6 diversi tipi di turbocompressore e i vantaggi di ciascuna configurazione

Qual è la differenza tra turbocompressori singoli, doppi, twin-scroll, a geometria variabile o persino elettrici? Quali sono i vantaggi di ogni configurazione?

Il mondo della sovralimentazione ha tanta varietà quanto i layout dei motori. Diamo un'occhiata ai diversi stili:

Turbocompressori elettriciTurbocompressore singolo

I turbocompressori singoli da soli hanno una variabilità illimitata. Differenziare le dimensioni della girante del compressore e della turbina porterà a caratteristiche di coppia completamente diverse. I turbo di grandi dimensioni porteranno a una potenza elevata agli alti regimi, ma i turbo più piccoli forniranno una migliore coppia ai bassi regimi poiché si avviano più velocemente. Ci sono anche turbo singoli con cuscinetti a sfera e cuscinetti a bronzina. I cuscinetti a sfera forniscono meno attrito per la rotazione del compressore e della turbina, quindi sono più veloci ad avviarsi (aggiungendo costi).

• Vantaggi:

• Modo economico per aumentare la potenza e l'efficienza di un motore.

• Semplice, generalmente la più facile delle opzioni di sovralimentazione da installare.

• Consente di utilizzare motori più piccoli per produrre la stessa potenza dei motori a aspirazione naturale più grandi, il che può spesso ridurre il peso.

• Costo e complessità, poiché ora è necessario tenere conto del motore elettrico e assicurarsi che rimanga freddo per prevenire problemi di affidabilità. Questo vale anche per i controller aggiunti.

• I turbo singoli tendono ad avere un intervallo di regimi utile piuttosto ristretto. Questo rende il dimensionamento un problema, poiché dovrai scegliere tra una buona coppia ai bassi regimi o una migliore potenza agli alti regimi.

• La risposta del turbo potrebbe non essere rapida come le configurazioni turbo alternative.

2. Turbo doppio

Proprio come i turbocompressori singoli, ci sono molte opzioni quando si utilizzano due turbocompressori. Potresti avere un singolo turbocompressore per ogni bancata di cilindri (V6, V8, ecc.). In alternativa, un singolo turbocompressore potrebbe essere utilizzato per i bassi regimi e bypassare un turbocompressore più grande per gli alti regimi (I4, I6, ecc.). Potresti anche avere due turbo di dimensioni simili in cui uno viene utilizzato a bassi regimi ed entrambi vengono utilizzati a regimi più elevati. Sulle BMW X5 M e X6 M, vengono utilizzati turbo twin-scroll, uno su ciascun lato del V8.

• Vantaggi:

• Per i turbo doppi paralleli su motori a forma di 'V', i vantaggi (e gli svantaggi) sono molto simili alle configurazioni turbo singole.
• Per i turbo sequenziali o l'utilizzo di un turbo a bassi regimi ed entrambi agli alti regimi, ciò consente una curva di coppia molto più ampia e piatta. Migliore coppia ai bassi regimi, ma la potenza non si ridurrà agli alti regimi come con un piccolo turbo singolo.

• Svantaggi:

• Costo e complessità, poiché hai quasi il doppio dei componenti del turbo.
• Esistono modi più leggeri ed efficienti per ottenere risultati simili (come discusso di seguito).

3. Turbo Twin-Scroll

I turbocompressori twin-scroll sono migliori in quasi tutti i modi rispetto ai turbo single-scroll. Utilizzando due scroll, gli impulsi di scarico sono divisi. Ad esempio, sui motori a quattro cilindri (ordine di accensione 1-3-4-2), i cilindri 1 e 4 potrebbero alimentare uno scroll del turbo, mentre i cilindri 2 e 3 alimentano uno scroll separato. Perché questo è vantaggioso? Diciamo che il cilindro 1 sta terminando la sua corsa di potenza quando il pistone si avvicina al punto morto inferiore e la valvola di scarico inizia ad aprirsi. Mentre ciò accade, il cilindro 2 sta terminando la corsa di scarico, chiudendo la valvola di scarico e aprendo la valvola di aspirazione, ma c'è una certa sovrapposizione. In un collettore turbo tradizionale a singolo scroll, la pressione di scarico dal cilindro 1 interferirà con il cilindro 2 che aspira aria fresca poiché entrambe le valvole di scarico sono temporaneamente aperte, riducendo la quantità di pressione che raggiunge il turbo e interferendo con la quantità di aria che il cilindro 2 aspira. Dividendo gli scroll, questo problema viene eliminato.

• Collegando direttamente un motore elettrico alla girante del compressore, il turbo lag e i gas di scarico insufficienti possono essere virtualmente eliminati facendo girare il compressore con l'alimentazione elettrica quando necessario.

• Viene inviata più energia alla turbina di scarico, il che significa più potenza.
• È possibile un intervallo di regimi più ampio di sovralimentazione efficace in base ai diversi progetti degli scroll.
• È possibile una maggiore sovrapposizione delle valvole senza ostacolare la pulizia dello scarico, il che significa maggiore flessibilità di messa a punto.

• Costo e complessità rispetto all'utilizzo di un turbo singolo o twin-scroll tradizionale.

• Richiede un layout del motore e un design dello scarico specifici (es: I4 e V8 in cui 2 cilindri possono essere alimentati a ciascuno scroll del turbo, a intervalli regolari).
• Costo e complessità rispetto ai turbo singoli tradizionali.

Turbocompressori elettriciTurbocompressore a geometria variabile (VGT)

Forse una delle forme più eccezionali di sovralimentazione, i VGT sono limitati nella produzione (sebbene abbastanza comuni nei motori diesel) a causa dei costi e dei requisiti di materiali esotici. Le alette interne all'interno del turbocompressore modificano il rapporto area-raggio (A/R) per corrispondere ai giri/min. A bassi regimi, viene utilizzato un basso rapporto A/R per aumentare la velocità dei gas di scarico e avviare rapidamente il turbocompressore. All'aumentare dei giri, il rapporto A/R aumenta per consentire un maggiore flusso d'aria. Il risultato è un basso turbo lag, una bassa soglia di sovralimentazione e una banda di coppia ampia e uniforme.

• Vantaggi:

• Curva di coppia ampia e piatta. Sovralimentazione efficace a un intervallo di regimi molto ampio.
• Richiede un solo turbo, semplificando una configurazione turbo sequenziale in qualcosa di più compatto.

• Svantaggi:
• Tipicamente utilizzato solo nelle applicazioni diesel in cui i gas di scarico sono inferiori, quindi le alette non verranno danneggiate dal calore.
• Per le applicazioni a benzina, il costo di solito li esclude poiché i metalli esotici devono essere utilizzati per mantenere l'affidabilità. La tecnologia è stata utilizzata sulla Porsche 997, sebbene esistano pochissimi motori a benzina VGT a causa dei costi associati.

Turbocompressori elettriciTurbocompressore Twin-Scroll Variabile

Potrebbe essere questa la soluzione che stavamo aspettando? Mentre partecipavo al SEMA 2015, mi sono fermato allo stand BorgWarner per esaminare le ultime novità in fatto di sovralimentazione, tra i concetti c'è il turbo twin-scroll variabile come descritto nel video sopra.

• Vantaggi:

• Significativamente più economico (in teoria) dei VGT, rendendo quindi un caso accettabile per la sovralimentazione a benzina.
• Consente una curva di coppia ampia e piatta.
• Più robusto nel design rispetto a un VGT, a seconda della selezione dei materiali.
   
• Svantaggi:Costo e complessità rispetto all'utilizzo di un turbo singolo o twin-scroll tradizionale.
• La tecnologia è stata sperimentata in precedenza (es: valvola di avvio rapido) ma non sembra prendere piede nel mondo della produzione. Ci sono probabilmente ulteriori sfide con la tecnologia.
• 1.

Turbocompressori elettriciLa tecnologia brevettata Full Electric Turbocharger di Aeristech è una nuova tecnologia abilitante che aiuterà i produttori di veicoli a soddisfare la rigorosa legislazione sulle emissioni future, fornendo al contempo un'eccellente risposta in tutto l'intervallo di funzionamento del motore, anche a bassi regimi del motore e velocità del veicolo. FETT è la soluzione definitiva per l'estremo ridimensionamento del motore e una migliore efficienza del motore utilizzando un turbocompressore a stadio singolo.

L'inserimento di un potente motore elettrico nel mix elimina quasi tutti gli svantaggi di un turbocompressore. Turbo lag? Sparito. Non abbastanza gas di scarico? Nessun problema. Il turbo non può produrre coppia ai bassi regimi? Ora può! Forse la prossima fase della sovralimentazione moderna, ci sono indubbiamente anche svantaggi del percorso elettrico.

Vantaggi:

• Collegando direttamente un motore elettrico alla girante del compressore, il turbo lag e i gas di scarico insufficienti possono essere virtualmente eliminati facendo girare il compressore con l'alimentazione elettrica quando necessario.

• Collegando un motore elettrico alla turbina di scarico, l'energia sprecata può essere recuperata (come avviene in Formula 1).
• Un intervallo di regimi utile molto ampio con coppia uniforme.
• Svantaggi:
   

• Costo e complessità, poiché ora è necessario tenere conto del motore elettrico e assicurarsi che rimanga freddo per prevenire problemi di affidabilità. Questo vale anche per i controller aggiunti.

• L'imballaggio e il peso diventano un problema, soprattutto con l'aggiunta di una batteria a bordo, che sarà necessaria per fornire energia sufficiente al turbo quando necessario.
• I VGT o i twin-scroll possono offrire vantaggi molto simili (anche se non allo stesso livello) a un costo significativamente inferiore.