Compressore Roots vs. Turbocompressore: Un'Analisi Approfondita di Funzionamento e Differenze

Nel panorama della sovralimentazione dei motori a combustione interna, due tecnologie emergono con particolare rilievo: il compressore volumetrico (spesso identificato con il tipo Roots) e il turbocompressore. Entrambi mirano a incrementare la potenza erogata dal motore comprimendo l'aria aspirata, ma lo fanno attraverso principi di funzionamento distinti, con conseguenti implicazioni in termini di prestazioni, efficienza e caratteristiche di guida. Comprendere le loro differenze è fondamentale per apprezzare l'ingegneria dietro le prestazioni automobilistiche moderne e storiche.

Il Compressore Volumetrico: Forza Meccanica Diretta

Il compressore volumetrico, noto anche come "supercharger" o "blower", è un dispositivo che aumenta la potenza dei motori a combustione interna comprimendo l'aria aspirata. In concreto, è un sistema che comprime l'aria aspirata dal motore, aumentando così la densità dell'aria stessa. Questo processo permette al motore di bruciare una maggiore quantità di carburante, generando più potenza.

A differenza del turbocompressore, che sfrutta i gas di scarico per alimentare una turbina, il compressore volumetrico è direttamente collegato all'albero motore tramite una cinghia o una catena. Ciò significa che il compressore volumetrico lavora in proporzione diretta con i giri del motore. Questa connessione meccanica diretta è la chiave delle sue caratteristiche distintive.

Come Funziona il Compressore Roots:

Il principio di funzionamento di un compressore Roots, una delle tipologie più diffuse di compressori volumetrici, è concettualmente abbastanza semplice. Esso è un compressore volumetrico senza valvole e senza compressione interna. Funziona sul principio della compressione isocora, dove l'aria entra nella camera di compressione e il volume dell'aria rimane costante al ruotare di rotori identici. Il volume della camera di compressione diminuisce con il proseguire della rotazione. In questo modo, la compressione avviene esternamente, contrastando l'intera contropressione dovuta all'aria in entrata proveniente dalla tubazione collegata.

I compressori Roots, detti anche compressori Eaton-Roots dal nome della ditta che maggiormente li ha sviluppati, sono caratterizzati da due rotori opportunamente sagomati ad assi paralleli che ruotano in sincronia in senso opposto. Questa rotazione crea camere progressive dalla bocca di aspirazione a quella di mandata. I rotori sono quasi sempre a due lobi. Questi compressori sono di impiego abbastanza diffuso per applicazioni varie, come nei motori a ciclo Otto sovralimentati e nelle soffianti usate nell'ossigenazione dell'acqua. Consentono rapporti di compressione di circa 2:1, raramente superiori, e per questa ragione sono anche detti soffianti. Rispetto ai compressori alternativi, hanno il vantaggio di una meccanica più semplice - il moto è continuo - e quindi minori sollecitazioni meccaniche.

Vantaggi del Compressore Volumetrico:

• Risposta Immediata: Uno dei principali vantaggi sta nella risposta istantanea. Essendo il compressore direttamente collegato all'albero motore, non esiste alcun ritardo nel generare pressione, noto come "turbo lag" nei turbocompressori. Questo significa che la potenza è disponibile immediatamente, con benefici concreti a livello di accelerazione e brillantezza nei rilanci. La qualità principale del Volumetrico è, indiscutibilmente, l’assenza di ritardo di risposta. Essendo collegato direttamente all’albero motore, la pressione è disponibile in ogni momento alla minima variazione di regime.
• Erogazione di Potenza Lineare: Il compressore volumetrico fornisce una curva di potenza molto lineare, con un incremento costante dei cavalli sviluppati man mano che aumentano i giri del motore. Questo rende la guida più regolare e rotonda. Sono caratteristiche che si apprezzano particolarmente nelle auto sportive e nei veicoli ad alte prestazioni.
• Maggiore Potenza ai Bassi Regimi: Grazie alla sua capacità di operare a regimi più bassi rispetto ai turbocompressori, il compressore volumetrico offre una maggiore coppia già a bassi regimi, migliorando la trazione e la fluidità di guida sia in condizioni normali sia in salita.

Svantaggi del Compressore Volumetrico:

• Consumo di Energia: Poiché è collegato direttamente all'albero motore, il dispositivo consuma energia per funzionare. Questo significa che parte della potenza generata dal motore viene utilizzata per alimentare il compressore stesso, riducendo l'efficienza complessiva del sistema. In recenti applicazioni, il problema è stato aggirato affidando a un motore elettrico il compito di azionare il compressore. Per giunta, assorbe l’energia necessaria alla compressione dall’albero motore (che, dunque, utilizza parte della potenza che produce per azionarlo, riducendo l’efficienza del sistema).
• Efficienza Inferiore Rispetto al Turbocompressore: A parità di condizioni, i turbocompressori tendono ad essere più efficienti rispetto ai compressori volumetrici, poiché utilizzano l'energia dei gas di scarico, che altrimenti verrebbe sprecata. Di conseguenza, un motore con compressore volumetrico può risultare meno efficiente in termini di consumo di carburante. La compressione esterna determina una bassa efficienza e livelli di rumore elevati.
• Complessità Meccanica: Il compressore volumetrico aggiunge un certo livello di complessità al motore, aumentando il numero di componenti in movimento e richiedendo una manutenzione più accurata per evitare usura eccessiva o guasti. Il compressore volumetrico introduce un po’ di complessità meccanica in più, a causa del maggior numero delle sue parti in movimento (il che implica, peraltro, una manutenzione più accurata).

Evoluzione e Applicazioni del Compressore Volumetrico:

Storicamente, il compressore volumetrico ha avuto un ruolo di primo piano, specialmente nei motori da competizione. Le mitiche Auto Union, progettate da Ferdinand Porsche, ne furono un esempio lampante. Il team di Porsche generò capolavori di ingegneria come la "Tipo D" V12 di 3,0 litri, dotata di sovralimentazione a doppio compressore, capace di erogare 485 CV nel 1938.

Concettualmente, il compressore è abbastanza semplice: come il turbocompressore, ha il compito di comprimere l’aria aspirata per renderla più densa e farne entrare così una maggior quantità nella camera di combustione per elevare la potenza prodotta dal motore.

Oggi, i compressori volumetrici continuano a trovare applicazione in diversi settori. La Volkswagen ha utilizzato il G-lader, un dispositivo con vani spiraliformi e una sola parte mobile, attuando un'idea risalente al 1905. Negli ultimi decenni, i compressori Roots, sviluppati da Eaton, sono diventati sempre più evoluti ed efficienti. Mercedes, con la serie "Kompressor", ha spesso utilizzato questi dispositivi. Attualmente, Audi (con i suoi motori V6 3000 a benzina) e Jaguar (con motori V6 e V8) spiccano nell'impiego di compressori volumetrici. Negli Stati Uniti, vari specialisti del tuning propongono kit di potenziamento basati su compressori Roots.

Esistono anche compressori a doppia vite, noti come Lysholm. Questi dispositivi sono a compressione interna graduale, molto raffinati dal punto di vista tecnico e in grado di fornire eccellenti prestazioni ed elevati rendimenti, ma presentano costi di fabbricazione elevati.

Il Turbocompressore: Sfruttare l'Energia dei Gas di Scarico

Il turbocompressore è un sistema di sovralimentazione che, a differenza del compressore volumetrico, utilizza l'energia cinetica dei gas di scarico per azionare una turbina. Questa turbina è collegata a un compressore centrifugo che comprime l'aria aspirata dal motore.

Come Funziona il Turbocompressore:

I gas di scarico, espulsi dal motore, vengono convogliati verso una turbina centripeta. La forza dei gas in espansione fa ruotare la turbina a regimi elevatissimi. La turbina è accoppiata a un compressore centrifugo tramite un albero comune. Il compressore, a sua volta, aspira aria dall'esterno, la comprime e la invia al collettore di aspirazione del motore.

Tutti i turbocompressori sono formati appunto dall’abbinamento di una turbina centripeta mossa dai gas di scarico e di un compressore centrifugo. Grazie alla sovralimentazione il motore produce una potenza più elevata, ma un certo numero di cavalli serve per comandare il compressore. Se il grado di sovralimentazione del motore è elevato, questo può avere un'influenza anche sul consumo specifico. Non si deve però pensare che l’azionamento di un turbocompressore, ottenuto grazie all’energia “contenuta” nei gas di scarico, sia davvero semplice e senza sforzi! La presenza della turbina lungo il percorso dei gas crea infatti una certa contropressione.

Vantaggi del Turbocompressore:

• Efficienza Energetica: Il principale vantaggio del turbocompressore risiede nella sua efficienza. Sfrutta l'energia dei gas di scarico, che altrimenti andrebbe persa, per produrre lavoro aggiuntivo. Questo si traduce, in linea di principio, in una migliore efficienza complessiva del motore, soprattutto in termini di consumo di carburante, rispetto a un compressore volumetrico a parità di potenza erogata.
• Potenza Specifica Elevata: I turbocompressori permettono di ottenere potenze specifiche molto elevate, ovvero una maggiore potenza per unità di cilindrata. Questo è uno dei motivi principali per cui sono diventati così diffusi, specialmente nei motori a benzina con iniezione diretta e nei motori diesel.
• Downsizing: La capacità dei turbocompressori di aumentare la potenza di un motore ha favorito la filosofia del "downsizing", ovvero la riduzione della cilindrata dei motori mantenendo o aumentando le prestazioni. Questo porta a benefici in termini di peso, attriti interni e, potenzialmente, consumi.

Svantaggi del Turbocompressore:

• Turbo Lag: Il difetto più noto dei turbocompressori è il "turbo lag" o ritardo di risposta. Poiché la turbina necessita di un certo regime di rotazione per generare una pressione di sovralimentazione significativa, c'è un intervallo di tempo tra la pressione sull'acceleratore e l'effettiva erogazione di potenza aggiuntiva. Le vecchie auto col turbocompressore, note anche come "turbo", erano in gran parte caratterizzate dal cosiddetto turbo lag. I turbocompressori di una volta impiegavano tempo a “caricarsi” e, prima che la pressione salisse, il motore sembrava relativamente fiacco. Poi, quando la sovralimentazione arrivava, la coppia aumentava rapidamente. Le turbo moderne, invece, sono quasi l’opposto. Grazie a soluzioni come turbo più piccoli e pronti a entrare in pressione, iniezione diretta e perfino turbo assistiti da motori elettrici (in alcuni casi), la coppia arriva praticamente subito e resta lì. Poca o nessuna latenza, nessun picco improvviso, nessuna sorpresa.
• Complessità e Calore: L'installazione di un turbocompressore introduce complessità meccanica e termica nel motore. Le elevate temperature dei gas di scarico e la necessità di un sistema di lubrificazione e raffreddamento dedicato richiedono componenti robusti e un'accurata progettazione. L'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.
• Sollecitazioni sui Componenti: L'aumento della pressione nei cilindri dovuto alla sovralimentazione impone maggiori sollecitazioni sui componenti interni del motore, come pistoni, bielle e albero motore. Questo può richiedere un rinforzo di tali parti per garantire l'affidabilità. Se il grado di sovralimentazione del motore è elevato, questo può avere un’influenza anche sul consumo specifico. Non si deve però pensare che l’azionamento di un turbocompressore, ottenuto grazie all’energia “contenuta” nei gas di scarico, sia davvero semplice e senza sforzi! La presenza della turbina lungo il percorso dei gas crea infatti una certa contropressione.

Evoluzione e Applicazioni del Turbocompressore:

Il turbocompressore ha visto un'evoluzione straordinaria nel corso degli anni. Le prime applicazioni su larga scala risalgono a mezzo secolo fa, e oggi sono diventati onnipresenti sui veicoli nuovi, dalle supercar alle utilitarie. L'introduzione della geometria variabile (VGT - Variable Geometry Turbocharger) ha permesso di ottimizzare la risposta del turbo su un'ampia gamma di regimi motore, riducendo significativamente il turbo lag.

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.

Un esempio di evoluzione sono i sistemi "turbo-compound", nei quali a valle del turbocompressore viene piazzata una seconda turbina opportunamente collegata all’albero a gomiti mediante ingranaggi e un giunto idraulico, per recuperare ulteriormente energia dai gas di scarico.

Di recente, sono entrati in scena i sistemi di sovralimentazione con assistenza elettrica, resi possibili anche dal passaggio ai sistemi con tensioni molto più elevate di quelle consuete.

Confronto Diretto: Compressore Volumetrico vs. Turbocompressore

La scelta tra un compressore volumetrico e un turbocompressore dipende dall'applicazione specifica e dalle priorità del progettista e dell'utente finale.

Considerazioni sulla Guida:

Per chi guida, l'aspirazione naturale di solito significa una risposta dell'acceleratore più lineare: il rapporto tra quanto affondi il pedale e quanto velocemente gira il motore tende a sembrare una linea retta. Il principale limite nella guida con un aspirato, soprattutto sui più comuni motori di piccola cilindrata, è che bisogna portarli su di giri con decisione per ottenere qualcosa di davvero coinvolgente.

Quando si parla di motori sovralimentati, le differenze si fanno sentire. I compressori volumetrici offrono una risposta immediata che rende la guida più brillante, specialmente nelle riprese. Il loro carattere è quello di una spinta costante e lineare che non viene mai meno.

I turbocompressori moderni, invece, hanno quasi eliminato il problema del turbo lag, offrendo una risposta pronta e una coppia disponibile su un'ampia banda di regimi. Questo li rende versatili e adatti a una vasta gamma di applicazioni.

Impatto sulle Prestazioni e sull'Affidabilità:

I motori sovralimentati, siano essi con compressore volumetrico o turbocompressore, presentano prestazioni superiori rispetto ai motori aspirati di pari cilindrata. Tuttavia, questa maggiore potenza si ottiene a scapito di una maggiore complessità e di potenziali sollecitazioni sui componenti.

I motori con turbocompressore, in particolare, possono essere più sensibili alle variazioni climatiche. Quando fa molto caldo, le loro prestazioni calano, anche vistosamente, a causa della minore densità dell'aria. Quando fa freddo, le prestazioni subiscono un'impennata. Se 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.

I compressori volumetrici, pur essendo meccanicamente più complessi, tendono ad essere meno influenzati dalle variazioni di temperatura ambiente rispetto ai turbocompressori tradizionali.

La Scelta Finale:

In definitiva, la scelta tra un compressore volumetrico e un turbocompressore è un delicato bilancio tra prestazioni, efficienza, costi e caratteristiche di guida desiderate. Mentre il turbocompressore si afferma come la soluzione più economica per ottenere potenza specifica e favorisce il downsizing, il compressore volumetrico eccelle nella risposta immediata e nell'erogazione lineare, caratteristiche apprezzate in contesti di guida sportiva e in applicazioni storiche. L'innovazione continua, con sistemi ibridi e assistiti elettricamente, sta ulteriormente ridefinendo il panorama della sovralimentazione, promettendo un futuro con motori sempre più efficienti e performanti.

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