Il turbocompressore, presente su moltissime delle vetture attualmente in circolazione, è un elemento che negli ultimi anni è andato incontro ad un vero e proprio boom. Se da una parte permette di aumentare la potenza dei propulsori anche a fronte di cubature contenute, dall’altra consente anche di ridurre consumi ed emissioni. Insomma, la ricetta perfetta per avere successo in un momento storico per l’automobile, come quello che stiamo vivendo. Vediamo allora come è fatto e come funziona un turbo e quali sono sia i suoi vantaggi, sia i suoi svantaggi..
Come suggerisce lo stesso termine, il turbocompressore ha due componenti principali, la turbina ed il compressore. Entrambi gli elementi sono a forma di giranti, dotati di palette e collegati tra loro da un albero. La turbina entra in funzione grazie ai gas di scarico, ed è piazzata infatti nell’impianto di scarico in uno spazio a forma di chiocciola. Il compressore trova invece il suo posto nel vano di aspirazione, dove entra in azionerisucchiando l’aria da comprimere.
I gas prodotti dalla camera di combustione sono incanalati tramite condotti di scarico verso la turbina, che appunto si aziona ruotando e trasmettendo l’energia al compressore che risucchia l’aria e ne aumenta la pressione. Quest’aria compressa viene convogliata da un radiatore definito intercooler (che punta ad abbassare la temperatura per aumentare la densità del gas) ed è poi diretta nei condotti di aspirazione. Il risultato è un aumento della pressione dell’aria in aspirazione e un incremento del getto verso le camere di combustione.
Grazie al flusso più potente d’aria che raggiungere i cilindri, insieme ad un incremento del combustibile iniettato, un motore dotato di turbocompressore può vantare un aumento della coppia e della potenza decisamente superiore rispetto ad un propulsore aspirato di pari cilindrata.
In confronto al compressore volumetrico, che ha un funzionamento simile ma si aziona grazie ad una cinghia collegata al motore, il turbo punta su efficienza e rendimento, dal momento che non preleva potenza dal motore, ma anzi impiega l’energia dei gas di scarico che andrebbe dissipata.
Il difetto più fastidioso di un motore turbo è però un deficit di reattività. C’è un ritardo, infatti, fra il momento in cui si preme l’acceleratore e l’aumento di coppia motrice, accentuato soprattutto ai regimi più bassi, quando l’energia che si può ricavare dal gas di scarico è minore. Vedremo ora, quindi, le soluzioni che gli ingeneri automotive hanno trovato a questo problema, costruendo turbine a geometria variabile capaci di gestire meglio lo spostamento dei gas tramite l’impiego di alette mobili.
Il cosiddetto “turbolag” è proprio il termine che definisce il ritardo che caratterizza i motori turbo nella trasmissione dell’energia alla coppia motrice una volta che si è premuto l’acceleratore. In altre parole, il ritardo di risposta del propulsore, che si accentua soprattutto a bassi regimi. Chiunque abbia mai guidato una vettura dotata di turbocompressore, infatti, ha potuto notare come affondando il piede sull’acceleratore serve qualche istante prima che il motore risponda.
Per cercare di ridurre questo effetto sono stati studiate componenti che integrano degli accorgimenti speciali: per esempio il turbocompressore a geometria variabile. Questo si distingue dai turbo tradizionali per lachiocciola della turbina che si apre sulla girante grazie ad una serie di alette mobili calettate su un anello che permette di muoverle contemporaneamente.
A giri bassi, le alette restano sigillate così che il gas possa accelerare velocemente ed aumentare la spinta sulla turbina, mentre quando il regime di rotazione sale le alette entrano in funzione riducendo la contropressione. Così si evita che l’auto raggiunga giri troppo elevati e potenzialmente dannosi.
La gestione delle alette è il compito di una valvola a depressione posta sul condotto di immissione, denominata wastegate. In alternativa, la stessa funzione può essere svolta con un movimento elettrico gestito da una centralina elettronica.
Come abbiamo visto, con il turbo a geometria variabile il problema maggiore diventa il pericolo di stressare esageratamente il motore. L’evoluzione tecnologica ha consentito di sviluppare nuove tipologie di turbocompressore in grado di ovviare a questo inconveniente. Tra queste si segnala il turbocompressore elettrico: ovvero un dispositivo in grado di aumentare la pressione sfruttando l’energia di un motore elettrico e non dai gas di scarico. Ciò consente al motore di non subire gli stress tipici del turbocompressore “classico”.
Questa tecnologia, attualmente utilizzata sulle vetture sportive di alta fascia, è in arrivo anche sulle auto di serie alla portata di tutti gli automobilisti. Costruttori come Audi stanno studiando soluzioni elettriche in grado di ridurre – se non di annullare – il turbo lag grazie alla presenza di un turbocompressore azionato da un motore elettrico collegato ad una batteria da 48 V ed un turbocompressore classico. Il ruolo del primo è fondamentale quando si guida a bassi regimi. In queste condizioni infatti entra in azione ed invia aria in ingresso al turbocompressore standard.
Anche qui, con un turbocompressore elettrico, si raggiunge l’obiettivo di una maggiore potenza del motore senza scendere a compromessi in fatto di consumi.
Un’ulteriore evoluzione del turbocompressore classico è il turbocompressore volumetrico. Questo sistema, a differenza di quello legato ai gas di scarico, si avvale di un collegamento meccanico al motore. Il compressore assorbe la potenza direttamente dal propulsore e la impiega nuovamente per comprimere l’aria ed inviarla successivamente ai cilindri.
Il collegamento diretto col motore comporta inoltre un incremento lineare, cioè costante, di potenza poiché la massa d’aria è connessa alla velocità di rotazione del propulsore. I benefici qui sono osservabili soprattutto in termini di agilità e reattività di guida.
Questo elemento diretto di congiunzione permette quindi ad un motore dotato di turbocompressore volumetrico di evitare il fastidioso turbolag, ma a differenza degli altri modelli indicati sopra è penalizzante in termini di consumi. Non si concentra infatti sul riutilizzo dell’energia proveniente daigas di scarico, ma assorbe energia dal motore e presenta quindi un rendimento inferiore rispetto a un motore aspirato o dotato di turbocompressore classico.
Anche e-Turbo è un’innovazione prima sperimentata nel mondo delle F-1, e attualmente in via di riadattamento per le automobili di serie. Dall’esterno, un turbocompressore e-Turbo non presenta grosse differenze rispetto ad una turbina convenzionale. È solo dopo che lo si collega all’impianto elettrico dell’auto che tutta l’esperienza con motori turbo cambia radicalmente.
La lettera “e”, infatti, indica proprio la presenza di un motore elettrico che mette in moto la girante quando il propulsore non ha raggiunto la velocità desiderata. È così che si risolve il problema del turbolag grazie a questa tecnologia. Questo motore elettrico smette di funzionare appena l’albero motore ruota alla velocità richiesta per il funzionamento regolare della girante del turbocompressore. Ma il suo ruolo non si ferma qui.
L’e-Turbo ha anche il pregio di rendere superflua la valvola di depressione che convoglia normalmente i gas nella girante del soffiatore. Quest’ultima, infatti, continua a funzionare anche ad alti regimi, ma grazie all’inversione della polarità del motore, il suo ruolo può diventare quello di un generatore di energia. Energia che viene succesivamente impiegata per l’alimentazione di dispositivi accessori come il riscaldamento dell’abitacolo, la ricarica della batteria sulle auto ibride.
e-Turbo funziona senza bisogno di meccanismi a geometria variabile che regolino la pressione del compressore. In più, quest’innovazione ha un forte impatto sui consumi. Un problema dei classici turbo è infatti il mancato riscaldamento rapido del sistema di scarico, che quindi non neutralizza buona parte delle emissioni nocive. E-Turbo ovvia a questa problematica per il fatto che l’albero del compressore viene attivato tramite motore elettrico, mentre il bypass impedisce che i gas di scarico arrivino alla girante della turbina. In tal modo, questi gas caldi riscaldano la superficie attiva del catalizzatore più rapidamente rispetto a quanto accade nei turbo convenzionali.
La turbina elettrica può essere installata non solo su veicoli di grandi o piccole dimensioni, ma anche su diversi sistemi di alimentazione, compreso l’ibrido dotato di sistema elettrico a 48 volt, o ibridi plug-in che impiegano 400-800 volt.
La differenza con il turbocompressore elettrico di Audi sta nel fatto che, sebbene il Costruttore tedesco sfrutti anch’esso un motore elettrico per dare energia all’albero del compressore, il suo sistema non agisce efficacemente sul sistema di scarico. Una volta che si raggiunge il numero di giri richiesto, il motore elettrico semplicemente si disattiva, e da quel punto in poi il funzionamento è quello delle note turbine convenzionali.