Sovralimentazione e turbocompressori, sviluppi attuali e futuri

La sovralimentazione, spesso nota anche con il termine induzione forzata, è una tecnologia che avrà un grande sviluppo nel prossimo futuro, anche con l'avvento dell'elettrificazione. Si tratta, infatti, di una metodologia che sposa perfettamente le necessità imposte dalle normative stringenti in termini di fuel-economy ed emissioni. I turbo, così come li conoscevamo una volta, sono cambiati in questi ultimi anni. Per qualcuno potrebbe trattarsi di un peggioramento, almeno dal punto di vista puramente emozionale, perché le spinte dei motori sovralimentati di una volta non ci sono più. Ma il rovescio della medaglia è tecnicamente importante e anche molto interessante. Ecco perché.

Sopra, un gruppo turbocompressore montato sul pick-up Ford Super Duty del 2011. Una delle maggiori novità di quel periodo, fu il doppio compressore sequenziale, con le due giranti montate entrambe sullo stesso albero.
Sopra, un gruppo turbocompressore montato sul pick-up Ford Super Duty del 2011. Una delle maggiori novità di quel periodo, fu il doppio compressore sequenziale, con le due giranti montate entrambe sullo stesso albero.

Turbocompressori e downsizing

L'impiego dei turbocompressori si è rivelato fondamentale per proseguire sulla strada della riduzione delle cilindrate, la famosa displacement americana. 

Uno dei report più famosi in materia è quello del McKinsey Center for Future Mobility, il report denominato Reboost: i numero pubblicati su quello del 2019 sono molto chiari, il valore complessivo del mercato mondiale dei turbocompressori è in crescita netta e le previsioni parlano di un balzo che passerà dai circa 10 miliardi di dollari del 2018 ai 13 miliardi del 2025

Questo accadrà perché dopo l'Europa, che di fatto è stato il primo continente a percorrere con particolare impegno la strada del downsizing, seguiranno, con impiego sempre più importante della metodica della sovralimentazione, anche gli Stati Uniti e tutti i mercati asiatici. La possibilità di immettere una maggiore quantità in massa di aria, a parità di cilindrata, rappresenta sicuramente un plus di non poco conto.

Sopra, il motore ECOTEC di Opel, l'1.6 SIDI con in primo piano il gruppo di sovralimentazione.
Sopra, il motore ECOTEC di Opel, l'1.6 SIDI con in primo piano il gruppo di sovralimentazione.

La sovralimentazione, l'evoluzione dei componenti e il ciclo Miller

L'utilizzo del ciclo Miller ha trovato nell'uso del turbocompressore il migliore alleato. Come noto, e senza entrare nel dettaglio di questo ciclo, almeno in questa sede, sappiamo che per diminuire le perdite per pompaggio nei motori che ricorrono a questo schema termodinamico, si perde aria fresca che viene scaricata all'esterno, aria fresca che invece potrebbe partecipare attivamente alla combustione. 

Il turbocompressore, sempre più spesso gestito elettronicamente, permette di compensare questo problema. Ma ad evolversi insieme ai turbocompressori di moderna concezione ci sono anche altri componenti, come, per esempio, la valvola wastegate a controllo elettronico o le turbine a geometria variabile con assistenza elettrica o ancora i compressori centrifughi e le turbine centripete, sempre ad assistenza elettrica.

Sopra, il gruppo di sovralimentazione (turbocompressore) ad assistenza elettrica impiegato sui motori Mercedes-AMG.
Sopra, il gruppo di sovralimentazione (turbocompressore) ad assistenza elettrica impiegato sui motori Mercedes-AMG.

La wastegate ad assistenza elettrica, i turbocompressori servoassistiti e le turbine a geometria variabile

La valvola wastegate è un sistema che permette di regolare la pressione di esercizio del compressore (lato freddo del gruppo) attraverso un intervento sulla turbina (lato caldo del gruppo). Le prime valvole wastegate venivano gestite da un sistema meccanico, che sfruttava le differenze di pressione. 

Oggi queste valvole vengono attuate mediante sistemi elettrici, governati dai software del controllo elettronico motore. Tutto ciò ha permesso di ampliare le possibilità di gestione, in termini di velocità e di modalità di attuazione. I motori elettrici per mettere in rotazione le giranti di compressore e turbina, a loro volta, hanno permesso di ottenere assistenze di sovralimentazione anche quando le portate dei gas non sarebbero sufficienti a far raggiungere alle giranti le velocità necessarie per ottenere l'effetto di sovralimentazione. 

Infine, abbiamo le turbine a geometria variabile, nelle quali, grazie all'orientamento della palettatura dello statore possono essere modificate le sezioni di ingresso, a seconda delle portate dei gas di scarico in uscita dal motore. Questo fatto è fondamentale per ottenere la fluidodinamica corretta a seconda della portata in massa. Se il flusso è basso, infatti, è necessario avere sezioni piccole, perché diversamente la vena fluida non subirebbe la dovuta accelerazione. Viceversa nel caso di portate elevate.

I costruttori, oggi, chiedono ai produttori di turbocompressori soluzioni sempre più avanzate per avere portate di aria elevate anche in corrispondenza di bassi regimi di rotazione del motore.

Sopra, il sistema con turbina a geometria variabile che veniva impiegato già sulla Fiat Croma 2.0 TD i.d. del 1985.
Sopra, il sistema con turbina a geometria variabile che veniva impiegato già sulla Fiat Croma 2.0 TD i.d. del 1985.

Sopra, un turbocompressore per motore Audi TDI con gestione elettronica della geometria variabile.
Sopra, un turbocompressore per motore Audi TDI con gestione elettronica della geometria variabile.

La pressione di sovralimentazione

Solo fino ad una ventina di anni fa, le pressioni di sovralimentazione assolute si attestavano al massimo intorno ai 2 bar (pressione relativa di 1 bar rispetto a quella atmosferica). Oggi non è raro vedere sistemi di sovralimentazione lavorare con pressioni di sovralimentazione assolute anche prossime ai 4 bar (3 bar relativi). I valori indicati fanno riferimento a valori medi e non si è fatta distinzione tra pressione di picco e pressione a regime. 

Ciò che conta è capire che il rapporto di pressione è passato nel corso degli anni da 2:1 a 4:1, con un inevitabile aumento delle temperature in gioco. Questo è anche il motivo per cui stanno prendendo piede sempre di più i gruppi di sovralimentazione raffreddati ad acqua, per non parlare dei materiali avanzati impiegati per la realizaazione dei collettori di scarico, come le leghe ad alto contenuto di nichel o con l'impiego di Inconel anche per la realizzazione del corpo del gruppo di sovralimentazione. 

Per capire bene il problema legato alle sollecitazioni termomeccaniche, basti pensare che le temperature in ingresso di turbina sono passate dai 950 °C a ben oltre i 1.000 °C.

I compressori centrifughi e le turbine centripete ad assistenza elettrica

Anche su questo fronte, le possibilità sono diventate illimitate. Poter accelerare una girante di un compressore centrifugo in totale autonomia, senza dover aspettare che la velocità di rotazione della turbina raggiunga i valori cercati, è stata una grande conquista. 

Per esempio, Audi utilizza un compressore centrifugo da 7 kW ad assistenza elettrica, di produzione Valeo, per tutti i motori TDI V-6 e V-8. Sarà noto a tutti come un turbocompressore sia formato da un compressore centrifugo per il lato freddo e una turbina centripeta per il lato caldo. Bene, ora ci sono aziende come BorgWarner che stanno realizzando ormai da tempo sistemi di assistenza elettrica anche per le turbine. Come vedete, lo scenario è in completo sviluppo.

Sopra, un turbocompressore BorgWarner con turbina a geometria variabile per impiego su motori a benzina che utilizzano il ciclo Miller. Si noti l'assistenza elettrica per ottenere la sovralimentazione quando il regime del motore è troppo basso.
Sopra, un turbocompressore BorgWarner con turbina a geometria variabile per impiego su motori a benzina che utilizzano il ciclo Miller. Si noti l'assistenza elettrica per ottenere la sovralimentazione quando il regime del motore è troppo basso.

Assistenza elettrica per la sovralimentazione per auto ibride

Per mettere a fuoco quest'ultimo argomento possiamo fornirvi un parametro che vi consenta di capire immediatamente come si stanno orientando i costruttori. Quando il modello di veicolo ibrido viene equipaggiato con motori elettrici di potenza inferiore ai 45 kW circa, l'utilizzo del turbocompressore applicato al motore termico può essere pensato come sistema per migliorare la coppia di risposta dell'intero powertrain. 

Nel caso in cui il motore elettrico contribuisca per una potenza superiore ai 50 kW, allora si potrà ritenere inutile concentrare l'attenzione sul gruppo di sovralimentazione, almeno per ottenere la coppia motrice che cerchiamo, perché in genere quella generata dal motore elettrico è già sufficiente.

Archivio immagini: Audi, BorgWarner, Fiat, Ford, Opel

Commenti

Articoli popolari

La storia di Jujiro Matsuda e la nascita di Mazda Motor Corporation

Il motore Toyota 2JZ-GTE, ancora oggi una leggenda

2021 Audi Q3 e Audi Q3 Sportback sono disponibili con nuovi allestimenti

I proiettori Ford, tecnologia di ultima generazione per una guida notturna sempre più sicura

2020 Ford Puma Titanium X 1.0 Ecoboost Hybrid 125 CV, il meglio di ogni mondo

Il motore General Motors Cross-Fire V-8, una storia travagliata

Ford Focus, è arrivata la nuova versione

Volkswagen Polo, una storia da raccontare

Volani a doppia massa con sistema a pendolo centrifugo

Fra-Ber lancia il nuovo shop e i corsi per la linea Innovacar dedicata al detailing