Cos'è un turbocompressore?

Quando si tratta di combinare prestazioni con consumi ridotti, gli ingegneri sono quasi costretti a optare per un motore turbo.

Fuori dal nulla del mondo delle supercar, dove Lamborghini insiste ancora sul fatto che i motori aspirati rimangano il modo più pulito e italiano per produrre potenza e rumore, i giorni delle auto senza turbo stanno volgendo al termine.

È impossibile, ad esempio, ottenere una Volkswagen Golf aspirato. Dopo Dieselgate, ovviamente, è improbabile che abbia importanza, perché nessuno vuole più giocare a golf.

Tuttavia, resta il fatto che city car, family car, grand tourer e persino alcune supercar stanno lasciando la nave a favore di un futuro subacqueo. Dalla Ford Fiesta alla Ferrari 488, il futuro appartiene all'induzione forzata, in parte a causa delle leggi sulle emissioni, ma anche perché la tecnologia si è evoluta a passi da gigante.

Questo è un caso di risparmio di carburante del piccolo motore per una guida fluida e una grande potenza del motore quando lo desideri.

Quando si tratta di combinare prestazioni più elevate con un consumo di carburante inferiore, gli ingegneri sono quasi costretti a progettare i loro motori più recenti con tecnologia turbo.

Come può un turbo fare di più con meno?

Tutto dipende da come funzionano i motori, quindi parliamo un po' della tecnica. Per i motori a benzina, il rapporto aria-carburante di 14.7:1 garantisce la combustione completa di tutto ciò che è nel cilindro. Qualsiasi più succo di questo è uno spreco di carburante.

In un motore aspirato, il vuoto parziale creato dal pistone discendente aspira l'aria nel cilindro, utilizzando la pressione negativa all'interno per aspirare l'aria attraverso le valvole di aspirazione. È un modo semplice per fare le cose, ma è molto limitato in termini di fornitura d'aria, come una persona con apnea notturna.

Nel motore turbo, il regolamento è stato riscritto. Invece di fare affidamento sull'effetto del vuoto di un pistone, un motore turbo utilizza una pompa dell'aria per spingere l'aria in un cilindro, proprio come una maschera per l'apnea notturna spinge l'aria nel naso.

Sebbene i turbocompressori possano comprimere l'aria fino a 5 bar (72.5 psi) al di sopra della pressione atmosferica standard, nelle auto da strada funzionano in genere a una pressione più rilassata da 0.5 a 1 bar (da 7 a 14 psi).

Il risultato pratico è che a 1 bar di pressione di sovralimentazione, il motore riceve il doppio dell'aria che se fosse aspirato naturalmente.

Ciò significa che l'unità di controllo del motore può iniettare il doppio del carburante mantenendo un rapporto aria-carburante ideale, creando un'esplosione molto più grande.

Ma questa è solo la metà dei trucchi del turbocompressore. Confrontiamo un motore aspirato da 4.0 litri e un motore turbo da 2.0 litri con una pressione di sovralimentazione di 1 bar, supponendo che siano altrimenti identici in termini di tecnologia.

Il motore da 4.0 litri consuma più carburante anche al minimo e con un carico del motore leggero, mentre il motore da 2.0 litri consuma molto meno. La differenza è che a tutto gas, un motore turbo utilizzerà la massima quantità di aria e carburante possibile, il doppio di un motore aspirato della stessa cilindrata, o esattamente la stessa di un 4.0 litri aspirato.

Ciò significa che il motore turbo può funzionare da un misero 2.0 litri a un potente quattro litri grazie all'induzione forzata.

Quindi è un caso di risparmio di carburante per motori piccoli per una guida delicata e grande potenza del motore quando lo desideri.

Quanto è intelligente?

Come si addice a un proiettile d'argento ingegneristico, il turbocompressore stesso è ingegnoso. Quando il motore è in funzione, i gas di scarico passano attraverso la turbina, facendola girare a velocità incredibili, in genere comprese tra 75,000 e 150,000 volte al minuto.

La turbina è imbullonata al compressore d'aria, il che significa che più velocemente gira la turbina, più velocemente gira il compressore, aspirando aria fresca e forzandola nel motore.

Il turbo funziona su una scala mobile, a seconda della forza con cui si preme il pedale dell'acceleratore. Al minimo, non c'è abbastanza gas di scarico per portare la turbina a una velocità significativa, ma mentre acceleri, la turbina gira e fornisce una spinta.

Se spingi con il piede destro, vengono prodotti più gas di scarico, che comprimono la massima quantità di aria fresca nei cilindri.

Allora qual è il trucco?

Ci sono, ovviamente, diversi motivi per cui non guidiamo tutti auto turbo per anni, a cominciare dalla complessità.

Come puoi immaginare, costruire qualcosa che possa girare a 150,000 giri/min giorno dopo giorno per anni senza esplodere non è facile e richiede parti costose.

Le turbine richiedono anche una fornitura di olio e acqua dedicata, che sottopone maggiormente lo stress ai sistemi di lubrificazione e raffreddamento del motore.

Quando l'aria nel turbocompressore si riscalda, i produttori hanno anche dovuto installare intercooler per abbassare la temperatura dell'aria che entra nel cilindro. L'aria calda è meno densa dell'aria fredda, annullando i vantaggi di un turbocompressore e può anche causare danni e detonazione prematura della miscela carburante/aria.

Il difetto più famigerato del turbocompressore è, ovviamente, noto come ritardo. Come affermato, è necessario accelerare e creare uno scarico per far sì che il turbo inizi a produrre una pressione di sovralimentazione significativa, il che significava che le prime auto turbo erano come un interruttore ritardato: niente, niente, niente, TUTTO.

Vari progressi nella tecnologia turbo hanno domato le peggiori caratteristiche di lentezza delle prime Saab e Porsche turbo, comprese le palette regolabili nella turbina che si muovono in base alla pressione di scarico e componenti leggeri a basso attrito per ridurre l'inerzia.

Il passo avanti più emozionante nel turbocompressore si può trovare solo - almeno per ora - nei piloti di F1, dove un piccolo motore elettrico fa girare il turbo, riducendo il tempo necessario per farlo girare.

Allo stesso modo, nel Campionato del mondo di rally, un sistema noto come anti-lag scarica la miscela aria/carburante direttamente nello scarico davanti al turbocompressore. Il calore del collettore di scarico lo fa esplodere anche senza una candela, creando gas di scarico e mantenendo il turbocompressore in ebollizione.

Ma che dire dei turbodiesel?

Quando si tratta di turbocompressore, i diesel sono una razza speciale. Questo è davvero un caso di mano nella mano, perché senza l'induzione forzata, i motori diesel non sarebbero mai così comuni come sono.

I diesel aspirati naturalmente possono fornire una coppia decente di fascia bassa, ma è lì che finiscono i loro talenti. Tuttavia, con l'induzione forzata, i diesel possono sfruttare la loro coppia e godere degli stessi vantaggi delle loro controparti a benzina.

I motori diesel sono costruiti da Tonka Tough per gestire gli enormi carichi e le temperature contenute all'interno, il che significa che possono facilmente gestire la pressione extra di un turbo.

Tutti i motori diesel - aspirati e sovralimentati - funzionano bruciando il carburante nell'aria in eccesso in un cosiddetto sistema di combustione magra.

L'unica volta in cui i motori diesel aspirati si avvicinano alla miscela aria/carburante "ideale" è a tutto gas quando gli iniettori di carburante sono completamente aperti.

Poiché il carburante diesel è meno volatile della benzina, quando viene bruciato senza molta aria, viene prodotta un'enorme quantità di fuliggine, nota anche come particolato diesel. Riempiendo il cilindro di aria, i turbodiesel possono evitare questo problema.

Quindi, mentre il turbocompressore è un incredibile miglioramento per i motori a benzina, il suo vero capovolgimento salva il motore diesel dal diventare una reliquia fumosa. Sebbene "Dieselgate" in ogni caso possa causare ciò.

Cosa ne pensi del fatto che i turbocompressori trovino la loro strada in quasi tutti i veicoli a quattro ruote? Dicci nei commenti qui sotto.