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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Ritratto di troy bayliss
10 ottobre 2016 - 13:30
1
stò cambio automatic0!!!io sono un pò scettico nn x la comodità..ok, ma piuttosto per la spesa (2500€ di media..per risparmiare 8 secondi a sorpasso???) e poi per i casini che se x caso incocci uno nato male son rogne e pure salate.Sarà ma il manuale è più semplice e meno costoso alla manutenzione.L'automatico lo prenderei con palette al volante ma con una cavalleria abbondante...sopra i 250/300 cv..allora si sarebbe divertente sempre. PS: io su GT 5/6 su ps3...solo cambio manuale
Ritratto di eieiebrazo
3 ottobre 2016 - 23:09
Meglio diesel.Faccio il pieno e mi dimentico del benzinaio.Ovvio che col benzina aspirato devi scalare marcia se vuoi avere la ripresa.In ogni caso,ad ognuno il suo,io con 10 euro di gasolio faccio quasi 200km e tanto mi basta,non ne voglio sapere di benzina-gpl eccetera.Purtroppo le case ci hanno illuso di aver risolto i problemi legati all'inquinamento,specie i NOx,ma pare che ci sia ancora da lavorare,specie alla luce delle nuove norme di misurazione delle emissioni di prossima introduzione.Quanto alla potenza pura,il 2.0 bi-tdi VW arriva a 240 cv,il 2.0 della A45 AMG esprime 381 cv,sono i due litri più potenti delle rispettive categorie
Ritratto di nicktwo
3 ottobre 2016 - 23:15
ecco cvd... grazie per aver riportato le due potenze limite per le 2 categorie... saluti
Ritratto di hulk74
5 ottobre 2016 - 07:35
Ma il problema non sono i Cv/L, ma quanto consumano a parità di cavalli...
Ritratto di lucios
5 ottobre 2016 - 17:40
4
Concordo! Per chi vuole consumare poco ed avere ottime prestazioni ed affidabilità (salvo gestire bene i filtri antiparticolato), secondo me, sono la migliore soluzione. Un mio amico alla sua auto turbo a metano, il primo tagliando 430 euro. Mio nipote, alla sua 208 dopo i primi 30.000 km 210 euro.
Ritratto di Gordo88
4 ottobre 2016 - 00:51
Non capisco quando parla della pressione di combustione a 200 bar e pressioni di esercizio ad oltre 2000 bar.. non dovrebbero essere la stessa cosa?
Ritratto di JTD16
4 ottobre 2016 - 05:04
hanno confuso un po di cose....200 bar dovrebbe essere il limite degli odierni turbo benzina I.D. che non hanno bisogno del common rail per esprimere potenza
Ritratto di Dorian
4 ottobre 2016 - 12:27
2000 bar e oltre il dato relativo alla pressione di iniezione del carburante in camera suddiviso in più fasi, 200 bar è la pressione dei gas sviluppati con la combustione che vanno ad espandersi per spingere il pistone lungo la sua corsa.
Ritratto di Gordo88
4 ottobre 2016 - 23:34
Grazie per la delucidazione
Ritratto di Niko46
4 ottobre 2016 - 02:21
3
Tanti bei discorsi, indubbiamente se si usa l'auto in città (bell'ossimoro gente...) allora basta ed avanza il benzina, belle prestazioni "subito", e costo d'acquisto minore, oltre che assicurativo. Ma i costi di gestione sono più bassi? Siamo così sicuri? Prendiamo le amate (anche da me, ben s'intenda) ibride, più volte ho parlato con i tassisti (chi meglio di loro per sapere come si comportano i motori in città) di queste auto e la risposta generale è stata un "sono ottime auto, consumi bassi e costi di gestione contenuti... almeno fino a che tutto funziona alla perfezione, dopo fai prima a venderla che metterci le mani sopra" e da qui si sonocciolavano cifre da super sportive in quanto a costi di manutenzione. Quindi l'ibrido è una buona soluzione, ma non la migliore, in autostrada poi? Che si fa? Tutte le componenti ibride diventano un peso morto che influisce sui consumi e ciao risparmio, l'Auris se consuma poco in autostrada fa i 15 km/l a 110 km/h, mediamente un buon 5 Km/l meno di un diesel di pari cilindrata: non mi pare un buon risultato. Il discorso consumi è equivalente per le auto a benzina, quando ho acquistato la mia auto, una 208, ero indeciso se scegliere la 1.6 vti (120cv) o la e-hdi (115cv), beh, mi è bastato farmele prestare da gente che conoscevo (o noleggiarle nelle varie occasioni in cui ho viaggiato) per capire subito come funzionava la faccenda: 16 di media per la prima, 19.5 per la seconda, e prestazioni lievemente a favore della seconda in virtù del turbo e della maggiore coppia. Quindi non andiamo a raccontare che il motore x o quello y devono essere cancellati per le più stupide ragioni del mondo, se un'auto presenta un'ampia gamma di motori la gente sceglierà quello che più l'aggrada o ritiene opportuno, altrimenti passerà ad altro, la Suzuki Kizashi non ha insegnato nulla? Bella macchina, ma solo con motori benzina o gpl, giacché è sapere diffuso che auto di questo tipo si comprando non per viaggiare ma per girare in città. Personalmente ho sempre viaggiato moltissimo con l'auto, sia extraurbano che autostrada, ho provato molte auto e sono giunto alla conclusione che per i miei spostamenti non comprare un'auto diesel sarebbe una delle decisioni più demenziali che potrei fare; non mi interessa la velocità pura, tanto le autostrade hanno il limite a 130 ed in Germania di rado si ha la possibilità di "correre" entro un risicato margine di sicurezza, la velocità ha senso solo per capire quanto può riposare un motore alla giusta andatura. Provate a fare 40.000 km l'anno con un'auto a benzina - per i primi anni l'ho fatto con una Punto Sporting 1.2 e consuma comunque più di molti diesel di media cilindrata - e vediamo quanto vi costa; tanto il problema è questo: i propositi sono fantastici, ma poi c'è la realtà, che lo è un po' meno.
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