Prestazioni, efficienza o entrambe le cose, ecco le soluzioni più diffuse per i motori turbo e come funzionano

Per molto tempo, la parola “turbo”,  e in generale l’idea di sovralimentazione, ha fatto rima con “prestazioni”, perché è stata impiegata, a partire dagli Anni ’70, per realizzare vetture particolarmente performanti come le versioni top di gamma della BMW 2002 e della Porsche 911 e ovviamente vetture da competizione.

In tempi più recenti, con la corsa all’efficienza e al risparmio energetico invece, il turbo è diventato, assieme all'iniezione diretta, parte della formuletta per realizzare il cosiddetto “downsizing”, che significa motori di cilindrata ridotta capaci di offrire prestazioni adeguate con consumi ed emissioni più contenuti. Ma le soluzioni per sovralimentare un motore sono molteplici, ciascuna destinata a uno specifico uso.

Come funziona a grandi linee

La sovralimentazione consente attraverso diversi metodi, che vedremo qui di seguito, di andare ad aumentare il quantitativo di aria all'interno dei cilindri migliorando cosi il coefficiente di riempimento della camera di combustione e di conseguenza il rendimento volumetrico.

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In questo modo si assisterà ad un aumento della pressione media con il quale viene spinto il pistone durante ogni fase con un conseguente aumento della coppia erogata che, moltiplicata per lo stesso regime di rotazione del motore, definisce una potenza maggiore.

Sovralimentazione meccanica e non solo

Per ottenere questo famoso aumento della quantità d’aria nei cilindri, i sistemi più utilizzati sono quelli meccanici che sfruttano la compressione dell’aria nel collettore di aspirazione. Tra questi troviamo il turbocompressore, anche conosciuto semplicemente come "turbo", il compressore volumetrico, il compressore centrifugo e il sistema a risonanza Comprex.

I vari tipi di sovralimentazione

A questo tipo di sovralimentazione si aggiungono quella dinamica che grazie ad uno studio minuzioso sulla fasatura e sul disegno dei collettori di aspirazione è in grado di sfruttare al meglio l’inerzia e la risonanza della colonna d’aria per migliorare il rendimento volumetrico e quella chimica con l’iniezione di gas appositi come il NOS.

Il turbocompressore

Fatta una panoramica dei principali tipi di sovralimentazione esistenti, vogliamo concentrare la nostra attenzione sul classico turbocompressore a gas di scarico, che è sicuramente quello più utilizzato ai giorni nostri. Questo è composto da una turbina centripeta che viene fatta girare appunto dai gas di scarico ed è collegata attraverso ad un piccolo albero ad un compressore centrifugo.

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Quest’ultimo messo in moto dalla rotazione della girante della turbina risucchia l’aria, la comprime e la immette nel collettore di aspirazione, andando ad aumentare il volume d’aria totale e di conseguenza il rendimento volumetrico del motore endotermico.

L'evoluzione del turbocompressore

Per aumentare il rendimento e migliorare l’efficienza energetica del sistema turbo negli anni sono state sviluppate diverse soluzioni. Tra queste troviamo il Twin Scroll e il turbocompressore a geometria variabile.

Lo schema Twin Scroll si differenzia per la presenza di due canali di entrata dei gas di scarico nella turbina. Il primo di dimensioni più grandi leggermente inclinato permette di massimizzare le prestazioni mentre il secondo più piccolo, caratterizzato da un’angolazione maggiore, velocizza la risposta al transitorio, riducendo il fenomeno del turbo-lag - il ritardo nella risposta all'acceleratore che si ha a bassi regimi o dopo un rilascio, a causa del flusso debole dei gas di scarico alla turbina.

I vari tipi di sovralimentazione

Per quanto riguarda il turbocompressore a geometria variabile, qui la girante della turbina è circondata da un anello con palette ad inclinazione variabile, controllare da una centralina o da un depressore. In base al regime di rotazione del motore, queste vengono aperte o chiuse, garantendo un maggior range di funzionamento e di utilizzo.

In teoria consente di avere i pregi di un turbo piccolo (prontezza ai bassi)  e di uno grande (potenza massima più elevata) in una volta sola, anche se all’atto pratico non sempre è proprio così.

I vari tipi di sovralimentazione

I turbocompressori multistadio

Molte volte abbiamo sentito parlare di soluzioni biturbo, triturbo e addirittura quadriturbo pensando al motore B57S montato sulla versione M50d della X5 e della X7. Questi sistemi possono sfruttare una configurazione in serie o in parallelo. I turbocompressori multi stadio in serie vengono utilizzati di solito nei motori in linea.

I vari tipi di sovralimentazione

Sfruttano un turbo di dimensioni più piccole ai bassi regimi di giri che grazie ai livelli contenuti di inerzia riesce entrare subito in coppia e uno di dimensioni più grandi agli alti giri che sfrutta una maggior portata d’aria per raggiungere la massima potenza desiderata. A regimi medi i due sistemi possono lavorare anche simultaneamente.

La configurazione in parallelo, invece, viene utilizzata di solito nei motori a V. Due turbocompressori di uguali dimensioni si dividono in parti uguali il flusso dei gas di scarico, essendo collegati ciascuno a una determinata bancata, per poi immettere l’aria compressa in un unico collettore prima della camera di combustione. In questo modo, se ci fosse una perdita di efficienza su un lato, la pressione dell’aria inviata ai cilindri sarebbe comunque bilanciata.

La soluzione mista: turbo+compressore

Rappresenta per certi versi la soluzione alternativa ai turbo multistadio per ottenere contemporaneamente risposte più rapide in basso e più allungo, cosa che un solo turbocompressore non riuscirebbe a fare del tutto efficacemente.

Anche perché, se parliamo di benzina, la tecnologia della geometria variabile per molto tempo non è stata applicabile a causa delle alte temperature dei gas che avrebbero logorato rapidamente le parti mobili.

I vari tipi di sovralimentazione

Si tratta però di un espediente utilizzato principalmente su motori con l’obiettivo delle prestazioni più che dell’efficienza, come quelli delle poderose rally Gruppo B degli Anni ’80 (una su tutte, la Lancia Delta S4) o più recentemente la Polo GTI con il 1.4 TSI Twincharger da 180 CV - in commercio intorno al 2014 - che ricorreva appunto a questo schema.

In quest'ultimo caso, il compressore volumetrico attivato meccanicamente assicurava spinta immediata e lavorava fino a 3.500 giri, dopodiché veniva scollegato tramite una frizione lasciando campo libero al turbo (attivo a partire da 2,400 giri) che si occupava della zona alta del contagiri.

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Turbo elettrico

Un’altra conquista recente è la sovralimentazione affidata del tutto o in parte a compressori azionati elettricamente. Molte Case ci hanno lavorato per parecchio tempo, ma hanno dovuto superare il problema di un assorbimento energetico importante.

Oggi, solo il terzo compressore dei più potenti sei cilindri diesel di BMW è attivato da un motore elettrico, che offre una spinta aggiuntiva anche se temporanea nei momenti di maggior richiesta di potenza.

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Ancora più interessante anche per le prospettive future è poi il turbo “ibrido” come quelli montati sui nuovi motori Mercedes-AMG recentemente presentati, che sono classici turbo a gas di scarico con integrato un motorino elettrico.

Quest’ultimo si attiva ai bassi o dopo un rilascio, quando il flusso dei gas di scarico è ancora debole, provvedendo ad aumentare immediatamente la pressione di sovralimentazione ed eliminando il famigerato turbo-lag, mentre a regime si disattiva lasciando lavorare il turbo in modo convenzionale.