Il turbocompressore: cos’è, come funziona e che tipologie esistono

Nei veicoli moderni, il turbocompressore è diventato un dispositivo fondamentale che permette di ottenere più potenza ed efficienza sfruttando l’energia dei gas di scarico. Ma quali funzioni svolge realmente e perché ne esistono diverse tipologie? Approfondiamo l’argomento, per comprendere meglio questo componente sempre più utilizzato nei motori a combustione interna.

Cos’è il turbocompressore

Si tratta di un dispositivo meccanico che rientra nella categoria dei sistemi di sovralimentazione. Il suo scopo principale è “spingere” più aria all’interno dei cilindri del motore di quanta ne potrebbe entrare naturalmente per effetto della sola pressione atmosferica (come accade nei motori aspirati). Aumentando la quantità di aria disponibile, è possibile avere molti benefici come:

• maggiore iniezione di carburante: iniettare e bruciare più combustibile permette di ottenere una maggiore energia da ogni ciclo di combustione;
• maggiori prestazioni: avendo una maggiore energia in camera di combustione porta a un aumento significativo della potenza e della coppia erogate dal motore, senza dover necessariamente aumentare la cilindrata.

È un componente fondamentale nell’era attuale, dove si cerca di ottenere prestazioni elevate da motori sempre più ridotti per migliorare l’efficienza dei consumi e ridurre le emissioni.

Come funziona

Il principio alla base del turbocompressore è intelligente, in quanto recupera l’energia dei gas di scarico che altrimenti andrebbe semplicemente dispersa. Questi gas, molto caldi e in pressione, escono dal motore con una notevole spinta. Questa spinta non viene sprecata, ma mette in moto una serie di componenti che lavorano in sinergia per “spingere” più aria nel motore. Ecco i componenti principali:

• girante di scarico: questa piccola girante viene colpita con forza dai gas caldi e veloci che escono dal motore. L’energia cinetica di questi gas la fa ruotare ad altissima velocità, arrivando a superare anche i 200.000 giri al minuto;
• alberino centrale: questo sottile e robusto asse collega la girante di scarico con una seconda girante denominata girante di aspirazione. Il suo compito è semplicemente quello di trasmettere la rapidissima rotazione dal lato scarico a quello di aspirazione;
• compressore: componente che racchiude la girante di aspirazione. Il suo compito è quello di aspirare l’aria fresca dall’esterno e comprimerla con forza, aumentando la pressione e la densità;
• aria compressa: quest’aria densa e ricca di ossigeno, viene convogliata verso i cilindri del motore tramite apposite tubazioni. Avere più ossigeno disponibile permette di bruciare una maggiore quantità di carburante, generando una combustione più potente e, di conseguenza, ottenendo più energia e coppia.

È così che il turbocompressore sfrutta l’energia di scarto per aumentare le prestazioni del motore.

A cosa serve

Questo particolare componente è nato con l’utilità principale di migliorare le prestazioni e l’efficienza dei motori a combustione interna, portando una serie di benefici, tra cui:

• aumento di potenza e coppia: permette a motori di cilindrata relativamente piccola di erogare la potenza di propulsori aspirati molto più grandi. Questo è evidente nella maggior parte delle auto moderne, dove motori da 1000 di cilindrata, grazie al turbo, raggiungono potenze equiparate a un motore aspirato di 2000 di cilindrata;
• riduzione dei pesi: motori di cilindrate inferiori portano a un minor peso dei motori, senza sacrificare le prestazioni. Oltre al peso si hanno minori attriti interni rispetto a un motore aspirato più grande con potenza equivalente;
• maggiore efficienza: sebbene non sempre garantito in tutte le condizioni di guida, un motore turbo di cilindrata ridotta può consumare meno carburante rispetto a un aspirato più grande a parità di prestazioni, soprattutto a carichi parziali. La capacità di bruciare più carburante in modo efficiente quando richiesto, e meno quando non serve la massima potenza, contribuisce a questo;
• densità dell’aria: ad alta quota, l’aria è meno densa, un propulsore aspirato “respira” aria meno ricca di ossigeno e perde potenza. Il turbocompressore, comprimendo l’aria, compensa questa minore densità, permettendo al motore di mantenere prestazioni più costanti anche ad alta quota.

Oltre a questi benefici diretti, l’adozione diffusa del turbocompressore è stata spinta anche dalle normative antinquinamento sempre più stringenti, poiché permette di ottenere un miglior controllo sulla combustione e una potenziale riduzione di alcune emissioni nocive, se integrato correttamente nel sistema di gestione motore.

Tipologie di turbocompressore

Esistono diverse configurazioni e tecnologiedi turbocompressore, sviluppate per ottimizzare le prestazioni in base a specifiche esigenze del motore e del veicolo. Le differenze principali riguardano la gestione del flusso dei gas di scarico verso la turbina:

• geometria fissa: questa tipologia è la più semplice e tradizionale. La chiocciola della turbina ha un passaggio per i gas di scarico di dimensione fissa. Questa versione è robusta ed economica, ma presenta alcuni svantaggi. Ai bassi regimi, il flusso dei gas di scarico potrebbe non essere sufficiente a far girare la turbina abbastanza velocemente, causando il fenomeno del turbo lag, ovvero un ritardo nella risposta del motore durante l’accelerazione. Ad alti giri invece potrebbe generare una pressione eccessiva se non gestita dalla valvola wastegate;
• geometria variabile (VGT o VNT): questa versione, più complessa e costosa, utilizza palette mobili all’interno della chiocciola della turbina. Le palette possono cambiare angolazione modificando la velocità e la direzione del flusso dei gas di scarico che colpiscono la turbina, possono essere gestite sia elettricamente che pneumaticamente. Ai bassi regimi, si chiudono parzialmente per aumentare la velocità dei gas, riducendo il turbo lag e migliorando la risposta. Agli alti regimi, si aprono per evitare l’eccessiva contropressione e regolare la velocità della turbina. Questo permette al turbo VGT di funzionare in modo più efficiente su un range di giri motore molto più ampio, offrendo migliori prestazioni e guidabilità;
• twin-scroll: differisce per il condotto di ingresso dei gas di scarico alla turbina, che è diviso in due canali separati. Questa divisione riduce le interferenze tra gli impulsi di scarico dei diversi cilindri, permettendo alla turbina di entrare in pressione più rapidamente ai bassi regimi e migliorando la coppia disponibile fin da subito;
• twin-turbo: versione particolare in quanto utilizza due turbocompressori invece di uno solo. Possono lavorare in due modalità, in parallelo (due turbo identici, ciascuno per un gruppo di cilindri) o in sequenziale (un turbo più piccolo che lavora ai bassi regimi per una risposta pronta, affiancato da uno più grande che interviene agli alti regimi per la massima potenza). L’obiettivo è ottenere una curva di potenza più ampia e uniforme.

Queste sono le principali tipologie che si incontrano frequentemente per uso stradale, ognuna sviluppata per scopi specifici per le varie motorizzazioni, ma con lo stesso obiettivo: aumentare la coppia dei motori massimizzandone l’efficienza.