L’elettrificazione nell’autotomotive avanza, non si arresta, ma nonostante tutto la sua affermazione non è così veloce come si pensava o come pensano i fautori incalliti dell’elettrico. Il motore endotermico non è ancora morto. Oggi sotto attacco è il diesel ma per inciso è solo l’inizio, una volta che sarà terminata la caccia alle streghe contro il gasolio l’obiettivo si sposterà sul motore a benzina. Intanto che si organizzano i governi,  i produttori si orientano provando a migliorare la tecnologia a disposizione al giorno d’oggi sviluppando la propulsione ibrida,  parte elettrica e parte endotermica, mentre lavorano ad intere linee di produzione indipendenti per l’avvento dell’elettrico. Questo articolo si concentra sul motore endotermico, la sua evoluzione e lo sviluppo delle soluzioni tecniche che arriveranno. Le vie sono due, quella di migliorare il propulsore naturalmente aspirata abbinandolo alla trazione elettrica, o prendere la via della sovralimentazione.

Nel primo caso i giapponesi sono in prima linea con motori aspirati che funzionano a Ciclo Atkinson, anche se per correttezza a parte la Nissan VC- Turbo che ha inventato un manovelismo che funziona secondo le caratteristiche dell’Atkinson. Gli altri propulsori Toyota, Honda etc, sono più propriamente simili ad un motore a Ciclo Miller dove la valvola di aspirazione viene tenuta aperta per un angolo di rotazione maggiore della norma ottenendo l’effetto di un reflusso della aria aspirata verso il condotto di aspirazione, oppure attraverso una chiusura anticipata della stessa valvola durante la fase di aspirazione. Lo scopo è quello di ridurre il riempimento del cilindro e quindi anche il rapporto di compressione pur mantenendo inalterata la corsa geometrica del motore. La minore pressione,  unita ad una temperatura dei gas combusti più bassa al termine della fase di espansione ed una maggiore quantità di calore che viene convertita in lavoro meccanico, migliorano il rendimento complessivo a scapito di una certa perdita di potenza compensata dalla presenza di un motore elettrico. Ci sono anche costruttori europei che rimangono sul classico, come Lamborghini che insistono con i V10 e V12 aspirati di grosse dimensioni, ed in tutta onestà,  la speranza di chi scrive, è che a Sant’Agata Bolognese tengano duro resistendo alle sirene della sovralimentazione.

La seconda strada è quella della compressione, ma intendiamoci,  il turbo dei suoi albori, gli anni 80,  con quel bel calcio nella schiena dovuto a ritardo con cui la girante andava in pressione non è più tollerabile oggi. Non c’è verso, per quanto gli appassionati amassero quella spinta improvvisa e violenta, non è funzionale per la signora che deve accompagnare i bimbi a scuola. Quindi,  i produttori di auto, ed i loro progettisti, stanno tentando da anni di coniugare i vantaggi della tecnologia di compressione conservando le doti di confort di un motore aspirato. Il risultato è che oggi ci sono motori Turbo Intelligenti che sembrano aspirati di ben più grossa cilindrata. La sovralimentazione quindi unica via per ottenere emissioni basse ed in linea con le norme sempre più stingendi,  è ottenibile i due modi. La più antica, quella utilizzata quasi fin dalla nascita del motore endotermico stesso, è il compressore volumetrico collegato al motore in modo meccanico.

Il vantaggio sta nel fatto che la pressione viene raggiunta immediatamente rimanendo costante, però ha il problema di non poter raggiungere pressioni molto elevate assorbendo energia meccanica. Una contraddizione visto che i progettisti si disperano per migliorare il rendimento meccanico dei propri motori, per poi vedersi vanificato il lavoro ad un elemento esterno che assorbe potenza. Ma la tecnologia migliora anche per i compressori volumetrici. La Eaton lavora da anni per migliorare la capacità di comprimere aria assorbendo meno potenza possibile al punto che secondo i tecnici del colosso americano  l’assorbimento a fronte dei vantaggi è trascurabile.

Un esempio è il compressore volumetrico tipo Rootes TVS2 (Twin Vortici Series). Ci sono anche costruttori come Mazda con il suo motore benzina SkyActiv-X  che  utilizza un piccolo compressore a cinghia come una pompa d’aria, non per aumentare la potenza, ma per fornire aria in eccesso per sostenere la combustione magra fasi del funzionamento del motore. Per dovere di cronaca, dobbiamo dire che già negli anni 80 l’ingegno italiano era riuscito a ridurre sia i problemi sia della sovralimentazione volumetrica che quella del turbo adottando entrambe le soluzioni in modo congiunto. La Lancia Delta S4 Gruppo B, usava entrambe le soluzioni facendole lavorare in serie. Un esempio di altissima ingegneria, soprattutto senza l’ausilio dell’elettronica moderna ancora oggi impareggiabile ed inarrivabile.

Il motivo per cui la stragrande maggioranza dei tecnici, invece, si sta affezionando alla sovralimentazione, adottano il Turbo,  è per la sua capatità rispetto ad un compressore volumetrico di avere una maggiore entalpia, cioè la sommatoria più alta di fattori come energia interna del sistema ed il prodotto della pressione per il volume, fondamentale per ridurre le emissione di CO2. Resta da porre rimedio al fatto che la girante che viene investita dai gas di scarico funziona correttamente solo quando questi hanno l’energia ideale, cosa che non succede a tutti i giri del motore. Quindi avere un energia costante che alimenta in modo regolare la turbina è fondamentale, soprattutto perchè tutti o quasi i motori a benzina turbo moderni si portano appresso una sorellina fastidiosa come la valvola EGR per il riciclo dei gas di scarico ed il filtro antiparticolato. Secondo i progettisti della BorgWarner,  uno dei maggiori produttori di turbo, non è possibile, nel 2018, progettare un sistema Turbo generico separato dal motore che deve andare ad equipaggiare.

L’accoppiamento del Turbo al motore cambia determinando un diverso sfruttamento della coppia e di conseguenza anche l’erogazione della potenza in funzione del motore che lo ospita anche se il produttore del turbo è lo stesso e la sigla analoga. Ormai non si parla più di potenza pura, si deve deve parlare di cavalli intelligenti, ecologicamente sostenibili. Nei motori Turbo Diesel,  per limitare il ritardo e migliorare la risposta si usa da anni la geometria variabile. La turbina, grazie ad un sistema di strozzatura a pale, aumenta la rotazione ai bassi regimi per poi liberarla continuando a fornire la spinta a massimo carico.  Questo sistema è usato poco sui motori turbo benzina  per il fatto che i diesel hanno una temperatura dei gas di scarico minore, mentre i ciclo otto con i loro 900 gradi potevano creare problemi di affidabilità. Basti pensare che i tuner più precisi, hanno sempre un misuratore temperatura dei gas di scarico per preservare la turbina dei clienti.

Il problema è stato risolto dalla Volkswagen che utilizza la Turbina a geometria variabile VTG. I tecnici tedeschi hanno lavorato per ridurre gli attriti e l’inerzia migliorando la risposta e la guidabilità adottandola  anche per il motore TSI da 1,5 litri, oltre che per i Turbo di casa Porsche.  Questo propulsore di ultima generazione, funziona con un Ciclo Miller generando una curva di coppia sostanziosa e costante di 200 Nm disponibile già da 1.400 rpm e che rimane tale fino a 4.000 rpm, condizioni ancora più gravose rispetto ad un sovralimentato di tipo tradizionale. Sempre restando in casa Volkswagen, lato Audi, su alcuni modelli  sportivi vome la RS3, viene usato un turbo RAAX prodotto da Continental. In questo caso il gas di scarico non entrano nella chiocciola in modo radiale ma arrivano a lambire la girante in modo assiale. Un turbo che necessita di un riprogettazione completa della girante della turbina con una diversa conformazione geometrica della curvatura delle palette. Il Turbo migliora la sua efficienza consentendo la riduzione di circa il 40% della dell’inerzia conservando un ottima efficienza, ma non è dotato di geometria variabile.

La tegnologia VTG del gruppo Volkswagen ha il pregio di potersi diffondere anche su motori piccoli  e di grande diffusione.  Ormai non c’è costruttore che non abbia in listino un 1.0 litri turbo con vari livelli di potenza beneficiando della ricaduta tecnologica di sistemi complessi prima riservati a Supercar come nel caso di Porsche. Il passo successivo è la sovralimentazione a doppio stadio, che ha permesso per la prima volta di avere diesel dalla potenza di 100cv/litro. Il sistema prevede un turbo di piccole dimensioni per una buona risposta a bassi regimi ed un turbo in serie più grande per ottenere la potenza e coppia massima agli alti regimi. Una tecnologia che ad oggi si sta diffondendo anche per i motori a benzina in particolare BMW. Lo sviluppo della sovralimentazione ha portato all’evoluzione anche dei condotti che alimentano il turbo.Oggi,  ogni sistema è dotato di condotti Twin-Scroll, cioè è alimentato da condotti  che consentono di avere flussi di scarico separati per massimizzando l’effetto degli impulsi del gas migliorando considerevolmente risposta, il tutto con l’aiuto indispensabile dell’elettronica. Le valvole come la wast-gate vengono controllate in modo elettronico per avere un migliore monitoraggio della pressione di esercizio senza vincoli meccanici.  Un esempio di eccellente sfruttamento dei condotti per alimentare il turbo è rapprsentato dal motore turbo benzina progettato da Mercedes e Renault. Questo propulsore ricava i condotti di scarico internamente alla testa in modo da avvicinare la turbina alla camera di combustione ed utilizzare al meglio l’energia dei gas di scarico.

Fin  qui la tecnologia di oggi, ma il domani?   il futuro è ibrido anche per i turbo. L’Audi è stata la prima ad usare un supporto elettrico per ridurre il turbo lag migliorando il rendimento. L‘eBooster è composto da un compressore centrifugo movimentato da un motore elettrico a 48 Volt. Questa soluzione permette la gestione della portata d’aria ai cilindri indipendentemente dalla velocità di rotazione del motore riducendo al minimo il turbo-lag. Ma la Ferrari è andata oltre, separando completamente la girante mossa dai gas di scarico con quella di compressione dell’aria. La prima viene collegata da un motore elettrico che funge da generatore, la seconda prende energia da un secondo motore elettrico che la muove in modo assolutamente indipendente dalla forza dei gas di scarico potendo contare sull’energia elettrica accumulata dalla girante di scarico. In questo modo il livello di pressione e la durata della sovralimentazione vengono gestiti da un controllo elettronico.

Rimangono da chiarire i dubbi circa l’affidabilità. Henry Ford asseriva che se un componente non c’è non si può rompere. Viene da tremare i polsi al pensiero che il turbo,  che è comunque un accessorio esterno al motore, si può rompere, ed in certi casi c’è ne sono due. In effetti la grande diffusione di questi sistemi oltre a creare concorrenza nello sviluppo,  ha costretto i produttori ad avere una maggiore affidabilità nelle componenti. Diffondere i turbo sulle utilitarie, ha consentito di poter avere costi di approvvigionamento migliori per i produttori abbassando i costi di riparazione per i clienti. Oggi un turbo prima di essere sostituito si revisiona come ogni componente esterno come potrebbe essere una pompa del gasolio o altro.

La carrellata di applicazioni che si sono trattate in questo articolo volevano essere una sorta di elenco indice di ciò che la tecnologia più avanzata sta adoperando per migliorare l’efficienza del motore endotermico, il quale è ben lungi dal gettare la spugna rispetto alla sfida lanciata dall’elettrico. Ognuno dei sistemi descritti sommariamente sarà sviluppato nel suo dettaglio con articoli appositi, un modo da dare un idea molto più dettagliata e precisa del funzionamento delle tecnologie applicate.

Daniele Amore