Il Turbo Cam Shootout

Imparare ogni giorno qualcosa di nuovo sul mondo dei turbocompressori

Vedi tutte le 16 fotoRichard HoldenerwriterAug 8, 2012

Da qualche anno giochiamo con turbocompressori e turbo camme e più pensiamo di sapere, più scopriamo quanto c’è ancora da scoprire. L’anno scorso, abbiamo eseguito un pezzo teorico sugli alberi a camme e il loro effetto sulla potenza (“The Truth About Camshafts and Turbochargers”, giugno ’11) ed è venuto via con un gioiello del noto costruttore di motori Kenny Duttweiler: Ci ha detto di trattare un motore turbo di dimensioni adeguate e ad alta efficienza come un motore aspirato naturalmente. In termini di selezione delle camme turbo, questo si traduce nella scelta di un motore in base alle dimensioni del motore, al flusso della testata e alla banda di potenza desiderata.

Per testare i consigli del saggio, abbiamo impostato una serie di esperimenti utilizzando un piccolo blocco da 420 pollici e un paio di twin turbo da 76 mm. Questa combinazione di accarezzatori costruiti per aumentare la potenza non è altro che l’animale a due teste che abbiamo costruito nell’edizione dell’11 agosto (“Costruire l’animale a due teste”). È dotato di un blocco Dart, di una manovella K1 e di aste K1, e di lumache forgiate JE. In cima alla bestia c’era un set di 233 teste Brodix con attacco CNC e una presa di aspirazione a un piano corrispondente. Abbiamo anche installato un sistema Jesel shaft-rocker, una coppa Milodon e una pompa dell’olio e un carburatore Holley 950 Ultra HP. L’idea era quella di confrontare tre diversi profili di camme sul doppio turbo, che andavano da mild a wild, per poi eseguire lo stesso test dopo aver aggiunto il sistema turbo. Abbastanza semplice, no?

Le camme Comp Cams hanno fornito tre camme a rullo idrauliche personalizzate a un solo modello, in cui i lobi di aspirazione e di scarico condividono gli stessi valori di sollevamento e di durata. La prima camma turbo (leggera) offriva 0,578 alzata, 210 gradi di durata a 0,050 e un angolo di separazione dei lobi di 112 gradi (LSA). La camma turbo numero due ha offerto 0,594 portanza, 230 gradi di durata e 113 LSA, mentre la camma più selvaggia (camma turbo numero 3) ha fornito 0,605 portanza, 248 gradi di durata e un LSA più ampio di 114 gradi. Sebbene la portanza differisse di soli 0,027 gradi, il significativo cambiamento di durata avrebbe spostato la produzione di potenza molto più alta nel range di giri, specialmente se combinata con le nostre testine a flusso libero e l’aspirazione a singolo piano.

La prima è stata la camma numero uno. La più lieve macinatura del gruppo ha illustrato ciò che accade quando si sottopone a camma un motore turbo twin stroker normalmente aspirato. La durata minima ha prodotto una potenza di picco a soli 5.300 giri al minuto, offrendo numeri di picco di 467 CV e 495 libbre di coppia a 4.400 giri al minuto. La produzione di coppia ha superato i 475 lb-ft da 3.500 giri/min a 5.100 giri/min, il che ha permesso di ottenere una sana ma piuttosto ristretta banda di potenza a 1.000 giri/min (da coppia di picco a potenza di picco in cavalli) da questo motore a compressione 8,5:1.

La camma numero due è stata la successiva, e la maggiore durata ha aumentato sia la potenza che il regime effettivo del motore. La potenza di picco di 508 CV è arrivata a 5.800 giri/min (un aumento di 500 giri/min dalla piccola camma), mentre la coppia di picco di 505 libbre-ft è arrivata a 4.700 giri/min (in aumento di 300 giri/min), ma la banda di potenza è rimasta la stessa intorno ai 1.000 giri/min. La curva di coppia (superiore a 475 lb-ft) è aumentata di dimensioni da 3.800 giri/min. a 5.500 giri/min., uno spostamento effettivo di 300-400 giri/min. in più rispetto alla camma più piccola.

Questo trend è continuato con la più selvaggia delle tre camme, che ha prodotto 534 CV a 6.200 giri al minuto e una leggermente inferiore a 4.800 giri al minuto. Questa camma aveva la più ampia banda di potenza a 1.400 giri/min (che è ancora un po’ stretta), ma ha perso 4 libbre-ft di coppia mentre spostava la potenza di picco di 400 giri/min mentre i giri di picco di coppia restavano costanti. Come è tipicamente il caso degli scambi di camme, alla fine la coppia di picco rimane invariata (o leggermente ridotta) e i guadagni di potenza a regimi più alti sono accompagnati da perdite più basse nella gamma dei giri. Fondamentalmente, si scambia la coppia a basso regime con la potenza di fascia alta. L’applicazione prevista dovrebbe dettare la migliore curva di potenza possibile, ma per la maggior parte delle applicazioni stradali, la coppia a bassa e media velocità rende un’auto molto più divertente da guidare di una con un motore costruito per la potenza di picco.

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Dopo aver attraversato le nostre tre camme in assetto aspirato naturalmente, abbiamo eseguito lo stesso test con un po’ di spinta. I turbo, l’intercooler e la maggior parte dell’impianto idraulico (tubi in alluminio e acciaio, accoppiatori, morsetti e hardware) sono stati forniti da CX Racing (CXRacing.com). Dopo averli fatti funzionare con successo diverse volte in passato, abbiamo selezionato una coppia di turbocompressori da 76 mm e li abbiamo combinati con un intercooler a doppio nucleo, aria-acqua. Dato il basso livello di boost impiegato durante i test, l’intercooler probabilmente non è stato necessario (specialmente sull’applicazione di carburatore a soffiaggio che raffredda ulteriormente la carica di aspirazione), ma l’aria più fredda è sempre migliore. Abbiamo alimentato i turbocompressori con una coppia di collettori corti a testa in giù, montando i turbocompressori con morsetti a banda V e flange turbo T4. A completare il “kit” del turbo fatto in casa c’erano una coppia di wastegates Hypergate da 45 mm, una valvola di scarico Race Port e un regolatore waste-gate manuale, tutti forniti da Turbo Smart. La combinazione turbo richiedeva anche il passaggio ad un carburatore Holley modificato per la spinta da Carburetor Solutions Unlimited (CSU) e un cofano dedicato, con carburatore a soffietto.

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Con il nostro piccolo blocco twin-turbo in funzione, era giunto il momento di effettuare ulteriori test sulle camme. La prima è stata la camma più leggera, che ha prodotto 657 CV a 5.400 giri/min e 677 libbre di coppia a 4.600 giri/min. L’aggiunta di soli 5,9 psi di spinta ha aumentato la potenza del piccolo blocco di 190 CV e 182 libbre-ft di coppia. La curva di coppia era impressionante, migliorando di 650 lb-ft da 3.700 giri/min a 5.200 giri/min, e la banda di potenza variava da 4.600 a 5.900 per uno spread di 1.300 giri/min (più larga della curva aspirata naturalmente di 300 giri/min). Nonostante i turbocompressori sovradimensionati (capaci di superare i 1.500 CV), avevamo a disposizione una spinta completa a 3.000 giri/min, anche se il banco motore sottopone il motore ad un carico artificiale non replicato su strada o sulla striscia.

La camma numero due ha aumentato notevolmente la potenza in uscita, con un salto a 713 CV a 6.200 giri al minuto e 690 libbre a 4.800 giri al minuto. Si noti che, come per i test NA, i numeri di picco sono aumentati, ma anche il regime del motore al quale si sono verificati. Lo stesso 5,9 psi ha migliorato la potenza della combinazione NA di 205 CV e 185 libbre-ft di coppia. Fedele alla forma, la camma media ha spostato la curva di coppia effettiva, migliorando di 650 lb-ft da 4.100 giri/min a 5.700 giri/min (un cambiamento di 400-500 giri/min rispetto alla camma più piccola). Ciò ha prodotto una banda di potenza di 1.400 giri al minuto, ben 100 giri al minuto più ampia della curva della camma piccola e 400 giri al minuto in più della curva aspirata naturalmente. Finora, gli scambi di camme sul motore turbo erano il riflesso dei guadagni sperimentati sulla combinazione NA.

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La camma finale da testare è stata la più selvaggia delle tre, ma i guadagni ottenuti sul motore aspirato naturalmente non si sono tradotti nella combinazione turbo. Eseguendo lo stesso livello di spinta delle due camme precedenti, la combinazione turbo ha prodotto 720 CV a 6.500 giri/min e 665 libbre di coppia a 4.800 giri/min. La potenza di picco era leggermente superiore a quella della camma più piccola, ma non era lontana dai 26 CV extra offerti nel trim NA. Infatti, la potenza del motore turbo era in calo rispetto alla camma centrale. Sembra che questa camma fosse un po’ un po’ selvaggia per la nostra applicazione turbo, quindi, a differenza della corsa aspirata naturalmente, più grande non era in realtà migliore. Confrontando la coppia della camma grande con quella piccola a 3.600 giri/min (tipica velocità di stallo del convertitore), la camma più lunga ha perso 87 lb-ft e 59 hp.

Avere un turbo sul banco (anche con una camma non proprio ideale) e correre solo 5,9 psi ci ha fatto venire fame di più spinta. Non volendo fare del male a The Animal, abbiamo aumentato la spinta di circa 9 psi. Anche quei pochi chili di spinta in più hanno avuto un impatto significativo sulla potenza, permettendo al twin-turbo 420 di erogare 862 CV e 816 libbre di coppia. Con un paio di giri in più del controller wastegate, questo diventa un semplice piccolo blocco da 1.000 CV.

In teoria

Nell’assetto aspirato naturalmente, l’aumento della portanza e della durata ha avuto un effetto positivo e prevedibile sulla curva di potenza del piccolo blocco di potenza. Ad ogni successivo aumento della portanza e, cosa più importante, della durata, la potenza di picco è passata da 467 CV a 508 CV a 534 CV. Le camme a singolo schema non erano probabilmente ideali per l’applicazione aspirata naturalmente, ma i cambiamenti mostrano una tendenza generale verso l’aumento della potenza e della velocità del motore. Si noti che i picchi di potenza di ogni combinazione si sono verificati progressivamente più alti, a partire da 5.300 giri al minuto per la camma leggera, superando i 5.800 giri al minuto, e poi 6.300 giri al minuto per le due più grandi. I picchi di coppia hanno rivelato la stessa tendenza, passando da 4.400 giri/min. con la camma piccola a 4.800 giri/min. con la camma più grande. Questa tendenza è continuata con le prime due camme una volta installati i turbocompressori di CX Racing, ma il motore turbocompresso non ha risposto favorevolmente al profilo della camma più selvaggio. La potenza di picco è aumentata di soli 7 CV (a fronte di un guadagno di 26 CV naturalmente aspirati), e la camma più grande ha perso potenza per la minore macinazione da 3.200 giri/min a 6.100 giri/min. Per la nostra applicazione turbo, la seconda camma era la configurazione a caldo.

Abbiamo parlato con Matt Maxwell e Billy Godbold alla Comp Cams per avere i loro pensieri su ciò che stava accadendo. “Penso che questo dimostrerà ciò che generalmente ci aspettiamo con le applicazioni turbo”, dice Godbold. “In generale, l’alta densità dell’aria permette un drastico aumento del flusso di massa [potenza], ma la velocità del flusso è più bassa (immaginate un sacco di atomi molto distanziati che si muovono più lentamente rispetto ad atomi molto distanziati che si muovono più velocemente) Le applicazioni turbo bilanciate si comportano quasi come N/A, tranne che con le teste [che hanno] un flusso enorme (immaginate una testa di aspirazione di 350 cm cm che diventa di 700 cfm). La regola empirica è sempre stata: più aria scorre nella testina, più piccola è la camma necessaria. Nelle applicazioni turbo, la contropressione è molto importante. Se la contropressione è più di 5-10 libbre sopra la spinta, allora si può avere un drastico riflusso durante la sovrapposizione. In questi casi, le camme devono avere una sovrapposizione ridotta rispetto alle applicazioni N/A. In questo caso, non sono sicuro se le camme erano semplicemente troppo grandi o se la contropressione ha provocato un forte riflusso. La contropressione misurata e i residui di scarico sono ciò che è necessario sapere”.

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