Indagine sperimentale delle prestazioni di un turbogruppo dotato di turbina twin-entry per applicazione automobilistica

Abstract

La crescente attenzione normativa verso la riduzione delle emissioni di CO₂ nei veicoli pesanti rende sempre più centrale lo sviluppo di sistemi di sovralimentazione efficienti e accuratamente caratterizzati. Tra le soluzioni più diffuse, la turbosovralimentazione ad impulsi offre interessanti vantaggi energetici, ma presenta anche criticità legate al comportamento pulsante e alle condizioni di ammissione sbilanciata della turbina. In questo contesto si inserisce il lavoro sperimentale condotto presso il Laboratorio MCI del DIME, in collaborazione con un primario costruttore europeo di motori Diesel per applicazioni heavy-duty. La ricerca ha riguardato l’analisi approfondita di un turbogruppo twin-entry, con l’obiettivo di stimarne in modo affidabile il rendimento isoentropico Total-to-Static in condizioni realistiche di funzionamento. Lo studio è stato sviluppato da un lato mediante la caratterizzazione del compressore e la correzione dei dati con un modello semplificato di scambio termico; dall’altro l’analisi delle perdite meccaniche nei cuscinetti e della loro influenza sul bilancio delle potenze all’albero. A tal fine il banco prova è stato modificato per consentire sia l’alimentazione simultanea dei due ingressi della turbina, in condizioni di ammissione totale, sia l’alimentazione separata dei singoli rami, in condizioni di ammissione parziale e quindi sbilanciata. Combinando i due contributi è stato possibile ottenere una stima accurata del rendimento della turbina, confrontata con i risultati dell’approccio puramente termodinamico. I dati acquisiti, organizzati in mappe prestazionali, rappresentano un contributo originale alla letteratura e costituiscono uno strumento utile sia per la calibrazione dei modelli di matching motore–turbogruppo, sia per l’ottimizzazione dei sistemi di scarico nei motori Diesel di nuova generazione.

The growing regulatory focus on reducing CO₂ emissions in heavy-duty vehicles is making the development of efficient turbocharging systems increasingly crucial. Among the most widespread solutions, pulse turbocharging offers significant energetic advantages, but also presents challenges related to unsteady flow behavior and the unbalanced admission conditions of the turbine. Within this framework, the experimental work carried out at the MCI Laboratory of DIME, in collaboration with a leading European manufacturer of Diesel engines for heavy-duty applications, has been developed. The research focused on an in-depth analysis of a twin-entry turbocharger, with the objective of reliably estimating its Total-to-Static isentropic efficiency under realistic operating conditions. The study was conducted on two levels: on the one hand, the characterization of the compressor and the correction of experimental data through a simplified heat transfer model; on the other, the analysis of mechanical losses in the bearings and their impact on the shaft power balance. To this end, the test bench was modified to allow both the simultaneous feeding of the two turbine inlets under full admission conditions and the separate feeding of the individual branches under partial and, consequently, unbalanced admission conditions. By combining these two contributions, it was possible to obtain an accurate estimation of the turbine efficiency, which was then compared with the results of a purely thermodynamic approach. The acquired data, organized into performance maps represent a valuable tool both for the calibration of engine–turbocharger matching and for the optimization of exhaust systems in next-generation Diesel engines.