Ciclo Diesel

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Il ciclo Diesel è un ciclo termodinamico per motori a combustione interna dove, a differenza del ciclo Otto, l'accensione della miscela non avviene attraverso una candela bensì attraverso un procedimento di compressione. Esso comprende 4 fasi, di seguito elencate.

Ciclo Diesel[modifica | modifica sorgente]

Il ciclo Diesel è composto da quattro trasformazioni:

Rendimento[modifica | modifica sorgente]

Il rendimento massimo di un ciclo diesel dipende dal rapporto volumetrico e dal rapporto volumetrico di combustione.

\eta_{term}=1-\frac{1}{r^{\gamma-1}}\left ( \frac{\alpha^{\gamma}-1}{\gamma(\alpha-1)} \right )

Dove:

\eta_{term} è il rendimento termico
\alpha è il rapporto volumetrico di combustione \frac{V_3}{V_2} (rapporto tra la fine e l'inizio dell'espansione volumetrica che avviene durante la combustione)
r è il rapporto volumetrico di compressione \frac{V_1}{V_2}
\gamma è il rapporto tra i calori specifici (Cp/Cv)

Componenti e funzionamento del motore Diesel[modifica | modifica sorgente]

Componenti[modifica | modifica sorgente]

Parti fisse:

  1. Basamento o monoblocco
  2. Testa o testata
  3. Carter o coppa
  4. Collettore di scarico
  5. Gruppo di sovralimentazione (turbina, compressore), che può sia esserci che non esserci ma attualmente è quasi onnipresente

Parti mobili:

  1. Pistone
  2. Biella
  3. Albero motore
  4. Albero a camme
  5. Distribuzione
  6. Pompa AC o Pompa C
  7. Alternatore
  8. Motorino d'avviamento
  9. Pompa dell'acqua dolce o salata (solo nei motori marini)
  10. Scambiatore di calore
  11. Pompa d'iniezione
  12. Iniettore
  13. Volano
  14. Valvola limitatrice di pressione, detta Wastegate, quando si ha una turbina a geometria fissa
  15. Pompa dell'olio

Diesel a due tempi[modifica | modifica sorgente]

È un motore che oggi viene impiegato quasi esclusivamente per la propulsione delle navi, il suo ciclo (aspirazione-compressione-espansione-scarico) viene svolto in 360°, cioè un giro di albero motore esattamente come nei motori a due tempi. Il ciclo 2 tempi Diesel viene detto anche ciclo Sabathé.

Non a testa calda (unidirezionale)[modifica | modifica sorgente]

Ciclo termico di un motore diesel 2T unidirezionale
1=PMS
2=PMI
A: Lavaggio
B: Scarico
C: Compressione
D: Espansione

La caratteristica principale di un due tempi a ciclo Diesel è quella di avere un'apertura di scarico non circolare (detta luce) nelle pareti del cilindro (esattamente come nei motori a due tempi), questa luce è comandata nell'apertura e nella chiusura dal passaggio del pistone.

A causa della luce, questo tipo di motore non può creare il vuoto necessario per la fase di aspirazione, quindi al motore viene abbinata una pompa ad aria (compressore volumetrico o turbo compressore) che immette nel cilindro la quantità d'aria sufficiente, inoltre così l'aria viene anche impiegata per il lavaggio del cilindro, e così l'aspirazione, che è comandata da una valvola a fungo (di grandi dimensioni, quasi quanto la testata) disposta sopra la testata del motore, prende anche il nome di "lavaggio".

A testa calda[2][modifica | modifica sorgente]

Trattore con motore diesel due tempi a testa calda

Differisce dal precedente per il fatto che per immettere aria nuova non utilizza una valvola a fungo, ma i travasi che vanno dal carter motore al cilindro, esattamente come nel motore a due tempi. Quindi sulla canna del cilindro saranno presenti minimo due luci, di cui una di scarico e una di travaso. Il motore a testa calda (detto anche semi-diesel), a differenza del motore Diesel propriamente detto, non può funzionare per autoaccensione del combustibile mediante la sola compressione (il rapporto di compressione è infatti più basso che nei Diesel), ma richiede un particolare accorgimento tecnico. La testata, infatti, è disegnata in modo da avere una parte non raffreddata che si mantiene sempre a temperatura corrispondente a quella del rosso scuro. Il combustibile viene iniettato all'interno di questa cavità (detta appunto testa calda) dove si accende per contatto con le pareti incandescenti. I motori a testa calda, per il primo avviamento, avevano quindi bisogno di accessori particolari, come un bruciatore a benzina, kerosene o a gas (GPL) da utilizzare per il pre-riscaldamento della testata stessa, senza il quale l'avviamento non poteva essere effettuato. I vantaggi principali del motore a testa calda erano la grande semplicità costruttiva e di manutenzione, con la conseguente robustezza. Tra gli svantaggi vanno menzionati la possibilità della prduzione di crepe sulla testata dovute al notevole stress termico cui era assoggettata, nonché l'aumento del consumo ai carichi parziali rispetto a quello a pieno carico.

Tale motore, per poter utilizzare un compressore volumetrico o turbo compressore, deve avere il condotto d'aspirazione che non passi per il carter, quindi che termini direttamente come una luce di travaso. Veniva usato soprattutto nei trattori o anche in applicazioni marine (motobarche o pescherecci).

Diesel a quattro tempi[modifica | modifica sorgente]

Ciclo termico di un motore 4T
1=PMS
2=PMI
A: Aspirazione
B: Compressione
C: Espansione
D: Scarico

A differenza dei motori a ciclo Otto alimentati a benzina, dove la trasformazione avviene a volume costante, nel Diesel avviene a pressione costante. Il suo ciclo viene svolto in 720° cioè in due giri di albero motore. Non esistono luci ma un sistema di distribuzione costituita solitamente dal bicchierino, dall'asta, dal bilanciere e dal suo albero. L'albero a camme mediante, appunto, camme, spinge verso l'alto il bicchierino nel cui interno è appoggiata l'asta di punteria; il bilanciere riceve così la spinta necessaria a premere dalla parte opposta la valvola che così facendo riesce ad aprirsi. Quando l'albero a camme inizia un nuovo giro, la valvola si chiude mediante una molla di richiamo. Esistono quindi valvole d'aspirazione e valvole di scarico. Vi sono tante camme quante valvole: normalmente le camme esistenti sono una per ogni valvola, ma nei motori reversibili (motori che possono essere avviati in senso contrario) ci sono due camme per ogni valvola: una camma di marcia avanti e una camma di marcia indietro.

L'albero a camme serve quindi a comandare le valvole. Situato quasi sempre all'interno del basamento, in certi motori lo si trova anche in testa. Se l'albero è interno gli si ricava un eccentrico per la pompa AC (alimentazione - carburante) e un ingranaggio a denti obliqui per la pompa dell'olio e per lo spinterogeno (quest'ultimo solo nei motori a benzina). Se l'albero a camme è in testa allora esiste un mezzo albero con l'eccentrico e l'ingranaggio a denti obliqui.

Si noti che il limite di giri di un motore a benzina (4 tempi) è determinato dal tempo di chiusura della valvola. Il limite di giri di un motore Diesel (4 tempi) è determinato dal tempo necessario per la combustione. Ad esempio un diesel a 2000 rpm ha disponibili per l'iniezione e la combustione 0,0025 sec.

Accorgimenti e caratteristiche[modifica | modifica sorgente]

Precamera di combustione[modifica | modifica sorgente]

Nei veicoli con motore Diesel la precamera di combustione è stata usata, per lungo tempo, per smussare le ruvidezze di questo motore e renderlo compatibile con le aspettative di confortevolezza richieste normalmente da un'automobile. Il carburante infatti nei motori a iniezione indiretta non viene iniettato nella parte superiore del cilindro, ma in una piccola precamera ricavata nella testata che ha un'uscita sul cielo del cilindro.
La combustione inizia così nella precamera e con l'espansione dei gas prosegue poi nel cilindro. Lo scopo è evitare si generano picchi di pressione che rendono il motore molto rumoroso. Trasmettendo forti vibrazioni al telaio.
Nella testata del motore, è disposto l'apposito alloggiamento per la candeletta (resistenza ad incandescenza), la quale preriscaldando la miscela permette l'avviamento del motore.

Iniettori[modifica | modifica sorgente]

Gli iniettori sincronizzano l'immissione del carburante con la fase del motore e ne dosano la quantità. Il carburante immesso viene finemente polverizzato e, a contatto con l'aria della camera di combustione (che nella fase di compressione è di circa 600-700 °C) provoca la combustione della miscela e la successiva fase di espansione.
Le tubazioni degli iniettori, che trasportano il combustibile devono avere tutte la medesima lunghezza, questo per evitare sfasamenti nell'iniezione. Per questo motivo, le tubazioni che raggiungono gli iniettori sulle teste più vicine alla pompa, a volte, risultano avvolte su loro stesse.

Pompa d'iniezione[modifica | modifica sorgente]

Ha il compito di portare il gasolio agli iniettori innalzando la pressione del carburante. In questo modo la pressione vince il precarico della molla che tiene chiuso l'iniettore e il gasolio viene iniettato nel cilindro. La pompa di iniezione è collegata alla distribuzione (talvolta anche mediante un alberino o asse), con una certa sincronia rispetto all'albero motore e all'albero a camme. La sincronia di questi organi del motore si chiama "fase". Le pressioni di esercizio vanno dai 200-250 bar dei motori a precamera ai 1800-2000 dei sistemi a iniettore-pompa. La pompa d'iniezione dal 2006 è diventata obbligatoria su tutti i motori "Euro 4" a benzina, a causa dell'eccessivo inquinamento prodotto dalle auto con motori a carburatore.

La sovralimentazione[modifica | modifica sorgente]

Per sfruttare ancor di più la potenza specifica (detto anche rapporto cavalli-litro) del motore Diesel spesso si ricorre al sistema della sovralimentazione. Questo sistema è quasi sempre utilizzato nei motori a ciclo Diesel moderni. Lo scopo di questo sistema è quello di introdurre una maggior quantità d'aria all'interno della camera di scoppio per poter bruciare una maggior quantità di combustibile per ogni ciclo.
Per ottenere questo risultato si ricorre ad un turbocompressore (ma è possibile impiegare anche compressori centrifughi o volumetrici azionati dal moto dell'albero motore), collegato mediante tubazioni al collettore di aspirazione esso comprime l'aria che verrà immessa poi nel cilindro. Il funzionamento del compressore centrifugo dipende dalla turbina a gas di scarico calettata sullo stesso asse (o alberino), la quale viene azionata dai gas di scarico del motore.
Bisogna tener presente che dall'altra parte del compressore centrifugo è situato un apposito filtro per l'aria. L'aria quindi che viene aspirata dopo essere stata compressa dal compressore passa per l'intercooler, in molti casi aftercooler (che dissipa il calore ceduto all'aria durante la fase di compressione al fine di aumentarne ulteriormente la densità) e poi per il collettore di aspirazione e viene immessa nella camera di scoppio ove avverrà il ciclo di combustione. Se la pressione in mandata è eccessiva si potrebbero creare danni al motore, per cui nelle turbine a geometria fissa si interpone una valvola chiamata "Valvola Waste Gate", che ha il compito di aprirsi, appunto in queste circostanze, e deviare parte dei gas di scarico prima che passino attraverso alla turbina, riducendone così la potenza; nelle turbine a geometria variabile la valvola è assente in quanto la velocità di rotazione della turbina, e quindi il flusso d'aria in uscita, viene gestita variando opportunamente la geometria delle alette della turbina.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ Eastop & McConkey 1993, Applied Thermodynamics for Engineering Technologists, Pearson Education Limited, Fifth Edition, p.137
  2. ^ IL MOTORE A TESTACALDA

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]