Il Volumex e gli altri compressori volumetrici

Il compressore volumetrico è collegato all’albero motore tramite una cinghia (è noto quindi il rapporto di trasmissione e quindi la velocità di rotazione del compressore), e forza l’immissione del quantitativo d’aria predeterminato all’interno del collettore d’aspirazione. La sovralimentazione si realizza tramite il differenziale del volume d’aria processata dal compressore rispetto alla cilindrata del motore.

La sovralimentazione di un motore endotermico è l’introduzione forzata di miscela combustibile-comburente nei cilindri rispetto a quella che sarebbe possibile con la normale aspirazione, per garantire al motore maggiore potenza e coppia. Può avvenire in maniera meccanica o chimica.

Per sovralimentazione meccanica s’intende la compressione dell’aria all’interno del collettore d’aspirazione e generalmente può essere ottenuta con diversi sistemi: con il turbocompressore (spesso indicato solo con turbo) ossia con compressore e turbina calettati sullo stesso albero (che risulta diverso da quello del motore) o con il compressore volumetrico che si presenta spesso nella conformazione a trascinamento meccanico ossia con motore e compressore calettati sullo stesso albero, o più raramente con entrambi i metodi. Altri sistemi usati possono essere il compressore centrifugo ed il Comprex.

Il compressore volumetrico è collegato all’albero motore tramite una cinghia (è noto quindi il rapporto di trasmissione e quindi la velocità di rotazione del compressore), e forza l’immissione del quantitativo d’aria predeterminato all’interno del collettore d’aspirazione. La sovralimentazione si realizza tramite il differenziale del volume d’aria processata dal compressore rispetto alla cilindrata del motore.

Questo assicura un maggior rendimento ai bassi e medi regimi di rotazione. È un sistema non molto diffuso in Europa, Mercedes, Jaguar e FIAT-Lancia (sui modelli indicati come “Volumex”) lo adottano su alcuni modelli della gamma (l’Alfa Romeo lo utilizzava su vetture speciali sin dagli anni venti, e la Mini Cooper S prima serie adottava un compressore volumetrico). È invece molto diffuso nei motori statunitensi di grossa cubatura, dove può essere applicato senza penalizzare in maniera rilevante la potenza massima espressa.

La tipologia più diffusa di compressore volumetrico è quella a lobi, o Roots, ma vi sono anche altri tipi quali il Lysolm a vite, il Bendix a palette e il G Lader a chiocciole (scroll) utilizzato durante gli anni 80 sulle Volkswagen con la sigle G40 e G60. Sempre la Volkswagen, nei suoi motori TSI, lo utilizza assieme al turbocompressore.

L’accostamento del compressore volumetrico insieme a quello turbo è usato soprattutto nelle macchine da competizione, (nel rally per esempio). Quest’abbinamento è utile perché l’effetto del compressore volumetrico oltre i 3500-4000 giri è bypassato, causa la densità dell’aria e la dimensione della ventola, quindi si mette il turbo compressore che sfruttando l’alta pressione dei gas di scarico che fanno girare la sua turbina sovralimenta il motore anche agli alti regimi.

Storia dei compressori volumetrici

Abbastanza diffuso in passato, riproposto con la Fiat Argenta nel 1984, il compressore volumetrico è tornato recentemente in auge grazie all’ampio utilizzo da parte della Mercedes sulle versioni “Kompressor” e grazie a progetti come quello della Lotus Elise 240R. In questa vettura il motore della Toyota Celica 2ZZ-ge (1,8 litri per 189 hp) è abbinato infatti ad un compressore volumetrico. Ne risulta un aumento della coppia pari al 23% e della potenza del 22%. Questo sistema si presenta come un’ottima alternativa al turbocompressore.

Oggi il compressore volumetrico è usato solamente nei motori alimentati a benzina per lo più per evitare i problemi legati alle elevate temperature dei gas di scarico e per essere più facilmente abbinato ad alimentazioni a GPL o a metano che, per le loro caratteristiche chimiche, aumentano ancora di più la temperatura dei gas di scarico, avvicinandosi ai 1000 °C, temperatura difficilmente sopportabile dai materiali metallici di uso corrente nei motori di serie. Nei motori a gasolio, invece, l’uso delle turbine a geometria variabile elimina del tutto gli svantaggi del compressore volumetrico abbinando la coppia ai bassi regimi alla potenza elevata.

Le peculiarità di questo tipo di sovralimentazione principalmente sono due:

1. Macchina volumetrica, la sua caratteristica lineare, dove la portata di aria trattata è proporzionale alla velocità di rotazione dell’albero di azionamento
2. Collegamento meccanico, il compressore è collegato direttamente tramite cinghia o ruote dentate all’albero motore o a un motore elettrico

L’efficienza di questo sistema peggiora con l’azionamento diretto con il motore termico al salire del numero di giri, in maniera qualitativamente contraria a quanto avviene nella sovralimentazione tramite turbocompressore, mentre nell’azionamento con motore elettrico indipendente non solo non si ha questo inconveniente, ma si riesce a variare la sua azione, migliorando ulteriormente il comportamento e riducendone ulteriormente l’assorbimento d’energia.

Questo sistema permette:

1. Spinta fin dai bassi regimi, dato che non necessita dei gas di scarico
2. Assenza del ritardo in risposta al comando gas, infatti il sistema turbocompresso è caratterizzato dal turbo-lag, ovvero il ritardo della risposta del dispositivo meccanico ai bassi regimi
3. Più affidabile, è soggetto a minore stress termico e meccanico

Questo sistema ha come contro:

1. Non riesce a garantire le prestazioni massime del turbocompressore, dovuto ai limiti fisici del sistema
2. Maggiori consumi, in quanto non riesce a sfruttare i gas di scarico ma assorbe energia dal motore, con un rendimento inferiore rispetto a un motore aspirato o turbocompresso

I diversi tipi di compressori volumetrici

In commercio esistono vari tipi di compressori volumetrici:

Lobi (Roots)

Costituito da due o tre lobi che comprimono l’aria in aspirazione. Il compressore viene azionato dall’albero motore attraverso una cinghia, a cui è direttamente connesso tramite un rapporto demoltiplicato.

Volumex

Il Volumex è un compressore volumetrico brevettato dall’Abarth e variante dei compressori a lobi ed usato sia su automobili di serie che in quelle da competizione. Nel motore della Lancia Delta S4, accoppiato con un turbocompressore KKK era capace di fornire ad un motore di appena 1750 cc una potenza di 500 cavalli. Il Volumex era già stato usato sulla Lancia Rally 037.

Il gruppo è costituito da un involucro di alluminio, in cui i due rotori a due lobi sono supportati da cuscinetti alle estremità e azionati tra loro da ingranaggi e collegati al motore tramite la puleggia. Gli ingranaggi e i cuscinetti sul lato puleggia sono lubrificati da un serbatoio di olio, mentre i cuscinetti all’estremità opposta sono lubrificati esclusivamente con grasso.

A vite

Si tratta di un’evoluzione dei compressori a lobi, dove il flusso d’aria viene progressivamente e continuamente spinto verso il motore, grazie all’inclinazione dei lobi i quali non sono più piatti o poco avvitati, ma molto avvitati tra loro, in modo del tutto analogo alla filettatura di una vite, che invece di far scorrere l’aria tra i lobi, la fa scorrere lungo di essi.

A Palette

Dei compressori volumetrici a palette i più famosi sono i Zoller ed i Centric e si basa su una girante disposta eccentricamente su di un cilindro, la girante è munita di palette, che sigillano le diverse parti del cilindro, questo permette alla girante di spingere l’aria da un lato all’altro del compressore.

In passato venne prodotto anche un compressore a palette Judson, le quali erano azionate centrifugamente dal rotore e per tale motivo richiedeva di una lubrificazione a perdere, di cui venne realizzata anche una versione azionata tramite un motore elettrico.

Misto volumetrico-dinamico

Questa soluzione non è nuova. Venne applicata con successo la prima volta dalla Lancia sulla Delta S4 ed è ora stato recentemente riproposta dal Gruppo Audi-VW.

Il gruppo Audi-VW ha presentato un motore benzina (1.4 TSI da 140cv e 185cv) con entrambi i sistemi di sovralimentazione: turbocompressore e compressore volumetrico. Il compressore è collegato all’albero motore solo nei regimi bassi, già a 1000 rpm in modo da garantire una coppia degna di un buon 2000 cm3. Poi, superando un certo numero di giri motore, interviene la turbina con un elevato A/R che garantisce potenze elevate.