L'evoluzione della tecnologia automobilistica ha visto un progressivo abbandono dei motori ad aspirazione naturale, eccezion fatta per i piccoli modelli destinati all'uso urbano dove non è necessaria molta potenza. La spinta verso l'efficienza e il risparmio energetico ha reso il turbo, assieme all'iniezione diretta, parte integrante della strategia di "downsizing", ovvero la creazione di motori di cilindrata ridotta capaci di offrire prestazioni adeguate con consumi ed emissioni più contenuti. Per ottenere questo famoso aumento della quantità d'aria nei cilindri, i sistemi più utilizzati sono quelli meccanici che sfruttano la compressione dell'aria nel collettore di aspirazione.
Il Principio della Sovralimentazione e il "Turbo Lag"
Quando il guidatore preme il pedale dell'acceleratore, la velocità del motore cambia. Poiché la turbina e il compressore hanno inerzia, non possono tenere il passo con questo cambio di velocità. Questo fenomeno è chiamato "isteresi" o, più comunemente, "turbo lag". L'"isteresi" aumenta il ritardo del motore o riduce la potenza in uscita, facendo percepire che il motore non si stia rafforzando anche accelerando più velocemente. Un problema con il turbocompressore è proprio il “turbo lag” o ritardo della risposta turbo, poiché il suo funzionamento dipende dalla pressione del flusso dei gas di scarico; in altre parole, dal carico del motore. Un piccolo turbo permette ai gas di scarico di accelerare velocemente la turbina e la risposta è immediata, ma limita la possibilità di aumentare le prestazioni. E viceversa: un turbo grande permette di ottenere molta potenza, ma ci vorrà molto tempo per vincere l'inerzia della turbina affinché il turbo “soffia” realmente.
La Soluzione del Doppio Turbocompressore
L'uso del doppio turbocompressore è un sistema sovralimentato con due turbocompressori indipendenti. Quando il motore è combinato da due turbocompressori, l'efficienza di aspirazione è notevolmente migliorata, l'effetto di sovralimentazione è più notevole e la potenza viene notevolmente migliorata. Questa tecnologia twin-turbo può migliorare l'"isteresi" della sovralimentazione turbo e migliorare la potenza del motore. Tuttavia, il motore twin-turbo non elimina completamente il fenomeno del "turbo lag", poiché l'inerzia della girante del turbocompressore esiste ancora.
In generale, un solo turbocompressore può dare luogo a un problema molto conosciuto tra gli addetti ai lavori: il “turbo-lag”. Il turbocompressore può provocare un aumento di potenza improvviso e rendere difficile il controllo della vettura. Le auto con motore twin turbo hanno due turbocompressori anziché uno. Quest'ultimi comprimono interamente la carica di ispirazione e perciò sono in grado di convertire l'energia termica in potenza del motore. In maniera più semplice, questo significa che un motore standard produce energia termica che si disperde nel gas di scarico.
Configurazioni del Twin-Turbo: Parallelo e Sequenziale
Esistono diverse configurazioni di sistemi bi-turbo, ognuna con le proprie caratteristiche e obiettivi. Tra le architetture più comuni troviamo il bi-turbo simmetrico (chiamato anche twin-turbo parallelo) e il bi-turbo sequenziale.
Bi-Turbo Parallelo (Simmetrico)
Nel bi-turbo simmetrico, le due turbine lavorano in parallelo, svolgendo esattamente la stessa funzione contemporaneamente. In un motore a sei o otto cilindri a V, ogni turbina gestisce i gas di scarico di una bancata. Il flusso in uscita viene diviso in modo naturale dal layout del motore e due turbine di dimensioni identiche comprimono la stessa quantità di aria, fornendo pressione aggiuntiva all'aspirazione.
Questo schema ha il grande vantaggio di essere semplice, equilibrato e in grado di garantire un'erogazione molto stabile. Di solito, le due sovralimentazioni hanno un condotto di pareggio pressione che assicura una sovralimentazione bilanciata tra le due bancate. Un altro vantaggio del twin-turbo parallelo è la risposta relativamente pronta. Ogni turbina lavora su un volume ridotto di gas, quindi il tempo necessario per raggiungere la pressione di esercizio è inferiore rispetto a una singola turbina di dimensioni equivalenti. Per ottenere un funzionamento omogeneo, è necessario che le due turbine siano perfettamente sincronizzate e che il sistema di alimentazione sia calibrato con precisione, altrimenti si rischiano squilibri nella pressione di sovralimentazione tra le bancate. In generale, questa configurazione è la più adatta ai motori con architettura a V e alle applicazioni dove si ricerca un incremento di potenza consistente e lineare senza introdurre complessità eccessive.
Nella configurazione in parallelo, due turbocompressori di uguali dimensioni si dividono in parti uguali il flusso dei gas di scarico, essendo collegati ciascuno a una determinata bancata, per poi immettere l'aria compressa in un unico collettore prima della camera di combustione. Le turbine applicate ai motori sono generalmente montate sui cilindri, fornendo simmetria di imballaggio e semplificando l'impianto idraulico su una singola configurazione.
Bi-Turbo Sequenziale
Il bi-turbo sequenziale nasce per un obiettivo diverso: eliminare il più possibile il turbo-lag ai bassi regimi e garantire una spinta progressiva lungo tutta la curva di erogazione. In questo sistema, le turbine non lavorano contemporaneamente allo stesso modo. Una turbina piccola entra in funzione ai regimi bassi e medi, sfruttando la sua inerzia ridotta per raggiungere rapidamente la pressione di sovralimentazione. Quando il motore sale di giri e l'afflusso dei gas di scarico aumenta, entra in azione una seconda turbina più grande, capace di generare pressioni elevate e sostenere flussi maggiori agli alti regimi.
È un sistema più complesso, che richiede valvole bypass, sensori e gestione elettronica accurata per coordinare la transizione tra la turbina piccola e quella grande. Intervenire su una configurazione di questo tipo è più complicato: cambiare le dimensioni di una turbina può sbilanciare completamente la logica sequenziale, e richiede spesso la riprogettazione totale del sistema di controllo.
Il motore twin turbo sequenziale utilizza un turbocompressore per velocità minime o entrambi, a velocità più elevate del motore. In genere, i turbocompressori ad alta portata non sono così efficienti a basso regime, con conseguenti pressioni inferiori del collettore di aspirazione. Dall'altro lato, si avvicinano velocemente a bassi giri ma non possono fornire aria sufficiente a velocità più elevata. Durante le basse e medie velocità del motore, quando l'energia di scarico esaurita disponibile è minima, è attivo un solo turbocompressore relativamente piccolo. In questa fase, tutta l'energia di scarico del motore viene indirizzata solo al turbocompressore primario. Mentre i giri al minuto aumentano, il turbocompressore secondario viene attivato parzialmente prima del suo totale utilizzo.
Twin-Turbo a Doppio Stadio: L'Evoluzione per i Motori Diesel
I motori Diesel, operando generalmente a velocità di rotazione più basse rispetto a quelli a benzina, dispongono di una minore quantità di gas di scarico utilizzabile per alimentare l'impianto turbo. Tale caratteristica espone i Diesel al pericoloso e sgradito fenomeno del turbo-lag. Per ovviare a questo inconveniente, sono stati sviluppati sistemi "a doppio stadio".
A differenza degli altri Twin-turbo finora analizzati, questi dispongono di due unità di taglia differente: una più piccola per garantire la corretta spinta alle basse rotazioni e una più grande in grado di elaborare portate più significative quando i regimi di funzionamento sono più sostenuti. Le due unità sono collegate in serie in modo che la pressione di spinta esercitata dalla prima possa essere successivamente moltiplicata dalla seconda. A valle della prima unità è montato un collettore che confluisce nel secondo condotto in un punto successivo alla suddetta valvola, in modo che i gas di scarico possano contribuire all'alimentazione del secondo turbo.
La prima fase include i bassi regimi, indicativamente con velocità di rotazione inferiori ai 1800 rpm. La seconda fase si colloca ai medi regimi, con velocità di rotazione variabili dai 1800 ai 3000 rpm. La valvola di bypass modifica continuamente la sua apertura in funzione dei carichi e entrambe le unità turbo sono attivate per contribuire alla compressione dell'aria. Durante questa fase, la valvola di controllo dell'aspirazione è aperta, così come quella di bypass. Confrontato con motori Diesel equivalenti, il Twin-Turbo a doppio stadio variabile è in grado di produrre un miglioramento generale dell'accelerazione del veicolo fino al 20%. L'impianto dimostra una migliore risposta al transitorio e consente di adottare una strategia di rapporto del cambio più lunga.
Il Turbocompressore: Come Funziona il Motore Turbo!
Tecnologie Avanzate e Combinazioni Innovative
L'innovazione nel campo della sovralimentazione non si ferma ai tradizionali sistemi turbo. Esistono varie tipologie di macchine per creare sovralimentazioni, che si differenziano per conformazione, metodo di attuazione e prestazioni. Possiamo distinguere due tipologie che maggiormente hanno trovato applicazione nel mondo Automotive: il Compressore Volumetrico e il Compressore Centrifugo.
Sulle vetture possiamo trovare sia l'uno che l'altro tipo di compressore, a seconda delle esigenze e degli obiettivi della casa costruttrice per bilanciare prestazioni, consumi ed emissioni. Addirittura, su alcune vetture si trovano la combinazione di Compressore Volumetrico e Turbocompressore.
Un esempio notevole è la Lancia Delta S4 Rally. La collaborazione con i tecnici Abarth portò all'utilizzo di un compressore volumetrico a lobi rettilinei insieme a un turbocompressore KKK. Con una cilindrata di 1759 cc, il motore di questa vettura era in grado di sprigionare 480 CV a 8.400 giri/min e una coppia di 50 kgm (circa 500 Nm) a 5000 giri/min. Accoppiare le due fonti per la sovralimentazione garantiva al motore una grande fluidità e ottime prestazioni già dai bassi regimi. Il contributo del compressore volumetrico era significativo proprio in questa fase, a partire dai 1500 giri/min, quando il turbo soffriva del cosiddetto turbolag a causa della scarsa portata dei gas di scarico. Il Compressore Volumetrico prendeva il moto, invece, direttamente dal motore, permettendo una buona sovralimentazione già a bassi giri. Al crescere del regime motore, il compressore a lobi rettilinei non garantiva più un elevato rendimento. A questo punto, intorno ai 5000 giri/min, il turbo riusciva a dare il massimo, fino a poter escludere il compressore volumetrico tramite una valvola di by-pass.
Oggi, questa soluzione si ritrova sui motori TSI della Volkswagen, sebbene con prestazioni non comparabili con quelle da competizione. Prendendo in esame il motore 1.4 da 125 kW montato su una Golf VI, il compressore volumetrico è di tipo a vite ed è dotato di elettrofrizione, in modo che la centralina motore possa disaccoppiarlo e ridurre l'assorbimento quando la sua azione non è più richiesta, ovvero al di sopra dei 3500 giri/min, quando il turbocompressore è in grado di generare un'abbondante sovrappressione. Grazie a questa logica di funzionamento, la vettura risulta sempre pronta, con un comportamento molto elastico e piacevole da guidare.
Un'altra conquista recente è la sovralimentazione affidata del tutto o in parte a compressori azionati elettricamente. Quest'ultimo si attiva ai bassi regimi o dopo un rilascio, quando il flusso dei gas di scarico è ancora debole, provvedendo ad aumentare immediatamente la pressione di sovralimentazione ed eliminando il famigerato turbo-lag, mentre a regime si disattiva, lasciando lavorare il turbo in modo convenzionale.
La Sovralimentazione e il Mondo delle Competizioni
Il legame tra sovralimentazione e prestazioni sembra indissolubile, e l'impulso sportivo, prima nelle gare aeronautiche e poi in quelle automobilistiche, ha spinto la sovralimentazione verso nuove frontiere. Basti pensare che nell'era del turbo in F1 si arrivò ad avere motori di 1500 cc con potenze di oltre 1000 CV! Avere più aria a una pressione maggiore nella camera di scoppio può reagire con un maggiore quantitativo di carburante, e il motore può quindi erogare più potenza.
BMW: Innovazione nei Motori Diesel e la Denominazione "Twin Power Turbo"
Molte volte abbiamo sentito parlare di soluzioni biturbo, triturbo e addirittura quadriturbo, pensando al motore B57S montato sulla versione M50d della X5 e della X7. Questi sistemi possono sfruttare una configurazione in serie o in parallelo. Sfruttano un turbo di dimensioni più piccole ai bassi regimi di giri che, grazie ai livelli contenuti di inerzia, riesce a entrare subito in coppia, e uno di dimensioni più grandi agli alti giri che sfrutta una maggior portata d'aria per raggiungere la massima potenza desiderata.
Attenzione, però: non tutti i motori BMW con sigla Twin Power Turbo sono dei bi-turbo veri e propri. La casa tedesca ha deciso di nominare in questo modo alcuni modelli che dispongono di tecnologie raggruppate, portando però alcune persone a fraintendere il tipo di architettura del sistema di sovralimentazione.
BMW è stata una delle prime a scommettere sui vantaggi dei turbo Twin Scroll, che ha utilizzato per sostituire il biturbo. L'obiettivo è sfruttare al meglio l'inerzia dei gas di scarico per azionare la turbina, evitando perdite di carico che si verificano per effetto di risucchio di parte dei gas di scarico in alcuni cilindri durante la fase di aspirazione quando la valvola di scarico è ancora aperta.
Altri Esempi di Sovralimentazione Multipla
Il Bugatti Chiron, per esempio, ha anche 4 turbo. Precisamente, BMW nel motore turbodiesel a 6 cilindri in linea utilizza niente di meno che quattro turbocompressori, due a bassa pressione e due ad alta pressione, quattro turbo per la stessa fila di cilindri.
In generale, possiamo concludere che l'impianto turbo, nelle sue varie configurazioni possibili, migliora le prestazioni del veicolo quando opportunamente progettato. La scelta tra un bi-turbo simmetrico e un bi-turbo sequenziale dipende dai progettisti. Chi cerca un incremento di potenza semplice, affidabile e lineare troverà nel twin-turbo parallelo la soluzione ideale. Chi invece vuole una risposta immediata ai bassi regimi senza rinunciare a prestazioni elevate agli alti potrà orientarsi verso il sistema sequenziale, accettando però maggiore complessità e costi superiori.