Ford, nuovo sistema twin turbo senza compromessi: online il brevetto ufficiale
Il compromesso tra la rapida risposta e la potenza in un motore turbocompresso potrebbe presto essere un ricordo del passato, secondo un nuovo brevetto scoperto presso l’Ufficio brevetti e marchi degli Stati Uniti (USPTO). Gli ingegneri Ford hanno rivisitato il concetto di turbocompressore per questo nuovo sviluppo, ma con una serie di interessanti deviazioni dal layout tradizionale per renderlo una configurazione completamente nuova applicabile sia ai motori diesel che a benzina. Questo nuovo sistema di sovralimentazione può far sì che il motore V6 EcoBoost della Ford F-150 si comporti più come un V8 di grossa cilindrata nella sua risposta ai bassi regimi, rendendolo più potente anche agli alti regimi, il tutto senza dover aumentare la pressione del turbo.
Le soluzioni multi-turbo proposte fino ad oggi
Prima di entrare nei dettagli tecnici che rendono questo nuovo brevetto così entusiasmante, diamo prima un’occhiata ai layout multi-turbo consolidati. La prima cosa da ricordare è che un piccolo turbo ha meno inerzia di uno grande, quindi ha meno ritardi rispetto alla richiesta di potenza. Tuttavia, i piccoli turbocompressori limitano il flusso di gas in entrata e in uscita dal motore, quindi mentre sono reattivi ai bassi regimi del motore, la loro efficienza diminuisce all’aumentare della velocità del motore.
I grandi turbo non hanno questo calo di potenza ad alti regimi, ma la loro inerzia aggiunta porta a un maggiore ritardo nella risposta del turbo. Le configurazioni OEM single-turbo sono generalmente dimensionate come un compromesso tra risposta a bassa velocità e potenza ad alti giri, ma non possono fornire entrambe. Di conseguenza, alcuni produttori hanno fatto ricorso a configurazioni biturbo (con turbo più piccoli) su motori più grandi per ottenere la maggior parte della risposta da piccoli turbo pur essendo in grado di spostare abbastanza aria per produrre una potenza decente ad alti regimi.
L’approccio più comune alle installazioni multi-turbo è la disposizione in parallelo, come è attualmente utilizzato dal V6 EcoBoost e dalla maggior parte degli altri motori biturbo. In questo layout, il motore è essenzialmente suddiviso in due bancate, ciascuna delle quali comprende metà della cilindrata totale e del numero di cilindri. Un sei cilindri biturbo, indipendentemente dalla sua disposizione a blocchi, è approssimato come due tre cilindri monoturbo, e un V8 biturbo viene considerato come se fossero “due motori” a quattro cilindri monoturbo. Ciascuna metà del motore ha il proprio collettore di scarico e turbocompressore, entrambi della stessa dimensione e specificati per fornire metà del flusso d’aria necessario per produrre la potenza totale target del motore. Ciò consente agli ingegneri di utilizzare due turbocompressori più piccoli, più leggeri e con un’inerzia inferiore invece di uno solo grande, che riduce il turbo lag e abbassa la soglia di spinta (la velocità del motore alla quale i turbocompressori iniziano a fornire una spinta utile). Tuttavia, una tale configurazione a doppio turbo parallelo limita ancora il flusso d’aria massimo nel motore perché quei piccoli turbo agiscono come limitatori agli alti regimi del motore.
Alcuni produttori hanno anche sperimentato configurazioni biturbo in serie su motori a benzina, con la Mazda RX-7 e la Subaru Legacy B4 di anni fa che sono esempi notevoli di questo approccio. In questa disposizione, un piccolo turbo si occuperà di sovralimentare ai bassi regimi, con uno più grande che subentrerà agli alti regimi, combinando teoricamente i vantaggi dei piccoli e grandi turbo in un unico pacchetto. Tuttavia, al giorno d’oggi questo layout non è più utilizzato, perché non ha mai funzionato così bene. A parte la loro dinamica di flusso compromessa e la ridotta efficienza termodinamica, tali disposizioni turbo in serie richiedono vari impianti idraulici, valvole e altro hardware di controllo ingombranti nel tentativo di appianare la curva di coppia e ottenere una transizione graduale tra i turbo piccoli e grandi. È una grande idea in teoria, ma raramente funziona bene in pratica.
La terza configurazione twin turbo comune è nota come turbo-compound e viene solitamente utilizzata sui motori diesel biturbo OEM. In questa configurazione, un turbo più grande viene utilizzato come primo stadio (primario) e invia tutto il suo flusso di gas a un turbocompressore più piccolo (secondario). Con il turbo-compound, l’uscita del compressore del turbo primario grande (aria fresca) è collegata all’aspirazione del compressore del turbo secondario più piccolo e l’uscita dell’alloggiamento della turbina del turbo primario (scarico) alimenta l’ingresso dell’alloggiamento della turbina del turbo secondario. Semplificando, ciò significa che il turbo primario è l’unico a ricevere l’aria aspirata dall’atmosfera, ed è anche l’unico collegato al collettore di scarico del motore. Il turbo secondario ottiene il flusso dal turbo primario.
Questa disposizione moltiplica efficacemente la pressione di sovralimentazione. E, poiché c’è un grande turbo ad alta capacità che forza la sua uscita di aria fresca in un turbo più piccolo prima che l’aria entri nel collettore di aspirazione del motore, anche il flusso d’aria ad alti regimi del motore è migliorato di un ampio margine. Ciò offre il meglio di entrambi i mondi, con il piccolo turbo che fornisce una risposta ai bassi regimi e il grande turbo che fornisce elevata potenza ad alto numero di giri. Tuttavia, ci sono una serie di aspetti negativi di questa configurazione. Crea molto calore nella carica di aspirazione a causa della compressione dell’aria a più stadi, quindi di solito è necessario un intercooler extra. Anche i collettori e i tubi sono molto contorti e il loro design ingombrante di solito occupa molto più spazio rispetto a una disposizione convenzionale a Twin Turbo parallela. Sebbene l’intercooler riduca la temperatura della carica di aspirazione, i motori a benzina generalmente necessitano di temperature di aspirazione ancora più basse rispetto ai diesel per evitare la pre-accensione di fronte a pressioni di sovralimentazione elevate e all’aumento del flusso d’aria di aspirazione creato da questo layout. Di conseguenza, il turbo-compound si trova solitamente solo sui motori diesel più grandi, dove si inseriscono più facilmente sotto i cofani più grandi che richiedono motori e sistemi di supporto così grandi.
Come funziona il sistema di sovralimentazione brevettato da Ford
Il nuovo brevetto di Ford adotta un approccio diverso e introduce un quarto layout multi-turbo nel mondo della sovralimentazione. Combinando elementi di design sia del turbocompressore parallelo che di quello compound, combina anche le caratteristiche più desiderabili dei due layout. Il design del collettore di scarico descritto nel nuovo brevetto è esattamente la stessa configurazione compatta utilizzata in un design a turbo parallelo. Entrambi i turbo hanno alloggiamenti della turbina (scarico) di dimensioni identiche ed entrambi ricevono l’afflusso di gas di scarico direttamente dal motore.
La differenza principale può essere trovata negli alloggiamenti del compressore, dove i turbo sono collegati in quanto sono in una configurazione composta ma con un intercooler primario per ridurre la temperatura della carica di aspirazione prima che l’aria entri nel turbo secondario. Il lato del compressore del turbo primario più grande alimenta l’ingresso più piccolo dell’alloggiamento del compressore del turbo secondario, da dove l’aria viene nuovamente compressa prima di entrare nel motore dopo essere passata attraverso un secondo intercooler.
Ciò significa che, mentre il turbo più grande impiegherà più tempo ad avviarsi, la sua maggiore capacità di flusso garantirà una potenza sostenuta agli alti regimi, mentre la girante del compressore più leggera del turbo più piccolo darà la rapida risposta di spinta necessaria per garantire la guidabilità a bassi regimi. Questo nuovo design del sistema di sovralimentazione composto-parallelo può essere utilizzato indipendentemente dal tipo di carburante, sia esso benzina o diesel.
Inoltre, il brevetto menziona specificamente l’uso di turbo a geometria variabile (VGT), che miglioreranno ulteriormente la risposta sia del turbo primario che di quello secondario. I VGT vengono solitamente utilizzati solo sui motori turbodiesel perché un motore a benzina ha tipicamente temperature dei gas di scarico molto più elevate rispetto a un diesel (il problema dei VGT è che avendo delle pale statoriche che cambiano assetto, sono più fragili).
Fino ad ora, questo tendeva a rendere i VGT inaffidabili quando accoppiati con motori a benzina, a meno che non venissero utilizzati materiali high-tech nella costruzione dell’alloggiamento di scarico per contrastare la temperatura di scarico più elevata. Porsche, ad esempio, gestisce l’inconveniente con i suoi motori turbo di ultima generazione, ma le implicazioni di costo lo rendono semplicemente antieconomico da portare sul mercato di massa. D’altronde Porsche e Ford coprono due mercati differenti (ad eccezione della Ford GT).
Ford adotta un approccio diverso all’applicazione dei turbocompressori VGT su un motore a benzina alterando la fasatura della valvola di aspirazione del motore per ottenere un ciclo di combustione Miller. Questo ciclo di combustione mantiene aperte le valvole di aspirazione per la parte iniziale della corsa di compressione, costringendo parte della carica di aspirazione a fuoriuscire dalla camera di combustione prima che la valvola di aspirazione si chiuda. Ciò porta a un rapporto di espansione maggiore del rapporto di compressione, che non solo migliora l’efficienza termica del motore, ma porta anche a temperature dei gas di scarico più basse a causa della corsa di espansione praticamente prolungata. La combinazione di questa tecnica con il controllo elettronico accurato del ricircolo dei gas di scarico aiuta a ridurre le temperature dei gas di scarico al punto da poter adoperare delle VGT anche su un motore a benzina.
Tutte queste innovazioni si sommano a un modo radicalmente nuovo di sovralimentare un motore a benzina. La spinta composta e il dimensionamento asimmetrico del turbo consentono una risposta rapida e un’elevata potenza agli alti regimi, i turbo VGT migliorano ulteriormente la risposta del turbo e il ciclo di combustione Miller migliora l’efficienza termica del motore. Questo motore sarà più pulito ed efficiente di quanto consentito dalla tecnologia consolidata e dimostra anche che, mentre Ford è già al lavoro per realizzare veicoli elettrici, chiaramente non ha rinunciato nemmeno ai motori a combustione.