La turbosovralimentazione: gli impianti Twin-scroll

La turbosovralimentazione: gli impianti Twin-scroll

L’applicazione delle volute Twin-entry agli impianti turbo: nasce il Twin-scroll.

Procediamo con la nostra trattazione sulla turbosovralimentazione del motore termico.
Nel precedente articolo si è parlato delle volute a geometria variabile (VVT) introducendo i sistemi Twin-scroll.

Schema di un turbocompressore Twin-scroll. I flussi provenienti dai cilindri sono accoppiati e canalizzati nei due settori della voluta prima di investire la palettatura della turbina.

Il Twin-Scroll è un sistema di turbosovralimentazione ideato per mantenere separati i flussi pulsanti provenienti dal motore in modo da evitarne la reciproca interferenza. Per farlo, sfrutta una voluta di tipo Twin-entry attraversata da due canali di dimensioni differenti: uno a sezione più grande che si sviluppa lungo la sezione trasversale con una leggera angolazione rispetto all’asse verticale del corpo macchina ed uno a sezione più piccola realizzato con un’angolazione più accentuata.

Spaccato di un turbocompressore Twin-scroll. Vengono messi in evidenza i due canali della voluta, uno a sezione più grande (in giallo) ed uno più piccolo e angolato (in rosso).

Il primo serve a massimizzare le prestazioni mentre il secondo velocizza la risposta al transitorio. La collaborazione dei due consente di mitigare contemporaneamente gli effetti di due criticità tipiche della turbosovralimentazione: il turbo-lag, cioè il ritardo legato all’adeguamento fluidodinamico dell’impianto alle variazioni dei carichi di esercizio imposti dal motore, e l’interferenza reciproca delle onde di pressione che alternatamente si generano allo scarico. Queste, oltre a facilitare l’aspirazione della carica fresca grazie alla depressione conseguente allo scarico, assistono positivamente il processo di lavaggio dei cilindri consentendo di accentuare lo sfruttamento dell’overlap, cioè quella condizione in cui, per un certo lasso di tempo, entrambe le valvole di aspirazione e scarico sono aperte.

Vista frontale di una voluta Twin-entry montata su un impianto Twin-scroll.

Grazie ad un’adeguata gestione degli anticipi e dei ritardi dell’apertura delle valvole è possibile ottimizzare le prestazioni del motore, rendendolo globalmente più performante rispetto ad un suo concorrente che non è in grado di sfruttare adeguatamente tale tecnica, nota nel mondo dei motori con il nome di scavenging.

Modello tridimensionale del Twin-scroll Lexus NX 200t.

In particolare, ciò che rende estremamente vantaggioso lo scavenging è la possibilità di aumentare il ritardo dell’iniezione, riducendo sensibilmente il picco della temperatura nei cilindri e, di conseguenza, nei gas di scarico. L’abbassamento della temperatura ha fatto registrare un complessivo aumento dell’efficienza della turbina in percentuali variabili dal 7% all’8% ed un’ottimizzazione dei consumi che si aggira attorno al 5% rispetto ai sistemi tradizionali.

Il risultato è un dispositivo piuttosto compatto e performante che risponde positivamente alle sempre più stringenti richieste del downsizing: riuscire a ridurre le dimensioni di un motore produce un doppio vantaggio che influenza sensibilmente le prestazioni della macchina. Durante l’accelerazione un motore di grosse dimensioni richiede un alto valore di coppia per raggiungere le massime prestazioni e il fenomeno del turbo-lag si manifesta con maggiore evidenza a causa delle grandi inerzie che si oppongono alle variazioni di regime. Al contrario, un motore più piccolo ha bisogno di un torcente minore essendo le inerzie più contenute.

Evoluzione della curva di coppia necessaria per un grosso turbocompressore.
Il grafico confronta la curva di coppia di un motore di grosse dimensioni con una di un motore più piccolo, evidenziando la riduzione del turbo-lag legata alla diminuzione delle inerzie coinvolte.

In conclusione, gli impianti Twin-scroll hanno avuto un buon successo nel mercato grazie alle possibilità di ridurre gli ingombri senza perdere in prestazioni. Di contro, per sua natura il sistema Twin-scroll è utilizzabile solo su motori con un numero pari di cilindri a causa della necessità di accoppiamento dei collettori di scarico.

Queste caratteristiche, nonostante lo rendano particolarmente desiderato per la realizzazione di veicoli di piccole dimensioni quali le utilitarie, hanno consentito al Twin-scroll di essere scelto per la realizzazione di motori di grossa taglia, come ad esempio il B48 da 2000 cm3 prodotto da BMW ed impiegato nelle recenti serie 5 e Mini Cooper.

 

Modello tridimensionale del B48 prodotto da BMW. Il basamento che ospita i 4 cilindri, per un totale di 2000 cm3, è realizzato in lega di alluminio e viene prodotto in 5 varianti di potenza. Nel 2014 la versione da 211 CV viene introdotta sulla Mini Cooper S F56 e dal 2017 viene installato nella versione da 252 CV sulla BMW 530i / 530i xDrive G30/G31.

 

Nel prossimo articolo della nostra trattazione sposteremo l’attenzione dalla voluta alla turbina, analizzando le tecniche a geometria variabile che hanno avuto più successo nel mercato dell’automotive.

Lascia un commento