Alla scoperta del motore Turbo, tra storia e funzionamento. Cosa rende questo tipo di motore così congeniale alla ricerca delle altre prestazioni?
Il motore turbocompresso, come noto, è tornato alla ribalta del grande palcoscenico motoristico mondiale: Formula 1, World Endurance Championship, IndyCar, WeatherTech SportsCar Championship (IMSA), WTCC, WRC, solo per citare i più importanti campionati a respiro internazionale. E l'”invasione” non è ancora finita. Questo tipo di motori, dunque, sta vivendo una seconda giovinezza. Imposto dai regolamenti o per libera scelta dei costruttori, i motori Turbo stanno soppiantando gradualmente gli aspirati. Tuttavia, occorre ricordare e ribadire un punto assai importante: lo sviluppo di siffatti motori non si è mai arrestato, benché il grosso del pubblico identifichi “il Turbo” con la Formula 1. Esiste l’errata convinzione che, dopo il 1988 (ultimo anno dei propulsori Turbo in F1, ritorneranno solo nel 2014), il motore Turbo abbia, per così dire, chiuso i battenti. In realtà, se la F1 si è convertita forzosamente per regolamento ai soli aspirati (1989-2013), altre categorie di elevato livello mondiale e internazionale (dall’endurance ai rally, passando per la CART) hanno lasciato porte aperte ai turbocompressi (o ai motori sovralimentati più in generale).
Il motore Turbo incarna, da decenni, la tipologia più diffusa per quanto concerne i propulsori sovralimentati. Per capire il suo funzionamento, occorre introdurre un concetto basilare, ossia la quantità d’aria aspirata da un qualsivoglia motore, parametro determinante ai fini della ricerca di maggior potenza. Essa è incrementabile in più modi: aumentando la cilindrata (più è grande, più il volume d’aria aspirato sarà maggiore), elevando il regime di rotazione, aumentando il riempimento. La via più semplice per aumentare il riempimento è, appunto, “ingozzare d’aria” il motore. Il principio tecnico alla base della sovralimentazione, dunque, è l’aumento della densità dell’aria, condizione che realizza un proporzionale incremento della potenza. L’aumento della densità dell’aria si ottiene in due modi: il primo, mediante l’uso di compressori; il secondo, raffreddando l’aria immessa in camera di combustione mediante scambiatori di calore (i famosi intercooler). Come si intuisce, questi due sistemi sono spesso abbinati, anche in presenza di motore Turbo. La sovralimentazione, quindi, rende possibile l’incremento della quantità d’ossigeno immessa in camera di combustione, condizione che consente l’aumento della quantità di carburante ad essa miscelata. Da qui, appunto, l’aumento della potenza.
Il turbocompressore è, attualmente, il sistema di sovralimentazione più diffuso e redditizio. Non è, come noto, l’unico sistema di sovralimentazione. I compressori hanno caratterizzato, per molti anni, i motori sovralimentati da competizione; pochi gli esempi di compressore centrifugo, numerose le applicazioni del volumetrico, sistema tutt’oggi in vita. Altri interessanti dispositivi di sovralimentazione sperimentati o compiutamente applicati sono il Comprex e il sistema misto Turbo/Volumetrico (in Lancia, nel periodo delle Gruppo B, il Volumetrico era stato riproposto col nome di Volumex) adottato, per fare il più celebre degli esempi, dalla leggendaria Lancia Delta S4 Gruppo B.
Molteplici i fattori che hanno reso e rendono il Turbo il sistema di sovralimentazione più diffuso: intuitività di funzionamento, leggerezza, ingombri ridotti, autoesaltazione del sistema stesso.
Il Turbo è costituito da due elementi principali: nel senso del flusso d’aria, essi sono il compressore (generalmente centrifugo) e la turbina. Compressore e turbina sono collegati mediante albero di trasmissione coassiale. Il compressore viene mosso e azionato dalla turbina, la quale, a sua volta, viene azionata dall’energia cinetica dei gas di scarico. L’aria in entrata nel compressore, quindi, viene appunto compressa, pronta per essere immessa in camera di combustione. L’aria compressa, tuttavia, tende a surriscaldare, condizione negativa per corrette sovralimentazione e combustione. Ecco, allora, che l’aria compressa, prima di venire immessa in camera di combustione, viene raffreddata dagli appositi scambiatori di calore, processo che ne aumenta anzitutto la densità.
Si comprende bene in cosa consista l’autoesaltazione del dispositivo “Turbo”. All’aumentare della quantità e della pressione dell’aria immessa in camera di scoppio, aumentano anche il flusso e la velocità dei gas di scarico in uscita e azionanti la turbina. Ciò fa sì che le giranti di turbina e compressore girino sempre più velocemente, con conseguente aumento del volume di aria compressa. Sfruttando tale peculiarità, anche motori di piccola cilindrata possono, grazie al Turbo, erogare potenze abnormi. Ma c’è un però…
Quando si parla di motori Turbo, si fa sovente riferimento alla valvola waste-gate. Ebbene questa valvola fa sì che il suddetto effetto auto-esaltante tipico del Turbo e appena descritto non vada a danneggiare il motore stesso. Limitare il regime di rotazione del turbocompressore, pertanto, risulta essenziale. A tale scopo, si parzializza il flusso di gas di scarico azionante la turbina, deviando all’esterno tale flusso in eccesso. Questa è la funzione della cosiddetta valvola waste-gate. La pressione di sovralimentazione in eccesso e che supera la soglia critica aziona la valvola (a comando pneumatico o elettronico). I gas di scarico eccedenti vengono espulsi, dalla waste-gate, attraverso un condotto specifico (più piccolo del terminale di scarico principale che fuoriesce a valle della turbina) o attraverso il terminale principale di scarico stesso. Contraltare della waste-gate è la valvola pop-off: essa consente l’espulsione dell’aria compressa eccedente in fase di decelerazione (famose le vistose pop-off che caratterizzavano i cassoncini di aspirazione dei motori CART). In rilascio, infatti, non occorre potenza; tuttavia, per inerzia, il compressore continua ancora a girare velocemente, comprimendo aria non necessaria. La valvola pop-off, pertanto, espelle in fase di decelerazione questo volume d’aria in eccesso, evitando anche il contraccolpo fluidodinamico sulla girante del compressore al momento della chiusura della farfalla.
Numerosi i problemi e le sfide progettuali affrontate dai tecnici motoristi in tanti decenni di storia del Turbo. Come si evince, è una tipologia di motore che presenta incontrovertibili vantaggi ma anche “rogne” non di poco conto. Sono in ballo pressioni, velocità periferiche, regimi di rotazione, temperature, sollecitazioni e stress elevatissimi. Un motore Turbo richiede, pertanto, una progettazione particolare, meticolosa: dal disegno e lo studio di turbina e compressore all’accoppiamento motore-turbocompressore, dai materiali al controllo delle temperature e così via. Tra i problemi più noti e ricorrenti affrontati dai tecnici vi è il cosiddetto turbo-lag.
Il turbo-lag si manifesta come un ritardo di risposta del Turbo in accelerazione, al primo tocco di gas. Ciò avviene perché, ai bassi regimi, un motore Turbo si comporta come e peggio di un normalissimo motore aspirato. Peggio, appunto, in quanto ai bassi regimi la velocità dei gas di scarico non consente il raggiungimento di apprezzabili velocità di turbina e compressore (le cui giranti, peraltro, presentano una inerzia da vincere) tali da realizzare la sovralimentazione richiesta. Naturalmente, superata questa fase transitoria di mancata sovralimentazione, il turbocompressore inizia a lavorare a pieno regime e a comprimere aria all’interno dei collettori d’aspirazione, quindi in camera di scoppio. Si realizza, quindi, il classico “calcio” in accelerazione.
Il turbo-lag costituisce una tanto cronica quanto intrinseca caratteristica dei Turbo a geometria fissa. Esistono modi per lenire o addirittura eliminare questo “fastidioso” fenomeno? Sì, ecco i principali. In assenza di turbine e geometria variabile, un primo metodo consiste nel frazionare il numero dei turbocompressori (i classici biturbo), soluzione ideale in presenza di motori ad architettura a V. Ogni bancata, pertanto, ha il proprio gruppo di turbocompressore. Altri sistemi consistono nella riduzione del diametro dei collettori di scarico e nelle iniezioni di miscela incombusta nei collettori di scarico, allo scopo di accelerare, nelle fasi “morte” della sovralimentazione, il flusso dei gas di scarico. Tale flusso accelerato permette un maggior regime di rotazione della turbina, quindi del compressore. Quest’ultimo espediente fu adottato dalla Ferrari a partire dai primi Anni ’80. Interessante, ai fini della eliminazione del turbo-lag, l’adozione del sistema misto, compressore volumetrico/Turbo. Il Volumetrico (che ben si accoppia al motore endotermico, anch’esso macchina volumetrica, benché assorbi potenza essendo trascinato dal motore stesso) agisce ai bassi e mesi regimi, il Turbo subentra agli alti.
Il sistema più redditizio risiede, tuttavia, nell’adozione delle turbine a geometria variabile. Esse sono in grado di ottimizzare la portata del flusso dei gas di scarico e l’angolo di incidenza (in funzione della velocità dei gas stessi) con cui proprio i gas investono le palette della girante. Ciò ha permesso di realizzare turbocompressori dalle dimensioni più ridotte rispetto ai Turbo a geometria fissa ma sensibilmente più efficienti.
Con l’avvento delle motorizzazioni ibride, i moto-generatori elettrici hanno assunto anche il ruolo di anti-lag. Le moderne monoposto di Formula 1 e gli attuali Prototipi ibridi LMP1, infatti, sono provvisti di unità elettriche atte a contrastare il turbo-lag in accelerazione. Ciò è evidente soprattutto in Formula 1, ove il Regolamento Tecnico vieta le turbine a geometria variabile (contemplate, invece, nel Regolamento LMP1). L’ormai noto MGU-H (moto-generatore elettrico calettato al Turbo mediante albero di trasmissione coassiale), quando in modalità motore elettrico, supporta la turbina nel raggiungimento di elevati regimi di rotazione in accelerazione.
Il motore Turbo, in definitiva, è sì in grado di realizzare “facilmente” valori di potenze assai elevate (da qui, l’errata convinzione, da parte di molti, che siffatto motore sia “grezzo” rispetto ad una spirato), tuttavia richiede una progettazione più che mai accurata. E l’evoluzione ancora non è finita.
Scritto da: Paolo Pellegrini