Compressore meccanico: come funzionano Roots, vite e centrifugo

Un compressore meccanico permette al motore di aspirare una maggiore massa d’aria ricevendo movimento dall’albero motore. La parola “meccanico” spiega da dove arriva l’energia, ma non descrive come viene trattata l’aria: un Roots, un compressore a vite e un centrifugo funzionano in modi differenti. I primi due sono volumetrici; il terzo appartiene alle macchine dinamiche. Confonderli impedisce di capire perché motori tutti definiti “supercharged” possano avere risposte e compromessi diversi.

Perché comprimere l’aria e quanto costa farlo

Il problema originario è portare più ossigeno nei cilindri senza aumentare necessariamente la cilindrata. La pressione aiuta il riempimento, ma comprimere un gas richiede lavoro e ne innalza la temperatura. Per ottenere il risultato voluto occorre considerare anche il raffreddamento della carica e l’alimentazione del motore. Una pressione elevata, letta da sola, non dimostra né una maggiore efficienza né una potenza precisa.

Nel sistema meccanico una trasmissione a cinghia, ingranaggi o altro comando preleva potenza dal motore. Il compressore rimane quindi legato al regime del propulsore attraverso il rapporto di trascinamento. Il turbo riceve invece energia da una turbina investita dai gas di scarico. Sono due strade verso la sovralimentazione: la somiglianza del risultato non rende uguali azionamento, gestione e risposta.

Roots: spostare l’aria attorno ai rotori

Nel Roots due rotori a lobi girano in versi opposti dentro un involucro. Una porzione d’aria entra nello spazio disponibile fra un rotore e la parete esterna, viene trasportata lungo la periferia e raggiunge l’uscita. Il flusso utile non deve essere immaginato come aria schiacciata fra due ruote dentate.

Il punto decisivo è che, nel principio Roots classico, la camera trasportata non diminuisce progressivamente di volume. La pressione viene raggiunta quando quella camera comunica con il lato di mandata già pressurizzato. Dire che il Roots non realizza compressione interna non significa che all’uscita l’aria resti a pressione atmosferica: distingue il modo in cui avviene l’aumento di pressione.

Il volume geometrico trasferito per giro rende il Roots un volumetrico. Portata effettiva e pressione risultante dipendono però da regime, perdite interne e circuito a valle. Il motore non riceve una pressione fissata una volta per tutte dal solo numero dei lobi.

Rotori elicoidali: perché TVS non significa necessariamente vite

Le evoluzioni del Roots possono avere lobi avvolti lungo l’asse. La documentazione Eaton distingue, per esempio, famiglie TVS R-Series a quattro lobi e V-Series a tre. La torsione dei lobi non basta a cambiare la classificazione: per identificare una macchina occorre capire il percorso dell’aria e la variazione del volume delle camere.

Un’applicazione documentata è il V6 Jaguar annunciato nell’aprile 2012 per la successiva F-TYPE: il compressore è definito espressamente Roots-type twin vortex, collocato nella V, con raffreddamento della carica ad acqua. “Twin vortex” non equivale dunque a “twin-screw”. Il nome commerciale e la forma esterna possono trarre in inganno.

A vite: la camera si restringe durante il percorso

Nel compressore a vite, chiamato anche twin-screw o Lysholm, i due rotori hanno profili complementari. Il rotore maschio presenta lobi che lavorano con le cavità del rotore femmina. Gli ingranaggi di sincronizzazione ne coordinano la rotazione; nella costruzione descritta dal fornitore le superfici non si toccano fra loro o con il corpo.

La sequenza ha tre passaggi. All’ingresso si forma una camera che trattiene aria. Ruotando, i profili portano questa camera lungo l’asse e ne riducono il volume. Infine il volume si apre verso la luce di mandata e l’aria viene scaricata. La compressione comincia quindi prima dell’uscita: è la differenza centrale rispetto al Roots classico, pur essendo entrambe macchine volumetriche.

Centrifugo: accelerare l’aria e recuperare pressione

Il centrifugo usa una girante ad alta velocità. L’aria entra nella zona centrale, riceve energia dalla girante e procede verso la periferia. Il diffusore a valle rallenta il flusso e converte parte della sua energia cinetica in pressione; la voluta raccoglie l’aria e la invia al condotto di uscita. L’aumento di pressione si sviluppa nel processo complessivo: non è corretto attribuirlo alla sola forma “a chiocciola”.

Non ci sono camere chiuse che trasferiscono un volume geometrico prefissato per ogni giro: per questo il centrifugo non è volumetrico. Assomiglia al lato compressore di un turbo, ma manca la turbina di scarico che lo azionerebbe. Il collegamento al motore passa invece attraverso una trasmissione capace di raggiungere il regime richiesto dalla girante.

Rotrex documenta una soluzione a rulli planetari e fluido di trazione per moltiplicare la velocità, distinta da un moltiplicatore convenzionale a ingranaggi. Il suo manuale separa tre sottosistemi: ingresso e pompa, trasmissione di trazione e compressore centrifugo. La lubrificazione serve anche al funzionamento del comando: la forma della girante non racconta da sola tutta la macchina.

Che cosa cambia nella risposta del motore

Un volumetrico trasferisce aria già a regimi contenuti e può favorire una risposta pronta. Questo non garantisce una coppia perfettamente piatta: contano dimensionamento, comando, riempimento, temperatura e regolazione. Nel centrifugo trascinato con rapporto fisso, la capacità di sovralimentazione tende a crescere salendo di regime. Il legame meccanico evita l’attesa dell’accelerazione di una turbina di scarico, ma non rende identico il comportamento ai bassi giri.

Anche per il centrifugo si lavora con una mappa del compressore: portata, rapporto di pressione e regime definiscono il punto operativo. La documentazione Rotrex richiede di abbinare il gruppo all’applicazione, non di sceglierlo soltanto in base alla potenza desiderata. “Nessun turbo lag” non significa pressione massima disponibile in qualsiasi condizione.

Dai Mercedes Kompressor alla Mazda con ciclo Miller

La storia precede le elaborazioni moderne. Mercedes presentò a Berlino nel 1921 i modelli 6/25 e 10/40 con Roots inseribile; il documento storico della casa distingue la presentazione dall’arrivo sul mercato nel 1923. In quegli anni la sovralimentazione offriva una via per aumentare le prestazioni senza ricorrere soltanto a un motore più grande.

Il contrasto fra le due strategie emerge nella Bentley Blower: Tim Birkin sostenne il compressore sviluppato da Amherst Villiers, mentre W.O. Bentley preferiva crescere di cilindrata con la Speed Six. La ricostruzione Bentley colloca nel 1929 la commissione della serie sovralimentata e ricorda che l’immagine leggendaria della Blower non coincide con una superiorità nelle gare di durata.

Il compressore a vite ebbe anche una funzione diversa dalla pura ricerca di potenza. Nel novembre 1993 Mazda introdusse la variante Eunos 800 a ciclo Miller con V6 e compressore Lysholm. Il sistema sosteneva l’alimentazione del motore con quella particolare gestione della fase di aspirazione. Il principio è approfondito nella nostra guida al ciclo Miller; qui interessa il ruolo del compressore, non ripetere la monografia del ciclo.

Perdite, raffreddamento e regolazione: nessun vincitore universale

Una parte del lavoro prodotto dal motore viene assorbita dal comando. Ridurlo quando non serve sovralimentare è quindi un obiettivo di progetto. Le soluzioni possono comprendere percorsi di bypass e, dove prevista, una frizione di disinnesto. Bypass e disinnesto non sono sinonimi: il primo riguarda l’aria, il secondo il collegamento meccanico. Eaton documenta applicazioni con frizione soprattutto nei sistemi coordinati con un turbo.

Intercooler, ingombro dei condotti e capacità di smaltire calore cambiano il risultato. Anche un compressore efficiente può alimentare un circuito poco efficace; viceversa, una risposta pronta non elimina l’assorbimento meccanico. Non vengono quindi proposte percentuali universali di potenza aggiuntiva o una graduatoria di rendimento fra le tre famiglie: servirebbero mappe e prove con condizioni confrontabili.

L’associazione con il turbo è un ulteriore caso, non una quarta forma di compressore meccanico: sulla Lancia Delta S4 erano presenti due fonti di energia e una gestione coordinata dell’aria. Comprendere prima il singolo dispositivo permette di leggere anche questi sistemi senza confondere due compressori, due turbo e due rotori.

Fonti e documentazione tecnica

• ProCharger, What is a supercharger? — classificazione e differenza del Roots classico; dichiarazioni commerciali di rendimento non adottate come confronto.
• Whipple, Operating principles — aspirazione, compressione interna e mandata del twin-screw.
• Whipple, FAQ tecniche — profili maschio/femmina e sincronizzazione; nessuna graduatoria promozionale ripresa.
• ProCharger, What is a centrifugal supercharger? — girante, diffusore, voluta e comando.
• Rotrex, Technology — trasmissione di trazione, abbinamento e documentazione del compressore.
• Rotrex, Technical Handbook, revisione 1.7 — sezioni 2.2 e 3: struttura interna e scelta del gruppo; consultazione testuale online.
• Eaton, TVS technology overview — famiglie R/V e applicazioni con frizione; pagina internazionale con testo tecnico in inglese.
• Jaguar, Future Powertrains, 22 aprile 2012 — V6 Roots-type twin vortex e raffreddamento della carica; annuncio distinto dalla successiva applicazione.
• Mercedes-Benz Classic, documento ufficiale del 20 settembre 2021 — copia del comunicato storico conservata nell’archivio del club: presentazione 1921, commercializzazione 1923.
• Bentley Motors, Bentley Story — sezione The Bentley Blower: Birkin, Villiers, Speed Six e limiti nelle gare di durata.
• Mazda, History 1990–1999 — voce 1993, introduzione della Eunos 800 Miller con compressore Lysholm.