La parte quarta della nostra trattazione dei sistemi che salveranno il motore endotermico per i prossimi anni, passa ancora una volta per la sovralimentazione. In questo caso, una volta trattata la sovralimentazione volumetrica, passiamo a capire come i motori moderni saranno più efficienti e più potenti mediante la sovralimentazione con Turbo.
Lo scopo non è tanto quello di smontare un turbo e spiegare all’appassionato ogni singola parte e la sua funzione, non sarebbe possibile con una singola trattazione, ma quanto far comprendere come questa soluzione tecnica sia polivalente, ma soprattutto rappresenti la strada obbligata per la sopravvivenza del motore endotermico negli anni a venire.
L’obiettivo di tutti i tecnici è lo sviluppo della coppia motrice, fondamentale per ottenere potenza. Un grosso valore di coppia nella zona bassa dei giri migliora i consumi e consente di usare meno il cambio per le variazioni di velocità del veicolo. Si dice che il motore è più elastico.
Sviluppare coppia nella parte alta dei giri, si ottiene quello che si dice un buon allungo con un erogazione di potenza consistente in grado di spingere anche rapporti superiori più lunghi con conseguente miglioramento dei consumi.
Quindi aumentare la capacità volumetrica del motore e la densità dell’aria aspirata, migliora nettamente anche l’efficienza complessiva del motore. In sostanza, usare un turbo non è un vezzo dell’ingegneria moderna ma una reale necessità per restare nei difficili parametri delle normative moderne per il controllo delle emissioni.
Ovviamente l’uso della sovalimentazione non è uguale per i Diesel o Ciclo Otto. I motori a gasolio aspirati hanno una maggiore efficienza ma a parità di cilindrata non genera la stessa potenza di un analogo motore benzina. Inoltre con il passare degli anni, si è dovuto ridurre la fumosità allo scarico e la conseguente generazione di polveri sottili. Una maggiore densità dell’aria limita di fatto la formazione di fumo e di Nox.
Sfruttando la naturale accensione spontanea della miscela aria combustibile una maggiore massa e densità d’aria consente un migliore sfruttamento della multi-iniezione di miscela diretta di gasolio e la sua nebulizzazione. Infine i diesel sono naturalmente più costosi rispetto ad un analogo motore benzina di pari cilindrata aspirato, quindi aggiungere un componente esterno come il turbo necessita la riprogettazione di limitati elementi. Un modo più economico di otteere più potenza, tanta coppia, meno consumi e meno inquinamento.
Discorso analogo per il Ciclo Otto ma differente nella sostanza. Infatti il turbo nasce per il motore benzina negli anni 70 spinto dalle competizioni. L’aumento del valore di coppia e potenza si ottiene in modo più semplice. Su un motore aspiatosi deve lavorare sulla capacità volumetrica naturalmente limitata cosa che porta un limitato ricavo a fronte della quantità di lavoro svolto. Basta semplicemente fare un calcolo del costo prezzo/cavallo di un motore aspirato a parità di potenza con uno Turbo per rendersi conto della differenza.
Ovviamente non si può montare un turbo su un motore aspirato e basta. Si devono considerare i fenomeni del battito in testa dovuta alla eccessiva temperatura di combustione. Infatti, nei motori sovralimentati si abbassa il valore del rapporto di compessione.
In un motore aspirato, pressione dei aspirazione è sempre meno di quella atmosferica pari 0.5 bar per arrivare a quella nominale di 1.0 bar atmosferica solo al massimo del carico. Quando viene compressa il valore minimo passa a 1.5 bar fino ad un massimo per uso stradale di 2.5 bar. Nei Diesel si può avere un valore di pressione iniziale di 1.0 bar mentre il massimo rimane analogo ai Ciclo Otto.
Quindi, in un motore che ha una pressione atmosferica al massimo carico di 1.0 bar sommando la sovra-pressione derivata dal turbo di 1.5 bar, arriva ad una pressione assoluta di 2.5 bar.
Nel dettaglio, il turbocompressore e formato da una turbina che viene mossa dall’energia del flusso dei gas di scarico. Quindi sono uniti termodinamicamente.
Il compressore e la turbina, di solito, sono collegati attraverso un albero rigido, annegato in alloggio dove si trovano cuscinetti a strisciamento o a rulli. Una volta completata la combustione della miscela aria benzina o aria gasolio, i gas di scarico attraversano il collettore colpendo la girante della turbina costringendola a girare.
La girante mette in rotazione il compressore comprimendo aria prelevata dal collettore di aspirazione. Quando la pressione dell’aria aumenta, purtroppo, si verifica anche l’aumento della temperatura. Questo fenomeno è particolarmente deleterio. Più aumenta la temperatura, più diminuisce la densità vanificando lo scopo iniziale de turbo. Meno densità significa infatti meno molecole per la combustione della miscela.
Per tornare ad una densità accettabile senza perdere pressione, viene posizionato a valle del compressore un intercooler. Uno scambiatore di calore, aria-aria o aria-acqua, che raffredda l’aria prima che questa arrivi nella camera di combustione, riportando la densità ai valori richiesti del progettista.
Dal punto di vista del rendimento, usare l’energia dei gas di scarico è un modo per sfruttare il lavoro prodotto da elemento, il gas di scarico, dotato di energia che dovrebbe essere sprecata ed immesso nell’ambiente. Invece può essere usato anche per migliorare l’emissione stessa di Co2 adottando la sovralimentazione.
Il funzionamento prevede la girante che comprime aria con una velocità di rotazione che parte da un valore minimo per arrivare a 120.000 giri/minuto in condizioni standard, fino addirittura a 300.000 giri/minuto per i motori di serie più spinti.
Raggiungere la velocità di rotazione ottimale comporta un certo ritardo. Questa condizione viene chiamata ritardo del turbo o più comunemente Turbo-Lag. Questo ritardo, il tanto amato calcio nella schiena, soprattutto dai giovani appassionati delle vetture anni 80 è causato dall’inerzia dell’aria e dal tempo impiegato da compressore per accelerare.
Oggi si lavora al massimo, con buona pace degli appassionati per limitare il problema. Le soluzioni sono molteplici, dall’utilizzo di cuscinetti a rulli o geometria variabile per la turbina. Molte aziende lavorano anche sull’efficienza del sistema nel complesso come i Turbo EFR di BorgWarner o Raax di Continental.
Si lavora anche su modo di sfruttare al meglio l’energia dei gas di scarico con collettori di scarico Twin Scroll e sistemi Twin Turbo, fino a sistemi ad azionamento elettrico separato per turbina e compressore. Tutte soluzioni che analizzeremo del dettaglio nelle trattazioni seguenti.
Il controllo della pressione, fondamentela per il corretto funzionamento del Turbo avviene mediante due valvole. La Pop Off ha il compito di controllare sovraccarichi di pressione, condizione che si verifica quando si chiude l’acceleratore improvvisamente per esempio. La pressione di sovralimentazione nelle fasi di spinta viene controllata da un altra valvola la Wastegate che impedisce di fatto al turbo di superare il valore di pressione massimo per cui è progettato.
Entrambe le valvole di controllo nei turbo moderni, sono state sostituite da comandi a controllo elettronico, molto meglio gestibili per ottimizzare il rendimento del turbo. Spesso l’elettronica consente di avere un boost, ritardando di fatto l’azione della Wastegate per avere maggiore spinta per brevi momenti in cui serve più potenza.
In conclusione, l’utilizzo della sovralimentazione mediante turbo, oggi non è solo rivolto ad un pubblico che pretende più potenza. Oggi è fondamentale per diminuire la quantità di ossidi di azoto, consumare meno a parità di cilindrata, diminuendo di fatto la quantità di Co2.
Giusto per fare un esempio. Un motore 1.6 litri aspirato che eroga 110cv per un valore di coppia 151Nm, può essere sostituito da un propulsore più piccolo di 1.2 litri con analoga di coppia e potenza, ma con un valore di consumo specifico più basso del 15% in media, con un emissione di anidride carbonica analoga. Oggi tale politica è sfruttata nel bene o nel male è usata da tutti i brand.
Dalla parte degli appassionati puri, quelli che più sono inclini alle prestazioni sportive, allora, c’è anche il rovescio della medaglia. Prendendo ad esempio lo stesso 1.6 Litri aspirato oggi ci sono in commercio motori dalla stessa cubatura con potenze fino a 270cv!
Tali porpulsori che conservano potenza, coppia, consumi più bassi ed erogazione paragonabile ad un bel motorone da 3.0 litri e spesso anche di un buon 4.0 litri come il 2.0 Litri AMG. Due cose non torneranno, sacrificate sull’altrare della efficienze e del controllo delle emissione. La vecchia cara erogazione di potenza, sicuramente più plafonata, più lineare, meno aggressiva di quando potessero erogare Turbo anni 80 con valori di potenza di 1/5, ed il sound.
Spesso la riduzione di cilindrata il down sizing prevede la riduzione del numero di cilindri, con diverso funzionamento del propulsore rispetto ad un plurifrazionato ma soprattutto la rinuncia ad aspetti emotivi come il suono, problema spesso risolto con l’adozione di impianti di scarico che sostituiscono di fatto il rumore della mecccanica. Un problema annoso anche per la F1 moderna.
Daniele Amore