Twincharging e twin-turbo: come si combinano compressore e turbo
L’Italia ha inventato il biturbo di serie e ha dato al mondo il twincharger più famoso della storia, e se ne ricorda male in tutti e due i casi. Della Maserati Biturbo si parla quasi solo per le rotture, della Delta S4 si racconta che fosse la prima auto con compressore e turbo insieme. La prima cosa è ingenerosa, la seconda è falsa: il primo twincharger in vendita in concessionaria fu una utilitaria giapponese, e quello più a buon mercato d’Europa è uscito da una fabbrica alle porte di Barcellona. Guardata dalla Spagna, la storia delle combinazioni ha un altro ordine.
Fin qui, in questa serie, ogni motore si arrangiava con un solo modo di spingere aria nei cilindri: il compressore volumetrico, pronto da subito ma mangiatore di potenza all’albero, e il turbo, efficiente e potente in alto ma pigro in basso. Questo capitolo è per chi non ha voluto scegliere.
Prima la grammatica
Tre parole si confondono di continuo. “Parallelo” e “in serie” dicono dove passa l’aria: due turbo affiancati che alimentano ciascuno il motore, oppure un turbo che comprime e passa l’aria a un secondo che la comprime di nuovo. “Sequenziale” dice un’altra cosa, cioè quando entra ogni turbo: non insieme, ma uno dopo l’altro. Un sistema sequenziale può finire con i due turbo che soffiano in parallelo, e uno in serie può essere gestito in sequenza. E sequenziale non significa per forza un turbo piccolo e uno grande: è una questione di tempi e di valvole, non di misure.
Il biturbo di De Tomaso e la tassa dei due litri
Il primo motore di serie con due turbo nasce a Modena. La Maserati Biturbo viene presentata il 14 dicembre 1981 ed è in vendita in Italia da aprile 1982: V6 a 90 gradi di 1.996 cc, due turbo piccoli, uno per bancata, 180 CV. Ancora oggi il sito Maserati la definisce una prima mondiale, e ha ragione. Quel 1.996 era un numero politico: sopra i due litri l’IVA italiana sulle auto saliva ben oltre l’aliquota normale, e Alejandro de Tomaso voleva una quattro posti sportiva con il Tridente che si pagasse come una berlina. Il ragionamento era giusto, l’esecuzione meno: le prime serie avevano un solo carburatore soffiato dai turbo, il calore sotto il cofano cuoceva tutto e la rete assistenza non era pronta. La fama di inaffidabile nasce lì, ma il primato tecnico resta, e la storia di Maserati senza la Biturbo sarebbe finita prima.
Il biturbo parallelo, un turbo per bancata, diventa poi lo standard dei motori a V potenti. La Ferrari 288 GTO e la Ferrari F40 avevano due turbo IHI, uno per lato. Lo schema è semplice e pulito: ogni turbo vicino ai suoi cilindri, nessun tubo che attraversa il vano motore, due turbine più piccole e quindi con meno inerzia di una sola grande. Riduce il lag, non lo cancella, perché ogni turbina riceve solo metà dei gas e i due lavorano sempre nelle stesse condizioni. Il biturbo parallelo è anche la firma dei motori italiani di oggi. Il V6 di 2,9 litri della Alfa Romeo Giulia Quadrifoglio, del 2016, parente stretto dei motori Ferrari, tira fuori 510 CV con due turbo, uno per bancata. Il Nettuno della Maserati MC20, tre litri e 630 CV, fa lo stesso aggiungendo le precamere di combustione prese dalla Formula 1. Quarant’anni dopo la Biturbo, a Modena i turbo sono ancora due e ancora uno per lato. Perfino la Ferrari F80 tiene due turbo in parallelo, oggi con un motore elettrico su ciascuno perché non si addormentino.
Il sequenziale: Stoccarda batte Hiroshima di tre anni
Il trucco più fine è farli entrare a turno. A bassi giri tutto il gas di scarico va a un solo turbo, che ne riceve il doppio rispetto a un parallelo e si sveglia prima. Quando i giri salgono e i gas aumentano, un gioco di valvole apre la strada al secondo turbo, e in molti sistemi da un certo punto in poi soffiano tutti e due. Non è risposta istantanea dal minimo, perché le turbine devono comunque prendere velocità, ma è un modo di attaccare da due lati il dilemma della misura della turbina che abbiamo visto nella guerra al turbo lag.
La prima auto di serie con turbo sequenziali è la Porsche 959, presentata nel 1985 e costruita nel 1987 e 1988. Nel 1990 Mazda lancia in Giappone la Eunos Cosmo con il rotativo a tre rotori 20B-REW e la presenta come il primo biturbo sequenziale di produzione al mondo. Arrivava tre anni dopo Porsche. Fu il primo giapponese, e resta l’unica auto di serie con un rotativo a tre rotori.
E qui c’è un pezzo di storia italiana che in Italia si conosce poco. Nel 1986, nei capannoni Abarth di Torino, Claudio Lombardi aveva al banco un quattro cilindri biturbo sequenziale con una testata a valvole incrociate che nessuno ha più usato: il motore Triflux della Lancia ECV. Un turbo piccolo lavorava da solo ai bassi regimi e da 5.000 giri una valvola apriva al secondo. La ECV non corse mai, perché la FISA cancellò il Gruppo S prima ancora che nascesse.
Il sequenziale diventa leggenda negli anni Novanta con due giapponesi. La Mazda RX-7 di terza generazione, del 1991, con il suo motore rotativo biturbo, e la Toyota Supra A80 del 1993 con il 2JZ-GTE, dove il secondo turbo entra intorno ai 4.000 giri secondo carico e marcia. Erano grovigli di tubi del vuoto, elettrovalvole e attuatori: sulla RX-7 bastava un manicotto crepato perché il secondo turbo entrasse tardi, nel momento sbagliato o mai, lasciando un buco a metà curva. Per questo tanti preparatori li hanno smontati per montare un solo turbo grande. Quando tutto teneva, la curva di coppia era quasi perfetta.
Il sequenziale più estremo sta a Molsheim. Il W16 di 8 litri della Bugatti Chiron ha quattro turbo, ma fino a circa 3.800 giri ne lavorano solo due; sopra, una valvola nello scarico apre agli altri due. La Veyron, con lo stesso motore, li faceva lavorare tutti insieme. Come si raffredda un mostro così lo abbiamo raccontato nell’articolo sui dieci radiatori del W16.
In serie: la strada del diesel
Il montaggio in serie, o a due stadi, mette i turbo in fila: uno grande di bassa pressione comprime l’aria e la passa a uno piccolo di alta pressione che la comprime ancora. Serve a ottenere pressioni che un turbo solo non darebbe senza soffocare, e allo stesso tempo a sfruttare in basso uno stadio piccolo che risponde subito. Valvole di bypass decidono quando lavorano entrambi e quando no.
Il caso più spettacolare è tedesco. Al Salone di Ginevra 2012 BMW presenta la M550d xDrive con l’N57S, un sei cilindri diesel di tre litri con tre turbo forniti da BorgWarner: due piccoli di alta pressione a geometria variabile e uno grande di bassa pressione raffreddato ad acqua. Tre turbo, ma non tre stadi. Il risultato: 381 CV e 740 Nm tra 2.000 e 3.000 giri, una coppia da camion in una berlina. Nel 2016 la 750d passa al B57 a quattro turbo con 400 CV, e lì la corsa si ferma: il tri-turbo pesava 24 chili più del biturbo da cui derivava e una revisione completa poteva costare migliaia di euro.
La grande eresia: compressore e turbo insieme
Il twincharging mette sullo stesso motore un compressore volumetrico e un turbo. Il compressore, mosso dall’albero motore, dà pressione dal minimo e copre il buco in basso; il turbo, che vive di gas di scarico altrimenti sprecati, prende il comando quando di gas ce n’è a volontà. Ognuno copre il punto debole dell’altro. Il difficile è il passaggio di consegne: una valvola di bypass fa girare l’aria attorno al compressore quando il turbo basta da solo, e nei sistemi più raffinati, come quello Volkswagen, una frizione elettromagnetica stacca del tutto il compressore perché smetta di rubare potenza.
La Lancia Delta S4 del 1985 resta il simbolo: compressore Abarth Volumex e turbo KKK su un quattro cilindri di 1,8 litri, il compressore per uscire dai tornanti senza lag, il turbo per la potenza in rettilineo. La Stradale aveva 250 CV, la vettura da rally circa 480. Era l’evoluzione diretta della Lancia 037, che vinceva con il solo compressore. Sui regimi esatti di passaggio tra compressore e turbo della S4 circolano versioni molto diverse, e chi cita un numero preciso con troppa sicurezza di solito lo ha copiato.
Quello che in Italia quasi nessuno ricorda è che la S4 non arrivò mai in concessionaria come utilitaria, e il primo twincharger acquistabile da un privato fu una Nissan. Nel 1988 la March R per i rally, nel 1989 la March Super Turbo stradale: 930 cc, cilindrata ridotta da 987 per stare nella classe 1,6 litri una volta applicato il coefficiente del turbo, compressore volumetrico più turbo e 110 CV in un’auto grande come una Micra. Venduta solo in Giappone.
Poi Volkswagen porta il twincharging alla grande serie con il 1.4 TSI della Golf GT a metà anni Duemila, fino a 170 CV e il titolo assoluto di International Engine of the Year nel 2009 e nel 2010. Volvo lo riprende con il T6 Drive-E del 2014, quattro cilindri di due litri con compressore Eaton e turbo oltre i 300 CV, compressore staccato intorno ai 3.500 giri. E Lombardi, l’uomo della S4 e del Triflux, decenni dopo ha fatto da consulente a Kimera per la EVO37, la 037 rivisitata che torna a montare compressore e turbo.
La pista spagnola: un twincharger nato a Martorell
Vista da Madrid, la versione più democratica di questa eresia è spagnola. La SEAT Ibiza Cupra del 2009, prodotta a Martorell, montava il 1.4 TSI con compressore e turbo, 180 CV e 250 Nm tra 2.000 e 4.500 giri, con cambio DSG a sette marce; la Ibiza FR aveva lo stesso motore a 150 CV. Lo stesso principio della Delta S4 in una utilitaria che si comprava anche nelle concessionarie italiane.
Il bello è il nome dell’edizione speciale. Nel 2008 SEAT porta a Ginevra il prototipo Ibiza SportCoupé Bocanegra, e dalla seconda metà del 2009 vende la Ibiza Bocanegra sulle versioni FR e Cupra, con il frontale nero. “Bocanegra” significa bocca nera ed era il soprannome della SEAT 1200 Sport del 1975, la prima auto sviluppata interamente nel centro tecnico SEAT, famosa per un enorme paraurti nero in poliuretano che abbracciava fari e calandra. Erano gli anni in cui SEAT costruiva su licenza Fiat,. Trentaquattro anni dopo quel soprannome finiva sul motore più sofisticato mai montato da SEAT su un’utilitaria. Con il restyling del 2015 la Cupra passò a un più convenzionale 1.8 turbo da 192 CV, e la pagina del twincharger si chiuse.
Accumulare compressori è una sconfitta
Le combinazioni sono un capolavoro di ingegno: davanti a un dilemma fisico, piccolo o grande, pronto o potente, gli ingegneri hanno risposto prendendo tutto. Un buon sequenziale o un buon twincharger danno curve di coppia che un solo compressore non può nemmeno sognare. Ma ogni turbo in più, ogni compressore aggiunto, ogni valvola di passaggio è un’ammissione: la macchina di partenza non bastava e nessuno aveva trovato una soluzione pulita. La S4, la RX-7 sequenziale e il tri-turbo BMW sono meraviglie e monumenti alla complessità insieme, e più pezzi coordinano un passaggio al millisecondo, più cose possono perdere, incollarsi o rompersi. La prova è arrivata dopo: appena la geometria variabile e il turbo elettrico sono maturati, Volkswagen ha pensionato il twincharger, BMW è tornata a meno turbo e il sequenziale con i tubi del vuoto è sparito.
Nel prossimo capitolo smettiamo di guardare il compressore e guardiamo l’aria. Comprimere l’aria la scalda, l’aria calda è meno densa, e nei benzina un’aspirazione calda favorisce la detonazione, il battito in testa che spacca i pistoni. Intercooler aria-aria contro aria-acqua, perché l’intercooler non “dà potenza” ma restituisce la densità persa, e l’iniezione d’acqua come trucco per ingannare il calore.
Tutta quell’aria in pressione esce calda. Come la si raffredda, con un radiatore o con acqua e metanolo, è il sesto capitolo: intercooler: aria-aria, acqua-aria e iniezione d’acqua.
Le strade che non hanno vinto, dal Comprex che sovralimentava con le onde di pressione al turbo con camera di combustione propria del carro Leclerc, le raccontiamo in sovralimentazione a onde di pressione, Hyperbar e altre strade strane.
Cosa ne ha fatto l’industria di tutta quest’aria, una volta imparato a infilarla nei cilindri, lo racconta il capitolo 8: il downsizing e perché un piccolo motore turbo consuma meno di uno grande, superknock compreso.
Controlla di essere ancora vivo.
Foto: Mr.choppers (CC BY-SA 3.0), Thilo Parg (CC BY-SA 4.0), Sfoskett (CC BY-SA 3.0), Tokumeigakarinoaoshima (CC BY-SA 4.0), 先従隗始 (CC0), Calreyn88 (CC BY-SA 4.0), Spanish Coches (CC BY 2.0). Wikimedia Commons.