LE ORIGINI
Il turbocompressore fu inventato dall’ingegnere svizzero Alfred J. Büchi che lavorava nel campo delle turbine a vapore. Immaginiamo che Büchi, da buon tecnico, fu attratto e incuriosito dai neonati e sbuffanti motori a combustione interna, e debba aver pensato qualcosa di questo tipo: “Perchè non tentare di sfruttare la grande quantità di energia, altrimenti persa, contenuta nei loro gas di scarico?”.
Il motore a combustione interna era appena nato che già qualcuno gli trovava dei difetti... Per fortuna, quel “qualcuno” ebbe la geniale idea di utilizzare quell’energia proprio osservando le turbine a vapore, grandi macchine azionate da enormi quantità di vapore ad alta temperatura e pressione per generare lavoro. Detto, fatto, nel 1905 Büchi depositò il brevetto del primo concetto di turbocompressore azionato da gas di scarico, in cui turbina e compressore erano accoppiati meccanicamente.
I primi turbocompressori furono sviluppati da Büchi tra il 1909 e il 1912 presso il Sulzer Brothers Research Department, un centro sperimentale appositamente costituito a Winterthur, in Svizzera, a cui egli era a capo.
Nel 1910 fu costruito il primo motore turbocompresso: si trattava di un due tempi della Murray-Willat, azienda costruttrice di motori per aeroplani, che aveva ben compreso le potenzialità dell’innovativa invenzione del Dott. Büchi. Infatti, i primi velivoli che cominciavano a solcare i cieli durante la Prima Guerra Mondiale, mossi da motori a combustione interna, subivano un notevole calo di potenza ad alta quota, a causa della riduzione della densità dell’aria aspirata, limitandone l’altitudine di volo.
Il turbocompressore di Büchi compensava la rarefazione dell’aria e sembrava veramente fare al caso della nascente industria aeronautica. Nel 1918 il Dott. Sanford Moss della General Electric applicò un turbocompressore ad un motore per velivoli, il «V12 Liberty», e lo testò nella località di Pikes Peak, in Colorado, all’altitudine di 14000 piedi (circa 4600 m.): a questa quota, i 354 CV sviluppati, in condizioni di aspirazione libera, al livello del mare scendevano a soli 230 CV, ma con il turbo la potenza si impennava a 377 CV, dimostrando in maniera inconfutabile come esso potesse eliminare le perdite di potenza fino ad allora riscontrate a causa della riduzione di densità dell’aria.
La gestazione del primo motore Diesel turbocompresso fu più lunga: solo nel 1915 Büchi realizzò il primo prototipo, ma non si rivelò abbastanza efficiente da mantenere una adeguata pressione di sovralimentazione.
Nonostante qualche passo falso ed una certa diffidenza verso questa innovazione, la strada del turbo era spianata. In campo aeronautico era un susseguirsi di record di altitudine con i 33.113 piedi (circa 10.000 m) raggiunti già nel 1920, mentre è del 1925 la prima applicazione di successo su due navi tedesche di un motore Diesel sovralimentato capace di 2.000 CV. Il risultato fu tale che molti costruttori di Europa, USA e Giappone acquistarono la licenza di Büchi.
Negli anni Trenta, turbocompressori con turbine assiali verrano utilizzati in marina, nei vagoni ferroviari e in molte applicazioni stazionarie. Nel 1936 fu fondata da J.C. Garrett la Garrett Corporation, che negli anni a venire si sarebbe affermata come uno dei più grandi e importanti costruttori di turbocompressori.
LA CONSACRAZIONE
Le guerre portano distruzione, ma è innegabile come la corsa agli armamenti sia un forte traino allo sviluppo tecnologico. Durante la Seconda Guerra Mondiale i veloci aerei a reazione soppiantarono quelli con motore a pistoni: l’avvento delle turbine a gas portò grandi sviluppi nella tecnologia dei materiali e nella progettazione, con positive ricadute anche nel campo dei turbocompressori. Nuovi materiali, più resistenti alle alte temperature dei gas di scarico, e nuove tecniche di lavorazione permisero lo sviluppo di turbine radiali, più piccole e leggere di quelle assiali, che meglio si adattavano ai piccoli motori delle automobili.
Fu allora che il turbocompressore scese dal cielo per conquistare la terra. Una conquista che avrebbe prima coinvolto i grandi mezzi da trasporto, poi le automobili.
A partire dagli Anni Cinquanta, i maggiori produttori di motori come Volvo, Scania e Cummins, iniziarono a sperimentare motori turbocompressi per autocarri, utilizzando turbocompressori forniti dalla Elliot e Eberspächer. Ma questi primi progetti furono infruttuosi a causa delle grandi dimensioni di queste unità. Un ingegnere tedesco, Kurt Beirer, sviluppò un nuovo disegno, più compatto, poi ripreso dalla Schwitzer Corporation. Così, nel 1954, sia la Cummins che la Volvo poterono offire una ampia gamma di motori turbo-Diesel.
Come spesso accade nel mondo dell’automobile, le prime applicazioni di un nuovo dispositivo si hanno nelle competizioni. Nel 1952, la prima autovettura equipaggiata con un motore Diesel turbocompresso prodotto dalla Cummins fece la sua comparsa alla 500 Miglia di Indianapolis, ottenne la pole-position e restò alla testa della corsa per 100 miglia, prima che un frammento di pneumatico danneggiasse proprio il turbocompressore costringendo la vettura al ritiro. Un debutto promettente anche se sfortunato!
Il passaggio del turbocompressore dalle piste alla strada avverrà solo nel 1962, negli Stati Uniti d’America, grazie a due vetture del gruppo General Motors: la Oldsmobile «Jetfire» e la Chevrolet «Corvair Monza». La «Jetfire» era equipaggiata con un V8 in alluminio da 3.5 l e 215 CV (segnando il raggiungimento del traguardo di 1 CV per pollice cubo di cilindrata), mentre la «Corvair Monza» con un 6 cilindri piatto da 2.7 l e 150 CV.
La Jetfire, per limitare il fenomeno di detonazione – principale vincolo tecnico dei motori sovralimentati - con un rapporto di compressione di ben 10,25:1, era dotata di un insolito sistema di iniezione di una miscela di acqua e alcool metilico, contenuta in un serbatoio ausiliario. La miscela veniva iniettata nei condotti di aspirazione nei momenti di maggior richiesta di potenza: in base allo stile di guida, un litro di fluido permetteva di percorrere dai 360 ai 3200 km. Per preservare ulteriormente la meccanica, la pressione massima di sovralimentazione fu limitata a 0,34 bar. Nonostante questi accorgimenti, la «Jetfire» si dimostrò poco affidabile e dopo due anni e 9.607 esemplari uscì di produzione.
La Corvair, motore posteriore raffreddato ad aria, ebbe decisamente più fortuna: restò sul mercato per cinque anni e ne furono venduti 50.000 esemplari. La sua fine fu accelerata quando il giovane avvocato Ralph Nader scrisse il libro “Unsafe at any speed” , forte atto d’accusa contro le Case americane restie a migliorare la sicurezza dei loro veicoli, in cui la Corvair fu il più noto tra i casi studiati, per via del suo pericoloso comportamento su strada.
Con l’uscita di produzione di questi due modelli, il mercato americano dovette aspettare un decennio per vedere di nuovo l’invenzione di Büchi applicata su vetture di normale produzione.
Il turbo ricomparve sulle auto di serie negli Anni Settanta, ma sull’altra sponda dell’Oceano. La rinascita fu condotta da BMW, con la celebre «2002» del 1973 (motore 2 l da 170 CV e 240 Nm), seguita da Porsche, con la «911 Turbo» del 1974 (motore 3 l da 260 CV). L’America, nonostante gli insuccessi iniziali, tornò sul turbo con la Buick «Regal» del 1978. Per trovare il primo motore turbo-Diesel bisogna tornare in Europa, dove la Mercedes-Benz presentò la «300 SD» nel 1978: lo sviluppo di questa insolita motorizzazione per l’ammiraglia «Classe S», equipaggiata con un motore 5 cilindri da 3 l con 115 CV, e destinata esclusivamente al mercato di Stati Uniti e Canada, fu avviato allo scopo di soddisfare i valori limite imposti per i consumi di carburante dal governo statunitense. L'unità di misura determinante, in questo ambito, è rappresentata dal cosiddetto "consumo di flotta", un'invenzione del governo Carter, che indica il consumo medio di tutti i modelli di autovetture offerti da una Casa automobilistica. Attraverso un'offerta più ampia di modelli diesel, tradizionalmente più parsimoniosi nei consumi, fu quindi possibile portare il consumo di flotta al di sotto del limite previsto dalla legge.
Ma fu nel 1979 che apparve in Europa il primo propulsore Diesel dotato di turbocompressore grazie alla Peugeot «604».
Al Salone di Francoforte del 1977, Saab presentò la «99 Turbo», prima vettura “da famiglia” ad essere equipaggiata con un turbo: il suo motore da 2 l erogava 145 CV e 235 Nm. I tecnici svedesi calcolarono che un motore 6 cilindri con le stesse prestazioni sarebbe stato 50 kg più pesante ed il suo consumo del 30% più alto. Fu anche la prima Saab con la chiave di avviamento posta sul pavimento, tra i due sedili, ancora oggi un tratto distintivo del marchio svedese. Con essa Stig Blomqvist vinse – prima vettura turbo della storia - una gara del Campionato del Mondo Rally del 1979, in Svezia.
La prima vettura italiana turbocompressa fu l’Alfa Romeo «Alfetta GTV 2000 Turbodelta» (2 l da 150 CV) del 1979: l’infelice abbinamento del turbocompressore al carburatore anziché all’iniezione fu causa di scarsa affidabilità e di cattivo funzionamento del motore. Ne furono prodotti solo 400 esemplari, quanto bastava per l’omologazione al “Gruppo 4” del campionato Rally.
Ma in Europa, la Casa che realmente “turbò” il mondo dell’automobile fu la Renault. Nel 1977, la Casa francese inaugurò nel Campionato Mondiale di Formula 1 quella che sarebbe passata alla storia sportiva come “Era Turbo”, durata fino al 1989; ben presto, essa fu seguita da Honda, Ferrari, BMW, in una sfida tra propulsori a quattro e sei cilindri di 1.5 l capaci di straordinarie nonchè terrificanti potenze che potevano arrivavare anche a 1500 CV in prova! Solcando l’onda della grande risonanza mediatica generata da una Formula 1 iper-vitaminizzata, Renault osò per prima installare il turbocompressore su una piccola vettura: era la «R5 Turbo» del 1980. La meccanica era stravolta rispetto a tutte le altre «R5»: i grandi rigonfiamenti dei passaruota posteriori lasciavano facilmente intuire la presenza un motore collocato in posizione centrale-posteriore e di grandi pneumatici per scaricare la notevole potenza sulle ruote posteriori. Il quattro cilindri da 1.4 l, con turbocompressore e intercooler, erogava 160 CV e 209 Nm. Presto seguirono altri Costruttori, come la Fiat con la «Uno Turbo» del 1985 (1.3 l e 105 CV), creando un mercato di piccole «bombe» - sogno proibito dei giovani dell’epoca – che diventarono un vero e proprio fenomeno di moda.
Anche le vetture da rally sperimentarono l’«effetto turbo»: per prima fu l’Audi «Quattro Sport», seguita, giusto per ricordare le più celebri, da Lancia «Delta S4» (prima automobile al mondo ad utilizzare un doppio sistema di sovralimentazione con compressore volumetrico Volumex e turbocompressore KKK), Peugeot «205 T16», e da tante altre, prototipi derivati da auto di serie prodotte in pochissimi esemplari e che componevano il “Gruppo B”. I loro motori 4 cilindri di 2 l arrivarono a superare i 600 CV.
Tale escalation di potenze, sia su pista che su strada, non passò inosservata, anche per gli effetti negativi che portò a livello di sicurezza. Governare questi bolidi, senza gli ausili elettronici di oggi, poteva andare al di là delle capacità del migliore dei piloti, per cui le varie Federazioni furono costrette a mettere dei paletti: in Formula 1, prima si fissò un limite alla pressione massima di sovralimentazione per poi bandire del tutto i motori turbo a partire dal 1989; nei Rally, i motori turbo sono ancora presenti nella massima categoria, ma devono adottare una restrizione all’immissione d’aria nel turbocompressore, livellando, di fatto, le potenze a circa 300 CV.
Arriviamo agli Anni ’90 : se fino ad ora il turbocompressore è stato soprattutto il compagno ideale dei motori a benzina per ottenere alte potenze, spesso a discapito della guidabilità e del piacere di guida – il classico “calcio nel sedere” o “turbo-lag” – a partire dal 1997, grazie all’Alfa «156», si legherà ai motori Diesel dotati della nascente iniezione diretta Common Rail, in un connubio, ogni giorno più solido, da cui sono nati motori capaci di conciliare alte prestazioni, piacere di guida e consumi contenuti.
Sebbene abbia ormai più di un secolo, il turbocompressore è ancora oggi oggetto di importanti affinamenti. Gli interventi dei tecnici si concentrano soprattutto sulle palette di turbina e compressore, che rappresentano il cuore di questo dispositivo: un loro corretto disegno è fondamentale per un buon funzionamento del turbocompressore in un ampio campo di utilizzo. Se l’adozione di palette mobili per il compressore è una realtà consolidata da anni (comunemente si parla di «turbocompressore a geometria variabile»), molto più recente e complessa è l’introduzione di questa soluzione sul lato turbina. La criticità risiede nel fatto che le palette della turbina vengono investite dai gas di scarico ad alta temperatura (intorno ai 1000 °C): la prima Casa ad adottare una turbina a geometria variabile è stata Porsche con la «911 Turbo» del 2005, grazie all’adozione di materiali di derivazione aerospaziale.
A parte queste sofisticazioni, il turbocompressore sta tornando in auge sui motori a benzina. Grazie ad esso è possibile realizzare il “downsizing”, cioè utilizzare motori piccoli (e quindi leggeri) su una ampia gamma di vetture, potendo contare sempre su una adeguata riserva di coppia e potenza garantite da uno ma anche due turbocompressori: si realizzano così motori che per prestazioni, piacere di guida ed economia, cominciano ad impensierire i turbo-Diesel ad iniezione diretta.
FONTE:
http://www.omniauto.it/magazine/3985/la-storia-del-turbo
