Turbo e diesel, coppia vincente

3 ottobre 2016
Tecnologia
L’applicazione del turbocompressore ai motori a gasolio è ormai un fatto acquisito. Meno scontato è che questa tecnologia è ancora lontana dall'avere esaurito le sue potenzialità.

UNA STORIA LUNGA UN SECOLO - Il turbocompressore è nato nel 1905 dall’intuito dell’ingegnere svizzero Alfred Büchi, che ne equipaggiò il motore diesel di un camion della Sulzer, l’azienda per cui lavorava. L’evoluzione del turbocompressore, dallo stadio di prototipo a quello di componente affidabile e regolarmente accessibile per l’industria motoristica, è però avvenuta grazie alla General Electric, che ne ha sviluppato versioni sempre più efficienti ed affidabili non solo per impiego su motori Diesel (le prime applicazioni regolari negli anni 20 su camion, navi e locomotori ferroviari), ma anche su propulsori a benzina, molto più impegnativi in relazione alle più elevate temperature dei gas di scarico. Già negli anni 40, la General Electric realizzava turbocompressori per i grandi “stellari” Pratt&Whitney, come gli R-2800 dei bombardieri B17 e dei caccia P47 e F8U, e il Wright R-3350, quello del mitico B29. 

UN “COLPO D’ACCELERATORE” - Ed è stata proprio la turbo-sovralimentazione a fornire la prima chiave utile ad aprire ai propulsori Diesel la porta di prestazioni davvero consistenti, risolvendo in modo fondamentale quei limiti di efficienza volumetrica che questi motori, in modalità aspirata, hanno evidenziato da sempre. In questi ultimi 30 anni, i propulsori a ciclo Diesel hanno rivelato potenzialità straordinarie, rispondendo in modo estremamente positivo a ogni aggiornamento della tecnologia e della tecnica (e ripagando del 1000% gli investimenti in ricerca e sviluppo che l’industria vi ha profuso). Prima dell’avvento su larga scala della turbo-sovralimentazione, si può dire che i Diesel “non respiravano abbastanza”: questa tecnologia li ha radicalmente trasformati in propulsori di grande consistenza prestazionale, soprattutto in termini di densità ed erogazione della curva di coppia. 


Un turbocompressore della Garrett.

ANTISPRECO - Funzione primaria del turbocompressore è recuperare e mettere a buon uso una parte dell’ingente quantità di energia che il tradizionale motore a ciclo Diesel spreca attraverso il sistema di scarico. Alcuni grandi esperti del settore considerano il turbocompressore non come un accessorio, ma come un elemento fondamentale dello stesso ciclo termodinamico del Diesel. Una tecnologia molto interessante, che potrebbe trovare sempre più ampia applicazione grazie all’avvento (prossimo venturo) di nuovi materiali a matrice ceramica che non solo ne ridurranno il peso, e quindi l’inerzia giroscopica e il conseguente ritardo di risposta, ma anche le temperature operative: consentendo a quel punto di realizzare turbocompressori a geometria variabile di normale impiego non solo (come accade già da diversi anni) sui motori a gasolio, ma anche su quelli a benzina (tra i quali fanno eccezione, per il momento, solo alcune Porsche). 

INIEZIONE DI POTENZA - La seconda chiave dello sviluppo del motore Diesel, ovviamente, è rappresentata dal sistema di iniezione common rail, che non solo ha ulteriormente esaltato il potenziale prestazionale di questi motori, ma ne ha affinato le caratteristiche di combustione contribuendo ad abbattere i livelli delle loro emissioni. Il ciclo Diesel continua a sbattere contro il muro dei 4.000 giri del regime di rotazione massima, considerato insormontabile perché, salendo oltre, il tempo a disposizione diventa insufficiente per il completamento della combustione della carica inalata, che quindi non è in condizione di trasformare pienamente la sua energia termica in energia propulsiva. Questo limite, peraltro, viene ampiamente compensato dalle capacità che la massiccia struttura del Diesel possiede di gestire pressioni di combustione superiori a 200 bar, e quindi di realizzare ugualmente potenze elevate anche nel rispetto forzato dei citati congeniti limiti di rotazione. La potenza, infatti, è la risultante di questa semplice equazione: 

HP= (cilindrata x giri x MPE) / 900

Cilindrata e giri sono termini dall’ovvio significato e agevolmente identificabili nelle relative entità numeriche. L’acronimo PME rappresenta la Pressione Media Effettiva: in termini semplici, è il prodotto, espresso in bar, dell’efficienza volumetrica e dell’efficienza termodinamica. Nel caso del Diesel, l’incremento delle prestazioni (ferma restando la cilindrata e fermo restando entro i 4000 il numero dei giri) passa necessariamente attraverso l’innalzamento della PME: e qui l’evoluzione dei turbocompressori (e dei sistemi di intercooler) ha svolto un ruolo fondamentale. Quasi altrettanto rilevante è stato il contributo derivato dalla crescita dei sistemi di iniezione common rail: che, oltre a operare oggi con pressioni di oltre 2000 bar, sono arrivati a perfezionare la loro capacità di suddividere la fase di iniezione in sequenze di impulsi che consentono di raggiungere pressioni di combustione di oltre 200 bar, ma senza i picchi di sovraccarico che sarebbero generati da un impulso singolo. 


Il recente motore Drive-E D5 della Volvo. 

LA PRESSIONE? MEGLIO BASSA - Un ulteriore momento evolutivo, che sottolinea la sempre più positiva integrazione del turbocompressore nel ciclo Diesel, è rappresentato dalla progressiva riduzione del rapporto di compressione dei moderni turbodiesel a iniezione diretta al fine di contenere le emissioni di NOx (risultante secondaria della combustione ad alta pressione che avviene nei cilindri di ogni motore alternativo, e che favorisce la sintesi dell’azoto e dell’ossigeno presenti nell’aria). Più elevato è il rapporto di compressione, maggiore è la quantità di ossidi di azoto emessi allo scarico. Ai tempi in cui i motori automobilistici a ciclo Diesel, per ridurne la gracidante rumorosità di combustione, erano necessariamente del tipo “a precamera”, il rapporto di compressione superava largamente il valore di 20:1. Quando i motori Diesel a “precamera” hanno passato le consegne ai moderni “iniezione diretta”, il valore del rapporto di compressione è sceso decisamente sotto quel valore, stabilizzandosi attorno a 17-19:1. Ora assistiamo a una ulteriore riduzione, con i propulsori più aggiornati che sono scesi sotto il limite di 16:1. È il caso dell’ultima versione del Volvo 2.0 D5 della nuova S90, che oggi rappresenta il picco più avanzato della tecnologia: per ridurre le emissioni di NOx, esso opera con un rapporto di compressione di soli 15,8:1 ma, grazie al suo sistema di sovralimentazione a doppio turbocompressore sequenziale, realizza una potenza di ben 235 CV agli usuali 4000 giri, e soprattutto una coppia massima di 480 Nm già a partire da 1750 giri. Il tutto con un consumo medio normalizzato di 20,4 km/l e con soli 129 g/km di emissioni di CO2. Gli svedesi non barano: è il propulsore all’apice della categoria, un vero picco di eccellenza ingegneristica.

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3 ottobre 2016 - 21:49
Ma non e' detto: A parte il fatto che nessuno ti costringe alle cilindrate medie visto che tra 1.6 e 2.0 la forbice dei costi fissi e' ridottissima ma anche prendendo in esame un motore 1.4 Turbo a GPL vedi che le prestazioni ci sono e avanzano. E spesso anche su un aspirato basta la presenza del cambio automatico a sveltire per bene un sorpasso.
Ritratto di lucios
5 ottobre 2016 - 17:21
4
Caro Maxtone, io parlavo di motori a benzina (o gasati) aspirati in confronto ai tdiesel, quindi era un discorso soprattutto sul rapporto consumi/prestazioni. Normale che, se si prende un turbo benzina, il discorso cambia, solo che rispetto al tdiesel, bisogna trovare una bella benzinaia e sposarla.
Ritratto di AlexTurbo90
3 ottobre 2016 - 22:03
Bah! I diesel Euro 6 di media cilindrata DECENTI ormai si contano sulle dita di una mano, se vuoi qualcosa in più devi passare per forza ai diesel di 2.0/2.2 di cilindrata. Per verificare ciò che dico basta guardare i dati di accelerazione e ripresa del 1.6 blu-hdi e confrontarli con il frullatore 1.2 puretech di pari potenza. E se si hanno ancora dubbi, basta fare (come ho fatto io) un test drive di una Peugeot 308 con i suddetti propulsori. Sono rimasto semplicemente basito per quanto riguarda il diesel: semplicemente imbarazzante.
Ritratto di AlexTurbo90
4 ottobre 2016 - 22:40
Ma infatti tra i pochi diesel di media cilindrata decenti annovero al 1° posto proprio il 1.6 multijet che ho avuto modo di provare di recente, per quanto riguarda i consumi per me puoi arrivare a consumare tantissimo pure con quello se hai il piede pesante. Dipende sempre dallo stile di guida di ognuno ed è per questo che prendo sempre con le pinze sia i dati dichiarati (soprattutto), sia quelli rilevati dai test delle riviste. Sinceramente a me non è mai fregato più di tanto dei consumi, per questo se devo comprare un auto nuova e devo girare principalmente in città/extraurbano con pochissima autostrada, per non più di 15000 km/anno, scelgo un turbo-benzina tutta la vita e con cavalleria ragguardevole (140/150 cv per una segmento C). Diversamente, se dovessi fare più di 15000 all' anno con percorsi soprattutto autostradali comprerei diesel. Detto questo io prenderei solo diesel 2.0/2.2 di cilindrata, al massimo 1.6 bi-turbo, ma in generale "quelli grossi" girano solitamente in modo molto più regolare e hanno un' erogazione della potenza migliore. E (generalmente) sono anche più silenziosi.
Ritratto di lucios
5 ottobre 2016 - 19:04
4
@ ngelotto: il mio psa da 109 va abbastanza bene e non lo vedo chissà quanto distante dal 120 cv fiat. Quest'ultimo è anche agevolato da una marcia in più.
Ritratto di lucios
5 ottobre 2016 - 17:33
4
Che dire caro Alexturbo90!?!?! Il mio 1.6 di origine PSA, con 109 cv, lo trovo abbastanza pronto e vigoroso in ripresa: in salita ho avuto spesso confronti coi vari frullini turbo benzina di ultima generazione e non li vedevo chissà quanto performanti. Forse il motore di cui tu parli è talmente strozzato (per via delle tante diavolerie anti inquinamento) che ormai non va più. Molto dipende da come è curata la coppia.
Ritratto di AlexTurbo90
5 ottobre 2016 - 18:53
@Lucios Ma infatti ho specificato che più sopra: ho scritto "in diesel Euro 6 di media cilindrata". Ma infatti molto ormai dipende dalla curva di coppia e, soprattutto, dai rapporti del cambio. Puoi anche avere millemila Nm di coppia, ma se i rapporti sono molto lunghi, la vanifichi (o quasi). Ed è per questo che ribadisco il concetto che ormai trovare un diesel di media cilindrata con buona coppia e una rapportatura decente, è diventato molto raro.
Ritratto di lucios
5 ottobre 2016 - 19:07
4
Secondo me stiamo assistendo ad una crisi 2.0 dei motori diesel dopo l'inserimento dei filtri anti-particolato, che hanno influito non poco sul successo di questa motorizzazione. Con le varie strozzature attuali e l'uso di altre diavolerie, credo bisogna aspettare almeno un paio di anni per avere un buon diesel come 6-7 anni fa, per quanto concerne prestazioni, consumi e coppia. Almeno su cilindrate medio-basse.
Ritratto di nicktwo
3 ottobre 2016 - 22:41
senza polemica ma basta sulle benzina usare il cambio, facci caso i tempi di ripresa una volta per i vari 2.0 td erano di 10-12 ma anche 15 secondi ora con l' avvento dei cambi automatici si parla di 4-5 secondi... praticamente tutte le persone che comprano auto benzina questo trucchetto lo conoscono da anni -> usi il cambio, a 70 metti la terza e il sorpasso che anche col miglior diesel segmento b accelerando in quinta o sesta faresti in una decina di secondi, col piu' polmone degli aspirati benzina metti la terza e lo risolvi in almeno un paio di secondi in meno... saluti
Ritratto di lucios
5 ottobre 2016 - 17:36
4
Implicitamente, caro nicktwo, confermi che i benzina aspirati danno meno piacere di guida dei tdiesel. Vuoi mettere un bel sorpasso con un semplice accelerata!?!?!? Tu mi dirai che basta il cambio automatico! Ma pensa un tdiesel col cambio automatico cosa sarebbe in grado di fare!
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