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  • Il turbocompressore elettrico, aria nuova per i motori e gli ibridi

    L’elettrificazione totale o a pezzi. I tecnici stanno seguendo entrambe le strade. Nel primo caso parliamo di auto a batteria o ad idrogeno, nel secondo di ibridizzazione elettrificando un numero crescente di componenti. Alcuni di questi si limitano a consumare energia, altri invece a recuperarla. Altri ancora possono fare entrambe le cose, come i motogeneratori. Il prossimo passo saranno i turbocompressori. Ne sono sicuri i maggiori produttori mondiali come Honeywell, Mitsubishi e anche Mahle e Borg Warner che preparano il turbocompressore elettrico che vedremo su un un’auto di serie già nel 2021.

    Turbocompressore elettrico

    Tra turbina e compressore metti l’elettrico

    Sgombriamo subito il campo dagli equivoci: non stiamo parlando di un compressore mosso da un motore elettrico utilizzato in un sistema di sovralimentazione a doppio stadio, ma di un turbocompressore assistito da una macchina elettrica coassiale alla girante, proprio come avviene per le MGU-H utilizzati sulle power unit di Formula 1 dal 2014.

    Come funziona

    Nelle prime fasi di accelerazione, quando i gas di scarico non hanno un contenuto energetico sufficiente ad alimentare la turbina (che a sua volta muove il compressore di sovralimentazione), la macchina elettrica entra in azione portando il compressore a regime più rapidamente e riducendo il tempo di risposta; a regime costante sfrutta l’energia meccanica prodotta grazie allo sfruttamento dei gas di scarico da parte della turbina, immagazzinandola nell’accumulatore del sistema ibrido.

    Lo stesso principio è usato sulle Formula 1 e sulla Porsche 919 Hybrid che ha dominato il WEC e la 24 Ore di Le Mans nel triennio 2015-2017.

    L’altra energia dei gas di scarico

    In entrambi i casi, si tratta di auto che viaggiano spesso in piena accelerazione e possono recuperare energia non solo durante le frenate. Ed è proprio quello che potrebbe fare una normale auto dotata di motore sovralimentato con turbocompressore elettrico. Oggi il turbocompressore recupera solo l’energia residua dei gas di scarico, quello elettrico fornirebbe un ulteriore contributo: recupererebbe energia che oggi viene sprecata e fornirebbe in pochi istanti una grande quantità d’aria nei transitori, ovvero quando il guidatore preme l’acceleratore per avere più potenza e coppia.

    Sono le fasi più critiche per i motori a combustione interna, durate le quali si modificano i rapporti tra combustibile e comburente e si moltiplicano le quantità di sostanze inquinanti a valle della combustione. La turbina di diametro ridotto ha una risposta rapida, ma fornisce meno aria; quella di diametro grande risponde lentamente, ma fornisce più aria a tutti i regimi.

    Turbocompressore elettrico

    Oltre il doppio turbo e la geometria variabile  

    Per avere i pregi dell’una e dell’altra, ci sono la turbina a geometria variabile e, ancora meglio, la sovralimentazione sequenziale con due turbocompressori di grandezza diversa. La prima soluzione è generalizzata su tutti i diesel, che hanno gas di scarico a temperatura intorno a 850 °C, ma è rarissima sui motori a benzina che arrivano a 1.050 °C e hanno bisogno di leghe metalliche più resistenti e costose.

    Turbo a benzina a geometria variabile

    La prima – e per molti anni unica – auto a benzina ad avere il turbocompressore a geometria variabile è stata la Porsche 911 Turbo. Più recentemente il gruppo Volkswagen l’ha applicata al suo nuovo 4 cilindri 1.5 EA211 Evo, che funziona a ciclo Miller così che i gas di scarico non superano i 950 °C. In questo caso, lo scopo non sono le prestazioni di picco, ma fornire al motore più aria e nel modo più velocemente possibile.

    Porsche 911 996 Turbo

    Problemi opposti, un’unica soluzione

    I motori a benzina di piccola cilindrata ad iniezione diretta con turbocompressore offrono potenze elevate con consumi specifici inferiori, ma emettono particolato come i diesel. Ecco perché è indispensabile avere il filtro GPF (Gasoline Particulate Filter) per raggiungere l’omologazione Euro6d.

    La sfida della normativa Euro7

    Ma c’è un’altra sfida per i motori a benzina: la Euro7. La nuova normativa, ancora allo studio, prevede che il motore debba funzionare in modo pulito anche nelle condizioni più gravose. In queste fasi infatti i motori utilizzano un rapporto aria/benzina inferiore a quello stechiometrico λ=1 ovvero 14,7.

    L’Euro 7 imporrà invece il λ=1 per evitare che il motore abbia emissioni anomale anche in condizioni ora non contemplate dai cicli di omologazione.

    Turbocompressore elettrico

    Uno deve essere sempre uno

    Il turbocompressore elettrico dunque potrebbe avere un potere salvifico sia per il motore a gasolio sia per quello a benzina. Il primo ha le sue difficoltà ai bassi regimi, il secondo agli alti, entrambi quando il guidatore preme a fondo l’acceleratore.

    Il turbocompressore elettrico, integrato in un sistema ibrido, può intervenire in ogni momento fornendo il surplus d’aria del quale il motore ha bisogno in quel momento. La sperimentazione sta dimostrando che questa soluzione può aumentare la potenza del 15-20%, diminuire i consumi del 5% e incrementare la coppia almeno del 10%, ma soprattutto renderla immediatamente disponibile diminuendo il tempo di risposta del 75%.

    Turbocompressore a geometria variabile

    Vantaggi attuali e futuri

    Ma ci sono altri vantaggi. Un turbocompressore elettrico permette di eliminare la sovralimentazione doppia e la valvola wastegate, di creare effetti di lavaggio e ricircolo dei gas di scarico che oggi vengono indotti con EGR, sistemi di regolazione della fasatura e dell’alzata delle valvole. Oppure da cicli come Atkinson e Miller, che aumentano il rendimento, ma diminuiscono le prestazioni. Il turbocompressore elettrico permette di abbassare la cilindrata oppure essere sfruttato per far funzionare il motore in alcune fasi a carica magra favorendo la convergenza già in atto tra motore Diesel e Otto.

    Turbocompressore elettrico

    Una migliore elettrificazione

    I turbocompressori elettrici al lancio saranno integrati su sistemi ibridi a 48 Volt e gireranno fino a 100.000 giri/min e avranno potenze comprese tra 3 e 17 kW, ma gli specialisti stanno già lavorando a quelli a 400 Volt o 800 Volt, più potenti (fino a 34 kW), dunque più rapidi e veloci e, allo stesso tempo, in grado di recuperare maggiori quantità di energia.

    Questo vuol dire che c’è un potenziale anche per i full-hybrid e gli ibridi plug-in. Teoricamente, un sistema capace di recuperare energia in modo più costante permette anche un miglior utilizzo della batteria. Questo vuol dire automaticamente una batteria più piccola e meno energia per la sua gestione termica.

    Turbocompressore elettrico

    I CAMION più veloci della Formula 1

    La curiosità legata a queste macchine è che il loro sviluppo non è partito dalla Formula 1, ma ancora prima nei primi anni Duemila dai grandi motori dei mezzi industriali, anche quelli per mezzi stanziali.

    Trattasi di mezzi che hanno poca o nulla energia cinetica da recuperare, ma funzionano spesso a velocità costanti e in condizioni gravose. Spesso le tecnologie applicate alle automobili sono passate prima dai mezzi industriali. Potrebbe accadere lo stesso anche stavolta.