Mono-turbo e bi-turbo: differenze tecniche e prestazionali

Il turbocompressore è uno degli elementi fondamentali nei moderni motori sovralimentati. Il suo compito è sfruttare l’energia contenuta nei gas di scarico per comprimere l’aria aspirata dal motore, aumentando così la quantità di ossigeno disponibile per la combustione. A seconda della configurazione adottata, un motore può utilizzare un singolo turbocompressore, soluzione comunemente definita mono-turbo, oppure due turbocompressori, in una configurazione bi-turbo. Le differenze tra le due architetture non riguardano semplicemente il numero di turbine, ma coinvolgono inerzia, dimensionamento, gestione dei gas di scarico, rendimento fluidodinamico, risposta ai transitori e possibilità di ottenere una determinata curva di coppia.

Per comprendere le differenze tra mono-turbo e bi-turbo è necessario partire dal principio di funzionamento del turbocompressore. La turbina viene azionata dai gas di scarico e, attraverso un albero, trasferisce energia al compressore. Quest’ultimo aumenta la pressione dell’aria aspirata, permettendo al motore di introdurre una massa d’aria superiore rispetto a quella che potrebbe aspirare naturalmente.

La pressione di sovralimentazione, tuttavia, non è l’unico parametro che determina la coppia erogata. Sono importanti anche la portata d’aria, la temperatura dell’aria compressa, il rendimento del compressore e della turbina, il rapporto aria-carburante, la fasatura della distribuzione, l’efficienza volumetrica del motore e la gestione elettronica. Per questo motivo due sistemi che lavorano alla stessa pressione assoluta di sovralimentazione possono produrre risultati leggermente differenti.

Nel sistema mono-turbo tutto il flusso dei gas di scarico viene indirizzato verso un unico turbocompressore. Il principale vantaggio di questa configurazione è la semplicità. Un solo turbo significa meno componenti, un sistema di lubrificazione più semplice, meno collegamenti e, generalmente, costi inferiori.

Il limite principale consiste nel compromesso necessario per il dimensionamento del turbocompressore. Un turbo di grandi dimensioni può garantire portate d’aria elevate e un buon rendimento agli alti regimi, ma richiede più energia per accelerare il gruppo rotante e tende quindi ad avere una risposta meno immediata ai bassi regimi. Un turbo più piccolo, al contrario, accelera rapidamente e offre una buona risposta ai bassi regimi, ma può raggiungere più facilmente il limite di portata agli alti regimi.

Questo compromesso è uno dei motivi per cui nei motori moderni vengono utilizzate geometrie variabili, valvole wastegate elettroniche, compressori di diversa concezione e, in alcuni casi, configurazioni a più turbocompressori.

Nel sistema bi-turbo vengono utilizzati due turbocompressori. A seconda del progetto, i due turbo possono essere disposti in parallelo oppure in serie/sequenza.

In una configurazione parallela, ciascun turbocompressore può occuparsi di una parte dei cilindri. È una soluzione particolarmente interessante nei motori con architettura a V, nei quali può essere possibile assegnare un turbocompressore a ciascuna bancata. In questo modo il percorso dei gas di scarico può essere mantenuto relativamente compatto e ciascun turbo può avere dimensioni inferiori rispetto al singolo turbocompressore necessario per ottenere la stessa portata complessiva.

In una configurazione sequenziale, invece, i turbocompressori vengono utilizzati in modo differente a seconda del regime e del carico del motore. Un turbo più piccolo può contribuire prevalentemente ai bassi regimi, mentre un secondo turbocompressore entra progressivamente in funzione quando aumenta la richiesta di aria. Questa soluzione consente di ridurre il compromesso tra risposta ai bassi regimi e capacità di portata agli alti regimi, anche se richiede una gestione più complessa dei flussi.

Un concetto importante è che il semplice aumento del numero di turbocompressori non significa automaticamente ottenere più coppia.

A parità di motore, condizioni operative, rendimento e soprattutto a parità di pressione di sovralimentazione effettiva e massa d’aria introdotta, la coppia disponibile può essere sostanzialmente simile indipendentemente dal fatto che il motore utilizzi un mono-turbo o un bi-turbo.

In termini semplificati, la coppia dipende principalmente dalla quantità di aria e carburante che può essere bruciata efficacemente e dall’efficienza con cui la pressione in camera di combustione viene trasformata in lavoro sull’albero motore. Il fatto che l’aria venga compressa da un unico turbocompressore o da due turbocompressori non costituisce, di per sé, una fonte aggiuntiva di energia.

La differenza emerge soprattutto nel modo in cui il sistema riesce a raggiungere e mantenere quella pressione e quella portata d’aria. Un sistema bi-turbo opportunamente progettato può distribuire il lavoro tra due gruppi rotanti più piccoli, riducendo alcuni compromessi tipici del grande turbocompressore singolo.

Uno dei vantaggi potenziali del bi-turbo riguarda l’inerzia dei gruppi rotanti. L’energia necessaria per accelerare una girante dipende dalla sua massa e dalla distribuzione della massa rispetto all’asse di rotazione. In termini semplificati, l’inerzia di rotazione è proporzionale al momento d’inerzia del componente.

Utilizzando due turbocompressori più piccoli è possibile ottenere gruppi rotanti individuali con un momento d’inerzia inferiore rispetto a quello di un unico turbo di dimensioni tali da gestire l’intera portata del motore. Naturalmente non significa che la somma delle inerzie dei due turbo sia sempre inferiore a quella del mono-turbo: il risultato dipende dal dimensionamento effettivo. Tuttavia, una corretta progettazione può consentire di ottenere una risposta transitoria più rapida.

Questo aspetto è particolarmente importante durante le variazioni rapide del carico e dell’acceleratore. Un gruppo rotante con minore inerzia può raggiungere più rapidamente il regime di rotazione necessario per fornire la pressione richiesta.

Un altro aspetto fondamentale è la fluidodinamica. Il turbocompressore deve essere progettato considerando portata, rapporto di compressione, velocità periferica delle giranti, rendimento e caratteristiche dei condotti.

Con un singolo turbo molto grande, i condotti devono gestire l’intera portata del motore attraverso una sola turbina e un solo compressore. Con due turbo opportunamente dimensionati, la portata può essere suddivisa tra due circuiti. Questo può consentire di utilizzare giranti che lavorano in una zona più favorevole delle rispettive mappe di funzionamento.

La fluidodinamica reale però è complessa. Non è corretto affermare che due turbo siano sempre più efficienti di uno. Il risultato dipende dal dimensionamento delle giranti, dalla geometria delle chiocciole, dalle perdite di carico, dalla lunghezza dei condotti, dalla gestione delle valvole e dall’intero layout del motore.

Una configurazione bi-turbo ben progettata può quindi offrire vantaggi in termini di risposta e gestione del flusso, ma un mono-turbo progettato correttamente può raggiungere rendimenti molto elevati e, in determinate applicazioni, risultare più efficiente e semplice.

Quando si parla di elaborazione di un turbocompressore, non bisogna concentrarsi esclusivamente sulle dimensioni delle giranti. La geometria della chiocciola della turbina e quella del compressore hanno un’importanza fondamentale.

La chiocciola della turbina deve raccogliere i gas di scarico e indirizzarli verso la girante con la corretta velocità e angolazione. Modificare le sezioni di passaggio, le superfici interne e i raccordi può influenzare la velocità del flusso, le perdite di carico e la capacità della turbina di estrarre energia dai gas di scarico.

Anche la chiocciola del compressore influenza direttamente il comportamento del turbo. Il suo profilo deve permettere di recuperare parte dell’energia cinetica del flusso trasformandola in pressione statica, mantenendo contemporaneamente le perdite entro limiti accettabili.

Nell’elaborazione professionale possono essere effettuate lavorazioni delle chiocciole, raccordature e ottimizzazioni delle superfici interne. Questi interventi devono però essere eseguiti tenendo conto della geometria originale della turbina e del compressore. Una semplice lucidatura o un aumento indiscriminato delle sezioni non garantisce automaticamente un miglioramento delle prestazioni.

Le giranti del compressore rappresentano uno degli elementi più delicati da modificare. Geometria delle palette, diametro, indici di rastremazione, angoli di ingresso e uscita e rapporto tra mozzo e diametro esterno determinano il comportamento della macchina.

Nelle elaborazioni più evolute si possono utilizzare giranti progettate specificamente per ottenere una determinata combinazione di portata e rapporto di pressione. Anche piccoli cambiamenti geometrici possono modificare profondamente la posizione del compressore sulla propria mappa di funzionamento.

Un turbo elaborato deve inoltre essere bilanciato con estrema precisione. Il gruppo rotante può raggiungere regimi di rotazione molto elevati e uno squilibrio anche relativamente piccolo può generare forze centrifughe significative. Per questo motivo la bilanciatura deve essere effettuata con apparecchiature specifiche e con procedure adeguate al tipo di turbocompressore.

Un ulteriore elemento fondamentale è rappresentato dai cuscinetti dell’albero. I turbocompressori possono utilizzare bronzine, sistemi a cuscinetti volventi o configurazioni specifiche sviluppate dal costruttore.

I cuscinetti influenzano attrito, stabilità dell’albero, capacità di sopportare i carichi e risposta del gruppo rotante. In particolare, un sistema a cuscinetti volventi può ridurre alcuni fenomeni di attrito e favorire una risposta rapida, ma non deve essere considerato automaticamente superiore in ogni applicazione.

La scelta dei cuscinetti deve essere coerente con il regime di rotazione, la pressione dell’olio, le temperature e i carichi previsti. Anche il circuito di lubrificazione deve essere dimensionato correttamente, perché il turbo lavora in condizioni termiche e meccaniche particolarmente severe.

Nell’elaborazione di un turbocompressore la precisione meccanica è fondamentale. Le giranti, l’albero e il gruppo rotante devono essere controllati e bilanciati. La lavorazione delle chiocciole deve mantenere tolleranze compatibili con il corretto funzionamento della macchina e non deve compromettere le superfici o le geometrie progettate dal costruttore.

Interventi come la lavorazione delle chiocciole, la sostituzione delle giranti, l’installazione di cuscinetti differenti o la modifica delle geometrie devono quindi essere considerati come parti di un unico progetto. Modificare un solo componente senza verificare il comportamento dell’intero sistema può spostare il funzionamento del turbo in una zona meno efficiente della mappa del compressore o della turbina.

Il confronto tra mono-turbo e bi-turbo non può essere ridotto alla semplice affermazione che due turbocompressori siano necessariamente migliori di uno. A parità di condizioni e di pressione di sovralimentazione, la coppia ottenibile dal motore può essere sostanzialmente simile, perché è la massa d’aria effettivamente introdotta e la conseguente combustione a determinare in larga misura la coppia.

Il vantaggio potenziale del bi-turbo risiede soprattutto nella possibilità di suddividere il lavoro tra due gruppi turbocompressori, utilizzando componenti più piccoli e potenzialmente meno inerziali e mantenendo una gestione più favorevole dei flussi. Questo può tradursi in una migliore risposta ai transitori, in una maggiore flessibilità nel dimensionamento e, se il sistema è progettato correttamente, in un buon compromesso tra risposta ai bassi regimi e portata agli alti regimi.

Il mono-turbo rimane tuttavia una soluzione estremamente valida grazie alla semplicità, alla riduzione del numero di componenti e alla possibilità di ottenere ottime prestazioni con un turbocompressore opportunamente dimensionato.

In entrambi i casi, il risultato finale dipende dalla progettazione dell’intero sistema: dimensionamento delle giranti, geometria delle chiocciole, collettori di scarico, intercooler, condotti di aspirazione, wastegate o geometria variabile, sistema di lubrificazione, cuscinetti, gestione elettronica e calibrazione del motore.

L’elaborazione di un turbocompressore efficace non consiste quindi semplicemente nell’aumentarne le dimensioni, ma nel portare l’intero gruppo a lavorare nella zona di funzionamento più adatta alle caratteristiche del motore e all’obiettivo prestazionale.

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