L’eccellenza nei sistemi di sovralimentazione combinata: Audi SQ7 V8 TDi

Nello scorso approfondimento della rubrica legata alle powerunit, abbiamo trattato l’importanza del turbo compounding e del matching col motore. In tale approfondimento si analizzano pregi e difetti, limiti e compromessi da dover accettare, non per ultimo le soluzioni offerte. Senza dilungarci troppo, come promesso, analizziamo la soluzione offerta da Audi SQ7 e cerchiamo di capire come mai è così efficiente. Tra un attimo sarà tutto estremamente chiaro.

Schema progettuale:

Innanzi tutto parliamo di un Motore V8, Diesel, TDi, con 4 valvole per cilindro. La coppia delle valvole di scarico sono disaccoppiate, ed è la chiave per la differenziazione del turbocompound ai vari regimi. Inoltre sono presenti quindi due turbocompressori in parallelo, riducendo problemi di regolazione della portata e di dimensionamento dei due turbo (generalmente differenti se il layout è seriale). Oltre ai turbocompound vi è la presenza di un compressore volumetrico comandato elettricamente da un motore elettrico asincrono, collegato ad un alternatore e alimentazione. Può essere benissimo un sistema di tipo micro-hybrid: la potenza elettrica generata in fase di frenata viene recuperata e va ad alimentare il compressore volumetrico.

Come funziona?

La valvola (per ogni cilindro) porpora, scarica sempre gas esausti, mentre l’altra valvola (rossa) rimane chiusa. La modulazione delle due valvole avviene ai regimi medio-alti, cioè elevate velocità di rotazione del motore. Ai carichi parziali, ciò vuol dire che avremo parzializzato o ridotto la quota di combustibile iniettato (ricordiamoci che è un motore Diesel che lavora in eccesso d’aria) e tutta la portata dei gas (bassa, parzializzata), passa per le valvole A (porpora) ed entra nel turbocompressore 1. Non funzionano né il turbo (turbocompressore) 2, né il compressore elettrico.

Se fossi a pieno carico? (Gas spalancato)

Alle basse velocità di rotazione avrò chiuso la valvola di By-pass del compressore elettrico e lascerò l’aria entrare in esso, dopo aver ceduto calore con lo scambiatore (CAC1). In questo modo si aumenta la PR (pressure ratio) e si garantiscono valori di pressione massima maggiore nel cilindro; e dovendomi espandere, teoricamente, fino ad 1 bar, otterrei un lavoro netto nella corsa di espansione maggiore.

Una volta superato il transitorio, partenza scattante o sorpasso, devo evitare di aumentare troppo la pressione d’inerzia della colonna di fluido in ingresso, con la conseguenza di maggiori pressioni di sollecitazione a livello meccanico per il motore Diesel, da limitare per evitare di eccedere con i costi dei materiali di progettazione del motore (fattore in cima alla piramide della progettazione ingegneristica). Per evitarlo apro la valvola di bypass e l’aria a una certa pressione, andrà laddove incontra minor resistenza al moto, cioè seguirà il condotto ed entrerà in camera.

Massima velocità e alto carico:

Alle alte velocità e alti carichi sto elaborando una grossa portata che farebbe fatica a fuoriuscire solo ed esclusivamente dalle valvole A (porpora), ciò aumenterebbe il lavoro di pompaggio e ridurrebbe quello netto estraibile all’albero motore: non va bene. Apro l’altra coppia di valvole, lavoro con una permeabilità doppia e gestisco meglio i flussi in uscita come se fosse una turbina twin- scroll (doppio effetto).

In questo modo entrambi i turbo (1 e 2) dell’Audi SQ7 lavorano con una portata pari al massimo diviso due, distribuendola uniformemente e siccome si parla di macchine ad azione, non accrescono in modo esagerato la velocità di rotazione della girante: Più portata, stessa sezione, maggiore velocità! Il turbo non può girare troppo forte per limitazioni meccaniche e anche perché, valori troppo elevati a portate non troppo alte, porterebbero a bassa efficienza.

Chiaramente tutto dipende dall’efficienza del sistema adottato, dalla mappa di funzionamento del turbocompound e dal matching col motore endotermico realizzato. Il tutto per fare in modo che si garantisca una coperta di alta efficienza in punti di funzionamento in funzione del motore e delle sue caratteristiche; nel nostro caso:

Ascisse velocità rotazione (RPM), ordinate sinistra Potenza (kW) e destra Coppia (Nm). L’erogazione di coppia è semplicemente perfetta, vediamo come attorno ai 2800-3200 si ha il massimo di coppia e potenza, un funzionamento molto equilibrato. Audi SQ7 risolve parecchi svantaggi elencati nel precedente approfondimento e garantisce un’ottima efficienza. Il difetto? Costa!