La magia dei turbocompressori, che usano energia altrimenti persa
Il compito dei turbocompressori non sembra macchinoso: immettere nel motore aria a pressione maggiore di quella atmosferica in modo da ottenere una combustione più energica. Implementare nella pratica questo meccanismo è però tutt’altro che semplice, considerando che occorre fornire un volume di aria non indifferente. Pensiamo a un 4 cilindri da 1,5 litri a 5.000 giri/minuto: l’aspirazione avviene 2.500 volte al minuto (si tratta di un 4 tempi) e quindi a quel regime il motore fa entrare nelle camere di scoppio 3.750 litri d’aria al minuto.
Questo dato è arrotondato per eccesso, dato che esistono delle perdite e degli attriti che diminuiscono il volume d’aria effettivo a disposizione della combustione, ma rimane elevato e non può che salire aumentando la pressione dell’aria, ossia cercando di alimentare il motore – sovralimentarlo – con aria a pressione superiore a quella atmosferica.
I turbocompressori iniettano quindi aria in pressione nei cilindri, cosa che mette a disposizione del carburante, a parità di volume, più atomi di ossigeno ottenendo quindi una combustione più energetica e una potenza superiore senza aumentare la cilindrata del motore. Il rapporto peso/potenza del propulsore può migliorare significativamente e si può raggiungere una maggiore efficienza: il Ford Ecoboost 3 cilindri arriva ad erogare 160 cavalli pur avendo solo 999 cc. Abbiamo visto che occorre soffiare molta aria per sovralimentare un motore: i turbocompressori ottengono lo scopo con una turbina fatta girare dai gas di scarico del motore sul cui albero è calettata una girante che comprime l’aria. Quindi i turbocompressori sono compressori centrifughi azionati da una turbina e l’insieme può arrivare anche a 200mila giri/minuto; è interessante notare come la portata segua un legge non lineare ma quadratica: si ottiene una portata del 50% con un regime di rotazione che è circa l’80% di quello massimo.
Anche i turbocompressori non sono “gratis”
Uno dei vantaggi dei turbocompressori è che recuperano energia che altrimenti andrebbe persa: i gas di scarico hanno infatti temperatura e pressione elevata (i motori a ciclo Miller) intendono recuperare proprio una parte dell’energia allungando la fase di espansione rispetto a quella di compressione) e sono quindi in grado di svolgere un lavoro. Ovviamente c’è un risvolto negativo: la turbina nel condotto di scarico crea una resistenza al fluire dei gas combusti e questo peggiora leggermente la respirazione del motore, diminuendo la potenza ottenibile.
Anche il fatto che la portata decade rapidamente al diminuire dei giri è uno svantaggio: se i turbocompressori perdono il “ritmo” ci possono mettere un po’ a recuperarlo, evidenziando quel turbo-lag che può rendere la guida fastidiosa e anche impegnativa.
I turbocompressori a geometria variabile e un attento studio fluidodinamico permettono però di minimizzare questi inconvenienti. Usare turbocompressori di piccolo diametro riduce questo ritardo ma si rischia di farli ruotare troppo velocemente quando il motore è su di giri: è a questo punto che interviene la valvola Wastegate, che “legge” la pressione della sovralimentazione e, se è troppo alta, fa scaricare una parte dei gas di scarico in modo da rallentare la turbina. Altre strategie contro il turbo-lag prevedono che l’albero delle giranti ruoti su cuscinetti a sfera a basso attrito invece che su quelli fluidi (simili alle bronzine) usati comunemente.
Si tratta di cuscinetti super precisi realizzati con materiali speciali e che riescono a gestire le velocità e le temperature del turbocompressore. Il loro lavoro è ancor più impegnativo perché non è raro che i motori moderni abbiano oli 5W-20 o addirittura 0W, per ridurre il più possibile le perdite dovute alla viscosità del lubrificante. Questi cuscinetti permettono inoltre di ridurre le dimensioni e il peso dell’alberino sul quale ruotano la turbina e il compressore, diminuendo quindi ulteriormente l’inerzia dei turbocompressori.
