Come funziona un turbo e un compressore: tipi di sovralimentazione

I sistemi di sovralimentazione permettono di aumentare notevolmente le prestazioni di un motore. In sostanza, ciò che si persegue sovralimentando un motore è introdurre più aria nei cilindri di quanta il motore sia in grado di aspirarne da solo a pressione atmosferica.

Perché vogliamo più aria nella camera di combustione? Semplicemente perché, per dirla in modo molto semplice, la potenza di un motore dipende dalla quantità di ossigeno (e quindi dell’aria) che possiamo far reagire con il carburante per produrre una potente esplosione –o combustione, a seconda che si parli di benzina o diesel, rispettivamente– che spinge il pistone.

Per questo, bisogna comprimere l’aria di aspirazione utilizzando un meccanismo di sovralimentazione, che può essere di due tipi: turbo (chiamato anche turbocompressore) o compressore.

Vediamo il principio di funzionamento di un turbo e di un compressore. In questo modo potrai capire meglio i vantaggi e gli svantaggi in ciascun caso.

Prima di ciò, conviene ricordare che né il compressore né il turbo sono tecnologie recenti.

La sovralimentazione si utilizza nell’automobilismo fin dal primo decennio del XX secolo. Nel caso dei compressori si adattò un meccanismo già utilizzato in altre applicazioni industriali. Quanto al turbocompressore, il suo sviluppo iniziale avvenne nei motori aeronautici, per compensare la minore densità dell’aria all’aumentare dell’altitudine.

Ecco come funziona un turbo

Un turbo consta essenzialmente di due turbine unite solidalmente da un albero che girano all’interno di un carter. Il principio di funzionamento consiste nello sfruttare l’energia cinetica dei gas di scarico del motore.

I gas di scarico vengono fatti passare attraverso la prima turbina, provocandone la rotazione. Poiché la seconda turbina è solidale, girerà anch’essa. In questo caso, il movimento della seconda turbina viene sfruttato per generare pressione spingendo l’aria nel collettore di aspirazione.

Ci sono diverse cose importanti da sapere sui motori con turbocompressore. Logicamente, più grande è il turbo, maggiore è la sua capacità di generare pressione. Tuttavia, sarà anche più costoso far accelerare la turbina con i gas di scarico, il che può causare un ritardo di risposta tra la pressione dell’acceleratore e l’effettiva erogazione della potenza. È ciò che si conosce come turbo lag.

Altre cose. Le turbine possono girare a velocità molto elevate, superiori a 150.000 giri/min. Per questo la corretta lubrificazione del turbo (in particolare del suo albero) è così importante per evitare guasti. Per questo è fondamentale avere ben chiara l’importanza che riveste l’olio motore.

L’eventuale eccesso di pressione generato dal turbo viene controllato mediante una valvola di scarico (wastegate). La regolazione di questa valvola, che lascia “sfuggire” l’aria, è ciò che permette di regolare la taratura o la pressione di sovralimentazione del turbo.

Inoltre, per migliorare le prestazioni, i motori turbocompressi dispongono spesso di un radiatore chiamato intercooler. Questo radiatore raffredda l’aria di aspirazione dopo il passaggio nel turbo, che si è riscaldata durante la compressione, perdendo densità di ossigeno.

Per concludere sul turbocompressore, va detto che è un sistema per aumentare le prestazioni che si sposa particolarmente bene con i motori diesel, che funzionano per compressione della miscela e non per esplosione della stessa tramite la scintilla di una candela.

I motori a benzina richiedono una miscela con una determinata proporzione di ossigeno e carburante (per i più curiosi, si chiama miscela stechiometrica) affinché la combustione sia efficace, mentre un diesel è in grado di bruciare tutto l’ossigeno che riesci a introdurre nella camera di combustione.

Di fatto, da tempo non esistono sul mercato motori diesel aspirati. Nei motori a benzina, il turbo ha iniziato ad acquisire importanza con l’arrivo dell’iniezione elettronica, che permetteva di controllare la miscela con maggiore precisione rispetto ai motori turbo con carburatore. Ma questo meriterebbe un’altra storia. Attualmente esistono marchi con eccellenti motori a benzina senza turbo. Un esempio è il 2.0 Skyactive di Mazda che abbiamo provato sulla CX-30.

Tipi di turbo

Esistono diversi tipi di turbocompressori, in funzione dell’applicazione a cui sono destinati. In base alla loro “geometria” si dividono in turbo fissi o variabili.

• Turbocompressore a geometria fissa. In questo tipo di turbocompressori, il flusso d’aria che investe la turbina azionata dai gas di scarico avviene sempre nello stesso modo. La sua fabbricazione è più semplice, avendo meno parti mobili. Il problema è che quando il motore gira a bassi regimi il flusso dei gas di scarico non ha energia sufficiente per accelerare rapidamente la turbina, producendo il già citato turbo-lag o ritardo di risposta del turbo.
• Turbocompressore a geometria variabile. Sono conosciuti anche come VGT (dalle sigle inglesi, Variable Geometry Turbocharger). Dispongono di alette nella zona della turbina azionate in modo pneumatico o elettrico. Permettono di variare il modo in cui i gas di scarico investono la turbina, principalmente per accelerarne il movimento quando il flusso di gas è scarso. Eliminano in gran parte il ritardo di risposta del turbo.
• Turbo Twin-Scroll: Sono chiamati anche turbo a doppio ingresso. Giocano con il flusso dei gas dei cilindri separandolo in modo da non creare contropressione nel collettore di aspirazione.

In questo video puoi vedere come funziona un turbocompressore, in particolare a geometria variabile.

https://youtu.be/AuQor-YnbZ8

Ecco come funziona un compressore

Passiamo ora al compressore. L’obiettivo resta lo stesso del turbo: introdurre aria compressa nella camera di combustione. Ma qui non si utilizza l’energia dei gas di scarico: il meccanismo del compressore è azionato dal motore stesso, normalmente tramite una cinghia collegata all’albero motore.

Anche la sua applicazione risale all’inizio del XX secolo, quando veniva usato nei modelli da competizione per ottenere alte potenze. Non dipendendo dai gas di scarico, non presenta ritardo di risposta. Ma a alti regimi comporta una grande perdita di potenza del motore, che riduce l’efficienza.

Tipi di compressori

Esistono diversi tipi di compressori, a seconda della loro architettura.

• Compressore tipo Roots. Viene chiamato anche “a lobi”, per i rotori a forma di otto che girano in senso contrario all’interno di un carter, spingendo l’aria.
• Compressore Eaton. Sono conosciuti anche come compressori “a vite”. Sono formati da due elementi a forma elicoidale che girano ingranati, in modo che l’aria che entra tra i due elementi in rotazione si trova in un volume che diminuisce, facendo aumentare la pressione.

Un altro tipo di compressore, che Volkswagen utilizzò senza successo negli anni ’90, è il compressore G, noto come compressore Scroll. Sono formati da una spirale fissa e una interna mobile, che comprimevano l’aria muovendosi. Sono stati abbandonati per la complessità della loro fabbricazione e la scarsa affidabilità.

Video compressore Roots

https://youtu.be/nsA9YsZhREA

Video compressore Eaton

https://www.youtube.com/watch?v=stjvbAO_6JQ

Cosa è meglio, un turbo o un compressore?

Se sei arrivato fin qui, potrai farti un’opinione personale su quale sia migliore tra turbo e compressore. Perché non esiste un’unica risposta a questa domanda. Dipende dal tipo di motore e da ciò che vuoi ottenere. Di fatto, come vedrai, ci sono marchi che ricorrono a entrambi i sistemi insieme.

In sintesi, il compressore consente una risposta praticamente istantanea all’acceleratore fin da un regime molto basso. Ma sono ingombranti, e il loro azionamento sottrae potenza al motore.

Il turbocompressore non “ruba” energia al motore, utilizza quella dei gas di scarico, che altrimenti andrebbe persa. Ma presenta il problema del ritardo di risposta quando non ci sono gas di scarico sufficienti a muovere la turbina, tanto più quanto il turbo è grande. Questo costringe a ricorrere a soluzioni come l’utilizzo di più di un turbocompressore (piccolo per bassi regimi, grande per alta potenza a regimi elevati); Mercedes-Benz o BMW sono arrivati a utilizzare fino a tre turbo in alcuni dei loro motori.

Ci sono anche marchi che hanno ricorso alla doppia sovralimentazione per combinare i vantaggi di entrambi i sistemi. E non proprio su modelli sportivi. Senza andare oltre, molti modelli del Gruppo Volkswagen sono arrivati a utilizzare un compressore e un turbo nel popolare 1.4 a quattro cilindri che equipaggiava, tra gli altri, la Volkswagen Golf.

La nuova era dell’elettrificazione ha aperto le porte ai turbocompressori con assistenza elettrica, come l’EPC che di Audi, con un compressore elettrico che si occupa di far accelerare la turbina per ridurre il turbo lag a bassi regimi. Un’altra soluzione, vista anche negli ultimi modelli sportivi di Audi con motore TDI, è la combinazione di un compressore elettrico con un turbo.

Uno dei maggiori specialisti in sovralimentazione, BorgWarner, ha già sviluppato la sua tecnologia eBooster, che utilizza proprio un compressore elettrico per assistere il turbo mosso dai gas di scarico. Puoi vedere come funziona in questo video.

https://youtu.be/iEGisoOnewg