Come funziona il motore turbo: una spinta positiva

Il turbocompressore è tornato prepotentemente alla ribalta da qualche anno. Parliamo dei motori a benzina, perché nei diesel la sovralimentazione una volta entrata non ne è più uscita, dato che presenta solo vantaggi. Invece sui propulsori a benzina, dopo l’esplosione degli anni Ottanta, nella decade dei Novanta questa tecnologia venne progressivamente accantonata.

Ma recentemente due fatti hanno permesso al turbo di riprendersi la scena: l’incredibile e rapidissima evoluzione dell’elettronica e l’esigenza di abbattere le emissioni di gas inquinanti, grandemente sollecitata dalle normative internazionali. Allora cerchiamo di rinfrescarci la memoria, riepilogando a grandi linee come funziona il motore turbo.

CHI E’ STATO IL PRIMO?
Non è stata la Formula 1 degli anni ’70 ad inventare il turbo, neanche lontanamente. Dobbiamo invece risalire agli inizi del secolo, precisamente al 1905: quell’anno l’ingegnere svizzero Alfred Büchi depositò il brevetto del turbocompressore, il cui principio di funzionamento non è cambiato. Le prime applicazioni pratiche furono sperimentate in aviazione durante la prima guerra mondiale dalla Renault. Dagli anni Venti in poi negli Stati Uniti si sviluppò la sovralimentazione tramite turbocompressore sui motori diesel marini e ferroviari. Durante la seconda guerra mondiale ci fu una diffusione consistente dei turbo sugli aerei da combattimento, soprattutto i caccia americani.

Negli anni Cinquanta si cominciò a sperimentare il turbo anche sulle automobili, a partire dalle competizioni: nel 1952 una vettura turbodiesel, una Cummins, ottenne la pole position alla 500 miglia di Indianapolis. Nel 1953 la Volvo lo introdusse negli autocarri. Nel 1954 arrivò la Fiat Turbina, però era solo un prototipo, oggi esposto al Museo dell’automobile di Torino. Nel 1962 la General Motors mise sul mercato la prima auto di produzione turbocompressa, la Chevrolet Corvair Monza. Nel 1966 ci fu la prima vittoria ad Indianapolis, era una Eagle Offenhauser.
Arriviamo agli anni Settanta, dove tutto accelerò rapidamente, protagonista l’Europa. Nel 1973 la BMW 2002 Turbo fu la prima auto europea di serie con questa sovralimentazione. Nel 1974 arrivò la Porsche 911 Turbo Nel 1976 le massime competizioni endurance adottarono il turbocompressore. Nel 1977 la Renault lo portò in Formula 1. Il resto è storia, come si dice.

COS’E’ IL TURBOCOMPRESSORE
In un motore tradizionale, l’aria da miscelare al carburante entra nel cilindro per mezzo della semplice pressione atmosferica (1 bar). Per questo viene chiamato motore ad aspirazione naturale o aspirato.
Tuttavia le potenze dei primi motori erano molto basse. Per aumentarle si poteva ingrandire fisicamente la dimensione del motore. Ma tale soluzione era molto costosa. Inoltre un motore più grosso comportava l’aumento del peso, il che vanificava in parte il vantaggio della maggiore potenza; serviva anche un telaio più grande per contenerlo e tutti gli altri organi dovevano crescere di conseguenza, aumentando ulteriormente i costi. Oppure si poteva intervenire su altri parametri del motore, come il rapporto di compressione. Ma questo lo rendeva più soggetto alle rotture.
Esisteva un’altra strada, l’induzione forzata. Invece di “aspettare” che il pistone risucchiasse da sé l’aria necessaria al funzionamento (senza l’ossigeno non è possibile alcuna combustione), si poteva fare in modo di spingerla dentro. Spingerla vuol dire comprimerla. Quando un gas viene compresso, la sua densità aumenta, cioè nello stesso spazio ne entra di più.
Se, nella stessa unità di tempo, facciamo entrare nella camera di combustione più aria, sarà possibile immettere anche più carburante, quindi ci sarà maggior energia a disposizione; ecco l’aumento della potenza. Esistono molti metodi diversi per ottenere una sovralimentazione. Ma in questa sede ci interessa solo quello tramite turbocompressore.

COME FUNZIONA
Semplificando al massimo, il cuore di un turbocompressore è formato da due elementi principali racchiusi in un contenitore dalla vaga forma di una chiocciola: la turbina e il compressore. Il loro aspetto è molto simile, si tratta sostanzialmente di due piccole ruote a pale collegate tra loro da un piccolo albero. Quando gira una, gira anche l’altra.
Il principio di funzionamento è lo stesso di un mulino: in questo caso il ruolo del vento (o dell’acqua) è fornito dai gas di scarico del motore.
Terminata la combustione, i gas escono dal cilindro ed entrano nel vano della turbina; il loro flusso spinge le palette e poi prosegue verso il tubo di scappamento.
La rotazione della turbina fa muovere contemporaneamente e nello stesso modo anche il compressore. La sua funzione però è opposta. Esso si trova dal lato opposto rispetto alla turbina; l’apertura del suo vano permette l’ingresso dell’aria esterna. Il movimento del compressore cattura l’aria e la spinge comprimendola verso il condotto di aspirazione del motore.

Ma prima deve fare una sosta, perché quest’aria è troppo calda, a causa della maggiore pressione provocata dal compressore e del riscaldamento del vano dovuto alla presenza dei gas di scarico sulla turbina. Se l’aria è troppo calda quando entra nella camera di scoppio si verificano due grossi problemi. Il più grave riguarda i motori a benzina ed è il rischio di detonazione del carburante, fenomeno chiamato anche battito in testa. La temperatura eccessiva dell’aria nel cilindro può far incendiare la benzina prima che arrivi la scintilla della candela, e in un punto diverso della camera di scoppio. Si tratta di un notevole shock termico e meccanico per tutto il motore, che quindi rischia di rompersi. Invece i motori diesel non hanno questo problema, perché qui è proprio la normale combustione ad essere creata dall’aumento di temperatura e pressione della miscela aria/gasolio.

Ma il secondo problema di un’aria troppo calda in ingresso riguarda entrambi i motori: l’aumento della temperatura provoca l’espansione dei gas; i gas più espansi occupano più spazio, quindi la loro densità diminuisce; di conseguenza ci si ritrova con poca aria nel motore, lo stesso problema dei motori aspirati.
Allora l’aria calda uscita dal compressore finisce in un radiatore chiamato intercooler, nome che sicuramente avrete sentito spesso quando si parla di turbo. Una volta raffreddata, l’aria può terminare il suo percorso.

PREGI E DIFETTI
Più si accelera, più gas di scarico entrano nella turbina, più questa gira velocemente; più la turbina gira velocemente, maggiore sarà la quantità d’aria che è in grado di gestire. Questa è la bellezza del turbocompressore, all’origine di quella spinta poderosa che conosciamo, il “calcio nella schiena” nei motori più potenti.

Ma è anche il suo peggior difetto, perché quando i giri del motore sono molto bassi (in partenza o dopo una forte decelerazione), non ci sono abbastanza gas da far girare la turbina. Serve un po’ di tempo perché i gas arrivino nella quantità sufficiente. E’ il classico problema del ritardo di risposta del turbo, chiamato anche turbo-lag.

C’è anche un terzo problema, molto più grave. Se la pressione di sovralimentazione sale troppo, si spacca tutto: turbocompressore e motore. Per evitare tale rischio si ricorre ad una valvola chiamata wastegate: oggi è gestita elettronicamente, negli anni ’80 meccanicamente. Semplicemente, quando la pressione è troppo alta la valvola viene aperta e così i gas in eccesso vengono inviati direttamente al tubo di scarico, senza entrare nella turbina.
Anche il problema del turbo-lag oggi è stato notevolmente ridotto, attraverso numerose e complesse soluzioni ingegneristiche. Invece da un punto di vista della piacevolezza nella guida sportiva gli appassionati preferiscono ancora il rumore e il tipo di risposta più dolce dato da un eccellente motore aspirato, il quale non ha ritardi nell’erogazione e sale in modo costante.

I MOTORI TURBO DI OGGI
Sono passati circa trent’anni dalla prima “ondata” del turbo sui veicoli a larga diffusione. Oggi sono tornati in auge a causa del problema delle emissioni. Per diminuire le emissioni si deve consumare meno carburante. Il turbo è vantaggioso da questo punto di vista perché consente di ottenere le stesse prestazioni ad un regime di giri inferiore rispetto ad un aspirato (grazie alla coppia motrice superiore); girare ad un regime di rotazione inferiore necessita di meno carburante. Quindi i costruttori possono ridurre dimensioni del motore e numero di cilindri, il cosiddetto downsizing. Tutto ciò, unito ad un’efficienza impensabile trent’anni fa, grazie all’evoluzione tecnologica, permette notevoli risparmi di benzina.