Un tempo i motori diesel avevano la reputazione di essere efficienti ma lenti. Certo, hanno sorseggiato carburante, ma non hanno avuto urgenza. Questa percezione è cambiata radicalmente. Qual è il motivo principale? La popolarità dei turbocompressori.
I moderni motori diesel sono caratterizzati da una coppia esplosiva e da una risposta rapida. Questa non è solo una parte. L’iniezione diretta ad alta pressione gioca un ruolo importante. Tuttavia, il turbocompressore è il motore che alimenta il motore. È interessante notare che la turbocompressione non è esclusiva dei motori diesel. I team di F1 hanno sfruttato questi anni per spremere più cavalli dalle loro unità. La tecnologia è universale. Tuttavia, la sua applicazione si è sviluppata notevolmente nell’industria automobilistica.
Meccanismo di induzione forzata
Per comprendere l’importanza di un turbocompressore, è necessario capire come un motore produce potenza. Viene dalla combustione. Più precisamente, viene bruciata una miscela di carburante e aria. Più miscela equivale a più potenza.
Storicamente, gli ingegneri hanno raggiunto questo obiettivo in due modi. Hanno reso il cilindro più grande. Hanno aggiunto i cilindri. È dotata di un motore V8 invece di un motore a 4 cilindri in linea. Motore di grande cilindrata. Questi metodi funzionano. Ma aggiungono peso e complessità.
Esiste una terza via. È possibile forzare più aria nei cilindri esistenti. Questo è il lavoro del turbocompressore.
I motori ad aspirazione naturale fanno affidamento sulla pressione atmosferica per aspirare l’aria, mentre i motori turbo utilizzano i gas di scarico per aspirare l’aria. Questo è un ciclo di efficienza chiuso. L’energia di scarico che altrimenti si dissiperebbe nell’atmosfera viene catturata. Fa girare la turbina. La turbina aziona il compressore. Il compressore forza l’aria densa nella camera di combustione.
Un processo passo dopo passo
Quando visualizzi il processo, è facile vedere come funziona. Ciò non accade per magia. Avviene attraverso una certa serie di eventi fisici.
- Flusso dei gas di scarico: i gas di scarico caldi lasciano il motore e colpiscono le pale della turbina. La pressione fa girare la turbina a velocità incredibilmente elevate.
- Compressione: La turbina è collegata alla girante del compressore tramite un albero. Mentre la turbina gira, il compressore aspira l’aria circostante e la comprime.
- Raffreddamento: l’aria compressa si riscalda. L’aria calda è meno densa. Risolvi questo problema facendo passare l’aria attraverso l’intercooler (o l’intercooler). Questo abbassa la temperatura. L’aria più fresca è più densa. Una maggiore densità dell’aria significa che ci sono più molecole di ossigeno per centimetro cubo.
- Incendio: Aria fredda e densa entra nel cilindro. Un iniettore di carburante inietta il carburante diesel in questo ambiente pressurizzato. Il risultato è un’esplosione più potente.
“Il vantaggio principale è la densità. Il raffreddamento dell’aria compressa massimizza l’ossigeno disponibile per la combustione senza aumentare le dimensioni del motore.”
Superamento dell’isteresi con geometria variabile
I primi turbocompressori avevano dei difetti. Ritardo. Questo non è un bug del software. Questa è fisica. A bassi regimi del motore, il flusso dei gas di scarico è debole. Non basta far girare velocemente la turbina. Il conducente preme il pedale dell’acceleratore. Il motore esita. Poi, all’improvviso, il turbo si avvia. La corrente arriva tardi.
Gli ingegneri hanno risolto questo problema utilizzando turbine a geometria variabile (VGT). Le pale all’interno dell’alloggiamento della turbina possono cambiare la loro angolazione. A basse velocità, le pale restringono il tubo di scarico. Ciò aumenta la velocità del gas. La turbina gira più velocemente nonostante il volume basso. Ad alta velocità, le lame si aprono. Ciò impedisce al motore di intasarsi a causa della contropressione.
Questa tecnologia elimina la “zona morta” tra la potenza inattiva e la potenza di picco. Ha reso i motori diesel reattivi come mai prima d’ora.
L’approccio in due fasi di BMW
Alcuni produttori vogliono andare oltre. BMW ha introdotto un doppio turbocompressore variabile nella 535d. Questa è una configurazione in due fasi. Utilizza due turbocompressori di dimensioni diverse.
Il turbo più piccolo si avvia immediatamente alle basse velocità. Offre coppia istantanea e accelerazione rapida per la guida in città. Funziona in modo efficiente in un intervallo di velocità inferiore, cosa difficile con le turbine più grandi.
All’aumentare della velocità e della cilindrata del motore, un turbocompressore più grande diventa più efficiente. Gestisce le esigenze di flusso elevato della guida ad alta velocità. Il sistema passa senza soluzione di continuità tra le due unità. Il risultato è una prestazione forte in tutta la gamma di regimi. Non c’è ritardo nella parte inferiore.
