Matteo Di Lallo
- 29 June 2020

Turbo elettrici: gli ultimi ritrovati della tecnica

Due innovative e avanzate soluzioni in grado di ridurre i consumi di carburante, contenere le emissioni dei gas di scarico e incrementare la potenza finale del propulsore migliorandone la risposta ai transitori e l’erogazione della coppia ai bassi regimi.

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Nella continua lotta tra motori endotermici e motori elettrici c’è chi prosegue la sua crociata contro le motorizzazioni a gasolio in favore di una veloce diffusione della mobilità a batteria e chi, invece, crede che i motori a combustibili fossili abbiano ancora molto da dire e possano essere ulteriormente migliorati e resi più ecologici ed economici. Tra questi vi sono sicuramente Borgwarner e Garrett, due società leader nella produzione di turbocompressori, che hanno sviluppato due innovativi sistemi di sovralimentazione, portando sulle vetture di serie una tecnologia fino ad oggi appannaggio unicamente delle monoposto di Formula Uno. Stiamo parlando del nuovo eBooster di Borgwarner e del nuovo E-Turbo di Garrett.

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Nel primo caso si ha un compressore centrifugo movimentato non da una turbina azionata dai gas di scarico ma da un motore elettrico a 48 Volt. Una soluzione che non solo permette di gestire la portata d’aria in ingresso al compressore e ai cilindri indipendentemente dalla velocità di rotazione e dalle condizioni operative del motore ma consente anche di farlo in tempi brevissimi riducendo al minimo il turbo-lag e migliorando la risposta ai transitori. Alla base di tutto vi è un motore DC brushless (senza spazzole) a magneti permanenti. Questo tipo di motore elettrico a 48 Volt, molto più efficiente dei motori asincroni o di quelli a riluttanza variabile, è attualmente in grado di accelerare fino a 70.000 rpm in circa 230 ms e di generare un incremento di potenza di circa 6 kW. L’energia elettrica del sistema a 48 Volt, utilizzata per azionare l’eBooster, è in buona parte prodotta tramite la rigenerazione. L’eccesso di energia viene, infatti, accumulato in un compatto pacco batterie agli ioni di litio a 48 Volt e prelevata solo all’occorrenza.

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Questo sistema aiuta il motore nelle situazioni che si verificano tipicamente ai bassi regimi e bassi carichi, per esempio quando si tenta di accelerare da bassi giri con un rapporto lungo, abbattendo in sostanza il tipico turbo-lag. Grazie, infine, alla maggiore pressione di sovralimentazione, disponibile fin dai bassi regimi e bassi carichi, si riesce inoltre a usare maggiormente l’EGR di bassa pressione così da ridurre del 5% le emissioni di particolato e del 4% i consumi di carburante con solo lievi svantaggi nelle emissioni di NOx rispetto a una soluzione biturbo in serie classica. Il suo funzionamento è però per ora discontinuo perché interviene subito ma rimane in funzione finché il turbocompressore classico non ha raggiunto una pressione sufficiente, a quel punto si disinserisce e consente al turbocompressore azionato dai gas di scarico di gestire l’intera sovralimentazione.

Nel secondo caso si ha un innovativo turbocompressore a gas di scarico elettrificato nel quale il turbocompressore rimane ugualmente composto da una turbina e un compressore ed è ugualmente azionato dai gas di scarico del motore termico ma, grazie all’introduzione di un piccolo motogeneratore elettrico di supporto azionato da una centralina di controllo, si è in grado di ridurre il turbo-lag e la dispersione di energia così da produrre un maggiore grado di sovralimentazione, migliorando in definitiva l’efficienza generale. Volendo scendere nel dettaglio, il motore elettrico non solo supporta il turbocompressore a gas di scarico nelle fasi di attivazione così da ridurre il turbo-lag ma permette anche il recupero di energia cinetica - che alternativamente finirebbe dispersa durante le fasi di libera rotazione dell’alberino - e l’adozione di una girante del compressore di maggiore diametro così da realizzare un maggiore grado di sovralimentazione.

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L’unità di sovralimentazione, grazie quindi a questa tecnologia, potrà non essere più dimensionata a ribasso per ridurre al minimo il ritardo nella risposta e per abbattere le inerzie ma si potrà puntare al raggiungimento di maggiori prestazioni pur senza preoccuparsi del turbo-lag che verrà azzerato dall’intervento del motogeneratore elettrico. Lo stesso motogeneratore recupererà l’energia nelle fasi di rilascio inviandola in una batteria agli ioni di litio che è declinata ad alimentare il sistema ibrido della vettura. Seppur ancora in fase di sviluppo, la società svizzera punta a immetterlo sul mercato entro il 2021 con molta probabilità su un modello premium ad alte prestazioni. Una volontà che trova man forte dagli ultimi test di laboratorio che indicano come il sistema permetta un incremento di potenza del 16% e della coppia del 10,5% e una riduzione di tempo del 25% nelle riprese sul 60-100 km/h.

Una soluzione quella dell’E-Turbo rivalutata poi anche da BorgWarner che dopo l’eBooster, il compressore centrifugo elettrico, ha pensato bene di realizzare l’eTurbo, un innovativo turbocompressore a gas di scarico elettrificato nel quale il turbocompressore è affiancato da un motore elettrico a 48V per potenze da 3 kW a 17 kW o a 400/800V per potenze da 6 kW a 34 kW di picco. Un motogeneratore che può fungere da propulsore per la turbina e quindi fornire energia cinetica al compressore, oppure sfruttare parte dell’energia cinetica che la turbina assorbe dai gas di scarico per diventare un generatore di corrente elettrica destinata alla ricarica delle batterie e che, allo stesso tempo, può contribuire a gestire l’EGR ad alta pressione, potendo mantenere il controllo della contropressione nel collettore di scarico. Una soluzione praticamente molto simile a quella adottata da Garrett per il suo E-Turbo che permette di ridurre il turbo-lag e la dispersione di energia così da produrre un maggiore grado di sovralimentazione, migliorando in definitiva l’efficienza generale, riducendo i consumi di carburante e l’emissione di sostanze nocive e migliorando il piacere di guida.

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La prima Casa automobilistica che con molta probabilità introdurrà questa innovativa tecnologia su vetture di serie sarà la Casa della Stella che ha annunciato di aver progettato assieme ai colleghi della Garrett un innovativo sistema di sovralimentazione capace di eliminare il tanto odiato turbo-lag, quel ritardo di risposta tipica dei turbocompressori a gas di scarico. Si tratta naturalmente del turbocompressore a gas di scarico elettrificato (E-Turbo) che si avvale di un piccolo motore elettrico e di un circuito ausiliario a 48 Volt per azionare la girante del compressore in tutte quelle fasi di minore efficienza come ai bassi regimi e ai bassi carichi cioè quando i gas di scarico non hanno ancora la forza necessaria ad azionare la girante della turbina e a rendere quindi prestazionale il lavoro del compressore. Lungo non più di 4 centimetri e installato direttamente tra la girante della turbina e quella del compressore, questo motorino elettrico sarebbe un lontano parente del sistema MGU-H che viene utilizzato in Formula Uno, seppur con funzionalità ridotte e minori valori prestazionali in gioco. Combinando la rapida risposta di un piccolo turbocompressore alle elevate prestazioni di un modulo più grande, l’innovativo sistema non solo azzererebbe il turbo-lag ma permetterebbe anche un migliore feeling di guida, maggiori prestazioni e minori consumi ed emissioni. Questa nuova tecnologia potrebbe presto trovare posto sotto i cofani dei futuri modelli AMG, identificati dalla sigla "73", come la AMG GT Coupé4 73 o la AMG GT Black Series.

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