Come fa il compressore volumetrico a fare ciò che il turbo non riesce a fare?

Il compressore volumetrico (soprallimentazione) è un sistema di alimentazione forzata che comprime l'aria entrante nel motore, consentendo di ottenere più potenza dalla stessa cilindrata; la differenza rispetto al turbo è che prende la potenza meccanicamente direttamente dall'albero motore invece che dai gas di scarico. Grazie a questo collegamento offre potenza senza ritardi, immediata e lineare; in compenso consuma continuamente una parte della potenza stessa del motore ed è generalmente meno efficiente del turbo in termini di consumi.

Come funziona il compressore volumetrico: la potenza dall'albero motore

Il limite fondamentale che determina la potenza che un motore a combustione interna può produrre è la quantità di ossigeno che entra nei cilindri. In un motore aspirato l'aria entra spinta dalla propria pressione grazie al vuoto creato dalla corsa di aspirazione. Il compressore volumetrico modifica questo equilibrio: pompa l'aria nei cilindri con una pressione (boost) superiore a quella atmosferica. Più ossigeno significa che può bruciare più carburante; ad ogni ciclo si ha un'esplosione più potente, cioè più cavalli e coppia.

Dal punto di vista del meccanismo, il punto critico è la fonte di energia. Il compressore volumetrico è collegato direttamente all'albero motore tramite cinghia, catena o ingranaggio; più velocemente gira il motore, più velocemente gira il compressore. Il turbo, al contrario, gira grazie all'energia cinetica dei gas di scarico e recupera una parte di questa energia. Questa sola differenza determina tutto il carattere delle due tecnologie: una risponde immediatamente ma ne paga il prezzo nei consumi, l'altra sfrutta l'energia di scarico altrimenti dispersa ma fa attendere all'inizio.

Il processo di compressione ha un altro costo: il calore. L'aria compressa si riscalda, la densità dell'aria riscaldata diminuisce e il guadagno di potenza risulta limitato. Per questo nei sistemi di compressione volumetrica seri si utilizza un intercooler aria-aria o aria-acqua; l'aria compressa viene raffreddata rendendola più densa e ricca di ossigeno. Inoltre con alte pressioni di boost aumenta il rischio di detonazione; il carburante ad alto numero di ottano resiste alla detonazione e consente tarature più aggressive.

Differenza tra turbo e compressore volumetrico: reattività dell'acceleratore contro efficienza

La domanda che distingue le due tecnologie in realtà è questa: da dove ricavate l'energia? Il turbo recupera tramite la turbina l'energia di scarico che altrimenti andrebbe dispersa dallo scarico; per questo è teoricamente più efficiente. Ma la turbina impiega tempo per iniziare a girare. A bassi regimi il flusso di scarico è insufficiente e fino a quando la turbina non è in pressione il motore si comporta come un aspirato naturale; questa attesa si chiama turbo lag.

Con il compressore volumetrico non esiste questo tipo di attesa. Poiché il compressore è meccanicamente collegato all'albero motore, il boost è presente anche al minimo e la curva di potenza è lineare: più premete l'acceleratore, più risposta ottenete. Questa prevedibilità offre un vantaggio di controllo in pista; ad altitudini elevate rispetto al livello del mare, comprime anche l'aria rarefatta mantenendo le prestazioni.

Il prezzo però non è trasparente, ma è misurabile: il compressore volumetrico può consumare fino al 20% della potenza totale erogata dal motore per il proprio funzionamento. Si chiama carico parassita. Il turbocompressore non sostiene questo carico; ne paga il prezzo come freno motore nel sistema di scarico. C'è una differenza anche sul lato impiantistico: nel compressore volumetrico la tubazione è semplice, l'aria va dal compressore al motore. Nel turbo serve un complesso schema di tubazioni con i gas di scarico che devono passare attraverso la turbina e, poiché i componenti di scarico caldi si trovano accanto alla linea di aspirazione, il rischio di surriscaldamento è elevato.

I tre tipi di compressore volumetrico e le loro caratteristiche

I compressori volumetrici si dividono in due grandi famiglie in base al modo in cui collegano il boost al regime motore: i compressori a volume positivo forniscono un boost costante a quasi tutti i regimi; nei compressori dinamici il boost aumenta proporzionalmente al regime. Tutti e tre i tipi principali rientrano in una di queste due famiglie.

Roots: il più antico, il più immediato

Il tipo Roots è la versione applicata al mondo automobilistico di un progetto brevettato nel 1860 per la ventilazione delle miniere. Due lobi che girano in sensi opposti trattengono l'aria nello spazio tra loro e il corpo, spingendola verso il collettore. Il punto da tenere presente è questo: il Roots non comprime l'aria; la trasporta soltanto. Per questo è noto più come blower che come compressore. Fornisce boost in tutto l'arco di regimi e, con il suo aspetto classico montato sopra il motore, è il simbolo della cultura delle muscle car. Tuttavia, ad alti livelli di boost il rendimento è solo del %40–50 e genera una notevole quantità di calore. La classificazione dei blower della GMC riflette ancora questa tradizione: il blower 6-71 è progettato per spazzare 71 pollici cubici di volume per ogni cilindro di un motore da 426 pollici cubici (7,0 L).

Twin-Screw: il design a compressione interna

Il compressore a doppia vite, noto anche come Lysholm, utilizza due viti elicoidali che si incastrano tra loro e comprime l'aria internamente nei canali che si restringono. Questo singolo dettaglio determina la differenza rispetto al Roots: maggiore efficienza termica, meno calore. Può offrire un rendimento vicino a quello dei compressori dinamici in un ristretto intervallo di carico e regimi. Il progetto moderno fu brevettato nel 1935 da Alf Lysholm; il brevetto fondamentale del compressore a vite risale invece al 1878 con Heinrich Krigar. È il tipo preferito dalle applicazioni che vogliono mantenere il carattere immediato del Roots ma ridurne il calore.

Centrifugo: dall'anima turbo, ad azionamento meccanico

Il compressore centrifugo è simile per progetto al turbo, ma funziona con azionamento meccanico anziché con i gas di scarico. La girante che ruota ad alto regime accelera l'aria verso l'esterno e converte questa velocità in pressione. A differenza dei tipi a volume positivo, il boost aumenta insieme al regime del motore; il risultato è un carattere simile a un motore aspirato ma che aggiunge potenza ad alto regime. La sua efficienza è la più alta dei tre tipi: 70-85% di intervallo. Anche la produzione di calore è più bassa e il suo corpo compatto facilita il montaggio in vani motore stretti. Il limite è chiaro: a basso regime non eroga tanta potenza quanto un Roots o un twin-screw.

Quanto incide sul consumo di carburante?

L'effetto del compressore volumetrico sull'economia di carburante è un dato di fatto: generalmente aumenta i consumi. Più aria significa più carburante da bruciare; il motore deve funzionare senza alterare l'equilibrio aria-carburante. Su un veicolo con kit compressore installato, l'economia tipicamente peggiora del 15-30% e può peggiorare; con un utilizzo aggressivo il consumo può raddoppiare.

Anche la scelta del tipo cambia questo quadro. Il tipo Roots, a causa del notevole carico parassita, è quello che più stressa l'economia; i progetti centrifughi, grazie alla loro alta efficienza, emergono come i membri più economici della famiglia. Ma nessun compressore può essere più efficiente di un turbo che recupera l'energia dei gas di scarico. È esattamente questa la logica dietro il orientamento dei costruttori verso motori turbo di piccola cilindrata nel XXI secolo: Mercedes ha sostituito i suoi motori sovralimentati con la denominazione Kompressor con motori turbo intorno al 2010. Ci sono anche eccezioni: il motore 3.0 TFSI di Audi è rimasto sovralimentato dal 2009 e l'unità AJ-V8 Gen III di Jaguar dalla stesso anno in poi.

Su quali veicoli e perché si preferisce il compressore?

La scelta dipende da quanto è critica la risposta dell'acceleratore. Nelle discipline in cui la vittoria si decide su un decimo di secondo, come le gare di drag e il tractor pulling, il compressore è diffuso; non c'è ritardo nel boost e la potenza si scala istantaneamente con il pedale dell'acceleratore. Anche la tradizione americana della muscle car si basa sulla stessa logica: il dominio del compressore nei modelli ad alte prestazioni di GM, Dodge e Ford si spiega con la preferenza culturale per la coppia istantanea e la potenza a basso regime. Tra le ragioni della scelta del compressore da parte di Ford per la GT500 si possono citare la coerenza con l'eredità, la risposta istantanea dell'acceleratore e le prestazioni ad alto regime.

È possibile anche la scelta opposta. L'approccio twincharging, che combina le due tecnologie, attiva il compressore a basso regime, entrambi a medio regime e solo il turbo ad alto regime. La Lancia Delta S4 ha usato questo schema nella stagione WRC 1985-86 con frizione elettromagnetica e valvole bypass. Nella produzione di serie, esempi come il VW 1.4 TSI (2005-2013) e il Volvo B4204T 2.0 hanno applicato questa doppia alimentazione. Complessità e problemi di affidabilità hanno mantenuto l'approccio di nicchia.

Compressore o turbo: quale è migliore?

La risposta più onesta a una domanda che non ha una sola risposta è ridurre il confronto a due: alla bassa giri e nella risposta immediata prevale il compressore volumetrico, nella potenza massima e nell'efficienza il turbo. Il punto debole del compressore è l'efficienza, quello del turbo è il ritardo di sovralimentazione; quale dei due sia migliore dipende dallo scenario d'uso. Cerchi una risposta immediata nel traffico urbano, o l'efficienza nei lunghi tragitti? Nel primo caso il compressore è la scelta razionale, nel secondo il turbo.

Una delle domande più frequenti riguarda la velocità: quale dei due è più veloce? Stabilire una regola generale sarebbe fuorviante; la potenza massima del turbo è generalmente più alta, ma nelle dimensioni di misura, durata e distanza sono determinanti la calibrazione del veicolo, la scelta del tipo e la regolazione. Il tipico intervallo di guadagno di potenza del compressore è 30-75%, mentre in un kit ben progettato si colloca intorno al 50-85% ; entrambi devono essere regolati in modo da rimanere entro i limiti di durabilità del motore e la tolleranza alla detonazione.

Conclusione: una decisione di ingegneria semplice

Il compressore non è un'alternativa contrapposta al turbo, ma un'opzione da valutare insieme al turbo. Il collegamento meccanico alimentato direttamente dall'albero motore offre potenza immediata e prevedibile; il prezzo è il consumo continuo di una parte della potenza del motore stesso. L'immediatezza a tutti i regimi del Roots, l'equilibrio termico del twin-screw e l'efficienza ad alto regime del centrifugo sono tre diversi percorsi ingegneristici verso lo stesso obiettivo. La domanda giusta non è quale sia assolutamente migliore, ma in quale scenario d'uso quale carattere abbia maggiore probabilità di funzionare.

Fonti

• Che cos'è un Compressore Volumetrico
• Compressore Volumetrico
• Compressori Volumetrici vs. Turbocompressori: Quale è Meglio?
• In Che Modo Differiscono i Motori con Compressore Volumetrico e Turbocompressore?
• Impatto del Kit Compressore Volumetrico sui Consumi
• Compressore Volumetrico vs Turbocompressore - JEGS
• Compressori Volumetrici Roots vs. Twin-Screw vs. Centrifughi
• Sovralimentazione Roots vs. Centrifuga vs. a Vite
• Compressori Volumetrici vs. Turbocompressori
• Come Funzionano i Compressori Volumetrici