Intramontabile

Il bilancio provvisorio dopo sei decenni di sviluppo dei motori della 911? Cilindrata doppia, potenza quadrupla, concept di base invariato. «Ci stupiamo ogni volta di quanto il motore Boxer a sei cilindri sia espandibile e versatile», afferma Thomas Krickelberg, responsabile Operating Excellence della serie 911/718. Il futuro lo vede con turbocompressore elettrico per ancora più potenza e spinta con meno emissioni. Una base grandiosa che, all’alba del suo settimo decennio di vita, si riesce a reinventare in continuazione.

VE sin da subito soddisfa severe normative sulle emissioni. «Col senno di poi, si può affermare», dice Krickelberg, «che il turbocompressore ha rivoluzionato l’intero mondo dei motori a combustione». I motori turbo sono il sogno di qualsiasi ingegnere, dato che sfruttano l’energia dei gas di scarico caldi che altrimenti verrebbe sprecata. Il loro pezzo forte è il turbocompressore, composto da una turbina e da un compressore saldamente collegati tra di loro, entrambi a forma di giranti. La turbina viene azionata dai gas di scarico del motore, raggiungendo quasi 200.000 giri al minuto. La girante del compressore ruota alla stessa velocità, convogliando aria compressa nei cilindri. Quest’aria fresca supplementare favorisce la combustione, incrementando di conseguenza la potenza del motore. Per non sovraccaricare eccessivamente le parti del motore, è necessario limitare la pressione generata dal flusso di scarico nel turbocompressore. Tramite una valvola di bypass, detta anche wastegate, i gas di scarico sfiatano quando la pressione di sovralimentazione raggiunge un certo limite.

Più rendimento grazie all’intercooler

Portando avanti l’attività di sviluppo, gli ingegneri Porsche affinano il principio del turbo. Per via delle temperature elevate sul lato turbina e della compressione dell’aria, quest’ultima si scalda con effetti negativi sul riempimento dei cilindri e sulla combustione del carburante iniettato. A partire dall’anno di modello 1978, l’aria di sovralimentazione compressa viene raffreddata nel tragitto verso la camera di combustione, come dimostrato in precedenza nel Motorsport. L’intercooler è montato sotto una griglia sul prominente alettone posteriore. Questa elaborata modalità di raffreddamento dell’aria di sovralimentazione consente di aumentare la potenza a 221 kW (300 CV) e di ottenere una notevole elasticità del motore.

Un altro problema del motore turbo risulta inizialmente difficile da risolvere: il ritardo nella risposta durante l’accelerazione. Aumentando la velocità quando il numero di giri è basso, la 911 Turbo si comporta come l’equivalente più fiacco con motore aspirato. A partire da circa 3.500 giri al minuto, però, subentra una spinta possente. «Dovevamo trovare una soluzione a questo ritardo del motore turbo per una guidabilità migliore», spiega lo sviluppatore Krickelberg.

Biturbo: evoluzione impetuosa

Una soluzione arriva da Porsche con la quarta generazione della 911 Turbo (tipo 993). Nella primavera del 1995 viene presentata la Porsche di serie più potente di tutti i tempi, con 300 kW (408 CV). Il suo motore da 3,6 litri colpisce con una novità: due turbocompressori e due intercooler. In fase di accelerazione, due turbine più piccole salgono di giri più velocemente di una grande. Ma è soprattutto il momento di inerzia inferiore dei rotori più piccoli ad avere un effetto positivo. «Per trasporre la potenza su strada in sicurezza», aggiunge Krickelberg, «la 993 Turbo è stata dotata di serie di una trazione integrale perfezionata». Grazie ai progressi nel controllo del motore e nella tecnica dei sensori, così come a un moderno post-trattamento dei gas di scarico, la Turbo dell’ultima generazione di 911 raffreddate ad aria è l’auto di serie con le emissioni più contenute della sua epoca.

Nel XXI secolo con il raffreddamento ad acqua

Alla fine degli anni Novanta, August Achleitner definisce il passaggio da raffreddamento ad aria a raffreddamento ad acqua per il motore Boxer a sei cilindri della quinta generazione di 911 (tipo 996) come il «biglietto d’ingresso per la nuova tecnologia». Ai tempi, Achleitner è direttore della pianificazione tecnica del prodotto e, dal 2001 al 2018, responsabile per la serie 911. Il raffreddamento ad acqua è il presupposto per ottenere ancora più potenza, ridurre i consumi e adempiere alle leggi in materia di gas di scarico e rumore. I costruttori Porsche sviluppano teste dei cilindri con quattro valvole per ciascuna camera di combustione. «Già nel 1970, nell’ambito delle auto da corsa, sul tipo 908 vennero condotti studi preliminari con un quattro valvole raffreddato ad aria per il motore V12 successivamente destinato alla 917. Negli anni Ottanta, l’idea fu ripresa per lo sviluppo di serie della 911 e testato sul banco di prova con la generazione 964», ricorda Albrecht Reustle. «Ma la testa si era letteralmente fusa.» E la soluzione arriva di nuovo dal Motorsport: il riuscito prototipo endurance 962 funziona già con teste dei cilindri raffreddate ad acqua, proprio come la supersportiva 959. Nonostante tutte le discussioni di allora sulla fine del raffreddamento ad aria, la generazione 996 diventa un successo pionieristico.

«Il turbocompressore ha
rivoluzionato il mondo dei motori a combustione.»

Thomas Krickelberg

Turbine a geometria variabile

Nel 2006, la 911 Turbo (tipo 997) colpisce con un visibile miglioramento della performance: potenza e coppia aumentano di oltre il dieci percento. Soprattutto grazie a una nuova tecnologia unica al mondo: le turbine a geometria variabile (VTG). Queste consentono l’ottimizzazione dell’efficienza del turbocompressore attraverso un campo di regime più ampio del motore, che si ottiene con l’adeguamento dell’angolo e della sezione trasversale dei gas di scarico quando si riversano sulle palette delle turbine. «Le turbine a geometria variabile sono state rivoluzionarie; da quasi 20 anni sono un segno distintivo della tecnologia turbo dei motori a benzina», spiega Thomas Krickelberg. «Per direzionare in maniera variabile il flusso di scarico sulla turbina, è necessario che le palette possano essere spostate in modo mirato a temperature di oltre 1.000 gradi Celsius.» Per farlo, si impiegano materiali utilizzati anche per lo Space Shuttle.

Cilindrata più piccola, potenza ed efficienza superiori

Dopo l’introduzione del raffreddamento ad acqua e delle turbine a geometria variabile, nel 2015 arriva il pilastro successivo: il turbocompressore dei modelli base Carrera e Carrera S della generazione 991. Krickelberg: «Abbiamo ridotto la cilindrata, ottenendo contemporaneamente un notevole aumento di prestazioni». Grazie alla nuova generazione di motori con compressore biturbo, sono stati inizialmente ottenuti 20 CV di potenza in più e una riduzione dei consumi.

Ibridazione sportiva

Con il restyling dell’attuale generazione di 911 (tipo 992), nell’estate del 2024 i costruttori imboccheranno nuove vie per perfezionare il motore Boxer a sei cilindri (911 Carrera GTS (provisional values): consumo carburante combinato (WLTP) 11,0 – 10,5 l/100 km, emissioni CO₂ combinato (WLTP) 251 – 239 g/km). La nuova Carrera GTS è la prima 911 omologata per la strada equipaggiata con un motore ibrido ad alte prestazioni particolarmente leggero. L’innovativo motore non solo vanta una potenza di gran lunga superiore e un’accelerazione migliore, ma prepara anche il propulsore ai futuri standard in materia di emissioni. «Abbiamo sviluppato e testato idee e approcci completamente diversi tra di loro per poter prendere una decisione per un sistema ibrido che calzasse a pennello alla 911. Il risultato è un motore straordinario che armonizza con il concept complessivo della 911, aumentando notevolmente la performance», dice Frank Moser, responsabile della linea di prodotto 911 e 718.

Protagonista della tecnologia è il turbocompressore elettrico. Tra la turbina azionata dai gas di scarico e il compressore si trova un motore elettrico integrato. La sua funzione? Al momento dell’accelerazione, raggiunge un numero di giri elevato in un baleno, generando immediatamente, senza ritardo, un’elevata pressione di sovralimentazione. Grazie al piccolo motore elettrico, il turbocompressore sembra avere le ali. «La tecnologia consente una risposta simile a quella di un motore aspirato», spiega Matthias Hofstetter, project manager sistema a combustione e ibrido 911. «E i valori di accelerazione sono paragonabili a quelli delle nostre sportive full electric.»

La spinta a bassi giri è sensazionale, conferma Thomas Krickelberg: «Con la tecnologia tradizionale, non saremmo riusciti a ottenere l’aumento di performance desiderato insieme al rispetto delle future leggi sulle emissioni». Sono diversi gli interventi che hanno portato al risultato voluto. La cilindrata torna ad aumentare, passando da 3,0 a 3,6 litri. Allo stesso tempo, grazie al supporto elettrico, il motore a combustione non ha più bisogno di due turbocompressori, ne basta uno solo. Senza contare che la risposta è migliorata e la dinamica aumentata. 

In compenso, approfitta di un vantaggio di sistema del compressore supportato dal motore elettrico: il recupero di energia tramite il ritorno del calore dei gas di scarico. Il motore elettrico nel turbocompressore funge anche da generatore, creando fino a 11 kW (15 CV) di potenza elettrica, che preleva dall’energia del flusso di scarico.

Un principio tanto facile quanto affascinante. Il motore elettrico funziona come un regolatore di velocità: non appena la pressione di sovralimentazione aumenta troppo a causa di un numero eccessivo di giri, frena la turbina. In questo modo, si genera energia che viene incamerata nella batteria o nel motore elettrico. Grazie all’efficienza del recupero, la batteria relativamente piccola è più che sufficiente per l’uso quotidiano, soprattutto perché la chimica cellulare è stata concepita apposta per le esigenze ibride. «La tecnologia consente alla batteria di rilasciare tanta energia in poco tempo», spiega Hofstetter, «e di ricaricarsi relativamente in fretta».

Un altro vantaggio del turbocompressore elettrico: il famoso wastegate è superfluo. Il che lo rende una novità mondiale in questa versione. «L’energia che prima veniva bypassata dalla turbina si disperdeva inutilizzata», spiega Hofstetter. «Ora, dalla regolazione della pressione viene generata energia elettrica.» Il che si ripercuote positivamente sul rendimento del motore e, di conseguenza, sul consumo di carburante.

«Insieme all’ibridazione, al recupero energetico, alla riduzione di attrito all’interno del motore, all’ottimizzazione del raffreddamento e a un design ottimale della camera di combustione, il turbocompressore», riassume lo sviluppatore di motori Reustle, «è la ricetta vincente per conformarsi anche in futuro alle leggi sui gas di scarico e le emissioni. Allo stesso tempo, in questo modo rispettiamo i crescenti standard in fatto di performance ed efficienza». La realizzazione di questa ricetta è «un incredibile lavoro di squadra di tutte le persone coinvolte».

Il motore Boxer a sei cilindri della 911 resta un concentrato di potenza compatto. In perfetta armonia con la tradizione dell’innovativo motore che Hans Mezger ideò un tempo per la prima 911.