore vengono diretti alla turbina. Ciò aumenta la velocità di rotazione della turbina e quella del turbocompressore.

Il Wastegate deve essere adeguatamente controllato per prevenire unspinta eccessiva situazione. L'overboost è una condizione in cui il motore subisce una pressione eccessiva, causando gravi danni. Esistono due metodi con cui è possibile controllare la Wastegate. Il primo è dare il controllo della valvola Wastegate al pilota, mentre l'altro (che è il metodo preferibile) è avere un meccanismo automatico per controllarla.

Il regolatore di pressione assoluta (APC) controlla automaticamente la valvola di scarico per evitare una sovralimentazione. L'APC contiene una capsula aneroide in grado di rilevare la pressione all'uscita del compressore del turbocompressore. Utilizza la pressione dell'olio proveniente dalla lubrificazione del motore per controllare l'attuatore della valvola Wastegate, che presenta un meccanismo a molla. Quando viene rilevata una pressione eccessiva all'uscita del compressore, l'APC scarica l'olio dall'attuatore della valvola di scarico, provocando l'apertura del meccanismo a molla della valvola di scarico, consentendo ad alcuni gas di scarico di fuoriuscire nell'atmosfera. Quando il motore necessita di potenza, l'olio viene inviato all'attuatore della valvola di scarico quando comandato dall'APC, chiudendolo e reindirizzando lo scarico nella turbina.