Motore aspirato: come respira un motore senza turbo

In Italia lo chiamate aspirato. In Spagna lo chiamiamo atmosferico. Sembra una sfumatura da dizionario, e invece dentro quelle due parole c’è tutto l’equivoco su come funziona un motore. “Aspirato” fa pensare a un motore che succhia, come un aspirapolvere. “Atmosferico” dice chi fa davvero il lavoro: l’atmosfera. E ha ragione lo spagnolo, per una volta. Il motore non aspira niente. Fa spazio, e l’aria ci viene spinta dentro da fuori.

Partiamo da qui perché questo è il primo capitolo di una serie sui sistemi di alimentazione dell’aria: turbo, compressori volumetrici, sovralimentazioni doppie, soluzioni strane che l’industria ha provato e poi sepolto. Prima di mettere un motore sotto pressione bisogna sapere come se la cava quando nessuno lo aiuta. Il turbo, alla fine, non fa altro che barare su un processo che esisteva già. Per capire il trucco, serve conoscere il gioco pulito.

E il gioco pulito è una questione di aria, non di benzina. La benzina sta in un serbatoio, la manda una pompa, la spruzza un iniettore: ce n’è sempre quanta ne vuoi. L’aria no. Ogni cavallo che un motore produce dipende da quanta aria riesce a chiudere nel cilindro a ogni giro, e il carburante si limita a seguirla nella proporzione che la chimica impone.

La spinta che arriva dall’alto

Quando il pistone scende in fase di aspirazione, con la valvola aperta, il volume sopra di lui cresce e la pressione dentro il cilindro cala sotto quella del condotto. Sopra le nostre teste ci sono chilometri di atmosfera che pesano, e quel peso spinge l’aria verso la zona dove la pressione è più bassa. Al livello del mare la spinta vale circa un bar. È lo stesso principio della siringa: tirando lo stantuffo non trascini il liquido, togli pressione da una parte e lasci che sia l’altra a spingere.

Da qui una conseguenza che chi guida in montagna conosce senza saperlo. Se il motore vive della pressione atmosferica, quando la pressione cala anche il motore perde forza. In cima allo Stelvio, a 2.757 metri, la pressione è intorno ai 0,72 bar: un aspirato lassù ha quasi il 30% di spinta in meno rispetto a Venezia. Non c’è centralina che lo compensi, perché manca proprio la materia prima.

Se a spingere è l’atmosfera, il riempimento del cilindro ha anche un metro di misura naturale: quanta aria entrerebbe nella cilindrata alle condizioni di pressione e temperatura di riferimento. Quel metro ha un nome che in Italia si trova sui libri come coefficiente di riempimento e altrove come rendimento volumetrico.

Un numero che senza riferimento non vale niente

Il rendimento volumetrico confronta l’aria che il motore intrappola davvero nel cilindro con quella che teoricamente ci starebbe. Cilindro da un litro, un litro d’aria intrappolato a ogni aspirazione: 100%.

Nella realtà l’aria fa una corsa a ostacoli. Filtro, tubo, corpo farfallato, collettore, condotto, curve, e infine lo spiraglio intorno al fungo della valvola, aperto per pochi millesimi di secondo. Ogni ostacolo le toglie un po’ di pressione, e meno pressione davanti alla valvola vuol dire meno molecole dentro. Un buon motore stradale a farfalla spalancata sta più o meno tra l’80 e il 90%, a seconda del regime e di quanto lavoro c’è dietro il progetto.

A farfalla spalancata, appunto. In un motore a benzina la potenza si regola strozzando l’aspirazione: la farfalla è un rubinetto che tieni socchiuso con il piede destro. In autostrada, a carico parziale, i cilindri si riempiono molto meno del possibile, e lo fanno apposta.

Poi c’è il dettaglio che fa impazzire chi confronta schede tecniche. Il riferimento non è unico. C’è chi misura rispetto all’aria esterna, chi rispetto alle condizioni nel collettore, chi rispetto a uno standard di laboratorio corretto. Lo stesso motore può dare percentuali diverse a seconda del metro. Se qualcuno vi sventola un rendimento volumetrico senza dire rispetto a cosa, il numero non vale la carta su cui è scritto.

E qui arriva la parte bella. Quel 100% non è un soffitto. Un aspirato può superarlo senza nessuna macchina, solo con la forma dei suoi tubi.

L’aria ha inerzia, e si può sfruttare

L’aria pesa poco, ma pesa. Una colonna d’aria che corre nel condotto di aspirazione a centinaia di chilometri orari ha la sua inerzia, e quando la valvola si chiude di colpo quella colonna le sbatte contro e si comprime. Nasce un’onda di sovrapressione che risale il condotto alla velocità del suono, circa 340 metri al secondo, un po’ di più se l’aria è calda.

Arrivata all’estremità aperta del condotto, dove sbocca nel collettore, l’onda non torna indietro uguale. Si riflette invertita: quella che saliva come sovrapressione ridiscende come depressione. Al rimbalzo successivo sulla valvola chiusa si inverte di nuovo. Nel condotto, quindi, c’è un andirivieni continuo di impulsi di pressione e di vuoto.

Se la lunghezza del condotto è scelta bene, un impulso di sovrapressione arriva alla valvola mentre è aperta, e soprattutto negli ultimi istanti prima che si chiuda, che è il momento in cui si decide quanta massa resta intrappolata nel cilindro. In quel caso l’aria entra spinta dall’atmosfera più quella spintarella in più, e il cilindro si riempie oltre il 100%. Senza pezzi in movimento, senza consumare energia.

Il problema è il cronometro. L’onda impiega sempre più o meno lo stesso tempo a percorrere il condotto, mentre il tempo in cui la valvola resta aperta si accorcia man mano che salgono i giri. Un condotto accordato per 3.000 giri a 6.000 è fuori tempo, e lì l’impulso che arriva è quello di depressione, che il cilindro lo svuota invece di riempirlo. Un condotto fisso è una scommessa su una fascia di regime.

Nello stesso hardware lavora anche un secondo fenomeno, che conviene tenere separato: la risonanza di Helmholtz. È quella della bottiglia che suona quando ci soffi sopra: l’aria nel collo oscilla come una massa su una molla contro il cuscino d’aria chiuso dentro. Un condotto che sfocia in un collettore può comportarsi allo stesso modo. Onde nel condotto e risonanza di Helmholtz sono due fisiche diverse, e i collettori veri le usano entrambe.

Il collettore che cambia strada

Se un condotto fisso funziona bene solo in una fascia di giri, la soluzione è un condotto che cambia lunghezza. Percorso lungo: frequenza di risonanza più bassa, più coppia in basso. Percorso corto: frequenza più alta, riempimento massimo spostato verso la potenza. I brevetti dei costruttori lo spiegano quasi come un libro di fisica.

Il caso più istruttivo, anche perché tanti meccanici ci hanno messo le mani, è il V6 Mercedes M272, quello di Classe C, Classe E e ML degli anni Duemila. Il suo collettore avvolge i condotti a spirale per far stare un percorso lungo in poco spazio, con delle farfalle a metà strada che aprono una scorciatoia. Sotto carico, nella fascia media, più o meno tra 1.700 e 3.900 giri secondo le descrizioni d’officina più diffuse, le farfalle si chiudono e l’aria fa tutto il giro lungo. Sopra, si aprono e l’aria passa per la via corta. Chiuso vuol dire lungo, aperto vuol dire corto: parecchie spiegazioni in rete lo raccontano al contrario. A muoverle è un attuatore a depressione. Le farfalle di turbolenza vicino alle luci di aspirazione sono un’altra cosa: fanno vorticare la carica per bruciarla meglio e non toccano la lunghezza del condotto.

Ingegneria bellissima, con un difetto famoso. Le leve di plastica che comandano le farfalle si induriscono con la morchia, si crepano e lasciano il sistema bloccato in una posizione, spia motore accesa compresa.

Ed ecco la pista spagnola che in Italia non racconta nessuno. Quel V6, nella versione 3.5 da 258 CV, finiva anche sotto il cofano del Mercedes Viano, il monovolume costruito nello stabilimento di Vitoria, nei Paesi Baschi. Condotti a spirale e farfalle fragili al servizio di un furgone per otto persone, fatto in Spagna e venduto in mezza Europa.

Il V8 americano che bara senza turbo

Il caso più spettacolare è recente e viene da Detroit. Il Chevrolet LT6, il V8 da 5,5 litri con albero piatto della Corvette Z06 C8, fa 670 cavalli senza turbo né compressore. Al posto delle farfalle nei condotti ha un collettore con due camere, una per bancata, collegate da tre valvole comandate dalla centralina. Aprendole e chiudendole a regimi diversi, il motore sposta la propria risonanza di aspirazione lungo tutto l’arco dei giri. Secondo quanto riportato da Hagerty, a pieno carico due valvole restano chiuse fino a circa 2.000 giri e la terza fino a circa 5.800.

Gli ingegneri GM sostengono che così il rendimento volumetrico resta sopra il 100% in una finestra molto ampia: intorno al 110% al regime di coppia massima, 6.300 giri, e ancora sopra il 100% alla potenza massima, a 8.400. Una stima esterna pubblicata prima del debutto era più bassa, quindi i decimali vanno presi con cautela. Il principio però è chiaro: non è la pressione costante di un turbo, è una sequenza di spinte che arrivano al momento giusto nella fascia più larga possibile.

Valvole, farfalle e la porta da cui passa tutto

Tutto questo lavoro finisce in una strettoia: la valvola di aspirazione. Conta l’area effettiva di passaggio, cioè il diametro, l’alzata, la forma della sede e per quanto tempo resta aperta. Un condotto perfetto strozzato da una valvola piccola è tempo perso.

Per questo i motori che vogliono respirare usano quattro valvole per cilindro. Due valvole piccole offrono più perimetro di sede e più area di passaggio di una sola grande nello stesso alesaggio, e lasciano la candela al centro della camera. L’idea in Italia ha radici lontane, fin dal primo bialbero italiano di Giuseppe Merosi nel 1914, ma nelle auto di tutti i giorni si è diffusa solo negli anni Ottanta, con motori come il 16 valvole Opel della Kadett GSi.

Per questo esiste la fasatura variabile, che sposta apertura e chiusura delle valvole a seconda del regime, facendo con il tempo quello che il collettore variabile fa con la lunghezza. E c’è chi ha provato a cambiare la valvola stessa, come la valvola rotativa che la Derbi di Nieto usava sui due tempi.

E per questo i motori più ossessionati dal respiro montano una farfalla per cilindro. Con i corpi farfallati singoli ogni cilindro ha la sua farfalla attaccata alla luce di aspirazione: niente collettore unico da riempire prima che il motore risponda, risposta immediata all’acceleratore. La Lexus LFA, con il suo V10 sviluppato insieme a Yamaha, ne aveva dieci.

L’ultimo M3 che respirava da solo

L’esempio che meglio riassume tutto è il BMW S65, il V8 da 4 litri della M3 E90/E92/E93, prodotta dal 2007 al 2013. Otto cilindri e otto farfalle singole. Alesaggio di 92 millimetri e corsa di 75,2: un superquadro spinto, in cui il pistone percorre poca strada a ogni giro e la velocità media resta sotto controllo. Così il motore fa 420 CV a 8.300 giri e arriva al limitatore a 8.400. Rapporto di compressione 12:1, altissimo per un’auto stradale dell’epoca.

Il contesto dice molto. Mercedes-AMG rispondeva con il 6,2 litri della C63, più cilindrata e meno giri. E la M3 che venne dopo, la F80 del 2014, passò al sei cilindri biturbo. La E92 è rimasta l’ultima M3 a scommettere tutto sul respiro e niente sulla pressione, e il suo urlo sopra i 6.000 giri, otto gole aperte senza un fischio di turbina a coprirle, è l’argomento migliore che l’aspirato abbia mai avuto. Chi vuole la storia completa della M3, dalla E30 che tolse il campionato all’Alfa 75 in poi, la trova qui su NEC.

Il limite che nessun tubo può spostare

Le regole, quindi, sono queste. Un aspirato si riempie facendo spazio e lasciando spingere l’atmosfera. Il 100% di riempimento è un riferimento, non un muro. Inerzia dell’aria, onde ben cronometrate, risonanza di Helmholtz, area delle valvole e fasatura possono portare un motore ben fatto oltre quella cifra, ma solo nelle fasce di regime dove tutto torna.

Quello che nessun tubo può cambiare è la spinta di partenza. Un bar al livello del mare, meno a Cortina, molto meno sullo Stelvio. La si può sfruttare in modo geniale; aumentarla no.

Più di un secolo fa qualcuno si è fatto la domanda ovvia: perché aspettare che l’atmosfera spinga l’aria, quando una macchina può spingerla al posto suo? Da lì nasce la sovralimentazione, e con lei tutto quello che arriverà in questa serie, fino alle piccole bombe degli anni Ottanta come la Uno Turbo. Turbo e compressori fanno esattamente quello che fa un aspirato, riempire un cilindro d’aria. Solo che la pressione se la portano da casa.

Nel prossimo capitolo cominciamo a spingere. Il compressore volumetrico, la prima macchina mai attaccata a un motore per fargli ingoiare aria a forza, e il motivo per cui il più famoso di tutti, il Roots, al suo interno non comprime proprio niente. Quasi tutto quello che si legge in rete su di lui è sbagliato.

Il secondo capitolo è qui: come funziona il compressore volumetrico, dal Roots alla vite, passando per il Volumex Abarth.

Il terzo capitolo spiega come funziona il turbo e perché lag e soglia di sovralimentazione non sono la stessa cosa.

Controlla di essere ancora vivo.

Foto: Mr.choppers (CC BY-SA 3.0), epinkert (CC BY 3.0), Steliosk0 (CC0), OWS Photography (CC BY 4.0), dave_7 (CC BY 2.0).