Turbo e biturbo: cosa sono e come funzionano
Per molti appassionati di automobili, la parola turbo è immediatamente associata alla potenza. Basta pensare alle grandi sportive del passato o alle moderne vetture ad alte prestazioni per capire quanto questo componente abbia contribuito a cambiare il mondo dei motori.
Oggi, però, il turbocompressore non è più riservato alle auto sportive. È diventato uno degli elementi più diffusi anche nelle automobili di tutti i giorni. Piccoli motori a benzina da un litro di cilindrata, grandi diesel destinati ai lunghi viaggi e potenti propulsori sportivi utilizzano tutti, con soluzioni differenti, la stessa idea di base: immettere più aria nel motore per ottenere maggiore efficienza e prestazioni.
Ma come funziona realmente un turbo? E cosa cambia quando si parla di biturbo?
Per comprenderlo bisogna prima partire da un concetto fondamentale: un motore, per produrre energia, ha bisogno di aria.
Perché un motore ha bisogno di più aria?
All’interno di un motore a combustione, la potenza nasce dalla combustione di una miscela composta principalmente da aria e carburante.
Più aria riesce a entrare nei cilindri, maggiore può essere, entro determinati limiti, la quantità di carburante utilizzata durante la combustione. Questo permette di generare una maggiore quantità di energia.
Un motore aspirato tradizionale sfrutta semplicemente la pressione atmosferica e il movimento dei pistoni per aspirare l’aria necessaria.
Un motore turbo, invece, utilizza un sistema capace di comprimere l’aria prima che questa entri nei cilindri.
In questo modo, anche un motore relativamente piccolo può comportarsi come un propulsore di cilindrata superiore, almeno per quanto riguarda la quantità di aria disponibile e quindi la potenza che può sviluppare.
È proprio su questo principio che si basa il cosiddetto downsizing, una delle tendenze più importanti degli ultimi anni nell’industria automobilistica: utilizzare motori più compatti e leggeri, supportati dalla sovralimentazione.
Come funziona un turbocompressore?
Il turbocompressore è composto essenzialmente da due elementi principali collegati tra loro attraverso un albero.
Da una parte troviamo una turbina, dall’altra un compressore.
La turbina viene posizionata lungo il percorso dei gas di scarico. Quando il motore è in funzione, i gas prodotti dalla combustione vengono espulsi dai cilindri e attraversano la turbina, facendola ruotare.
Poiché turbina e compressore sono collegati, la rotazione viene trasferita anche alla parte dedicata all’aspirazione.
Il compressore aspira quindi aria dall’esterno, la comprime e la invia verso il motore.
In poche parole, il turbo sfrutta una parte dell’energia contenuta nei gas di scarico per comprimere l’aria destinata ai cilindri.
È una soluzione particolarmente intelligente perché utilizza un flusso di energia che altrimenti verrebbe semplicemente disperso attraverso l’impianto di scarico.
Perché l’aria compressa aumenta la potenza?
Quando l’aria viene compressa, una quantità maggiore di ossigeno può essere introdotta nello stesso volume.
Questo permette al motore di utilizzare una maggiore quantità di carburante e di generare una combustione più energetica.
Naturalmente, tutto deve essere controllato con estrema precisione.
Una pressione eccessiva potrebbe infatti creare temperature e sollecitazioni troppo elevate all’interno del motore. Per questo motivo le moderne centraline elettroniche monitorano continuamente parametri come pressione, temperatura, quantità d’aria e regime del motore.
Il turbo, quindi, non lavora in modo indipendente. Fa parte di un sistema complesso nel quale sensori, attuatori e software collaborano per ottenere il miglior compromesso possibile tra prestazioni, consumi, affidabilità ed emissioni.
Il problema del calore e il ruolo dell’intercooler
Comprimere l’aria ha però una conseguenza importante: la temperatura aumenta.
L’aria calda è meno densa rispetto a quella fredda e può ridurre parte dei vantaggi ottenuti attraverso la compressione. Inoltre, temperature elevate non sono ideali per il corretto funzionamento del motore.
Per questo motivo molti motori turbo utilizzano un componente chiamato intercooler.
Il suo compito è raffreddare l’aria compressa prima che raggiunga il motore.
Il funzionamento può essere immaginato come una sorta di radiatore dedicato all’aria. L’aria proveniente dal turbo attraversa l’intercooler, cede parte del proprio calore e raggiunge i cilindri a una temperatura più favorevole.
Questo permette di migliorare l’efficienza del sistema e di mantenere sotto controllo le temperature.
Che cos’è il turbo lag?
Uno degli aspetti storicamente più discussi dei motori turbo è il cosiddetto turbo lag.
Con questa espressione si indica il ritardo che può verificarsi tra il momento in cui il conducente accelera e quello in cui il turbo riesce a fornire tutta la sua pressione.
Per funzionare, infatti, la turbina ha bisogno dell’energia dei gas di scarico. Quando il motore gira a un regime molto basso, la quantità di gas disponibile potrebbe non essere sufficiente per far raggiungere rapidamente al turbo la velocità necessaria.
Di conseguenza, il conducente può percepire una risposta meno immediata. Superato un determinato regime, però, il turbo entra nella sua zona di funzionamento ottimale e la potenza aumenta rapidamente.
Nei vecchi motori sovralimentati questo comportamento poteva essere molto evidente. Le moderne tecnologie, invece, hanno ridotto notevolmente il problema.
Come le auto moderne riducono il turbo lag?
Uno dei metodi più diffusi consiste nell’utilizzare turbine più piccole e leggere.
Una turbina di dimensioni ridotte possiede una minore inerzia e riesce quindi a raggiungere più rapidamente la velocità necessaria per comprimere l’aria.
Esistono inoltre sistemi a geometria variabile, particolarmente diffusi nei motori diesel, capaci di modificare il comportamento dei flussi dei gas di scarico in base alle condizioni di utilizzo.
Anche la gestione elettronica ha assunto un ruolo fondamentale. Le centraline possono controllare con estrema precisione diversi parametri del motore, migliorando la risposta dell’acceleratore e ottimizzando il funzionamento della sovralimentazione.
In alcuni progetti più avanzati, il turbo tradizionale può essere affiancato anche da sistemi elettrici capaci di contribuire a ridurre ulteriormente i tempi di risposta.
Cos’è un motore biturbo?
Quando si parla di biturbo, o twin-turbo, si indica generalmente un motore dotato di due turbocompressori.
Ma la presenza di due turbo non significa necessariamente che entrambi lavorino nello stesso modo.
Esistono infatti diverse architetture.
In alcuni motori i due turbocompressori lavorano contemporaneamente. È una soluzione particolarmente adatta ai motori con molti cilindri, nei quali ciascun turbo può essere dedicato a una parte specifica del propulsore.
Un motore V6 o V8, per esempio, può utilizzare un turbo per ciascuna bancata di cilindri.
In altri casi, invece, i due turbo lavorano in maniera sequenziale.
Biturbo parallelo e biturbo sequenziale
Nel sistema biturbo parallelo, i due turbocompressori lavorano contemporaneamente.
La loro funzione è dividere il lavoro richiesto al sistema di sovralimentazione. Questa soluzione può consentire di utilizzare due turbo relativamente compatti, migliorando la risposta rispetto a un singolo turbocompressore molto grande.
È un’architettura comune nei motori a sei, otto o dodici cilindri.
Il sistema biturbo sequenziale, invece, utilizza i due turbocompressori in momenti diversi.
A bassi regimi entra in funzione principalmente il turbo più piccolo, capace di rispondere rapidamente grazie alla sua minore inerzia. Quando il regime del motore aumenta e cresce la richiesta di aria, interviene anche il secondo turbo.
L’obiettivo è combinare una buona risposta ai bassi regimi con una maggiore capacità di sovralimentazione agli alti regimi.
Si tratta però di una soluzione più complessa, che richiede una gestione accurata di valvole, condotti e sistemi di controllo.
Meglio un turbo grande o due turbo piccoli?
Non esiste una risposta valida per tutti i motori.
Un singolo turbo di grandi dimensioni può essere in grado di fornire elevate quantità di aria, risultando adatto a motori ad alte prestazioni. Tuttavia, una turbina più grande può avere una maggiore inerzia e richiedere più tempo per raggiungere la velocità ottimale.
Due turbo più piccoli possono invece offrire una risposta più pronta, distribuendo il lavoro tra due unità.
La scelta dipende quindi dagli obiettivi del progetto.
Un’automobile pensata per offrire una grande coppia ai bassi regimi richiederà caratteristiche diverse rispetto a una sportiva progettata per raggiungere la massima potenza agli alti regimi.
È proprio per questo che non basta sapere se un motore è turbo o biturbo per comprenderne il comportamento. Conta soprattutto come l’intero sistema è stato progettato e gestito.
Il ruolo della wastegate
Un altro componente fondamentale di molti sistemi turbo è la wastegate.
Il suo compito è controllare la pressione generata dal turbocompressore.
Quando la pressione raggiunge il valore stabilito dal sistema di gestione del motore, la wastegate può deviare una parte dei gas di scarico, riducendo l’energia disponibile per la turbina.
In questo modo viene evitato un aumento eccessivo della pressione.
Anche questo componente dimostra quanto il turbo sia strettamente collegato alla gestione elettronica del motore. La pressione di sovralimentazione deve infatti essere continuamente adattata alle condizioni di funzionamento.
Turbo benzina e turbo diesel: cosa cambia?
Il principio di funzionamento è simile, ma il modo in cui il turbo viene utilizzato può essere molto diverso.
Nei motori diesel, il turbocompressore è diventato praticamente una presenza costante. La sovralimentazione permette di ottenere valori elevati di coppia e di migliorare l’efficienza del motore.
Nei motori a benzina il turbo è stato utilizzato per molto tempo soprattutto sulle vetture sportive. Con il passare degli anni, però, è diventato uno strumento fondamentale per ridurre la cilindrata mantenendo livelli di potenza adeguati.
Un piccolo motore turbo moderno può quindi offrire prestazioni che, in passato, richiedevano un propulsore aspirato di cilindrata decisamente superiore.
Naturalmente, il comportamento resta differente. Ogni motore viene progettato in base alle proprie caratteristiche e il turbo rappresenta soltanto uno degli elementi che determinano la personalità del propulsore.
Il turbo può rompersi?
Come qualsiasi componente meccanico, anche il turbocompressore può andare incontro a problemi.
Le turbine lavorano in condizioni estremamente impegnative, raggiungendo velocità di rotazione molto elevate e operando a temperature particolarmente alte.
Una manutenzione trascurata può aumentare il rischio di guasti.
L’olio motore, per esempio, svolge un ruolo fondamentale nella lubrificazione e nel raffreddamento di molti turbocompressori. Utilizzare lubrificanti non adatti o superare eccessivamente gli intervalli di sostituzione può contribuire a danneggiare il sistema.
Anche eventuali problemi nel circuito di aspirazione o nella lubrificazione possono avere conseguenze sul turbo.
Questo non significa che un motore sovralimentato sia necessariamente poco affidabile. I moderni turbocompressori sono progettati per durare a lungo, ma richiedono una manutenzione corretta.
Bisogna lasciare raffreddare il turbo prima di spegnere l’auto?
Questa è una delle domande più frequenti.
Nelle automobili più moderne, normalmente non è necessario rimanere fermi per diversi minuti con il motore acceso prima di spegnere l’auto dopo ogni viaggio.
I sistemi di raffreddamento e lubrificazione sono progettati per gestire le normali condizioni di utilizzo.
Dopo una guida particolarmente impegnativa, però, può essere utile evitare di spegnere immediatamente il motore dopo aver richiesto al propulsore il massimo delle prestazioni. Un breve periodo di guida tranquilla prima di fermarsi permette alle temperature di diminuire gradualmente.
La cosa più importante rimane comunque seguire le indicazioni previste dal costruttore del veicolo.
Il futuro del turbo
Nonostante la crescente elettrificazione del mercato automobilistico, il turbocompressore continua a evolversi.
Una delle direzioni più interessanti riguarda i sistemi di turbo elettrificato. In queste architetture, un motore elettrico può assistere la rotazione del turbocompressore, riducendo il ritardo di risposta e migliorando la disponibilità di potenza ai bassi regimi.
La sovralimentazione potrebbe inoltre continuare a svolgere un ruolo importante nei motori ibridi, dove il motore elettrico può compensare alcune caratteristiche tipiche dei propulsori turbo.
Anche se il futuro dell’automobile sarà sempre più elettrico, il turbo continuerà probabilmente a rappresentare una tecnologia importante finché i motori a combustione resteranno presenti sulle strade.
Conclusioni
Il turbocompressore ha trasformato profondamente il modo in cui vengono progettati i motori moderni.
Sfruttando l’energia dei gas di scarico, permette di comprimere l’aria e di aumentare la quantità di ossigeno disponibile per la combustione. Questo consente di ottenere maggiore potenza e, in determinate condizioni, di migliorare l’efficienza di motori relativamente compatti.
Il sistema biturbo porta questo concetto ancora più avanti, utilizzando due turbocompressori che possono lavorare insieme o entrare in funzione in momenti differenti.
Non esiste però una soluzione migliore in assoluto. Turbo singolo, biturbo parallelo o sequenziale sono strumenti diversi, progettati per ottenere risultati differenti.
Dietro la semplice scritta Turbo presente sul portellone di un’automobile si nasconde quindi un sistema estremamente sofisticato, nel quale meccanica, elettronica e software lavorano insieme per trasformare i gas di scarico in prestazioni.
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