Intercooler: il radiatore che raffredda l’aria e non il motore

C’è un camion spagnolo che spiega l’intercooler meglio di qualsiasi manuale, e in Italia quasi nessuno lo conosce, anche se dal 1990 la sua casa madre è finita dentro Iveco. Si chiama Pegaso. Il suo sei cilindri da 12 litri, nel 1972, dava 352 CV senza alcun raffreddamento dell’aria e veniva presentato come il motore più potente fra i camion europei. Poi, nelle versioni turbo vendute davvero in serie, si era fermato intorno ai 306-310 CV. Nel 1985, sulla gamma Tecno, ENASA ci montò un intercooler aria-aria: stesso blocco, stesso turbo, 340 CV. Trenta cavalli tirati fuori soltanto raffreddando quello che il turbo aveva già soffiato. Niente cilindrata in più, niente magia.

Questo è il sesto capitolo de “L’arte di respirare”. Finora abbiamo parlato di come ficcare più aria nel cilindro: lasciandola entrare da sola nel motore aspirato, spingendola con un compressore volumetrico, con un turbo, e poi con due turbo o con turbo e compressore insieme. Sempre pressione. Adesso tocca al conto che quella pressione lascia sul tavolo: il calore.

Perché l’aria compressa esce bollente

Chi ha gonfiato una gomma di bici con la pompa a mano lo sa: dopo un po’ il cilindro della pompa scotta. Non è attrito. Quando un gas viene compresso in fretta, il lavoro speso per stringerlo resta nel gas sotto forma di calore, e non c’è tempo perché se ne vada. Un compressore di turbo fa la stessa cosa a oltre centomila giri.

Facciamo il conto da libro di testo. Aria a 25 gradi, un bar di sovrapressione (quindi pressione assoluta raddoppiata), rendimento del compressore al 70 %, che per un turbo vero è un valore normale. L’aria esce intorno ai 118 gradi. Il motore, che vorrebbe aria fresca di montagna, si ritrova a respirare dentro un forno.

Il motore non vuole pressione in sé. Vuole molecole di ossigeno, perché sono quelle che bruciano il carburante. Quello che conta è la densità, cioè quanta massa d’aria entra a ogni ciclo, e la densità sale con la pressione e scende con la temperatura.

Qui conviene essere precisi, perché è il punto che quasi tutti sbagliano. L’aria che esce dal turbo è comunque più densa di quella che entra: la pressione vince sul calore. Ma nell’esempio di prima, raddoppiando la pressione la densità sale solo di circa il 50 %. Se riportassi quella stessa carica a 25 gradi, avresti circa il 30 % di ossigeno in più nel cilindro. Il calore non ti toglie l’aria che avevi: ti toglie una bella fetta di quella che hai pagato.

Il battito in testa, ovvero come si buca un pistone

La densità persa costa cavalli. Il secondo problema costa pistoni.

In una combustione regolare la candela accende la miscela e un fronte di fiamma la attraversa in modo ordinato. La detonazione, il battito in testa, succede quando l’ultima porzione di miscela non ancora bruciata, schiacciata in un angolo della camera, si scalda tanto da accendersi da sola prima che la fiamma la raggiunga. Non brucia: esplode. Le onde di pressione si scontrano, il motore fa quel rumore di biglie in una lattina e, se dura, le fasce saltano e i pistoni si bucano.

L’aria calda non provoca il battito da sola, ma fa partire la miscela più vicina al punto di autoaccensione. Ogni grado in più all’aspirazione è margine regalato. Quindi il calore della compressione colpisce due volte: meno ossigeno e meno distanza dal disastro.

Cosa fa davvero un intercooler

La soluzione sembra banale. Se l’aria esce calda dal turbo, la si fa passare in un radiatore prima del motore. Quel radiatore è l’intercooler. L’aria cede calore, si contrae, torna densa, e il cilindro ne ingoia di più.

Da qui il luogo comune più diffuso nei forum: “l’intercooler dà cavalli”. Non crea nulla. Restituisce cavalli che il calore si era già preso. Ma non bisogna nemmeno cadere nell’errore opposto: un motore con un buon intercooler va più forte dello stesso motore senza, per due motivi. L’aria più fredda è più densa, e siccome è più lontana dal battito permette più pressione di sovralimentazione o più anticipo d’accensione. Il Pegaso dell’inizio ha guadagnato su entrambi i fronti.

Il nome, per giunta, è sbagliato. “Intercooler” viene dai compressori aeronautici e industriali a due stadi, dove l’aria veniva raffreddata tra uno stadio e l’altro. In un’auto con un solo turbo non c’è nessun “tra”: il radiatore sta dopo il compressore, e gli ingegneri lo chiamano aftercooler o raffreddatore dell’aria di sovralimentazione. Il nome giusto ha perso contro quello che suonava meglio in una brochure.

C’è un prezzo, ovviamente. L’aria deve attraversare decine di tubetti e alette e ci perde un po’ di pressione. E più tubazioni vuol dire più volume da riempire prima che la spinta arrivi, cioè altro ritardo, proprio quello di cui abbiamo parlato nella guerra al turbo lag. Un intercooler fatto bene cede poca pressione in cambio di tanta densità. Uno sottodimensionato, o con metri di manicotti, può togliere più di quello che dà.

Aria-aria: semplice, ma vuole spazio

La maggior parte degli intercooler di serie sono aria-aria. L’aria compressa passa nel radiatore, l’aria esterna lo investe mentre l’auto corre, e basta. Niente pompe, niente liquidi. In marcia costante funziona benissimo perché di aria fresca ce n’è sempre.

Il problema è dove metterlo. Deve stare dove arriva il vento, cioè quasi sempre dietro il paraurti anteriore, con tubi che vanno dal turbo in avanti e tornano indietro. Su un’auto a motore anteriore è facile. Su una a motore posteriore è un rompicapo.

Porsche lo risolse in stile Porsche. La 911 Turbo, la 930, arrivò nel 1975 con un tre litri da 260 CV e nessun raffreddamento della carica. Nel 1978 passò a 3,3 litri e ricevette un intercooler aria-aria, e la potenza salì a 300 CV. Non c’era spazio davanti, quindi l’intercooler finì sopra il motore, dentro l’alettone posteriore, che crebbe e cambiò forma per ospitarlo. Il famoso “vassoio da tè” è un radiatore con la carrozzeria intorno. Per dare un’idea, una Ferrari 308 GTB di quegli anni si fermava a 255 CV con il suo V8 aspirato.

In Italia gli intercooler aria-aria entrarono presto anche nelle sportive di casa. La Ferrari 288 GTO del 1984 ne aveva due, uno per ciascun turbo del suo V8, e un anno dopo perfino un’utilitaria come la Fiat Uno Turbo i.e. lo portava sotto il cofano. Sulla Uno lavorava con un turbo IHI raffreddato ad acqua e un 1.3 a iniezione Bosch: 105 CV per circa 845 chili, e Fiat dichiarava 200 orari. Per una macchina nata per portare la famiglia al mare, numeri da denuncia. Senza l’intercooler quel piccolo quattro cilindri avrebbe dovuto accontentarsi di meno pressione o di un anticipo più timido, perché con una carica a quella temperatura il battito sarebbe arrivato molto prima. Dalla supercar alla piccola di tutti i giorni nel giro di dodici mesi: segno che il calore era diventato il vero collo di bottiglia della sovralimentazione.

Acqua-aria: complicato, compatto, e non di serie B

L’altra famiglia usa un liquido. L’aria compressa attraversa uno scambiatore compatto in cui circola acqua, e quell’acqua viene pompata verso un radiatore separato, dove c’è posto. Servono pompa, vaschetta, tubazioni e un secondo radiatore: più peso, più cose che si possono rompere.

Il vantaggio è lo spazio. Lo scambiatore può stare attaccato al motore, persino nella V di un V8 con compressore. E l’acqua assorbe bene i picchi di calore, perché ci mette molta energia a scaldarsi: nelle gare di accelerazione c’è chi riempie il serbatoio di ghiaccio per una corsa che dura pochi secondi.

Per anni si è detto che l’acqua-aria fosse un ripiego per chi non aveva spazio o una roba da dragster. BMW ha smentito tutti: le M3 F80 e M4 F82 montano uno scambiatore acqua-aria direttamente sopra il loro sei cilindri biturbo, su auto pensate per girare in pista. Sì, i passaggi di calore sono due invece di uno, dall’aria all’acqua e dall’acqua all’esterno, e il sistema va dimensionato bene. Fatto come si deve, regge l’uso prolungato come un aria-aria. Vince quello costruito meglio, non quello con l’etichetta giusta.

Acqua e metanolo: il trucco con il libretto di volo

C’è anche un terzo modo, senza radiatori. Si nebulizza acqua nell’aria calda: l’acqua evapora, e per evaporare si prende calore dall’aria intorno. È lo stesso principio del sudore. Se all’acqua si aggiunge metanolo si ottiene un bonus, perché il metanolo è un ottimo antidetonante.

L’idea viene dall’aviazione della Seconda guerra mondiale. La Luftwaffe usava il sistema MW 50: 50 % di metanolo, 49,5 % d’acqua e mezzo per cento di olio anticorrosione, spruzzati nel compressore del motore. Sul Daimler-Benz DB 605 dei Messerschmitt Bf 109 più tardi, solo aprendo il rubinetto il raffreddamento dava circa 100 cavalli. Il grosso arrivava dopo: con il battito tenuto a bada si poteva alzare molto la pressione, e in decollo si passava da circa 1.475 a circa 1.800 cavalli. Dieci minuti al massimo, poi almeno cinque di pausa.

Chi conosce il DB 605 in Italia lo conosce soprattutto come motore dei Macchi e dei Fiat dell’ultima fase della guerra, costruito su licenza a Torino. Quello che si racconta poco è la storia del BMW 801, il radiale del Focke-Wulf 190, spesso indicato come motore a MW 50. Gli attacchi per il sistema comparvero sull’801D nel 1942, ma l’MW 50 non entrò mai in produzione su quel motore: le testate si riempivano di microcrepe.

Anche la Formula 1 ci ha giocato. Durante l’era turbo la Ferrari 126C3, arrivata a metà del 1983, l’anno del titolo costruttori di Maranello, montava un sistema che miscelava acqua alla benzina, all’epoca molto discusso, preso in prestito proprio dalla tecnica aeronautica.

E nel 2015 BMW lo ha portato su un’auto targata. La M4 GTS aveva un’iniezione d’acqua sviluppata con Bosch: tre iniettori nel collettore d’aspirazione, uno ogni due cilindri, alimentati da un serbatoio da cinque litri nel bagagliaio. La potenza saliva dai 431 CV della M4 normale a 500 CV. L’intercooler fa il grosso del lavoro, la nebbia d’acqua rifinisce nel collettore. Se il serbatoio si svuotava, il motore tornava a una mappa più prudente. La stessa logica del pilota di Bf 109 che premeva il pulsante dell’MW 50, ma con il libretto di garanzia.

Il conto finale

Ecco cosa non mi torna. Siamo partiti con un motore che respirava da solo. Poi abbiamo messo l’aria sotto pressione per farne entrare di più. La pressione ha portato calore. Per togliere il calore abbiamo aggiunto radiatori, pompe, circuiti, serbatoi d’acqua e di metanolo. Ogni soluzione si porta dietro la sua soluzione. Il motore aspirato del primo capitolo non era immune dal calore, perché l’aria si scalda comunque in aspirazione e nel motore, ma non doveva digerire la vampata della compressione. Niente lag, meno pezzi, meno guasti.

Il raffreddamento della carica non è il cattivo della storia: protegge i motori e li fa durare. Il punto è che ogni motore sovralimentato in circolazione si porta dietro un impianto che esiste solo perché qualcuno ha deciso di spingere l’aria dentro invece di lasciarla entrare. La sovralimentazione è un problema di calore travestito da problema di pressione. Alcuni conti vale la pena pagarli, e l’intercooler è uno di questi.

Nel prossimo capitolo andiamo ai margini: il Comprex, che sovralimentava con onde di pressione invece che con una turbina; l’Hyperbar francese, con una camera di combustione piazzata tra motore e turbo; e i diesel a due tempi che senza un soffiatore non girano proprio. Il museo dei vicoli ciechi della sovralimentazione.

Le strade che non hanno vinto, dal Comprex che sovralimentava con le onde di pressione al turbo con camera di combustione propria del carro Leclerc, le raccontiamo in sovralimentazione a onde di pressione, Hyperbar e altre strade strane.

Cosa ne ha fatto l’industria di tutta quest’aria, una volta imparato a infilarla nei cilindri, lo racconta il capitolo 8: il downsizing e perché un piccolo motore turbo consuma meno di uno grande, superknock compreso.

Controlla di essere ancora vivo.

Foto: Jacksonpuaminghow (CC0), Alison Cassidy (CC BY-SA 3.0), Morio (CC BY-SA 3.0), Spanish Coches (CC BY 2.0), Zytonits (CC BY-SA 2.0), Roland Turner (CC BY-SA 2.0), Alexandre Prevot (CC BY-SA 2.0). Wikimedia Commons.