Nel precedente articolo abbiamo analizzato i sistemi Twin-turbo sequenziali, spiegando come l’introduzione di un sistema a più stadi possa ampliare il campo di funzionamento dell’intero sistema coprendo quelle aree di regimi che, altrimenti, sarebbero insostenibili.
Durante la nostra trattazione è stato detto che i motori Diesel generalmente lavorano a velocità di rotazione più basse rispetto a quelli a benzina, per cui dispongono di una minore quantità di gas di scarico utilizzabile per alimentare l’impianto turbo. Tale caratteristica espone i Diesel al pericoloso e sgradito fenomeno del turbo-lag. Per risolvere tale problematica, evidentemente intrinseca nella natura stessa del motore Diesel, gli ingegneri hanno realizzato un’interessante evoluzione degli impianti Twin-turbo producendo quelli “a due stadi variabili”, particolarmente indicata per motori da almeno 2.0L di tipo V6, V8 e V10.
Configurazione
A differenza degli altri Twin-turbo finora analizzati, questi dispongono di due unità di taglia differente, di cui una più piccola che possa garantire la corretta spinta alle basse rotazioni ed una più grande in grado di elaborare portate più significative quando i regimi di funzionamento sono più sostenuti. Le due unità sono collegate in serie in modo che la pressione di spinta esercitata dalla prima possa essere successivamente moltiplicata dalla seconda, motivo per cui vengono chiamati “a doppio stadio”. In questa maniera la circolazione dei gas esausti può essere variata continuamente e la transizione dalla prima alla seconda unità può essere effettuata senza alcuna interruzione, garantendo una continuità di funzionamento che contrasta il fenomeno del turbo-lag.
Il sistema prevede un collettore di raccolta dei gas di scarico che, a sua volta, si divide in due condotti principali: il primo, a sezione più piccola, alimenta il turbo di taglia piccola, mentre il secondo, dotato di sezione più grande e controllato per mezzo di una valvola di bypass, alimenta la seconda unità.
A valle della prima unità è montato un collettore che confluisce nel secondo condotto in un punto successivo alla suddetta valvola in modo che i gas di scarico possano contribuire all’alimentazione del secondo turbo. Ciascuna unità è accoppiata ad un compressore occupandosi del suo azionamento attraverso un albero di collegamento.
Funzionamento
È possibile individuare tre fasi di funzionamento.
La prima fase include i bassi regimi, indicativamente con velocità di rotazione inferiori ai 1800 rpm. La valvola di bypass è completamente chiusa e tutta l’energia contenuta nei gas esausti viene sfruttata per alimentare il turbo di taglia inferiore mentre quello più grande gira inattivo senza contribuire alla compressione dell’aria.
La seconda fase si colloca ai medi regimi, le cui velocità di rotazione variano dai 1800 ai 3000 rpm. La valvola di bypass modifica continuamente la sua apertura in funzione dei carichi ed entrambe le unità turbo sono attivate per contribuire alla compressione dell’aria. Durante questa fase la valvola di controllo del sistema di aspirazione resta chiusa in quanto, seppur azionato, il second turbo produce una pressione di spinta minore rispetto a quella prodotta dal primo.
La terza ed ultima fase subentra agli alti regimi, le cui velocità di rotazione superano i 3000 rpm.
Durante questa fase la valvola di controllo dell’aspirazione è aperta così come quella di bypass. In questo modo il primo turbo non è attivo e l’intera portata di gas esausti alimenta la seconda grande unità per produrre la massima spinta possibile.
Conclusioni
Confrontato con motori Diesel equivalenti, il Twin-Turbo a doppio stadio variabile è in grado di produrre un miglioramento generale dell’accelerazione del veicolo fino al 20%. L’impianto dimostra una migliore risposta al transitorio e consente di adottare una strategia di rapporto del cambio più lungo. Di contro, la sua particolare configurazione compatta lo rende adattabile ai soli motori a V ed i suoi costi di progettazione e realizzazione sono sensibilmente superiori rispetto ad un “semplice” Twin-turbo parallelo.
Con questo articolo concludiamo il nostro studio sulla turbo-sovralimentazione del motore termico. In generale possiamo concludere che l’impianto turbo, nelle sue varie configurazioni possibili, migliora le prestazioni del veicolo quando opportunamente progettato. La sua larga diffusione nel mondo dell’automotive dimostra la bontà dell’idea di precomprimere l’aria in ingresso nel motore per arricchire la miscela e la sua evoluzione nel tempo ha portato l’ingegneria meccanica a realizzare soluzioni sempre più performanti e ricche di tecnologia.
