Turbosovralimentazione a geometria variabile con sistema rotante: pivoting vanes

Turbosovralimentazione a geometria variabile con sistema rotante: pivoting vanes

Un sistema alternativo alla turbosovralimentazione con anello scorrevole.


Procediamo con la nostra trattazione sulla turbosovralimentazione del motore termico. Nel precedente articolo abbiamo analizzato lo sliding nozzle, un sistema a geometria variabile che utilizza un meccanismo costituito da un anello scorrevole assialmente per variare l’AR (Aspect Ratio) della sezione d’ingresso in turbina.

Un altro metodo molto diffuso per modulare le geometrie in gioco è quello delle pale rotanti, noto nel mondo dell’automotive con il termine di pivoting vanes (VNT, Variable Nozzle Turbine). A differenza del sistema a scorrimento, il meccanismo di pivoting non utilizza traslazioni lungo l’asse della turbina, ma sfrutta un anello rigido sul quale vengono installate una serie di pale attraverso perni che consentono loro di ruotare. In questo modo il gruppo di pale che circonda la girante costituisce un dispositivo statorico costituito da componenti rotanti: tale rotazione consente di modificare l’area di passaggio dei gas combusti provenienti dai collettori di scarico del motore.

Turbosovralimentazione VGT Pivoting vanes VNT
Modello 3D di un impianto turbo VNT ad attuazione pneumatica.
Sono indicati: 1 involucro turbina, 2 rotore turbina, 3 pale rotanti, 4 anello di supporto, 5 meccanismo per attuare la rotazione, 6 leveraggio per l’attuazione, 7 rotore compressore, 8 involucro compressore, 9 attuatore pneumatico.

È importante sottolineare che l’intero gruppo pivoting è sempre interamente investito dal flusso dei gas di scarico. Pertanto, durante l’esercizio, le pale tenderanno ad essere chiuse ai bassi carichi in modo da non attivare la turbina. Al contrario, quando il numero di giri del motore aumenta, queste tenderanno ad aprirsi per evitare il manifestarsi del blocco sonico, con conseguente aumento della sezione di attraversamento e quindi della portata entrante nel rotore.

Schema turbosovralimentazione VGT
Schema con sezione e vista frontale dei un generico impianto turbo VNT. E’ evidente come le pale dell’anello a geometria variabile sono costantemente investite dai gas di scarico del motore.

Così come per il meccanismo a scorrimento, anche quello a rotazione si sposa bene con il sistema di ricircolo dei gas combusti (Exhaust Gas Recirculation, EGR), ben adattando alla bisogna le condizioni del flusso richieste: pompando infatti una parte dei gas esausti nel cilindro, si ottiene una riduzione delle emissioni di ossidi d’azoto (NOx) riducendo il numero delle molecole d’ossigeno (O2). Nei dispositivi a geometria variabile il flusso di ricircolo è determinato dall’AR, essendo questo a governare la differenza di pressione fra il collettore di aspirazione e quello di mandata. Solitamente il sistema EGR è impiegato nei motori diesel piuttosto che in quelli a benzina per via delle più basse temperature dei gas esausti (circa 850°C contro 1000°C).

Turbosovralimentazione VGT pivoting ring
Set di immagini rappresentanti il gruppo pivoting di un impianto VNT. Le immagini A e B mostrano il meccanismo di regolazione cui viene affidata la rotazione. Le immagini C e D offrono una chiara vista della palettatura.

A differenza del sistema a scorrimento, il quale sfrutta la combinazione delle geometrie di elementi rigidi, quello a rotazione utilizza palettature che, ruotando, riescono a modulare la sezione di passaggio dei gas combusti con maggior accuratezza e a descrivere un intervallo di valori più ampio.

Confrontando i due sistemi, il pivoting offre prestazioni generalmente migliori, ma non sempre si rivela la soluzione ingegneristica più valida: le piccole pale rotanti hanno spessori minori e, globalmente, resistenze agli stress meccanici e termici ben più ridotte rispetto al suo rivale, per cui dimostrano scarsa longevità quando impegnate in cicli di lavoro a temperature elevate per lungo tempo.

Mitsubishi Heavy Industries ha condotto un’interessante ricerca sui possibili profili delle pale dei propri turbocompressori per impianti diesel, riscontrando che, alle alte temperature, il metallo delle pale subisce dilatazioni significative, ovvero tali da causare forti ed anomale pressioni di contatto (attrito) fra parti in movimento e parti fisse di sostegno. Tra le varie soluzioni proposte per ovviare a tale inconveniente, quelle più degne di nota sono l’introduzione di un piccolo anello guida sporgente e l’ideazione di un sistema di attuazione meccanico più efficiente. Tuttavia, ad oggi, il problema della scarsa durata dei componenti rotanti non è stato ancora pienamente risolto, ma solo mitigato dall’impiego di leghe metalliche tecnologicamente avanzate e più performanti.

FIAT Multijet JTD turbosovralimentazione
Il Multijet della FIAT Croma 1.9 JTD da 150 CV.

Lanciato in Italia oltre venti anni fa con la Fiat Croma 1.9L, è stato nel 1995 che la prima generazione di impianti VNT ha raggiunto il suo successo mondiale, anno in cui fu scelto da Volkswagen e Audi per i motori diesel da 1.9L ad iniezione diretta. La consacrazione arrivò circa tre anni dopo, quando furono equipaggiati con profili palettati più evoluti coadiuvati dall’introduzione dei sistemi di attuazione elettrica. Un ulteriore passo avanti, che ha portato alla terza generazione di VNT, è stato realizzato in occasione del lancio delle nuove Serie 1 da BMW, la quale ha sviluppato un involucro evoluto e geometrie alari in grado di sfruttare al meglio l’aerodinamica dell’impianto, realizzando un sistema capace di trasformare il 130% della pressione di spinta erogata dagli impianti di seconda generazione in contropressione di recupero.

Turbosovralimentazione VGT A 360DOHC HP
Il motore A 630 DOHC HP 24V realizzato da VM Motori per il gruppo FCA. Con i suoi 6 cilindri a V riesce ad erogare ben 200 kW a 4000 rpm, presentandosi come uno dei più potenti turbodiesel monostadio VGT attualmente sul mercato.

 

Turbosovralimentazione L 630 DOHC
Lo splendido L 630 DOHC, prodotto da VM Motori ed utilizzato sul RAM 1500 3.0L EcoDiesel VGT, riesce ad erogare 177 kW e una coppia di 570 Nm rispondendo positivamente alle normative sulle emissioni attualmente vigenti in Nord America.

Nei prossimi articoli della nostra trattazione faremo un piccolo passo indietro e affronteremo i temi della lunghezza dei collettori di aspirazione e scarico e dello scavenging, tecnica già presentata nei precedenti articoli che merita un approfondimento prima di presentare i più nuovi impianti turbo disponibili nel mercato dell’automotive.

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