La prima cosa da capire è cosa sia il “lag”. Nei motori sovralimentati, quando il guidatore preme forte l’acceleratore, il motore non risponde in modo lineare alla sua richiesta di “più potenza”. Invece, ciò che fa è guadagnare un po’ di coppia quando i flussi di gas di scarico accelerano. Quando questi raggiungono una velocità critica per spingere efficacemente il turbocompressore, il motore fornisce improvvisamente una dose di coppia “extra”.

Il vero problema con i motori altamente turbocompressi è nei tempi di risposta dell’acceleratore

Quel tempo tra la richiesta di più potenza e l’ottenimento di quel “calcio” è chiamato “ritardo”. Come ormai saprete, il turbocompressore utilizza l’energia dei gas di combustione che lasciano il collettore di scarico per far girare una turbina. Questa turbina è collegata a un’altra turbina che comprime l’aria che entra nella presa del motore.

Perché queste due turbine hanno una massa non indifferente, accelerarle e frenarle non è una questione di millisecondi. Inoltre, hanno una zona di funzionamento ottimale, al di sotto della quale non forniscono una “pressione di spinta” efficace.

Quindi, quando la turbina del turbocompressore gira a bassi giri, non è in grado di comprimere l’aria nel collettore di aspirazione. Poiché il motore è progettato per essere sovralimentato, il rapporto di compressione effettivo nella camera di combustione quando il turbo non soffia è troppo basso, e quindi non è possibile iniettare benzina a tutto gas, o ottenere grandi dosi di potenza.

Quando il guidatore preme forte sull’acceleratore, inizia un effetto a catena: la farfalla dell’acceleratore si apre e la quantità di aria e benzina che entra nel motore aumenta. Con più aria e carburante, i gas di scarico e la loro energia sono aumentati, quindi guidano la turbina del turbocompressore un po’ più velocemente. Questo comprime un po’ di più l’aria di aspirazione, che genera più flusso d’aria nella camera di combustione, più potenza, più energia nei gas di scarico, che aziona ancora di più la turbina del turbocompressore… E così via fino a raggiungere quella velocità critica del turbo che riesce a rispondere alla richiesta del conducente.

Per un pilota, essere in grado di gestire “al millimetro” con il piede destro la risposta del motore in termini di coppia inviata alle ruote è fondamentale per poter gestire l’imbardata dell’auto in curva, per far cadere il posteriore a volontà o per correggere le linee.

Questo effetto a catena si traduce nel fatto che il conducente deve schiacciare l’acceleratore fino a due secondi prima di aver bisogno di coppia alle ruote, anticipando ciò che è davanti, per eliminare il tempo perso per il ritardo, mentre si carica il turbocompressore.

Questo grande inconveniente dei motori turbo è stato uno dei grandi grattacapi per le squadre da corsa, che hanno riconosciuto la potenza extra specifica del motore con la sovralimentazione, ma hanno dovuto mitigare gli effetti negativi sul controllo della vettura.

Il primo passo per migliorare la risposta del motore è stato quello di ridurre le dimensioni dei turbo, per ridurre l’inerzia. Si poteva anche giocare con i turbo a doppia entrata, o anche con la geometria variabile, per poter rispondere meglio in tutta la gamma di giri.

Ma fu nel 1994 che, nel rally mondiale, si raggiunse “la grande soluzione perfetta”, introducendo il “bang-bang”, il sistema anti-lag, per eliminare il tempo di risposta.

Come funziona?

Tutto inizia quando il pilota lascia l’acceleratore. Nei motori normali, per evitare che l’aria compressa continui a spingere nei cilindri, impedendo al motore di frenare, una valvola rilascia l’aria compressa.

Con il sistema antilag, l’aria compressa dalla turbina di aspirazione viene bypassata direttamente al collettore di scarico. Allo stesso tempo, anche se il conducente ha smesso di accelerare, la valvola a farfalla di aspirazione è ancora aperta (del 15-20%), come se il conducente tenesse l’acceleratore.

Il complicato sistema di tubazioni del gas del turbocompressore di un motore Mitsubishi WRC

Ma la centralina elettronica del motore modifica la gestione del motore. Ciò che fa è ritardare il punto di accensione della candela il più possibile. Così, quando il pistone del motore è già nella sua corsa di espansione, la miscela si accende. Questo fa sì che la maggior parte dell’energia di quella combustione sia spinta attraverso il cilindro nella corsa di scarico, che invia la miscela che brucia e tutta quell’energia alla turbina a gas. Inoltre, questi gas si mescolano con l’aria ad alta pressione che entra nel collettore di scarico dalla turbina di aspirazione.

Quindi, il turbocompressore ha ancora energia sotto forma di gas di scarico ad alta velocità e alta temperatura, che continuano a comprimere l’aria ad alta pressione.

Nel 1994, il sistema anti-lag ha cominciato ad essere utilizzato sulle tappe del WRC

In un certo senso, questo sistema anti-lag equivale ad utilizzare il turbocompressore come una turbomacchina termica simile al motore di un aereo.

Quanto la pressione generata dal turbocompressore per l’aria pulita rimane alta, quando il conducente preme l’acceleratore, la valvola di bypass taglia il flusso di aria compressa al collettore di scarico, e passa a offrirlo di nuovo al polmone di aspirazione, generando la pressione del collettore lì quasi istantaneamente.

Questa soluzione riduce il ritardo al punto che è impercettibile per il conducente. È solo grazie all’affinamento della gestione elettronica del motore e delle valvole che gestiscono i flussi d’aria del turbocompressore che siamo riusciti ad arrivare a questa situazione, con motori che sono molto magri nonostante l’utilizzo di questo principio di funzionamento.

Ma perché non viene utilizzato sulle auto stradali?

Non è un sistema da montare sulla vostra auto stradale

Ci sono diverse buone ragioni per cui questi sistemi anti-lag non sono una buona idea su un’auto stradale. La prima ragione è che il carburante viene ancora bruciato quando il motore è al minimo, quindi il consumo di carburante di un tale motore è molto più alto di un motore convenzionale.

La seconda ragione è che bruciare i gas nel collettore di scarico piuttosto che nella camera di combustione crea un enorme stress termico sulla turbina a gas del turbocompressore, che ha un impatto negativo sulla sua affidabilità. Rendere affidabile un tale sistema per la strada sarebbe molto complesso.

La terza ragione è che le emissioni inquinanti aumentano, poiché bruciare il carburante al di fuori del punto ottimale della corsa di compressione è inefficiente.

E la quarta ragione è che, per le auto stradali, che usano turbocompressori di diametro minore, con doppia entrata, e con la possibilità (nel caso dei turbo e di alcuni motori a benzina specifici) di usare la geometria variabile, un tale sistema sarebbe ridondante.

Purtroppo, la FIA ha vietato la sperimentazione di turbine a geometria variabile che avrebbero probabilmente reso superflui tali sistemi anti-lag nel motore “mondiale” da 1,6 litri utilizzato nel WRC, nel WTCC, e l’ha vietato anche per i futuri motori di F1. Così i benefici per le auto stradali che potrebbero essere raggiunti attraverso lo sviluppo di turbine a geometria variabile per i motori a benzina non saranno consolidati nella concorrenza. Roba da FIA.

La buona notizia è che i turbocompressori accoppiati a motori elettrici della F1 potranno lavorare per eliminare il lag senza ricorrere a sistemi anti-lag bang-bang, e questa soluzione potrebbe essere applicata alle auto stradali. Ma ne parleremo un altro giorno.

Report pubblicato originariamente nel dicembre 2013, salvato per Pistonudos
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