La sovralimentazione è un metodo, adoperato nei motori a combustione interna, per ottenere un aumento, anche elevato, della potenza del motore. In pratica come abbiamo visto uno dei limiti dei motori è nella quantità di carburante ed aria che riempie il cilindro prima della compressione e dello scoppio. Infatti nei motori aspirati, è il pistone che con il suo movimento nel cilindro richiama la miscela dall'esterno. Lo scopo della sovralimentazione è quello di utilizzare un marchingegno esterno, ad esempio una pompa, che spari dentro il cilindro una quantità di miscela superiore o spesso molto superiore a quella normale, ottenendo di fatto un notevole incremento del coefficiente di riempimento con il conseguente innalzamento del valore della pme e quindi della potenza utile.

Per realizzare, nella pratica, la sovralimentazione, i metodi sono molteplici, ed assumono vari nomi. Il più usato, efficiente, ed energeticamente furbo è quello basato sul turbo-compressione, così che spesso si parla di turbo per parlare della sovralimentazione in generale.

Il turbo-compressore è un marchingegno che recupera l'energia dai gas combusti espulsi dal motore per poi riutilizzarla per comprimere la miscela in ingresso e poterla così sparare dentro il cilindro. E' costituito da una turbina ed un compressore montati sullo stesso albero che li fanno ruotare alla stessa velocità.
La turbina è un disco munito di palette ed è usata allo scopo di trasformare l'energia dei gas di scarico in energia. Il compressore è simile, come costruzione, ma funziona esattamente all'opposto. Prende energia dalla turbina, tramite l'alberino ed energizza il fluido dandogli pressione e velocità.
 
Questo è il funzionamento schematico e nella sua formulazione più semplice; vediamo ora il tutto in dettaglio, analizzando pregi e difetti.

La turbina e i gas di scarico

I gas di scarico vengono raccolti e convogliati alla turbina, però essa lavora al meglio con un flusso di gas costante, ma i gas di combustione vengono espulsi da ogni cilindro in maniera non continua. Infatti la fase di scarico occupa solo un quarto del ciclo quindi si manifesta per ogni cilindro ogni due giri dell'albero a gomiti .
Per questo motivo per certi motori (ma non per quelli per auto) si inserisce un "serbatoio" di raccolta dei gas di scarico che fa si che i gas entrati in maniera impulsiva, rallentino ed escano da questo come una corrente continua. Questo metodo ha il vantaggio di massimizzare il rendimento della turbina, che è un tipo di macchina adatta a lavorare in condizioni costanti, ma ha due svantaggi evidenti: il primo è che spesso sotto il cofano di una vettura non c'è lo spazio per ospitare questo serbatoio che deve essere di notevoli dimensioni; l'altro svantaggio deriva dal fatto che il serbatoio fa si che la turbina risenta con un grosso ritardo del cambiamento di velocità del motore e quindi non reagisca in maniera pronta alla richiesta di potenza dal motore, per questo motivo tale metodo è usato per motori a regime costante, quali quelli per produzione d'energia.

Nel caso automobilistico gli scarichi vengono convogliati direttamente verso la turbina. Questo purtroppo farà lavorare la turbina in maniera irregolare e quindi meno efficiente ma la risposta sarà sicuramente più immediata, e seguirà, un pò meglio, le richieste del motore. Anche il modo di collegare gli scarichi, tra loro, prima di entrare nella turbina, richiede degli accorgimenti: un ciclo del motore avviene in due giri e ogni cilindro fa una fase di scarico in mezzo giro (di più se consideriamo anticipi di apertura e ritardi di chiusura) quindi se avessimo un solo cilindro avremmo una mandata per solo un quarto del periodo del ciclo e il resto del periodo non avremmo flusso. Se accoppiamo due cilindri le cose già migliorano e ancora meglio con tre cilindri perchè  riusciamo a riempire quasi tutto il ciclo con del flusso. Invece se abbiamo più di tre cilindri collegati insieme direttamente si rischia che i flussi interferiscano fra di loro. Cioè può capitare che un cilindro che inizi a scaricare, trovi all'uscita lo scarico di un'altro cilindro che già aveva iniziato la fase di espulsione. Per questo è bene che i cilindri o siano adeguatamente sfasati fra di loro (se sono minori meno di 3) o adottino particolari convogliatori (se sono 4 o più). Ovviamente se i cilindri sono multipli di tre si possono mettere più turbine, ognuna alimentata dai tre cilindri. Ad esempio un 12 cilindri a V, da il massimo con 2 gruppi di turbo-compressori , uno per bancata (BI-turbo), ognuno dei quali alimentati dai 6 cilindri raggruppati in due blocchi di 3 cilindri divisi tra loro dai convogliatori.

L'aria ambiente e il compressore

Per quanto riguarda il lato dell'aspirazione si ha il compressore che aspira aria dall'ambiente e la manda dentro il motore. Nei sistemi un pò più sofisticati, ma oggi praticamente sempre, prima di entrare nella camera di scoppio l'aria compressa passa prima da un "itercooler". Infatti i gas, quando vengono compressi, per loro natura aumentano la loro temperatura. Questa alta temperatura annulla in parte l'effetto della compressione perchè i gas caldi sono più rarefatti. Quindi per evitare questo, si ricorre, appunto, all'intercooler che non altro che uno scambiatore di calore aria-aria: è in pratica come il normale radiatore dell'auto, ma invece di avere al suo interno acqua, ha l'aria appena compressa; l'aria viene così raffreddata fino a circa la temperatura ambiente e può finalmente entrare nel motore.

I Problemi del Turbo-compressore

Come accennato, anche con la soluzione di convogliare gli scarichi verso la turbina non garantisce una perfetta risposta del turbo alle richieste del motore. Infatti il motore e la turbina lavorano secondo un circolo vizioso. Se il guidatore, schiaccia il pedale, perchè ha bisogno di potenza per accelerare, il motore per far questo, deve iniettare più aria e più carburante. L'arrivo dell'aria dipende in buona parte dal compressore, il quale però usa l'energia della turbina che si alimenta dai gas di scarico. Quindi la turbina per fornire più energia al compressore ha bisogno di più gas di scarico, ma questi non si producono se il compressore non alimenta il motore con maggior aria e carburante. Per uscire da questo circolo il motore ha bisogno i qualche istante, così che il guidatore, che richiede potenza se la ritrova dopo un pò, magari quando non serve più tutta quella potenza o addirittura non serve proprio. Questo ritardo che è sempre superiore a quello che può avvenire in un aspirato, in cui è praticamente inavvertibile, può andare da alcuni millisecondi per motori raffinati e che stanno girando ad alto numero di giri, a svariati secondi per motori meno efficienti e che stanno girando a basso numero di giri, generando notevoli inconvenienti, e soprattutto rischi per la sicurezza.

Un'altro problerma è che l'effetto benefico del turbo varia in funzione dei giri del motore, perchè con i giri varia la portata dei gas di scarico prodotti. Se il motore gira piano, produce pochi gas e la turbina non riesce più a prenderene energia, sia perchè appunto l'energia disponibile è poca sia perchè la turbina lavora in condizioni estremamente lontane da quelle ottimali cioè con un rendimento bassissimo. Quindi l'uso del turbo è estremamente utile per i motori da competizione, o per quelli di serie molto sportivi, in quanto da il meglio ad alti regimi di rotazione ed ad alte potenze. Viceversa per i veicoli di serie normali,  ha poco senso utilizzarlo, in quanto, la maggior parte dell'uso del motore viene fatta a bassi regimi.

Oltre a questo chi ha provato, un'auto sovralimentata, specie se di vecchia generazione (ad esempio la FIAT UNO), avrà avvertito un'altro dei suoi problemi. Il fatto è che, l'effetto positivo del  turbo inizia a funzionare solo ad un determinato numero di giri, mentre al disotto di questo il turbo è addirittura un freno. Così si ha che all'inizio , in fase di accelerazione il motore stenta a salire di giri e quando il turbo "entra", sembra che il motore raddoppi improvvisamente di potenza, dando per un' istante una fortissima accelerazione, nota anche col termine "tecnico" di  "calcio in culo" ! E' ben comprensibile che questa brusca accelerazione renda difficile e pericolosa la guida, sia quella di tutti i giorni che quella al limite in pista, e soprattutto se il fondo stradale è bagnato o scivoloso, o se peggio si sta percorrendo una curva. Nelle moto poi questo problema è ancor più sensibile, così che i modelli di moto turbocompresse, da quando esistono le moto, praticamente si contanto sulle punta delle dita.

Per migliorare queste problematiche, sono state inventate le turbine a geometria variabile, nelle quali le alette all'ingresso della turbina cambiano d 'incidenza, cioè ruotano su se stesse, in modo che a bassi giri, i gas abbiano un angolo d'entrata che migliori il funzionamento dalla turbina, cioè il suo rendimento e quindi di tutto il turbo-compressore. Al contrario, per quando l'effetto del turbo è superiore delle richieste del motore, (ad esempio quando dopo un'accelerazione si frena), oltre a poter sfruttare la geometria variabile per far peggiorare le prestazioni della turbina, esiste una valvola che permette di scaricare parte dei gas combusto, abbassando di fatto la pressione nel condotto di aspirazione.

Per sfruttare a pieno le geometrie variabili e per compensare i problemi residui, oggi si ricorre ad un massiccio uso dell'elettronica che fa in automatico quello che farebbe un bravo pilota, permettendo a chiunque di guidare un turbo anche di notevole potenza senza grossi problemi, però peggiorandone, di fatto, l'efficacia, e spesso annullando il fascino di questa soluzione tecnica.

Il turbo nei motori a benzina : luci ed ombre

Nei motori a benzina l'uso del turbo è estremamente limitato dalle caratteristiche chimico- fisiche del carburante, così che il suo impiego per veicoli di serie è in generale poco utile, se non per dare un carattere particolare al propulsore.

Immaginiamo, quindi, di avere un motore aspirato, di applicarci il turbocompressore e di vedere cosa succede. La pressione massima che si raggiunge nel motore a seguito della combustione della miscela, aumenterà sensibilmente, per effetto della sovralimentazine, in quanto viene bruciata, nella camera di combustione, una quantità di carburante e aria superiore.

Questo comporta, per prima cosa, che il motore subirà sollecitazioni maggiori e probabilmente dannosi così che i motori turbocompressi dovranno essere, in generale, più massicci e quindi più pensati dei corrispondenti motori aspirati a pari cilindrata, ma spesso più leggeri a parità di potenza erogata.

Inoltre avremo vari fenomeni di combustione anomala tra i quali il più grave e preoccupante è quello della detonazione, dovuto soprattutto ad una temperatura e pressione massime troppo elevate. In più la detonazione è totalmente imprevedibile e si auto-alimenta per cui porta in breve tempo alla rottura degli organi meccanici. (vedi pagina specifica)

Questo limita moltissimo il livello di sovrappressione che può sviluppare il turbo, dato che già i motori aspirati di serie sono tarati al limite della detonazione. La strada giusta da seguire è quella di diminuire il rapporto di compressione del motore, cioè aumentare il volume della camera di combustione, a parità di cilindrata. Agendo in questo modo, la pressione raggiunta quando il pistone è al pms, tornerà ai valori ammissibili. Con questo metodo, si perde un pò di rendimento ideale (che dipende dal rapporto di compressione) ma si incrementa il coefficiente di riempimento, con la conseguenza che globalmente aumenta la pme e quindi la potenza.

Si può vedere dai grafici le due situazioni. Nel primo i due motori hanno lo stesso rapporto di compressione, ma uno è sovralimentato e l'altro no.

Il ciclo aspirato rimane nella zona sicura, mentre il secondo arriva nella zona della detonazione con i problemi visti.

Nel secondo grafico la curva del ciclo ha la stessa altezza massima, ma un rapporto di compressore minore. Entrambi i cicli hanno una pressione massima che è in zona "sicura" ma il ciclo sovralimentato ha un' area maggiore che corrisponde, nella stessa maniera, ad un aumento del lavoro fatto dal motore, e quindi della potenza.

Il turbo nei motori diesel : tutte luci

Quello che limita l'uso del turbo nel benzina, è invece il grande pregio che ha permesso al motore diesel di fare il salto di qualità diventando, oggi giorno, il motore più venduto in Italia. Infatti nel diesel, la miscela di carburante ed aria, non brucia a seguito dell'innesco tramite scintilla come nel motore a benzina, ma esplode a causa della compressione e della temperatura. E' quindi evidente che più "roba" c'è nel cilindro e più saranno alte le pressioni alla fine della corsa di risalita del pistone. Questo, da una parte, permette di usare il sovralimentatore senza particolari limiti, dall'altro introduce notevolissimi altri vantaggi. In primis la maggior compressione garantisce una maggior velocità di combustione, che significa più potenza, meno inquinati, meno rumore, meno vibrazioni. Poi l'uso del turbo permette dei lavaggi eccellenti e un' ottimo raffreddamento, perchè la sovrappressione generata dal  compressore fa scorrere molta aria nel cilindro durante l'incrocio. Infatti il turbo nei diesel lavora solo con l'aria, mentre il carburante viene vaporizzato direttamente nella camera di combustione tramite uno o più ugelli , quando le valvole sono tutte chiuse. Questa tecnica si chiama iniezione diretta. Poi il turbo permette anche di costruire condotti di aspirazione anche tortuosi ma con il pregio di poter generare alte turbolenze, che garantiscono un'eccellente miscelazione tra il gasolio e l'aria con notevoli benefici per la combustione.
L'unico aspetto negativo dei turbo-diesel moderni è che l'estrema complicazione tecnica di tutti gli organi che devono lavorare in perfetto sincronismo e con possibilità di errori ridottissime, specie per rimanere nei limiti di legge per quanto riguarda le emissioni inquinanti, obbliga ad un uso spaventoso di elettronica che rende questi propulsori, complicati, pesanti, costosi, meno affidabili e nei quali per metterci le mani bisogna essere laureati in elettronica e in informatica.

Il Volumetrico : Poca sostanza, molto marketing

Il compressore volumetrico, oggi usato solo su pochissime vetture (ad esempio le Mercedes col nome commerciale di Kompressor), è un tipo di sovralimentazione inventato e utilizzato per la prima volta agli albori dell'aviazione, per compensare la rarefazione dell'aria in alta quota, ma fu subito abbandonato per i motivi che vedremo. In pratica il compressore è montato sull'albero motore ed assorbe energia da questo e comprime l'aria da inviare ai cilindri. Un piccolo vantaggio come potenza finale si ottiene , ma dal punto di vista energetico e dei consumi, non ha alcun senso utilizzarlo, in quanto per generare la compressione si assorbe l'energia che dovrebbe spingere il motore, invece di quella buttata con i gas di scarico. In pratica il propulsore deve buttare via del carburante per generare la potenza che serve ad ignettare altro carburante. Per capirci meglio faccio un esempio: immaginiamo un motore che è in grado di generare 10 di potenza con 10 di carburante. Gli mettiamo il compressore volumetrico che assorbe 2 di potenza. Il compressore inietta abbastanza carburante (14) da portare la potenza del motore a 14. In totale quindi la potenza disponibile per far avanzare il veicolo è 12, ma usiamo 14 di carburante. Abbiamo quindi ottenuto maggiore potenza ma l'efficienza del propulsore nel suo complesso è diminuita sensibilmente perchè ci vuole 1.17 di carburante per 1 di potenza invece di 1a1.
L'unico vantaggio che ha questo tipo di sovralimentazione rispetto al normale turbo, è che il compressore essendo trascinato dal motore non ha problemi di ritardi o di brusche accelerazioni. In pratica, fornisce un incremento di potenza modesto, ma su tutto l'arco di utilizzo del motore.
Perchè viene usato? La risposta non è facile. Da un lato probabilmente c'è una carenza tecnica nel saper fare motori aspirati di buona qualità, ma soprattutto è una questione di marketing, infatti la pubblicità fa credere che questo sia un sistema rivoluzionario,  innovativo, e raffinato quando invece è una schifezza. Le auto per essere vendute hanno bisogno di un qualche "appil" cioè di qualche carattere distintivo, e con una buna campagna pubblicitaria si fa credere quello che si vuole.

Conclusioni

L'adozione del Turbo-compressore ha in sintesi le seguenti caratteristiche:

PRO:
- riduce imgombro e peso a parità di potenza sviluppata
- può in generale diminuire i consumi specifici
- rende il motore meno rumoroso
- rende i gas di scarico meno inquinanti
- rende il motore poco sensibile alle variazioni di quota

CONTRO:
- aumento dei carichi meccanici e termici sugli organi del motore
- porta al pericolo di detonazione nei motori a benzina
- andamenti di coppia e potenza non adatte alla trazione stradale
- lunghi tempi di risposta nei transitori

Quindi l'adozione del turbocompressore, porta a motori solidi, affidabili e alta potenza specifica, ma non particolarmente adatti alla trazione degli autoveicoli.