Cos’è e come funziona il turbo | Auto for Dummies

Dopo un po’ di mercato e tecnologia, questa settimana Auto for Dummies entra nel dettaglio di uno dei componenti più utilizzati nei moderni motori a combustione interna: il turbocompressore. Per gli amici semplicemente “turbo”, vi presentiamo questo immancabile componente seguendo il tipico stile anglosassone delle 5W (Who, What, When, Where, Why) riadattato a descriverne le peculiarità.

credit: vehiclecue.it

Chi ha inventato il “turbo”?

Il turbocompressore è un componente meccanico nato oltre 100 anni fa ad opera dell’ingegnere svizzero Alfred Büchi. Vissuto a cavallo del ‘900, questo inventore è stato affascinato dall’idea di aumentare l’efficienza dei motori a combustione, appena introdotti nelle macchine a vapore e sull’onda dei grandi successi automotive di Ford dall’altra parte dell’oceano.

Il brevetto numero 204630, ricevuto il 6 novembre 1905 dall’allora dipartimento tedesco di marchi e brevetti, descriveva una “soluzione in grado di catturare il calore residuo di combustione attraverso un compressore ed una turbina assiali” collegati al meccanismo di produzione di potenza. L’idea era di per sé semplice anche se all’epoca mancavano ancora i materiali e le tecniche necessarie ad applicare questa tecnologia.

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Seguirono altri brevetti che integravano l’idea del turbocompressore negli appena nati motori diesel e per applicazioni diverse dal settore automobilistico come quello navale, aeronautico e industriale. Nel 1930 questa tecnologia iniziò ad essere applicata al mondo delle competizioni automobilistiche e da allora il “turbo” è sempre stato un punto di riferimento per ampliare le potenzialità dei motori sfruttando al massimo l’energia prodotta nella camera di combustione.

credit: it.motor1.com

Perché ha avuto successo e quali sono i vantaggi

Il principio di funzionamento di un classico motore per auto è relativamente semplice. Il legami chimici del combustibile possono essere “rotti” grazie ad una reazione chiamata combustione. Per fare in modo che questo processo avvenga occorre un carburante adatto (gasolio, benzina, gas…) e una sostanza, detta comburente, in grado di portare avanti la trasformazione; l’ossigeno presente nell’aria fa proprio al caso nostro.

E’ così che il motore aspira aria fresca dall’esterno, la brucia in condizioni controllate all’interno della camera di combustione (l’alloggiamento dei pistoni) e produce una miscela esplosiva in grado di muovere tutti i cinematismi presenti. E’ semplice pensare che qualcosa che brucia produce calore e, nel caso di un motore automobilistico naturalmente aspirato, i gas residui molto caldi vengono direttamente scaricati in atmosfera.

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Secondo le basi della fisica, tra tutte il primo principio della termodinamica, il calore è una forma di energia e come tale può essere trasformata attraverso opportune soluzioni in lavoro meccanico. Se il principale meccanismo cilindro-pistone è in grado di sfruttare le elevate pressioni per fornire coppia alle ruote lo stesso non si può dire per il fatto di recuperare l’energia residua sotto forma di calore dei gas combusti.

E’ qui che entra in gioco il turbocompressore e la sua capacità di convertire il calore residuo allo scarico in ulteriore energia meccanica in grado di aspirare e “spingere” una quantità extra di aria fresca all’interno del motore.

credit: turbodiscount24.it

Come avviene il recupero dell’energia

Sembrerà una magia ma questa particolare conversione è tutta scienza e tecnologia. I fumi caldi espulsi dal motore raggiungono temperature anche oltre i 700 °C ed è un vero peccato lasciarsi sfuggire l’opportunità di utilizzarli. Una volta scoperti e resi più economici i materiali in grado di sostenere queste temperature, il passo per la costruzione del turbocompressore è stato breve.

Prima di essere rilasciati in atmosfera, i gas caldi vengono fatti passare attraverso una turbina, dispositivo in grado di convertire l’energia cinetica (velocità) ed entalpica (temperatura) del gas in energia meccanica in grado di mettere in rotazione la girante della turbina. Tale girante non è altro che una piccola ruota appositamente studiata all’interno di una chiocciola. Il meccanismo della turbina è direttamente collegato ad un altro componente, meccanicamente simile, detto compressore che funziona esattamente in modo opposto.

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Se la turbina trasforma l’energia dei gas caldi in “rotazione”, il compressore trasforma la “rotazione” della turbina in pressione – da qui il termine compressore – in grado di aspirare forzatamente l’aria esterna. Più aria implica più possibilità di bruciare carburante e quindi più potenza. A parità di cilindrata di certo salgono i consumi tuttavia ciò è compensato dal fatto di non farsi scappare l’abbondante energia termica normalmente non utilizzata.

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Dove è utilizzato il turbo

Oggi sentiamo parlare di nostalgia per i motori aspirati, dei nuovi turbo-diesel e turbo-benzina; ci sono libri interi, accademici o meno, che discutono l’argomento comparando i vantaggi e gli svantaggi delle diverse soluzione; in questa sede ci limitiamo a prendere “alla larga” il discorso.

Come vi abbiamo spiegato in un recente articolo di Auto for Dummies, il gasolio necessario ad alimentare un motore diesel è meno pregiato e raffinato rispetto ad un benzina. Non a caso il turbocompressore ha avuto un incredibile successo nel primo tra i due propulsori: in un diesel, infatti, le maggiori temperature e pressioni prodotte all’interno della camera di combustione generano gas ancora più caldi allo scarico. L’energia ricavabile è sicuramente maggiore e, una volta spesi soldi per realizzare i robusti materiali con cui è costruire un diesel, il passo per accoppiare il tutto ad un turbocompressore è breve.

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Nel corso del ‘900 tuttavia si è arrivati alle più svariate soluzioni in grado di rendere competitivo ed efficiente questo sistema. I moderni motori turbo-benzina funzionano alla perfezione e varianti come la più “americana” sovralimentazione diretta – senza l’ausilio del turbocompressore – regalano sempre grandi soddisfazioni in termini di potenza peccando invece per consumi ed inquinanti.

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Quando finirà l’era della sovralimentazione

La sovralimentazione di un motore a combustione interna è stata solo una delle prime soluzione per aumentare l’efficienza dei propulsori. Oggi possiamo trovare i più svariati sistemi di recupero dell’energia: dal calore sviluppato durante la frenata al molleggiamento delle sospensioni.

Dopo lo sviluppo dei motori totalmente elettrici il mercato è in continuo movimento verso soluzioni intermedie come l’ibrido e se da un lato i puristi della combustione sono orientati verso un motore in grado di unire i vantaggi di diesel e benzina, i più ambiziosi troveranno certamente interessanti sistemi come motori di bassa cilindrata abbinati alla sovralimentazione e a motori elettrici opportunamente assecondati da innovativi sistemi di ricarica delle batterie.

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Un futuro incerto e tutto da scoprire ma che, grazie all’ingegno di grandi tecnici ed ingegneri, sarà sicuramente più green e, si spera, emozionante per tutti gli amanti del mondo dei motori. Nel prossimo articolo di Auto for Dummies tratteremo delle più importanti e storiche competizioni automobilistiche: dai primi campionati di Formula 1, al rally fino alle nuove e selenziose gare di Formula E.

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