Ottimizzare le prestazioni sfruttando la collaborazione intelligente.
Nel precedente articolo abbiamo analizzato i sistemi Twin-turbo paralleli, spiegando come la collaborazione di due unità turbo della stessa taglia possa giovare in termini di prestazioni e, al contempo, rispondere alle più recenti esigenze dettate dalla corsa al downsizing.
Il limite di un impianto parallelo è imposto dalla curva di funzionamento, la quale semplicemente dipenderà dalle caratteristiche tecniche del turbo installato e non potrà essere modulata in funzione dei regimi del motore. Alle basse rotazioni sarà senza dubbio prestante, riducendo sensibilmente il fenomeno del turbo-lag, ma aumentando i giri la risposta non potrà mai andare oltre certi valori.
Questo può diventare un problema se il costruttore desidera ottimizzare al meglio l’intero apparato sovralimentante in favore delle alte prestazioni. Da qui nasce l’idea di utilizzare un sistema che utilizza sempre due identiche unità turbo, ma che vengono attivate in sequenza a seconda delle richieste che arrivano dal motore: in questo modo le curve di funzionamento cambiano relativamente al numero di unità attive ed alla quantità di fluido che le alimenta, consentendo maggiore versatilità all’intero apparato sovralimentante e, quindi, un più ampio campo d’azione. Il risultato è l’impianto twin-turbo a due stadi sequenziali.
È possibile identificare quattro fasi operative ben distinte.
Durante la prima fase, nella quale le condizioni di esercizio non superano i 1500 rpm, il sistema utilizza solo il primo turbo ed esclude il secondo attraverso una valvola di bypass (VT2). La valvola VR che detta gli accessi al compressore del secondo turbo è aperta, ma quella a controllo del condotto d’uscita (VC2) resta chiusa impedendone il funzionamento. In questo modo è possibile sfruttare completamente la curva di funzionamento del primo turbo ed ottimizzare su di essa le condizioni di partenza del motore. Allo stesso tempo il sistema è pronto a reagire di fronte ad un improvviso aumento delle portate da elaborare.
Continuando ad accelerare la portata dei gas di scarico aumenta considerevolmente e, per bilanciarne gli effetti, il sistema risponde aprendo prima la valvola Wastegate (fase due, fino a circa 2600 rpm) e poi, parzialmente, la valvola VT2. In questo modo si compie la transizione d’avviamento del secondo turbo, il quale lavorerà a pieno regime una volta superati i 3000 rpm (fase quattro). Da questo momento in avanti vengono mantenute chiuse le valvole VR e Wastegate in favore delle valvole VC2 e VT2, le quali resteranno completamente aperte. Fisicamente, ciò che è stato fatto è stato modificare la curva di funzionamento del sistema sfruttando la composizione delle prestazioni fluidodinamiche di due macchine (turbo 1 e 2) che collaborano per rispondere al meglio alle esigenti richieste del motore.
A differenza del classico twin-turbo parallelo analizzato nell’articolo precedente, questo sistema offre l’indubbio vantaggio di introdurre la possibilità di variare le portate di gas di scarico da elaborare e, di conseguenza, la quantità di aria compressa da iniettare nel collettore di aspirazione del motore.
Allo stesso tempo, però, introduce due problematiche che non lasciano affatto indifferenti. La prima è l’aumento della complessità realizzativa: un impianto di questo tipo prevede che ogni unità turbo (compressore e turbina) venga connessa a tutti i cilindri, comportando un aumento del numero di tubazioni necessarie a completare i collegamenti. Da questa deriva la seconda: inevitabilmente, un aumento del numero di collegamenti richiederà l’utilizzo di alcuni tubi più lunghi rispetto a quelli destinati ad un impianto turbo parallelo, per cui è possibile che il sistema sequenziale risponda più lentamente ai carichi di regime. Il ritardo viene mitigato da un’opportuna configurazione di apertura e chiusura delle valvole coinvolte, ma sarà molto difficile che possa raggiungere i tempi di un Twin-turbo parallelo. Infine, oltre alle questioni riguardanti le prestazioni, l’insieme dei due effetti negativi descritti si traduce in un generale aumento dei costi di progettazione e realizzazione.
Nel prossimo articolo, che sarà anche l’ultimo di questa rubrica dedicata alla turbo-sovralimentazione, sarà presentato il sistema Twin-turbo a due stadi variabile, il quale risolve (in parte) le problematiche emerse durante lo studio del sequenziale.
