Volkswagen, 15 anni dopo: analisi del motore 1.4 litri a doppia sovralimentazione




Fu una proposta di grande provocazione; con l’1.4 litri a doppia sovralimentazione Volkswagen dimostrò le proprie capacità tecniche nel settore dei motori. Il Twincharger che equipaggiò la Golf GT fu una vera innovazione nel mondo dei motori a benzina ad iniezione diretta. L’utilizzo del processo di sovralimentazione come metodo per aumentare la potenza specifica dei motori ha trovato largo impiego presso i costruttori europei che in questo modo hanno potuto realizzare, nel tempo, il downsizing dei motori. Con questo termine, preso a prestito dalla lingua inglese, i tecnici indicano la possibilità di diminuire le dimensioni dei propulsori conservando, allo stesso tempo, la loro potenza assoluta. Qualche parola in più può essere utile per chiarire quanto appena detto. 





Volkswagen, 15 anni dopo: analisi del motore 1.4 litri a doppia sovralimentazione


Volkswagen, 15 anni dopo: analisi del motore 1.4 litri a doppia sovralimentazione
Compatto e leggero questo motore dotato di compressore volumetrico e turbocompressore è il frutto delle moderne tecniche di progettazione. Da notare il convertitore catalitico verticale e il filtro olio posizionato nella zona superiore del propulsore. 
Volkswagen, 15 anni dopo: analisi del motore 1.4 litri a doppia sovralimentazione

Le pressioni fiscali e il costo dei carburanti hanno spinto i produttori europei a progettare motori di cilindrata sempre minore; purtroppo però, lo sviluppo dell’automobile e dei sistemi di bordo ad essa legati, ha portato ad incrementi di peso consistenti, a tal punto che una vettura moderna pesa molto di più di un’auto del medesimo segmento prodotta qualche decina di anni fa. Ciò ha di fatto imposto l’utilizzo di potenze sempre crescenti a parità di cilindrata impiegata. Questo tipo di evoluzione ha quindi costretto ingegneri e ricercatori a sviluppare metodi per “estrarre” sempre più potenza anche dai motori di più bassa cubatura. Uno dei risultati di questa ricerca è appunto il metodo della sovralimentazione, un sistema che a parità di cilindrata consente di ottenere coppie e potenze specifiche sensibilmente più elevate. 

Come succede spesso nella tecnica esiste una seconda faccia della stessa medaglia; l’utilizzo della sovralimentazione mediante turbocompressore portava alla realizzazione di motori caratterizzati da un’erogazione di coppia poco uniforme. In altre parole la presenza del gruppo di sovralimentazione determinava un’inerzia di risposta del motore tale per cui ai bassi regimi si avevano coppie limitate. Una volta raggiunto il regime ideale per il funzionamento del turbo il motore sprigionava in breve tempo valori di coppia e potenza molto elevati. Questo genere di problema, noto con il nome di turbolag (o ritardo del turbo), ha impegnato i reparti di ricerca e progettazione delle case per lungo tempo e i risultati oggi sono sotto gli occhi di tutti. Una delle più grandi conquiste in questo settore è stato, per esempio, il noto turbocompressore con turbina a geometria variabile, tanto utilizzato oggi sui propulsori a gasolio dotati di iniezione diretta. La possibilità di ottenere buone risposte ai bassi regimi era garantita dall’uso dei compressori volumetrici, un altro tipo di macchina dinamica che, accoppiata al motore a combustione interna, forniva prestazioni interessanti a basso numero di giri ma che non poteva essere utilizzato con efficienza agli elevati regimi.
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In primo piano il gruppo di sovralimentazione; questo componente svolge il suo ruolo principale in corrispondenza dei regimi di rotazione più alti. Nella parte bassa del contagiri il lavoro di sovralimentazione è affidato principalmente al compressore volumetrico collegato mediante cinghie al motore. I tecnici di casa Volkswagen, sfruttando un’idea non certo nuova nel panorama automobilistico mondiale, progettarono e costruirono un motore estremamente interessante, dotato di soluzioni tecniche all’avanguardia. L’idea di mettere in serie un compressore volumetrico e un turbocompressore fu sfruttata, a suo tempo, dalla Lancia che produsse in tempi memorabili la leggendaria Delta S4, il mostro per Gruppo B utilizzato nel campionato del mondo rally. Quello che hanno realizzato in Volkswagen è la dimostrazione di una conquista ancora più importante; i tecnici tedeschi, infatti, resero disponibile al pubblico un motore che sfruttava questa configurazione (compressore volumetrico più turbocompressore) in concomitanza con il sistema di iniezione diretta di benzina. I valori di coppia e potenza forniti da questo motore erano veramente elevati: l’1.4 litri a 4 cilindri prodotto da Volkswagen era infatti in grado di sviluppare 170 CV a 6.000 giri/min ed una coppia massima di ben 248 Nm praticamente costante tra i 1.750 giri/min e i 4.500 giri/min. Numeri che già posizionavano questo motore in una categoria molto più alta. Potenze e coppie assolute di questo genere erano infatti solitamente appannaggio di motori con cilindrata uguale o superiore a 2 litri. Volkswagen offrirà nel 2006 anche una versione depotenziata dello stesso motore (con potenza pari a 140 CV) che verrà reso disponibile prima sulla Touran e quindi anche sulla Golf.
Il motore sviluppato dai tecnici tedeschi è quello appartenente alla serie EA 111; la cilindrata totale di 1.390 cc viene ottenuta con un alesaggio di 76.5 mm ed una corsa di 75.6 mm. I cilindri furono distanziati con un interasse di 82 mm. Per poter resistere in modo adeguato alle enormi sollecitazioni derivanti dall’adozione della sovralimentazione fu progettato ex novo un monoblocco in ghisa grigia; a questa novità bisogna aggiungere quella relativa alla pompa acqua elettrica con innesto elettromagnetico integrato per il compressore. Come per gli altri motori FSI l’iniettore venne posizionato sul lato delle valvole di aspirazione, ma le sue caratteristiche erano molto più evolute degli altri. Sei fori ed una capacità di variare l’ampiezza della portata furono le principali differenze che distinsero questi nuovi iniettori dagli altri. La pressione massima di iniezione raggiunse una valore di 150 bar a fronte di un rapporto geometrico di compressione di 10:1, valore reso possibile grazie all’utilizzo del sistema di iniezione diretta di benzina FSI. Il compressore veniva azionato meccanicamente attraverso un sistema di cinghie. Compressore volumetrico e turbocompressore erano disposti in serie, mentre una valvola posta a monte del turbocompressore consentiva di sfruttare ai bassi regimi il compressore volumetrico. La pressione massima assoluta del sistema Twincharger era di 2.5 bar a 1500 giri/min e si tenga conto che i due gruppi di sovralimentazione venivano fatti funzionare con il medesimo rapporto di pressione (circa 1.53 bar). Per un motore con questo genere di prestazioni non si poteva certo lesinare sui materiali; ed infatti la scelta di sfruttare le caratteristiche dei materiali più innovativi permise di sviluppare prove di fatica in grado di simulare e superare un funzionamento di circa 300.000 km. 
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Gli iniettori di nuovissima generazione sono posizionati in prossimità delle valvole di aspirazione; tra le caratteristiche di maggiore interesse di questi nuovi componenti abbiamo la capacità di poter coprire un range di pressioni più ampio. 6 i fori a disposizione per la nebulizzazione del combustibile in camera di combustione. 

Volkswagen, 15 anni dopo: analisi del motore 1.4 litri a doppia sovralimentazione


Volkswagen, 15 anni dopo: analisi del motore 1.4 litri a doppia sovralimentazione
Il compressore volumetrico utilizzato è di tipo Roots; il suo collegamento con il motore è affidato a due cinghie e ad un sistema elettromagnetico di innesto/disinnesto.


Rimane infine da illustrare brevemente il funzionamento del circuito di sovralimentazione, cuore di questo propulsore che fece dell’innovazione il suo punto di forza. Si faccia riferimento alle due figure seguenti. 
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I condotti del circuito di aspirazione prevedono il turbocompressore montato in serie al compressore volumetrico. L’aria una volta uscita dal compressore centrifugo del gruppo di sovralimentazione viene indirizzata all’intercooler che si occupa i raffreddare l’aria compressa che verrà successivamente immessa nel motore. 
Volkswagen, 15 anni dopo: analisi del motore 1.4 litri a doppia sovralimentazione
In colore blu è stata indicata la cosiddetta parte fredda del circuito di sovralimetazione, ossia quella relativa al riempimento dei cilindri. In rosso la parte calda, chiaramente riferita ai gas di scarico che escono dal propulsore e che vengono convogliati nel catalizzatore, dopo essere passati attraverso il turbocompressore (by passando la turbina se la wastegate è aperta, investendo le pale della turbina con wastegate chiusa).

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Il percorso dell’aria fresca a seconda della posizione della valvola di separazione del flusso; a valvola completamente aperta l’aria raggiunge primariamente la girante del compressore centrifugo del turbocompressore. Quando la valvola è completamente chiusa la pressione di sovralimentazione necessaria viene fornita dal compressore centrifugo.
Sul lato di scarico invece ritroviamo la configurazione tradizionale che vede la chiocciola della turbina con il relativo corpo di contenimento della valvola wastegate. Quando la pressione sale eccessivamente l’attuatore provvede ad alzare la valvola che permette ai gas di scarico di fluire direttamente nei condotti di scarico senza investire le palette della turbina. Con questo sistema gestito direttamente dalla centralina elettronica motore viene modulata la pressione di sovralimentazione a seconda delle necessità.

Archivio immagini: Volkswagen




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