I motori sovralimentati – Note tecniche – Di fronte ad un possibile tramonto del motore a combustione interna, la discussione sul confronto tra motore turbo e motore aspirato è ancora al centro dell’attenzione, soprattutto tra appassionati. Ad alimentare ulteriormente la questione ci pensa poi la tecnica della sovralimentazione mediante compressore volumetrico. Una differenza sostanziale tra ciò che gli americani definiscono Supercharged e Turbocharged.
Con il primo termine, se qualcuno non avesse messo a segno bene la differenza, si parla di motori sovralimentati mediante compressore volumetrico, a differenza delle unità che invece fanno ricorso al turbocompressore azionato ai gas di scarico per aumentare il riempimento della camera di combustione. Vediamo però in questa sede di separare la questione in due macro aree, quella dei motori sovralimentati e quella dei motori aspirati, concentrandoci in particolar modo sui primi.
Orientamento del mercato
Il mercato europeo ha visto un impiego massiccio dei motori turbo, soprattutto con l’affermazione dei diesel per i quali l’utilizzo del turbocompressore appare senz’altro un’ottima soluzione. In questi ultimi anni sono arrivati anche i benzina con l’iniezione diretta e quindi la soluzione tipo common rail non è più così una primizia, tanto che i due tipi di motori, diesel e benzina, per molti versi, si stanno assomigliando sempre di più, sebbene i cicli di funzionamento siano sensibilmente differenti. Se però volessimo veramente scoprire un’applicazione variegata in termini di sistemi di alimentazione, il mercato americano è quello che ci offre un panorama molto più ampio: motori con turbocompressore, motori con sovralimentatore meccanico e motori aspirati sono tutti ampiamente utilizzati, ma la questione del confronto è più viva che mai. Ecco quindi che gli automobilisti di tutto il mondo, e ancora di più gli appassionati di auto, si sono trovati per decenni a discutere sui pro e i contro delle due soluzioni. Operatori del settore sostengono, tanto per citare un esempio, che il turbocompressore non si sia mai affermato nelle gare di accelerazione americane, le famose drag races, a causa del loro effetto insonorizzante. Come molti di voi già sapranno, infatti, quando ad un motore viene applicato un turbocompressore, uno degli effetti principali è la riduzione della rumorosità.
Ma veniamo al nocciolo della questione: perché dovremmo scegliere un aspirato? Oppure, perché dovremmo optare per un’unità con turbocompressore o, ancora, una con compressore volumetrico? Beh, patiamo da un assioma imprescindibile: potete raccontarvela quanto volete, ma il turbocompressore è il modo meno costoso per spremere più potenza ad un motore. Ma… e c’è sempre un ma, siamo sicuri che alla fine avremo speso veramente meno? Le valutazioni sono complesse, a partire da una questione fondamentale: il motore a combustione interna è una macchina alternativa, che lavora con un ricambio ciclico del fluido di lavoro. Il turbocompressore è una macchina fluidodinamica che viene attraversata costantemente da un fluido. Sono due concetti molto diversi e mettere in accordo queste due macchine richiede una conoscenza che va ben oltre la media, e un hardware non così noto alla molteplicità del pubblico. È vero poi che i cavalli facili vengono fuori, ma è altresì vero che le sollecitazioni sui componenti del manovellismo crescono in maniera notevole. A questo punto sorge il problema di dover rinforzare pistoni, bielle, albero motore, fasce elastiche ed è anche necessario tener conto delle caratteristiche antidetonanti del combustibile, perché con un turbo le pressioni di esercizio crescono a dismisura. Tutti argomenti che potrebbero elevare il conto economico a livelli di scarsa competitività rispetto ad altre soluzioni. Si tratta quindi di un bilancio delicato. Bilancio che va orchestrato con la dovuto attenzione e che alla fine porta a vantaggi complessivi del tutto superiori rispetto a qualsiasi altra soluzione.Questo aspetto portò dei limiti di applicazione intorno agli anni ’80, quando si cercava di migliorare l’efficienza dei motori lavorando sui rapporti geometrici di compressione. Poi, venne calata la mannaia sulle emissioni e i nuovi standard portarono ad un inversione di tendenza, cioè all’abbattimento dei rapporti di compressione per diminuire le temperature di combustione e limitare quindi le emissioni di ossidi di azoto. Il turbo avrebbe, a breve, riscoperto una seconda giovinezza, perché queste sembravano le condizioni migliori per un’applicazione con turbocompressore. E gli aspirati? Beh, dal canto loro, le unità diesel aspirate erano già pronte a diventare storia, mentre i benzina privi di sovralimentatore hanno continuato ad esistere, tanto che sono presenti ancora ai giorni nostri. I vantaggi? Non sono pochi, perché gli aspirati, guardati ormai con sufficienza da molti automobilisti impregnati di nozioni non completamente aderenti alla realtà, sono stati snobbati per parecchio tempo. È bene però ricordare che l’onestà di un aspirato rispetto alla mutevolezza di un motore turbo la si riscopre nella vita di tutti i giorni. Facciamo degli esempi.
Le prestazioni dei motori sovralimentati variano sensibilmente al variare dei cambiamenti climatici: quando fa molto caldo le loro prestazioni calano, anche vistosamente, e se volete qualche dimostrazione vi potremmo proporre i risultati ottenuti sul banco prova che abbiamo nella nostra officina. Quando fa freddo le prestazioni subiscono un’impennata. Facendo una battuta, si potrebbe proporre un bollo stagionale per tutti i motori turbo. Se poi il motore è dotato di sensori di detonazione, le differenze si fanno ancora più sensibili, con il controllo motore che interviene di continuo per posticipare l’anticipo di accensione ogni qualvolta i sensori rilevano un principio di detonazione. Questo non accade con gli aspirati. Sono unità molto più sincere, non si impressionano molto con il tempo e quello che sono in grado di dare è più o meno sempre disponibile. Sono molto più semplici, sono molto meno sollecitate e sul lungo periodo, a parità di progetto di dimensionamento e verifiche di resistenza, offrono maggiore affidabilità. Certo, a parità di cilindrata vanno meno.
Cosa ci danno in più i motori sovralimentati?Per capirlo è sufficiente analizzare alcune grandezze caratteristiche. Una di queste è l’Efficienza Volumetrica. La quantità teorica massima di aria che un motore aspirato potrebbe ingoiare è pari alla propria cilindrata, ma ciò non avviene mai per diversi motivi. C’è sempre una perdita di carico lungo il condotto di aspirazione, le valvole, le porte di ingresso e di uscita delle testate offrono una certa resistenza e i gas di scarico non fuoriescono mai completamente. Questo è il motivo per cui l’Efficienza Volumetrica massima si trova solitamente intorno a valori dell’80%. Certo, su motori da gara dove si può sfruttare anche la velocità del veicolo, è possibile utilizzare accorgimenti per migliorare l’efficienza volumetrica, che in taluni casi potrebbe superare anche il 100%. Ma stiamo parlando di unità da competizione. Per l’impiego stradale non è possibile pensare a questo genere di soluzioni. Da qui nasce l’idea di impiegare un sovralimentatore. E qui la scelta è ampia. Si va dai classici turbocompressori fino ai compressori volumetrici a lobi o a vani. Il vantaggio dei compressori volumetrici, detto in maniera molto succinta, è la capacità di mantenere costante la pressione nei collettori di aspirazione qualsiasi sia la velocità del motore. Il problema è che “ciucciano” potenza al motore, perché per poter essere messi in rotazione vengono collegati meccanicamente al motore. Nel tempo sono stati impiegati compressori di varia natura, come il noto compressore Roots, che però ha il grande svantaggio di possedere un efficienza di esercizio molto bassa, con un eccessivo riscaldamento della carica in ingresso al motore. Questo genere di compressori volumetrici (a vani, a lobi ed eventualmente alternativi) vengono spesso definiti anche come compressori a cilindrata positiva. Esiste in realtà un secondo metodo per ottenere una sovralimentazione meccanica. Pensate di prendere un turbocompressore, dividerlo in due e utilizzare solo il compressore centrifugo lasciando perdere la turbina. Collegando il compressore centrifugo all’albero motore, potrete avere una sovralimentazione dinamica sfruttando una macchina fluidodinamica che preleva aria assialmente e la distribuisce radialmente. Esattamente il contrario di ciò che fa una turbina che riceve i gas esausti radialmente e li scarica nei condotti di uscita lungo il proprio asse di rotazione. Anche in questo caso nascono alcuni problemi. Ci troviamo di fronte al classico rovescio della medaglia. Il compressore centrifugo per poter lavorare deve raggiungere un numero di giri elevato, aspetto del tutto incompatibile con il regime del motore. I valori in gioco potrebbero essere, per esempio, i seguenti: 120.000 giri/min per il compressore centrifugo e 6.000 giri/min per il motore termico. Ciò significa un rapporto di 20:1 che implicherebbe la realizzazione di un sistema di trasmissione capace di resistere alle accelerazioni del motore, per un costo sicuramente proibitivo. Negli Stati Uniti, però, ci sono aziende che si sono specializzate anche in questo genere di sovralimentazione e offrono kit specifici per alcune delle più famose auto oggi commercializzate. In ogni caso, sappiate che la pressione di uscita di un compressore centrifugo è fortemente dipendente dalla velocità di rotazione del compressore stesso.
L’affermazione dei turbocompressoriL’uso di materiali capaci di resistere alle sollecitazioni termomeccaniche cui vengono sottoposti i turbocompressori ha impedito un’adozione universale di questa tecnologia. Oggi questo problema non esiste più, tanto che l’impiego della geometria variabile, in cui va riconosciuta la complessità del sistema di comando dei vani della turbina, è stata resa possibile anche sui turbo benzina che raggiungono temperature sensibilmente più alte dei fratelli a gasolio. Non ci sono dubbi sul fatto che oggi, il turbocompressore azionato dai gas di scarico è il sistema più economico per ottenere potenze specifiche più elevate. Una manna per dare libero sfogo alla filosofia del downsizing, che ovviamente porta benefici a catena, a partire dalla riduzione delle masse in gioco. Rimane ovviamente il problema fondamentale di accordare perfettamente la macchina fluidodinamica con quella alternativa, argomento su cui i motoristi hanno raggiunto un’esperienza incredibile. Aggiungiamo a ciò la necessità di garantire, come del resto accadeva già mezzo secolo fa sulle prime grandi applicazioni in serie, un adeguato raffreddamento del turbo e una buona lubrificazione. L’adozione di cuscinetti di ultimissima generazione, per sostentare l’albero che collega le giranti, ha ulteriormente migliorato l’intero sistema di applicazione. I motori ad elevata potenza specifica che adottano la sovralimentazione mediante turbocompressori hanno quindi raggiunto ottime doti di affidabilità, anche se rimangono, per motivi più che evidenti, i più proni a riportare danni derivanti da un utilizzo troppo spinto. Gli aspirati, dal canto loro, rimangono unità molto affidabili, con potenze specifiche molto più basse, ma sicuramente di grande efficacia in termini di impiego turistico.