Che cosa cambia tra un motore mono-turbo e uno bi-turbo?
La differenza fondamentale è il numero di turbocompressori utilizzati per sovralimentare il motore. Nel sistema mono-turbo tutti i gas di scarico vengono convogliati verso una singola turbina, mentre nel bi-turbo il flusso viene gestito attraverso due turbocompressori. La differenza non riguarda però soltanto il numero di turbine. Cambiano anche il modo in cui vengono gestiti i gas di scarico, il dimensionamento delle giranti, la risposta ai transitori, le perdite di carico e la possibilità di distribuire il lavoro di compressione tra due gruppi distinti.
Un bi-turbo sviluppa necessariamente più coppia di un mono-turbo?
No. Il numero di turbocompressori, preso isolatamente, non determina la coppia massima del motore. A parità di cilindrata, condizioni operative, rendimento complessivo e pressione di sovralimentazione, la coppia può essere molto simile tra un sistema mono-turbo e uno bi-turbo. Il parametro realmente importante è la quantità di aria che il motore riesce a introdurre e utilizzare efficacemente durante la combustione. Il vantaggio del bi-turbo consiste soprattutto nella possibilità di raggiungere e mantenere determinate condizioni di sovralimentazione con una gestione differente del flusso e con due gruppi rotanti invece di uno.
Perché allora vengono utilizzati due turbocompressori?
L’utilizzo di due turbo permette di affrontare in modo differente il compromesso tra risposta ai bassi regimi e portata agli alti regimi. Un turbocompressore molto grande può garantire una notevole portata d’aria, ma richiede una maggiore quantità di energia per accelerare il gruppo rotante. Un turbo più piccolo risponde generalmente più rapidamente, ma può avere una capacità di portata inferiore. Con due turbocompressori è possibile distribuire il lavoro e progettare il sistema in modo da ottenere una risposta più pronta mantenendo una capacità di alimentazione elevata quando il motore raggiunge regimi superiori.
Il bi-turbo ha meno inerzia di un mono-turbo?
Può averla, se i due turbocompressori vengono progettati con gruppi rotanti sufficientemente piccoli. L’inerzia non dipende semplicemente dal numero di turbo, ma dalla massa delle giranti e soprattutto dalla distribuzione della massa rispetto all’asse di rotazione. Un grande turbocompressore può avere un momento d’inerzia considerevole; utilizzando due gruppi più piccoli è possibile ridurre l’inerzia del singolo rotore e ottenere una risposta più rapida alle variazioni di carico. Questo non significa però che due turbo abbiano sempre un’inerzia complessiva inferiore a quella di un singolo turbo. Il risultato dipende dal dimensionamento effettivo dei componenti.
Che cosa si intende per risposta del turbocompressore?
La risposta indica la rapidità con cui il turbocompressore riesce ad aumentare il proprio regime di rotazione e a fornire la pressione richiesta quando cambia il carico del motore. Quando il guidatore apre rapidamente l’acceleratore, la turbina deve sfruttare l’energia dei gas di scarico per accelerare il gruppo rotante. Un sistema con elevata inerzia richiede più energia e più tempo per raggiungere il regime necessario. La riduzione dell’inerzia, insieme a una corretta progettazione dei collettori e delle chiocciole, può quindi migliorare la risposta del motore.
Il bi-turbo è sempre più efficiente dal punto di vista fluidodinamico?
Non necessariamente. La configurazione a due turbocompressori offre alcune possibilità progettuali interessanti, ma non garantisce automaticamente un rendimento superiore. Dividendo il flusso tra due turbine è possibile utilizzare componenti dimensionati in maniera più appropriata rispetto alla portata gestita da ciascun gruppo. Questo può permettere di mantenere le giranti in zone favorevoli delle rispettive mappe di funzionamento. D’altra parte, il bi-turbo introduce ulteriori condotti, valvole, collegamenti e componenti. Ogni elemento può generare perdite di carico. Il risultato finale dipende quindi dalla qualità del progetto complessivo.
Che differenza c’è tra un bi-turbo parallelo e uno sequenziale?
Nel sistema parallelo i due turbocompressori lavorano contemporaneamente, normalmente dividendo il flusso dei gas di scarico. Una configurazione tipica consiste nell’assegnare un turbo a ciascuna bancata di un motore a V. Nel sistema sequenziale, invece, il funzionamento dei due turbocompressori viene gestito in maniera diversa in funzione del regime e del carico. Un turbocompressore può intervenire principalmente ai bassi regimi, mentre il secondo viene progressivamente coinvolto quando aumenta la richiesta di aria. La configurazione sequenziale può consentire di ampliare la gamma di funzionamento utile, ma richiede una gestione dei flussi molto più complessa.
A parità di pressione di sovralimentazione, perché la coppia può essere simile?
La pressione di sovralimentazione indica la condizione di pressione dell’aria nel sistema di aspirazione, ma da sola non descrive completamente la quantità di aria che entra nel cilindro. La coppia dipende dalla massa d’aria effettivamente introdotta, dall’efficienza volumetrica, dalla temperatura dell’aria, dalla quantità di combustibile utilizzata e dall’efficienza con cui la pressione generata durante la combustione viene trasformata in lavoro meccanico. Per questo motivo un mono-turbo e un bi-turbo regolati alla stessa pressione possono sviluppare una coppia comparabile. La differenza può emergere nella rapidità con cui raggiungono quella pressione e nella capacità di mantenerla alle diverse condizioni di funzionamento.
Che ruolo ha la temperatura dell’aria compressa?
Durante la compressione l’aria aumenta di temperatura. Un’aria più calda è meno densa rispetto alla stessa aria a temperatura inferiore e, a parità di pressione, può quindi contenere una massa inferiore di ossigeno. Per questo motivo il rendimento del compressore è importante quanto il semplice valore della pressione. Un compressore che raggiunge una determinata pressione con un rendimento superiore può produrre aria meno calda e consentire una gestione più efficace della massa d’aria. È uno dei motivi per cui, nel confronto tra turbocompressori, non è sufficiente considerare soltanto il valore massimo di pressione.
Che cosa si può modificare durante l’elaborazione di un turbocompressore?
Un turbocompressore può essere modificato intervenendo su diversi componenti, ma ogni modifica deve essere valutata in relazione al funzionamento dell’intero gruppo. Tra gli interventi possibili rientrano la sostituzione o modifica della girante del compressore, la modifica della girante della turbina, la lavorazione delle chiocciole, l’ottimizzazione dei passaggi interni, la sostituzione dei cuscinetti e l’aggiornamento del gruppo rotante. Un’elaborazione efficace deve tenere conto della portata richiesta dal motore, del rapporto di compressione, del regime di funzionamento e della zona della mappa del compressore nella quale si desidera lavorare.
Che cosa significa lavorare la chiocciola del turbocompressore?
La chiocciola è il corpo che raccoglie e indirizza il flusso verso la girante della turbina oppure convoglia l’aria compressa verso l’uscita del compressore. La sua geometria influenza direttamente velocità del flusso, distribuzione della pressione e perdite di carico. Durante un’elaborazione possono essere effettuate lavorazioni e raccordature specifiche per ottimizzare il passaggio del fluido. Non è però corretto pensare che una chiocciola più grande o semplicemente più “aperta” sia sempre migliore. La geometria deve essere compatibile con la girante e con la portata prevista.
Quanto conta la lavorazione delle giranti?
La girante è uno degli elementi più importanti del turbocompressore. Diametro, numero e forma delle palette, angoli di ingresso e uscita e geometria del mozzo influenzano direttamente il comportamento della macchina. Una girante progettata per una portata elevata può essere molto efficace agli alti regimi, ma potrebbe non offrire la stessa rapidità di risposta di una girante più piccola. Nell’elaborazione professionale è quindi fondamentale scegliere una geometria coerente con il motore, anziché aumentare semplicemente il diametro della girante.
Perché la bilanciatura del turbocompressore è così importante?
Il gruppo rotante di un turbocompressore può raggiungere regimi estremamente elevati. A queste velocità anche un piccolo squilibrio può generare forze centrifughe importanti. Albero e giranti devono quindi essere sottoposti a bilanciatura di precisione. Un turbocompressore modificato senza una corretta bilanciatura può sviluppare vibrazioni, aumentare il carico sui cuscinetti e ridurre significativamente l’affidabilità del sistema. Per questo motivo la lavorazione di un turbo non può essere considerata esclusivamente un intervento sulle dimensioni delle giranti.
Che ruolo hanno i cuscinetti?
I cuscinetti sostengono l’albero del turbocompressore e devono permetterne la rotazione ad altissima velocità mantenendo attriti e giochi entro limiti controllati. A seconda del progetto possono essere utilizzate bronzine oppure soluzioni con cuscinetti volventi. La scelta influenza attrito, stabilità del rotore, risposta e capacità di sopportare i carichi. Anche la lubrificazione è fondamentale. Pressione, portata e temperatura dell’olio devono essere compatibili con le caratteristiche del turbocompressore.
Un turbo più grande significa automaticamente più potenza?
No. Aumentare le dimensioni del turbocompressore aumenta potenzialmente la capacità di portata, ma non garantisce automaticamente un incremento delle prestazioni. Un turbocompressore sovradimensionato può risultare più lento nella risposta e può lavorare fuori dalla zona di massima efficienza alle condizioni di utilizzo più frequenti. L’obiettivo dell’elaborazione dovrebbe quindi essere individuare il turbocompressore e la relativa configurazione capaci di lavorare nella zona più adatta alla curva di utilizzo del motore.
Qual è quindi il principale vantaggio del bi-turbo?
Il principale vantaggio non è semplicemente avere due turbine invece di una, ma poter utilizzare una diversa strategia di dimensionamento e gestione del flusso. Due turbocompressori possono consentire una distribuzione più favorevole della portata, gruppi rotanti potenzialmente meno inerziali e una gestione più flessibile della sovralimentazione. Se progettato correttamente, il sistema può quindi offrire una risposta più pronta mantenendo una buona capacità di alimentazione agli alti regimi. Il mono-turbo, invece, mantiene il vantaggio della semplicità e può raggiungere prestazioni molto elevate quando turbina, compressore e dimensionamento generale sono correttamente abbinati al motore.
Qual è il parametro più importante quando si sceglie un turbocompressore?
Non esiste un singolo parametro sufficiente a descrivere il comportamento di un turbo. Bisogna considerare almeno portata d’aria, rapporto di compressione, rendimento, regime di rotazione, inerzia, caratteristiche della turbina, pressione di scarico, temperatura dell’aria e obiettivo della preparazione. La scelta corretta nasce quindi dall’abbinamento tra motore e turbocompressore. Un turbo efficiente non è necessariamente quello capace di generare la pressione più elevata, ma quello che riesce a fornire la portata richiesta lavorando in condizioni efficienti e compatibili con il regime di utilizzo del motore.
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