Turbo: come funziona e perché il lag non è quello che credi

In Italia il turbo ha una data di nascita sentimentale, ed è sempre una data di corse: la Ferrari 126 C in Formula 1 nel 1981, le Delta nei rally, la Uno Turbo che si mangiava le Golf al semaforo. Bella storia, ma comincia a metà. Il turbo è un’idea svizzera del 1905, ha imparato a volare prima che a correre, è arrivato su strada in America, e in Spagna, mentre il resto d’Europa lo considerava una stranezza da ricchi, lo montavano già sui camion. Camion che, per ironia della sorte, sarebbero finiti dentro l’Iveco.

Questo è il terzo capitolo della serie sulla respirazione del motore. Nel primo abbiamo visto come respira un aspirato, nel secondo come il compressore volumetrico gli caccia l’aria in gola a forza, pagandola però con la potenza dell’albero motore. Il turbo nasce proprio da lì, dal fastidio di quel conto. E si porta dietro due leggende da bar che conviene smontare subito: che sia potenza gratis, e che il famoso lag sia una cosa sola.

Due girandole e un alberino

Un turbocompressore, ridotto all’osso, è un alberino con una girandola a ciascuna estremità, ognuna chiusa nella sua chiocciola. Dal lato caldo arrivano i gas di scarico appena usciti dal collettore: entrano nella chiocciola, investono la prima girandola e la fanno girare. Questa è la turbina, e il suo mestiere è prendere energia dal flusso che la attraversa. Dall’altra parte dell’alberino, nel lato freddo, c’è la seconda girandola, la girante del compressore, che gira esattamente alla stessa velocità perché è montata sullo stesso pezzo di metallo.

La girante fa il lavoro inverso: aspira aria fresca dal centro, la scaglia verso l’esterno a velocità altissima e la chiocciola, rallentandola, trasforma quella velocità in pressione. L’aria compressa va al collettore d’aspirazione, nei cilindri entra più ossigeno di quanto ne darebbe l’atmosfera da sola, si può bruciare più benzina a ogni ciclo e il motore spinge di più.

Chi ha letto il capitolo sul compressore riconoscerà il lato freddo: è la stessa girante del compressore centrifugo, quella della famiglia “dinamica”, parente lontana dei Roots e dei compressori a vite, che invece sono volumetrici. La differenza sta tutta in chi la fa girare. Nel centrifugo classico è una cinghia collegata all’albero motore. Nel turbo sono i gas di scarico, che altrimenti finirebbero nella marmitta.

Il conto che nessuno ti mostra

Quindi lo scarico è energia buttata, il turbo si nutre di scarico, il turbo è gratis. Il ragionamento fila quasi del tutto, ed è proprio quel quasi a fregare.

Una turbina nello scarico è come un mulino piantato in un torrente. L’acqua fa girare la ruota, d’accordo, ma la ruota le sbarra anche la strada, e a monte il livello sale. Nello scarico succede lo stesso: la turbina è un ostacolo e i gas si accumulano davanti a lei. È la contropressione di scarico. A ogni fase di scarico il pistone deve spingere fuori i gas combusti contro quella pressione, e spingere costa lavoro: si chiama perdita di pompaggio, e viene sottratta a quello che arriva all’albero.

C’è anche un effetto collaterale. Con la contropressione alta, una parte dei gas combusti non fa in tempo a uscire e resta nel cilindro. Occupa spazio che spetterebbe all’aria fresca, non porta ossigeno utile ed è caldissima, quindi scalda la carica successiva. Quanto pesi dipende da motore, regime, carico e fasatura: chi ti dà una percentuale precisa valida per tutti sta tirando a indovinare.

Poi però c’è l’altra colonna del bilancio. Mentre la turbina alza la pressione allo scarico, il compressore la alza all’aspirazione, e un’aspirazione in pressione aiuta il pistone quando scende. Il lavoro di pompaggio vero nasce dalla somma delle due cose lungo tutto il ciclo. Nella grande maggioranza dei punti in cui un motore lavora davvero il conto torna largamente in attivo, ed è il motivo per cui il turbo ha conquistato l’industria. Ci sono zone della mappa e progetti in cui il margine si assottiglia. Il turbo recupera energia persa e ci trattiene sopra una commissione: un affare eccellente, che però si paga.

Lag e soglia di sovralimentazione: due bestie diverse

E veniamo al punto che divide chi ha capito da chi ripete. Chiunque abbia guidato un turbo anni Ottanta racconta la stessa scena: schiacci, non succede niente, ancora niente, poi la macchina parte come se l’avessero presa a calci. Tutto questo, al bar, si chiama lag. In realtà sono due fenomeni diversi, con cause diverse.

Il lag è un ritardo nel tempo. Turbina e girante formano una massa rotante, e una massa rotante non ama cambiare velocità. Se apri il gas a 4.000 giri, il motore comincia subito a sputare più gas di scarico, ma il rotore ha bisogno di un attimo per accelerare dalla velocità a cui girava a quella in cui produce pressione vera. Pesa soprattutto l’inerzia del rotore, ma contano anche la rapidità con cui cresce l’energia allo scarico, il tempo necessario a riempire di pressione il condotto d’aspirazione e quello che permettono centralina e valvola wastegate. In sintesi: il lag è un’attesa, e finisce.

La soglia di sovralimentazione invece è un limite di regime. È il numero di giri minimo al quale il turbo riesce a sostenere una certa pressione con un certo carico. Sotto quella soglia nello scarico non c’è abbastanza energia per far girare la turbina quanto serve, e aspettare non cambia nulla. A 1.800 giri una turbina grossa può dare un filo di pressione, mai quella per cui è stata dimensionata, anche tenendo il piede giù fino a domani. E conta il carico: allo stesso regime, a gas spalancato nello scarico arriva molta più energia che in andatura di crociera.

La prova pratica è questa. Il lag lo senti come una pausa anche quando sei già nel regime giusto. La soglia è una zona del contagiri in cui la spinta semplicemente non c’è. Un turbo può avere pochissimo lag e una soglia altissima, o viceversa. Il calcio nella schiena delle turbo d’epoca, morte sotto i 4.000 e poi tutte insieme, era soprattutto soglia, con un po’ di lag sopra.

Prima il cielo, poi il mare, poi la strada

Il brevetto di Alfred Büchi del 1905 era giusto sulla carta e testardo nel metallo. Il suo primo prototipo funzionante, pronto nel 1915, non riusciva a mantenere una pressione costante e non arrivò mai in produzione.

Il primo cliente vero del turbo fu l’aviazione. I motori perdono potenza salendo di quota perché l’aria si rarefà, e durante la Prima guerra mondiale l’americano Sanford Moss, per conto della General Electric, portò un motore d’aereo Liberty in cima al Pikes Peak, oltre i 4.000 metri, per dimostrare che un compressore mosso dallo scarico gli restituiva gran parte della potenza persa. Nella Seconda guerra mondiale i turbocompressori GE erano sui bombardieri B-17 e sui caccia P-38.

In mare, la Brown Boveri consegnò il suo primo turbo per impieghi pesanti nel 1924, e nel 1925 Büchi montò i suoi turbocompressori sui diesel a dieci cilindri di due navi passeggeri tedesche, la Preussen e la Hansestadt Danzig, portandoli da circa 1.750 a 2.500 cavalli. Su una nave nessuno si preoccupa di quanto pesi il turbo o di quanto ci metta a rispondere.

Su strada arrivò nel 1962, in America, con due auto della General Motors uscite a poche settimane di distanza: la Oldsmobile Jetfire, con un V8 di alluminio da 215 cavalli che per non autodistruggersi pretendeva un serbatoio di acqua e metanolo da rabboccare, e la Chevrolet Corvair Monza Spyder, col suo sei cilindri boxer raffreddato ad aria. Sulla meccanica della Corvair, tra l’altro, Bertone costruì la Testudo disegnata da Giugiaro: un pezzo di storia del design italiano poggia su quel pianale americano. Furono pionieri coraggiosi e acerbi, e la GM per anni lasciò perdere.

In Europa il primo turbo di serie fu la BMW 2002 Turbo, presentata al Salone di Francoforte nel settembre 1973: turbo KKK, poco più di mezzo bar, potenza salita da circa 130 a 170 cavalli. Aveva la soglia altissima tipica della sua generazione, sotto non andava e sopra arrivava tutto insieme, a volte a metà curva. Poche settimane dopo scoppiò la crisi petrolifera, con le domeniche a piedi e il limite di 100 km/h sulle autostrade tedesche. Se ne fecero 1.672. Due anni dopo arrivò la Porsche 911 Turbo, la 930, con il motore a sbalzo dietro l’asse posteriore e la spinta che entrava tardi e forte: se ti sorprendeva in appoggio, il retrotreno ti salutava. Il soprannome “widowmaker”, fabbricante di vedove, viene da lì.

La pista spagnola: Pegaso, i camion turbo e un finale italiano

Ed eccoci alla parte che in Italia non racconta nessuno, anche se finisce proprio in Italia.

Al Salone di Barcellona del 1972 la Pegaso, il costruttore pubblico spagnolo di camion, presentò la sua nuova gamma pesante. Tra i motori c’era un sei cilindri di 10,5 litri che dava 200 cavalli aspirato e 260 col turbo, un anno prima che la BMW 2002 Turbo arrivasse nei concessionari. Un diesel da camion e una berlina sportiva a benzina non si confrontano alla pari, quindi niente proclami su una Spagna più avanti della Germania. Ma dove il turbo aveva più senso, un diesel grosso che deve partire carico in salita e riprendere dopo ogni cambiata, in Spagna lo adottarono presto. Nello stesso salone Pegaso annunciò un nuovo 12 litri, e la versione turbo di quel motore arrivò a 352 cavalli: il camion più potente in vendita in Europa, due cavalli sopra lo Scania 141.

Nel 1985 la gamma TECNO portò un 12 litri turbo da 310 cavalli e una versione con intercooler, cioè con l’aria compressa raffreddata prima di entrare nel motore, da 340. Dell’intercooler parleremo a fondo in un capitolo dedicato. Turbo e intercooler su un camion spagnolo di metà anni Ottanta, quando parecchie sportive respiravano ancora da un carburatore.

Il finale è quello che rende la storia succosa per un lettore italiano. La Pegaso era nata nel dopoguerra da Wifredo Ricart, l’ingegnere catalano che aveva passato gli anni Trenta e la guerra all’Alfa Romeo e che Enzo Ferrari non sopportava. E nel 1990 l’Iveco comprò l’ENASA, la società statale che produceva i Pegaso, battendo una cordata Mercedes-MAN fermata dall’antitrust tedesco. Il marchio sparì poco a poco dentro il gruppo torinese. Il pioniere spagnolo dei camion turbo è finito in casa Fiat, e quasi nessuno in Italia lo sa.

Dopo i turbo lenti

Negli anni Ottanta il turbo scese di categoria e invase le utilitarie: la Uno Turbo i.e., la Renault 5 GT Turbo, con lag e soglia che si sentivano nelle vertebre. Intanto le corse diventavano un laboratorio per combattere proprio quei difetti, fino ad arrivare a soluzioni come il turbo più compressore della Delta S4, dove il volumetrico copriva i bassi in attesa che il turbo si svegliasse.

Tirando le somme della serie fin qui: l’aspirato aspetta che sia l’atmosfera a spingere l’aria dentro, il compressore spinge da sé ma si fa pagare dall’albero motore, il turbo spinge con l’energia che usciva dalla marmitta e chiede in cambio una tassa più leggera in contropressione. Per questo ha vinto quasi ovunque. In dote ha portato un problema che il compressore non aveva, la risposta, che adesso sappiamo essere due problemi: il ritardo transitorio, il lag, e il pavimento di giri, la soglia.

La guerra contro entrambi dura da mezzo secolo: geometria variabile, biturbo sequenziali come il Triflux di Lancia e Abarth, antilag da rally che sputano fiamme dallo scarico, turbo elettrici. L’arma più raffinata è stata l’MGU-H della Formula 1, un motore-generatore elettrico montato sull’alberino del turbo: recuperava energia dallo scarico come una turbina normale e, all’occorrenza, girava al contrario e lanciava il compressore con l’elettricità prima che i gas facessero in tempo. Il lag eliminato alla fonte. Il regolamento 2026 l’ha cancellato perché troppo caro e complicato per i nuovi costruttori: la soluzione migliore al lag è morta per una questione di bilancio.

Nel prossimo capitolo, la guerra al lag vera e propria: geometria variabile, twin-scroll, antilag e turbo elettrico, cioè cinquant’anni passati a cercare spinta ai bassi senza perdere il calcio agli alti.

Controlla di essere ancora vivo.

Foto: Tommi Nummelin (CC BY-SA 3.0), Votpuske (CC BY 4.0), Greg Gjerdingen (CC BY 2.0), Lothar Spurzem (CC BY-SA 2.0 de), Calreyn88 (CC BY-SA 4.0), Joost J. Bakker (CC BY 2.0).