TURBOEVOLUZIONI QUATTRORUOTE

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1 LA TECNICA DELLA SOVRALIMENTAZIONE HA FATTO GRANDI PASSI AVANTI DA QUESTA PRIMA APPLICAZIONE. LA PORSCHE RSR DEL 1974, PRIMO TURBOGRUPPO CHE GAREGGIA NELLE GARE USA. OGGI LA SOVRALIMENTAZIONE E' DI NUOVO IN AUGE. TWIN, MULTISTAGE, COOLED. QUELLA SEMPLICE NON BASTA PIU'. L EFFICIENZA MOTORISTICA SI DA BATTAGLIA. ECCO UN SURVEY SUGLI ULTIMI INGRESSI. Le analisi tecniche dell ing. Paolo Massai pag 1 di /07/03

2 IL PRIMO TURBOGRUPPO A GEOMETRIA VARIABILE SU UN MOTORE BENZINA: PORSCHE 911 TURBO E stato il motore Diesel a supportare il notevole sviluppo della sovralimentazione a turbina. Dopo averlo ereditato dal benzina. Nel 1989 la regolamentazione di Formula 1 proibisce il turbo. Si era arrivati all incredibile traguardo dei 1000 cv/litro! Di conseguenza i motori benzina delle vetture di serie, più per ragioni di marketing che tecniche, iniziarono ad abbandonare questa tecnologia. Adducendo come motivazione i valori di consumo specifico troppo elevati. Oggi finalmente si sta osservando una notevole ripresa, e si riparte proprio dalla versione che sul Diesel ha dimostrato la massima efficienza: la Geometria Variabile della Turbina. Limitata finora sul benzina dalle temperature elevate, mediamente più alte di 200, 250. Inizia Porsche, che in verità non ha mai abbandonato una versione turbo per i suoi boxer, e la applica sulla versione 2006 della 911 Turbo. Come risolve il problema? Abbastanza genialmente. Con materiali speciali, ma soprattutto con l aggiunta di un raffreddamento mediante circolazione forzata di acqua, in senso trasversale al percorso della lubrificazione olio. TURBOEVOLUZIONI QUATTRORUOTE Le palette dello statore della turbina orientate per assorbire il flusso massimo La turbina a geometria variabile di 911 nella situazione fluidodinamica adatta ai bassi regimi La camera di circolazione dell acqua di raffreddamento intorno all alberino del turbogruppo. I due flussi, acqua e olio hanno andamenti perpendicolari Le analisi tecniche dell ing. Paolo Massai pag 2 di /07/03

3 La circolazione dell acqua è assicurata da una pompa elettrica, funzionante anche a motore spento, e comandata dalla temperatura dell olio. La pompa si disinserisce solo quando la temperatura dell olio sia scesa sotto valori di sicurezza. Il progetto è stato sviluppato congiuntamente da Porsche e KKK, poi assorbita nel gruppo Borg Warner. Il problema dei consumi specifici è ora stato risolto grazie a due innovazioni tecnologiche: la geometria variabile della turbina che ha aumentato la permeabilità, riducendo le contropressioni allo scarico e la distribuzione variabile VarioCamPlus. In grado di controllare meglio le temperature dei gas di scarico ed eliminare quello che era il difetto maggiore dei primi turbo benzina: il raffreddamento dei gas di scarico mediante eccesso di combustibile. in questa foto si vede il canale verticale di adduzione dell olio di lubrificazione per i cuscinetti e l ingresso del condotto di acqua di raffreddamento, a 90 rispetto al primo La presentazione in USA, mercato molto importante per il suo 50% di assorbimento è stata effettuata sullo storico circuito di Watkins Glen. Dove Porsche aveva cominciato nel 74 a mietere successi sportivi, prima Turbo in USA. QUATTRORUOTE, unico partecipante italiano, ha raccolto queste immagini per i suoi lettori. Le tubazioni del circuito acqua di raffreddamento dell olio nella turbina La 911 Turbo all ingresso di Watkins Glen Le analisi tecniche dell ing. Paolo Massai pag 3 di /07/03

4 La 911 Turbo e la RSR Turbo Carrera 2.14: 32 anni di evoluzione tecnica Le analisi tecniche dell ing. Paolo Massai pag 4 di /07/03

5 TURBO E COMPRESSORE VOLUMETRICO: UNA SINTESI MIRABILE Per prima fu la Lancia S4 ad introdurre il compressore volumetrico in aggiunta alla sovralimentazione a turbina. Per migliorare la risposta ai bassi regimi, per avviare più velocemente il turbo. Oggi riprende questo progetto la VW. Per il suo benzina downsize. Appunto un motore di cilindrata ridotta, ma reso potente ed efficiente dal sistema di sovralimentazione doppio, turbogruppo e compressore volumetrico. Consumi specifici competitivi. Addirittura consumi combustibile in città secondo le norme ECE paragonabili a quelli di un normale 4 cilindri da 1,4 litri, ma potenza specifica pari a 122,3 Cv/litro: più di un motore sportivo! TURBOEVOLUZIONI QUATTRORUOTE importante del motore benzina nei confronti della sovralimentazione. La richiesta ottanica si abbassa, la sovralimentazione diventa sempre più efficiente. Altro sviluppo importante il raccordo fluidodinamico tra il campo di funzionamento del volumetrico e quello del turbogruppo. Una valvola a farfalla fa da bypass, per l esclusione del volumetrico. Esclusione graduale a partire dai 2000 rpm, e totale al disopra dei 3500 rpm. In realtà anche la S4 aveva questa farfalla bypass, con lo stesso principio di funzionamento. Ulteriore contributo dal mondo delle corse a quello delle vetture di serie. Anche se con 25 anni di ritardo. Il compressore volumetrico del VW 1,4 TSI VW 1.4 TSI: La farfalla di regolazione dell alimentazione all ingresso del collettore di aspirazione in primo piano. La farfalla di by-pass del volumetrico, più in alto, in secondo piano Soprattutto compare per la prima volta l iniezione diretta, congiunta alla sovralimentazione. Il limite alla sovralimentazione nel motore benzina è dato dalla detonazione. L iniezione diretta e la sua nat urale conseguenza sulla forma della camera di combustione, rappresentano l evoluzione più Le analisi tecniche dell ing. Paolo Massai pag 5 di /07/03

6 VW 1.4 TSI: Lo schema di funzionamento: il compressore volumetrico a farfalla by-pass chiusa (Regelklappe) sovralimenta e manda al compressore. Da qui all intercooler e quindi al collettore di aspirazione, regolato dalla farfalla principale (Drosselklappe) A farfalla by-pass aperta, il volumetrico è isolato, il comando meccanico del volumetrico interrotto dal giunto elettromagnetico, ed il flusso indirizzato direttamente al turbogruppo. Poi intercooler e quindi colletore di aspirazione Le analisi tecniche dell ing. Paolo Massai pag 6 di /07/03

7 La sovralimentazione ottenuta di solo volumetrico, con farfalla by -pass chiusa. L aria viene aspirata dal volumetrico. Compressa dal volumetrico torna in aspirazione turbogruppo, lato compressore, viene mandata all intercooler ed arriva al collettore di aspirazione VW 1.4 TSI: Il complessivo turbogruppo, molto compatto e di dimensioni ridotte, sviluppato dal collettore di scarico verso l alto, per motivi di ingombro vano motore Le analisi tecniche dell ing. Paolo Massai pag 7 di /07/03

8 VW 1.4 TSI: Farfalla by-pass volumetrico aperta, sovralimentazione tutta dal turbogruppo VW 1.4 TSI: Il turbogruppo sviluppato in verticale con uscita dei gas di scarico in basso nel catalyst in posizione ravvicinata per il controllo delle emissioni Euro 4 Le analisi tecniche dell ing. Paolo Massai pag 8 di /07/03

9 ALTRO ECCELLENTE MOTORE BENZINA CHE RISCOPRE LA TECNOLOGIA DELLA TURBOSOVRALIMENTAZIONE: BMW 6 CILINDRI 3 LITRI Ha fatto scuola nel campo dei motori aspirati. Il 6 cilindri in linea BMW, sempre leader per innovazione, ora applica la sovralimentazione. Con 2 turbogruppi distesi sulla linea di scarico. Comandati da 2 gruppi di 3 cilindri. Praticamente un Twin stile 6 cilindri a V, ma disteso per il motore in linea. Tecnologia innovativa, soprattutto se si considera che è unita alla iniezione diretta. Cilindrata di 3 litri. Potenza massima e coppia migliori degli attuali 5 litri, con consumi di combustibile decisamente minori. 2 piccoli turbo per annullare il turbo lag, ed iniettore in posizione innovativa, affiancato alla candela, prima assoluta. TURBOEVOLUZIONI QUATTRORUOTE BMW 6 cilindri 3 litri in linea biturbo: le dimensioni ridotte della girante turbina, per ridurre il turbolag. Ogni turbogruppo è calibrato per una cilindrata di 1,5 litri BMW 6 cilindri 3 litri in linea biturbo: il perfetto layout dei due turbogruppi, assolutamente simmetrici, supportati da cortissimi collettori di scarico 3 in 1. A ridosso delle valvole di scarico Le analisi tecniche dell ing. Paolo Massai pag 9 di /07/03

10 BMW 6 cilindri 3 litri in linea biturbo: l iniettore benz ina diretta è adesso in asse con il cilindro con spray in asse con la candela. Innovazione nel campo dell iniezione diretta di combustibile Le analisi tecniche dell ing. Paolo Massai pag 10 di /07/03

11 L ULTIMA EVOLUZIONE NEL CAMPO DEI DIESEL: IL DOPPIO TURBOGRUPPO SEQUENZIALE DI PEUGEOT Per superare le limitazioni ancora presenti nel turbogruppo con Geometria Variabile lato turbina, Peugeot ha ideato un doppio turbogruppo. Sul suo 4 cilindri da 2.2 di cilindrata. Chiamato 2.2 HDi. Fornitore Honeywell, ex Garrett, famosa competitrice di KKK. Ovvero due sistemi, mirabilmente compattati in modo da ottenere un layout compatibile con i vani motore limitati delle vetture odierne. Due turbogruppi a geometria fissa, in parallelo rispetto al flusso di scarico, e che funzionano in modo sequenziale. Fino a 2600 rpm in azione il primo, poi tutti e due. Ovviamente la sovralimentazione inizia da un regime veramente basso, appena 1200 rpm, e la permeabilità incrementata permette un funzionamento fino a 4600rpm. Con consumi specifici ulteriormente ridotti, proprio grazie alla aumentata permeabilità. Potenza incrementata a 170 Cv. Potenza specifica pari a 78 Cv/litro. TURBOEVOLUZIONI QUATTRORUOTE Hdi 2.2: schema di funzionamento con tutti e due i turbogruppi attivati Hdi 2.2:: schema di funzionamento con regime motore inferiore a 2600 giri/1 : la elettrovalvola C controllata dalla centralina elettronica, chiude l afflusso dei gas di scarico alla turbina T2. La valvola B chiude la mandata del compressore C2, ricircolato dalla blow -up A Hdi 2.2: il turbogruppo doppio visto dal lato collettore di scarico, Honeywell, ex Garret Le analisi tecniche dell ing. Paolo Massai pag 11 di /07/03

12 HDi: il turbogruppo n 1 visto dal lato abitacolo; lo scarico che confluisce con il 2 HDi: la valvola di blow -off sulla mandata del 2 HDi: il turbogruppo n 1 visto da sotto: le mandate dai compressori con la valvola di chiusura sul compressore 2 HDi: le due aspirazioni aria ai compressori Le analisi tecniche dell ing. Paolo Massai pag 12 di /07/03

13 HDi: la valvola di chiusura ingresso Turbina 2 Guidando la 407 equipaggiata con il nuovo HDi 2.2, si avverte soprattutto l incremento di utilizzazione.. Piacevole spinta in sesta da 1200 giri, riprese consistenti da Utilizzo del motore fino a 4600 giri, senza avvertire cali di potenza. Motore dunque eccellente, con valori alti di pme, e potenza specifica allineati ma non superiori alla concorrenza. In più tutta una cura per ridurre vibrazioni e rumorosità. Contralberi per annullare le forze alterne del secondo ordine ed equilibrare completamente il motore. Sospensione motore molto curata, chiusura della farfalla in spegnimento per annullare i sobbalzi. HDi: le ridotte dimensioni delle giranti delle turbine dati Alfa Lexus IS 220 Serie 3 BMW Peugeot 407 JTDm d 320d HDi 2.2 Potenza Cv Coppia 400@ @ @ @1500 Nm Pot. Spec. 83,8 79,3 81,7 78 Cv/litro Pme Kg/cm 2 21,1 22,5 21,4 21,3 Le analisi tecniche dell ing. Paolo Massai pag 13 di /07/03

14 IL PRIMO DIESEL AD AVER APERTO LA STRADA AI DOPPI TURBOGRUPPI: BMW 6 CILINDRI 3 LITRI d E stata la BMW ad aprire la strada dei turbogruppi multipli nel campo dei Diesel. Con il suo 6 cilindri da 3 litri. Ben 272 Cv a 4400 rpm, per una potenza specifica di 90,9 Cv/litro. 560 Nm di coppia a 2000 rpm e sovralimentazione che parte da 1400 rpm! La tecnologia usata, di origine KKK, rimane ancora oggi la più complessa. I due turbogruppi sono in parallelo contrapposto, il secondo è escluso ai bassi regimi da una farfalla lato turbina, simile come realizzazione alla waste-gate. Una seconda farfalla, lato mandata del compressore, inibisce il collegamento con l intercooler e indirizza il flusso sull aspirazione dell altro compressore. In tal modo si assicura una certa velocità di base al secondo turbogruppo, per ridurne l inerzia al momento dell attuazione. TURBOEVOLUZIONI QUATTRORUOTE BMW 6 cilindri in linea 3 litri Diesel: si vede chiaramente dal collettore di scarico la camera unica che alimenta le due turbine, quella in alto sempre in funzione e l altra in basso, regolata da una farfalla principale, chiusa ai bassi regimi. L aspirazione aria arriva al compressore del secondo turbogruppo, e passa all aspirazione del primo per poi confluire sull intercooler. In questo caso l ingresso all intercooler dal secondo compressore è interdetto dalla farfalla che si vede chiusa in foto. Al momento della richiesta di piena potenza, la farfalla parzializzatrice della seconda turbina si apre. Il secondo turbogruppo entra in funzione, con poca inerzia dal momento che ruotava già grazie all aspirazione lato compressore, si apre la farfalla di comunicazione tra mandata secondo compressore ed intercooler, e inizia il funzionamento Twin BMW 6 cilindri 3 litri diesel: la disposizione in serie dei 2 turbogruppi e le sezioni dei componenti principali Le analisi tecniche dell ing. Paolo Massai pag 14 di /07/03

15 BMW 6 cilindri 3 litri Diesel: si vede la camera al termine del collettore di scarico 6 in 1, che alimenta le due turbine. Quella superiore sempre in flusso e quella inferiore, controllata da una farfalla attuata per via pneumatica, tramite controllo elettronico. Nella foto seguente la farfalla che chiude il passaggio intercooler-mandata compressore, quello posizionato in basso. In tale configurazione, la mandata del compressore posizionato in basso va ad alimentare l aspirazione del compressore posizionato in alto. In questo modo si mantiene sempre una certa velocità al gruppo in basso per ridurne il momento d inerzia al momento dell attuazione Le analisi tecniche dell ing. Paolo Massai pag 15 di /07/03

16 SVILUPPI FUTURI Il via alla sovralimentazione complessa è già stato dato. La previsione di maggior sviluppo questa volta però è per i motori a benzina. Grazie alla più favorevole situazione nei confronti della riduzione delle emissioni. Più facile e meno costosa. Sui benzina il problema del particolato non esiste ed il controllo degli NOx è già efficace. Sarà soprattutto la nuova ed impellente esigenza di riduzione dei consumi a spingere sul downsize. Ovvero la riduzione delle cilindrate. E quindi a spingere a sua volta sulla sovralimentazione per recuperare le prestazioni. I vecchi problemi di detonazione, consumo specifico alto sono già risolti con l iniezione diretta e la fasatura variabile degli assi a camme, aspirazione e scarico. Le nuove esigenze di riduzione del turbo lag ed ampliamento della permeabilità oggi affrontate con il doppio turbo, troveranno anche soluzioni più semplici e soprattutto più economiche, grazie alla geometria variabile sviluppata sulla parte fredda, lato compressore. I padri storici delle turbomacchine che sognavano grandi sviluppi sulla trazione terrestre a turbina, si risvegliano osservando questi piccoli turbo che riescono a dare nuova vita al vetusto motore a 4 tempi. Le analisi tecniche dell ing. Paolo Massai pag 16 di /07/03