Comprensione e manutenzione dei dispositivi wastegate sui motori

Nell'industria, ci piace dire, “I turbo fanno credere ai piccoli motori di essere grandi!” Indipendentemente dalle dimensioni del motore e dal fatto che si tratti di benzina o diesel, per ogni 14,68 psi di pressione di sovralimentazione, il motore pensa che sia raddoppiato.

Ciò è radicato nel fatto che la pressione atmosferica è considerata nominalmente di 14,68 psi. Così, se il motore vede lo stesso valore nella pressione di sovralimentazione, allora ha il potenziale per produrre la potenza di uno due volte il suo spostamento.

Sebbene la maggior parte dei produttori monitori o valuti l'aumento del turbocompressore in psi, alcuni useranno l'abbreviazione atm, che sta per atmosfera. L'equivalente metrico di questa misura è bar. Per convertire atm in psi, moltiplicare per 14,68.

Per esempio, se la scheda delle specifiche del motore indica che la pressione di sovralimentazione massima è di 2,1 atm, sarebbe 14,68 per 2,1, che equivale a 30,83 psi. Una barra è uguale a 0,9869 atm, o 14,5 psi. Così, una pressione di 3 bar sarebbe pari a 43,5 psi.

Per un rapido calcolo, la maggior parte delle persone usa 15 psi come lettura atmosferica nominale.

Con questo stabilito, Il boost del turbocompressore come letto nel collettore di aspirazione è la pressione sopra quella atmosferica. Su un motore normalmente aspirato a tutto gas, la pressione nel sistema di induzione è considerata atmosferica. È leggermente inferiore a quello dovuto alle perdite di flusso. In contrasto, il vuoto è qualsiasi pressione inferiore a quella atmosferica.

Un turbocompressore ha due componenti principali:una turbina e un compressore. Colloquiale, questi sono i lati caldi e freddi, rispettivamente. La turbina è collegata allo scarico del motore ed è collegata al compressore tramite un albero.

Le alette su questo albero sono inclinate nella direzione opposta. Quando i gas di scarico caldi escono dalla testata, si espande e fa ruotare la ruota della turbina nello stesso modo in cui un fiume aziona una ruota idraulica. Poiché il compressore è sullo stesso albero, mentre la turbina gira, così fa la ruota del compressore. La turbina è l'organo di azionamento, mentre il compressore è l'organo condotto.

L'azione del compressore invia aria nel percorso di induzione del motore, che ha due effetti importanti. Aumenta la pressione che entra nel cilindro al di sopra della pressione atmosferica, e aumenta il volume del flusso d'aria nel motore misurato in cfm (piedi cubi al minuto).

L'effetto cumulativo dell'aumento della pressione e della massa dell'aria in ingresso determina la pressione di sovralimentazione. La velocità della turbina e, a sua volta, la pressione di sovralimentazione è controllata dal flusso e dalla temperatura dei gas di scarico. È richiesta la necessità di regolare la pressione e viene soddisfatta nella maggior parte delle applicazioni con un wastegate.

Il Wastegate

Se non ci fossero mezzi per controllare la pressione di sovralimentazione, è possibile attraverso una serie di eventi che la pressione del cilindro possa superare i limiti di sicurezza per la progettazione del motore.

Il wastegate è impiegato per controllare la pressione di sovralimentazione bypassando una quantità controllata di gas di scarico dall'interazione con la ruota della turbina. Non è altro che un disco che si chiude contro un passaggio che reindirizza una parte del flusso di scarico.

Quando il passaggio è aperto, la pressione di sovralimentazione è limitata. Quando è chiuso, si può realizzare tutto il potenziale del turbocompressore.

Va riconosciuto che ogni turbocompressore è un sofisticato pezzo di ingegneria poiché esiste una scienza dedicata alla forma e alle dimensioni sia della turbina che delle ruote del compressore. Il flusso d'aria e il potenziale di pressione sono creati dal design delle due ruote e, come per ogni aspetto dell'ingegneria, ci sono compromessi.

Prevenire il sovraccarico

Il wastegate consente all'ingegnere di creare un turbocompressore in grado di fornire le prestazioni desiderate a regimi del motore medio-bassi senza sovraccaricare a pieno carico del motore. Può anche consentire alla ruota della turbina di accelerare più rapidamente a basse portate di scarico e temperature, portando la pressione di sovralimentazione prima e rendendo il motore più maneggevole quando viene trascinato.

Un ulteriore vantaggio del turbocompressore oltre alla potenza del motore è una riduzione generale delle emissioni del motore e una maggiore efficienza.

L'aumento della pressione dell'aria e del flusso nel cilindro crea più turbolenza nel foro e, a sua volta, migliora la velocità della fiamma e mescola meglio il combustibile e l'aria. Il wastegate consente a un ingegnere di utilizzare il movimento della miscela per ridurre le emissioni mantenendo sotto controllo la pressione di combustione. Ancora, il wastegate non può realizzare tutto questo da solo.

Un turbocompressore, se dotato di wastegate, utilizza anche un attuatore. L'attuatore assomiglia a un contenitore con un'asta ed è attaccato al turbocompressore.

Questa unità si collega alla wastegate con un'asta ed è responsabile dell'allontanamento del disco dal passaggio per il controllo del flusso di scarico. Dentro il barattolo, ci sono un soffietto e una molla insieme a una porta che collega un tubo di gomma per rilevare la spinta. La molla interna posiziona l'asta per mantenere chiusa la porta wastegate. Ora tutto lo scarico andrà alla ruota della turbina.

Dall'altro lato del collettore a soffietto (boost), la pressione agisce in opposizione alla molla, volendo muovere l'asta e aprire la wastegate. A seconda della tensione della molla alla pressione di sovralimentazione desiderata, il soffietto prenderà il sopravvento e aprirà il passaggio di bypass, così, limitando la velocità della turbina e la pressione nel cilindro.

La maggior parte dei motori con controlli elettronici impiega anche un solenoide per segnalare al soffietto nell'attuatore. Ciò consente un più rapido spool-up del turbo a basse velocità aggiungendo più controllo finito alla massima spinta. Alcuni motori diesel più vecchi non utilizzano un wastegate. In quelle applicazioni, il turbo è progettato per produrre la spinta massima desiderata, quindi non viene impiegata alcuna sicurezza. Un turbo senza wastegate non è così efficiente poiché non compensa le condizioni meteorologiche e di combustione. È anche pigro arrotolare, rendendo il motore meno reattivo.

Potenziali problemi

Sebbene il sistema wastegate sia molto affidabile, le seguenti sono condizioni comuni e facilmente correggibili.

• Bassa spinta. La causa del problema in questo caso è che il disco nell'alloggiamento del wastegate non è sigillato a causa del carbonio e bypassa lo scarico. La molla dell'attuatore è debole o guasta.
• Overboost. La causa qui è una gomma incrinata, linea di rilevamento boost fallita, soffietto guasto o un soffietto che perde internamente. Se così attrezzato, un'altra causa è che il solenoide di boost si è guastato o ha perso il segnale elettrico.
• Spinta svolazzante. La molla nell'attuatore è debole.

Per uno qualsiasi di questi problemi, il turbocompressore non ha bisogno di essere sostituito o ricostruito. Queste sono tutte parti esterne e spesso possono essere riparate con l'unità sul motore. Se l'asta della wastegate è filettata con un controdado, quando si accorcia l'asta la pressione di sovralimentazione aumenterà prima che lo scarico venga bypassato. Se allunghi la canna, la spinta sarà minore.