Compressore volumetrico: come funziona e perché il Roots non comprime

In Italia la parola “volumetrico” ha un suono preciso. Dice Volumex, dice Lancia 037 che urla in salita, dice Abarth. E proprio per questo qui si dà per scontato di sapere come funziona un compressore volumetrico. Non è così. Il Roots, il più famoso di tutti, quello che stava sotto il cofano della 037, al suo interno non comprime niente. Lo raccontiamo da Spagna, dove questa storia ha un capitolo che in Italia quasi nessuno conosce: una SEAT con il compressore Abarth, e un ingegnere spagnolo uscito dall’Alfa Romeo che nel 1953 mise in riga le Ferrari di serie.

Nel primo capitolo di questa serie abbiamo visto come respira un motore aspirato. Prende l’aria che l’atmosfera gli spinge dentro, circa un bar al livello del mare, meno sullo Stelvio, e con quella si arrangia. Puoi accordare i condotti, montare quattro valvole, farfalle singole: la pressione di partenza resta quella. La sovralimentazione nasce dal rifiuto di questo limite. Una pompa spinge l’aria nel collettore a una pressione più alta di quella atmosferica, i cilindri si riempiono di più ossigeno di quanto potrebbero aspirare da soli, si brucia più benzina, e la stessa cilindrata dà più cavalli.

La pompa si può far girare in due modi. Con i gas di scarico, e allora è un turbocompressore, che arriva nel prossimo capitolo. Oppure direttamente dall’albero motore, con una cinghia o con ingranaggi, e allora è un compressore meccanico. Questo è venuto prima, e ha una dote che il turbo insegue da un secolo: è legato meccanicamente al motore, quindi gira nello stesso istante in cui gira l’albero.

Monza 1923, la prima volta

Prima di smontare il mito, una data che in Italia si dovrebbe citare più spesso. Il 9 settembre 1923, nel Gran Premio d’Italia corso a Monza, che quell’anno valeva anche come Gran Premio d’Europa, Carlo Salamano vinse con la Fiat 805. Ottanta giri da dieci chilometri, tre Fiat a giocarsela tra loro, Nazzaro secondo, l’americano Jimmy Murphy terzo con la Miller. Fu la prima vittoria in una grande corsa europea di una vettura con il compressore. La sovralimentazione meccanica entrò nelle corse dalla porta di casa vostra, e da lì passò all’Alfa di Jano e a tutto quello che venne dopo.

Due rami, quattro famiglie

Tutti i compressori di cui parliamo qui li muove il motore. Questo li accomuna. Dove si separano è nel modo di trattare l’aria, e confondere i due rami è l’errore da cui nasce quasi tutto il resto.

Il primo ramo è quello a spostamento positivo, o volumetrico in senso stretto. Queste macchine intrappolano a ogni giro un volume preciso d’aria e lo trasportano dall’ingresso all’uscita. Se girano al doppio della velocità, spostano circa il doppio dell’aria, a qualunque regime. Il secondo ramo è quello dinamico: non intrappola niente, accelera l’aria con una ruota che gira velocissima e poi la rallenta in un condotto sagomato, dove la velocità diventa pressione.

Dentro i due rami stanno quattro famiglie. Il Roots, con due rotori a lobi che girano ingranati in una carcassa: spostamento positivo. Il compressore a vite, o Lysholm, dal nome dell’ingegnere svedese Alf Lysholm che ne disegnò i rotori: due viti elicoidali, una maschio e una femmina, che si avvitano l’una nell’altra. Spostamento positivo anche lui. Il compressore a spirale, che Volkswagen chiamò G-Lader: una spirale che oscilla contro un’altra, sempre spostamento positivo. E il centrifugo: una girante che lancia l’aria verso l’esterno, l’unico dinamico del gruppo e, a guardarlo bene, la metà fredda di un turbo mossa da una cinghia.

Roots e vite sembrano parenti stretti. La differenza tra loro è tutto il mito.

Il Roots non schiaccia, sbatte

Guardate un Roots in sezione. Due rotori, di solito a due, tre o quattro lobi, che girano in senso opposto senza mai toccarsi né toccare la carcassa. Quando un lobo passa davanti alla bocca d’ingresso, tra lui e la parete si apre una sacca d’aria a pressione atmosferica. Il rotore continua a girare e porta quella sacca lungo la parete, verso l’uscita.

E qui sta la sorpresa. Per tutto il viaggio la sacca non si restringe. Nessuno la schiaccia. L’aria arriva all’uscita alla stessa pressione con cui è entrata.

La pressione allora da dove viene? Dal fatto che il motore non tiene il passo. Il compressore manda più aria di quanta il motore riesca a ingoiare, quindi nel collettore c’è già aria accumulata a pressione. Quando la sacca a pressione atmosferica si affaccia sull’uscita, l’aria del collettore rientra di colpo al suo interno, la porta alla stessa pressione in un istante, e solo allora il lobo spinge tutto verso il motore. La compressione avviene in quell’urto allo scarico, non in una riduzione graduale di volume tra i rotori.

I tecnici la chiamano compressione esterna, per distinguerla da quella interna della vite. Per questo i puristi dicono che il Roots è una soffiante, non un compressore: una pompa che sposta aria verso un posto dove la pressione la sta già aspettando. E per questo ha quel fischio. Ogni sacca che si apre sull’uscita riceve un colpo di riflusso, migliaia di volte al secondo, e quegli impulsi di pressione sono una buona parte del suono che riconosci a cento metri. Ci sono anche ingranaggi e vibrazioni dei rotori, ma la firma è quella.

L’urto ha un prezzo. Portare l’aria in pressione di colpo, invece che a poco a poco, trasforma parte del lavoro in calore e turbolenza, e i giochi fissi tra rotori e carcassa lasciano scappare sempre più aria man mano che la pressione sale. I vecchi Roots, infatti, si sedevano presto. I moderni Eaton TVS, con quattro lobi elicoidali e una bocca d’uscita disegnata per addolcire il riflusso, arrivano a rapporti di pressione di 2,5, circa un bar e mezzo di sovrappressione, con rendimenti di picco sopra il 70%. Il pedaggio cresce con la pressione, ma non c’è un muro a un numero preciso.

La vite, invece, comprime davvero

Il compressore a vite ha i rotori lunghi ed elicoidali, uno con i lobi convessi e uno con le scanalature concave. Girando, le sacche d’aria intrappolate tra loro avanzano lungo i rotori e intanto lo spazio che le contiene si riduce. Questa è compressione interna, quella che tutti immaginiamo: l’aria entra a pressione atmosferica ed esce già schiacciata, senza l’urto allo scarico del Roots. Meno lavoro sprecato, meno calore nella carica, rendimento migliore a pressioni alte.

Il conto si paga in officina, prima ancora che sulla strada: rettificare quei profili elicoidali con i giochi necessari è lavoro di precisione, e un compressore a vite è sempre costato più di un Roots della stessa taglia. E c’è un limite scritto nella geometria. La vite ha un rapporto di compressione interno fisso. Se il motore chiede proprio quella pressione, perfetto. Se ne chiede meno, a carico parziale, l’aria esce compressa più del necessario e quel lavoro si butta. Se ne chiede di più, all’uscita serve ancora un po’ di riflusso alla maniera del Roots. E quando la valvola di bypass fa ricircolare l’aria a gas chiuso, la vite continua a lavorarla più di quanto farebbe un Roots, il che vuol dire più perdite in crociera.

Il centrifugo è un turbo con la cinghia

Il quarto della lista non è un volumetrico. Ha una girante, una piccola ruota a pale curve, che gira a decine di migliaia di giri grazie a un moltiplicatore. L’aria entra al centro e viene sparata verso il bordo a grande velocità. La girante, da sola, dà soprattutto velocità: la pressione la ottengono il diffusore e la chiocciola che la circondano, rallentando l’aria. Attenzione al vocabolario: la girante non è una turbina. La turbina toglie energia a un gas in movimento, la girante gliela dà. Un turbo ha tutte e due; il centrifugo ha solo la girante, mossa dalla cinghia.

Il carattere viene dalla fisica. La pressione che dà una girante cresce più o meno con il quadrato della sua velocità, quindi in basso soffia poco e in alto tantissimo. Un motore con il centrifugo sembra quasi aspirato appena sopra il minimo e poi tira sempre più forte verso il limitatore. È per questo che negli Stati Uniti marchi come Paxton e Vortech hanno costruito un’industria di kit per i V8, e Ford montò un Paxton sulla Thunderbird del 1957.

Il G-Lader e il brevetto francese del 1905

Il compressore a spirale è il più strano dei quattro. L’idea la brevettò il francese Léon Creux nel 1905, e per quasi ottant’anni nessuno riuscì a farla funzionare: servivano due spirali che lavorassero una contro l’altra con giochi minimi, e la meccanica dell’epoca non era in grado di lavorarle. L’aria scappava da tutte le parti.

Dentro la carcassa ci sono pareti a spirale fisse. Tra di esse si muove un dislocatore, una piastra con spirali su entrambe le facce, che non gira ma descrive piccoli cerchi eccentrici. Quel movimento orbitale apre sacche d’aria all’esterno della spirale, le chiude e le porta verso il centro, dove c’è l’uscita. Avanzando, le sacche si restringono: compressione interna, come nella vite, ottenuta con un movimento completamente diverso.

Volkswagen lo mise in produzione negli anni Ottanta e lo chiamò G-Lader, dove Lader in tedesco vuol dire caricatore e la G viene dalla forma della spirale. Le due taglie prendevano il nome dalla profondità della spirale in millimetri: 40 per il G40, 59,5 per il G60. Il G40 finì sulla Polo, il G60 su Golf, Passat e Corrado. La Corrado G60 del 1988 aveva 160 CV da un 1.8 a otto valvole e toccava i 225 orari, con una pressione massima di 0,8 bar con le pulegge di serie. Poi ci sono i pezzi da collezione: la Golf Rallye G60 del 1989, costruita in circa cinquemila esemplari per l’omologazione nei rally, con il motore portato a 1.763 cc e la trazione integrale Syncro; e la Golf Limited, 71 esemplari assemblati a mano da VW Motorsport con testata a sedici valvole e 154 kW.

Perché è sparito? Per la manutenzione. Volkswagen lo vendeva come esente da interventi e non lo era affatto. Le guarnizioni del dislocatore strisciano contro la carcassa e si consumano, i cuscinetti vanno curati. Revisionato con regolarità vive a lungo; abbandonato, perde pressione poco a poco e alla fine può distruggersi da dentro. Molti proprietari l’hanno scoperto nel secondo modo, ed è così che un gioiello di meccanica si è guadagnato la fama di bomba a orologeria.

La soffiante che veniva da un autobus

Il Roots più famoso del mondo, quello che spunta dal cofano dei dragster americani, nasce su un diesel. Nel 1938 General Motors presentò i diesel della Serie 71, prodotti dalla sua divisione Detroit Diesel e chiamati così per i 71 pollici cubi di ogni cilindro: il sei cilindri era il 6-71, il quattro il 4-71, il tre il 3-71. Erano motori a due tempi, e un due tempi non ha una fase di aspirazione propria. Ha bisogno di aria spinta a pressione che spazzi via i gas combusti e riempia il cilindro, il cosiddetto lavaggio. Sulla Serie 71 quel compito spettava a un Roots mosso da ingranaggi, montato sul fianco del blocco. Non serviva per avere più potenza: senza, il motore non funzionava.

Dopo la guerra di queste soffianti ce n’erano ovunque e costavano niente. Nel 1948 Barney Navarro ne montò una, una 3-71, su un Ford flathead, mossa da quattro cinghie trapezoidali, e a El Mirage, sui laghi salati della California, passò da 121 a quasi 140 miglia orarie in due mesi. Da lì le 4-71 e le 6-71 finirono sopra gli Hemi Chrysler e i V8 Chevrolet, con le luci rifatte e la cinghia al posto degli ingranaggi. Poi arrivarono le 8-71, le 10-71, le 12-71 e infine le 14-71 dei Top Fuel di oggi, che del diesel da autobus conservano solo il nome.

Volumex: da Abarth alla 037

Ed eccoci a casa vostra. Dopo l’acquisto da parte di Fiat nel 1971, Abarth diventò il reparto corse del gruppo, e da lì uscì un Roots per i quattro cilindri bialbero Fiat. Nel 1981 lo montò la Fiat 131 Volumetrico Abarth, circa 140 CV da un due litri. Poi passò a Lancia con il nome Volumex: Beta Coupé, HPE e la berlina Trevi. E soprattutto la Rally 037, che usò un Roots al posto del turbo proprio per avere la risposta immediata che nei tornanti valeva più di qualche cavallo in cima. Nel 1983 la 037 vinse il Mondiale costruttori contro l’Audi Quattro a trazione integrale. Due anni dopo la Delta S4 mise insieme le due scuole, un volumetrico per i bassi e un turbo per gli alti.

Quello che in Italia non si racconta

Quel compressore Abarth ebbe anche una vita spagnola. SEAT costruiva su licenza Fiat, e la SEAT 131 era la sua versione della 131. Quando a Torino uscì la 131 Volumetrico, a Barcellona pensarono di fare lo stesso. Furono costruiti due prototipi di SEAT 131 con compressore sul due litri, dati per circa 140 CV e 190 orari. Il progetto si fermò lì, negli anni in cui SEAT e Fiat stavano per separarsi, e di una delle due auto oggi non si sa più nulla.

L’altra storia ha un nome che in Italia si ricorda male: Wifredo Ricart. Ingegnere catalano, lavorò all’Alfa Romeo dal 1936 e si scontrò con Enzo Ferrari, che nelle sue memorie lo descrisse con poca simpatia. Tornato in Spagna, diresse l’ENASA, l’azienda pubblica dei camion Pegaso, e nel 1951, nella vecchia fabbrica Hispano-Suiza di Barcellona, fece nascere la Pegaso Z-102: un V8 in lega leggera con quattro alberi a camme e, nelle versioni più cattive, il compressore. Il 25 settembre 1953, sul rettilineo belga di Jabbeke, una Z-102 BS 2.8 sovralimentata con carrozzeria barchetta Touring, la stessa che aveva corso a Le Mans, fece il chilometro lanciato alla media di 243,079 km/h. Era la vettura di serie più veloce del mondo in quel momento. Una delle prime Ferrari 212, provata da Autocar nel 1950, non superò di molto i 187 orari. La Z-102 fu un disastro economico, carissima e complicata, ma quel record è cronometrato.

Mercedes e la scritta sul baule

Negli anni Duemila Mercedes fece della parola Kompressor un marchio. Sulle C 180 e C 200 Kompressor c’era un Roots che dava una spinta moderata a motori piccoli. Le AMG erano un’altra cosa. E 55, SL 55, CLS 55 usavano il V8 M113K di 5,4 litri con un compressore a vite IHI e intercooler aria-acqua; la SLK 32 e la C 32 AMG la stessa ricetta sul V6 3.2. AMG scelse la vite per il motivo che la fisica suggerisce: alle pressioni e ai regimi che cercava, la compressione interna dava aria più fresca nel collettore, e aria più fresca vuol dire meno rischio di detonazione su un’auto di serie.

Il conto della cinghia

Ogni compressore meccanico è mosso dall’albero motore, quindi ogni cavallo speso per comprimere l’aria è un cavallo tolto prima che arrivi alle ruote. Se ne guadagnano molti di più di quelli che si spendono, altrimenti nessuno lo monterebbe, ma il pedaggio esiste e cresce con la pressione. Quando la pressione non serve, una valvola di bypass fa girare l’aria in tondo senza spingerla nel motore e taglia buona parte del lavoro; alcuni sistemi montano una frizione elettromagnetica sulla puleggia e fermano del tutto il compressore in crociera.

In cambio, i volumetrici danno risposta. Roots, vite e spirale spostano aria a qualsiasi regime, quindi la pressione c’è appena apri il gas. Il centrifugo no, perché la girante ha bisogno di velocità prima di comprimere. La fama di “zero ritardo” appartiene ai volumetrici, non a tutta la famiglia.

Resta una domanda ovvia. Dallo scarico esce gas caldo, veloce e in pressione, energia che il motore butta via. Perché spendere potenza dell’albero per comprimere l’aria quando quella spinta esce gratis dal terminale? La risposta è il turbocompressore. Gratis però non è, e il pedaggio che chiede è molto più subdolo di una cinghia. Nel prossimo capitolo: il turbo, la mappa del compressore, e perché quello che tutti chiamano turbo lag in realtà sono due fenomeni diversi.

Il passo successivo della serie è il turbo: come funziona e perché il lag non è quello che credi.

Controlla di essere ancora vivo.

Foto: Auge=mit (CC BY-SA 4.0), Autocar Handbook, 1935 (dominio público), Motorhead (Wikipedia) (CC BY-SA 2.5), Tony Harrison (CC BY-SA 2.0), Seanster1000 (CC BY-SA 3.0), dave_7 (CC BY 2.0), Jose.cfr (CC BY-SA 4.0).