Motore Diesel

Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.

Il motore Diesel o motore A.S. è una tipologia di motore a combustione interna, il quale viene alimentato da un impianto d'alimentazione e scarica i prodotti esauriti (gas di scarico) tramite un impianto di scarico. Prende il nome dal suo inventore, il tedesco Rudolf Diesel, che lo brevettò nel 1892.

Indice

[modifica] Introduzione

Nel caso di questo motore l'accensione della miscela aria – combustibile avviene ad effetto del riscaldamento dovuto a compressione. In pratica l'aria all'interno del cilindro viene compressa ad elevati valori e in seguito a questa compressione si ha un innalzamento della sua temperatura. L'accensione della miscela

[modifica] Origini del motore Diesel

Sezione vuota
Questa sezione è ancora vuota. Aiutaci a scriverla!
Il brevetto depositato da Rudolf Diesel

[modifica] Funzionamento

Quando un gas viene compresso, la sua temperatura cresce. Nel motore Diesel viene utilizzata questa proprietà per raggiungere la temperatura di accensione della miscela aria-carburante.

In un motore Diesel con ciclo a quattro tempi l'aria viene immessa nel cilindro, richiamata dal movimento discendente del pistone e attraverso la valvola di aspirazione, quando il pistone risale tale aria è compressa. In tale compressione l'aria può raggiungere valori di temperatura tra i 700 e i 900 gradi C. Poco prima che il pistone raggiunga il punto morto superiore, cioè il punto di massima salita dello stesso, viene immesso per mezzo di un iniettore il carburante nell'aria arroventata e compressa nello spazio residuo sopra il pistone. Si ha quindi l'autoaccensione e poi la combustione della miscela aria combustibile, a cui segue la fase di espansione che riporta il pistone verso il basso generando così la rotazione dell'albero motore, la spinta per tale rotazione costituisce la erogazione di energia meccanica che è lo scopo del motore stesso. Infine si ha la fase di scarico dove i gas combusti vengono espulsi dal cilindro attraverso l'apertura della valvola di scarico. È da notare che è possibile realizzare anche un motore Diesel con ciclo due tempi.

Uno dei primi motori Diesel

Il funzionamento sopra riportato spiega alcune delle caratteristiche che differenziano il motore Diesel da quello a benzina. Per fronteggiare le forze che si creano durante l'intero processo il motore Diesel dovrà avere un rapporto di compressione molto più elevato di quello di un analogo motore a benzina. Questa necessità influenza anche il peso di un motore Diesel, che sarà maggiore di quello di un motore a benzina di analoga cilindrata, in quanto le parti del motore dovranno essere costruite per resistere a stress più elevati. D'altra parte, proprio per il suo funzionamento, il motore Diesel trae maggiori vantaggi dall'impiego di sistemi di sovralimentazione che effettuano una compressione dell'aria già prima che questa entri nel cilindro.

In questo tipo di motori è di fondamentale importanza il sistema di alimentazione ed in particolare la pompa del combustibile, che regola la quantità di carburante immessa nei cilindri. Sulla base della quantità di carburante immesso ad ogni regime di rotazione il motore fornisce più o meno potenza in quanto l'aria da questo aspirata è un valore costante che corrisponde sempre al massimo possibile (non esiste un carburatore). Nei motori Diesel, a differenza di quelli a benzina, non è necessario gestire l'accensione con dispositivi esterni, è lo stesso fatto della iniezione che direttamente agisce per l'"accensione" della miscela. La potenza non è direttamente basata sulla quantità di miscela aria-carburante che è immessa nel cilindro, ma solo sulla quantità di carburante iniettato. Nei primi motori Diesel questo sistema di regolazione era di tipo meccanico con una serie di ingranaggi che prelevavano energia dal motore stesso. Il limite più rilevante era dato dal fatto che l'immissione di carburante era rigidamente collegata con il regime di rotazione del motore stesso, dato che la combustione è un fatto fisico costante, a basse velocità di rotazione la combustione rischia di essere troppo anticipata rispetto al moto del pistone (che è relativamente più lento), mentre a velocità elevata il moto accelerato (veloce) del pistone combinato con la combustione fa risultare la combustione relativante ritardata. Nei motori moderni l'immissione di carburante è invece regolata attraverso il ricorso all'elettronica. Si hanno quindi dei moduli di controllo elettronici (ECM – Electronic Control Module) o delle unità di controllo (ECU – Electronic Control Unit) che altro non sono che dei piccoli calcolatori montati sul motore. Questi ricevono i dati da una serie di sensori e li utilizzano per calibrare, secondo tabelle (dette anche mappe) memorizzate nell'ECM/ECU, la quantità di carburante da iniettare e (soprattutto) il tempo, inteso come momento esatto di immissione, in modo da ottenere sempre il valore ottimale, o il più vicino a questo, per quel determinato regime di rotazione. In questo modo si massimizza il rendimento del motore e se ne abbassano le emissioni. In questo caso il tempo, misurato in gradi angolari di rotazione, assume una importanza critica in quanto sia un ritardo che un anticipo rispetto al momento ottimale comportano dei problemi. Infatti se si anticipa troppo si ritroveranno nei gas di scarico valori rilevanti di ossidi di azoto (NOx) anche se il motore raggiunge una efficienza maggiore dato che la combustione avviene ad una pressione più alta. Un ritardo invece, a causa della combustione incompleta, produce molto particolato (polveri sottili) e fumosità allo scarico oltre a peggiorare l'efficienza del motore. Non esiste un valore ottimale valido per tutti i motori ma ogni motore ne ha uno proprio.

[modifica] L'iniezione nei motori Diesel

Due sono oggi le tipologie di iniezione dei motori Diesel: indiretta e diretta. La prima tipologia, quasi scomparsa dai motori Diesel automobilistici di ultima generazione, era molto utilizzata per la sua semplicità dato che i primi pistoni erano a testa piatta ed era facilitata la sistemazione dell'iniettore. Oggi invece si utilizzano pistoni dal disegno della testa più complessa accoppiati al sistema di iniezione di tipo diretto, adottato per la prima volta in motori di serie dalla Fiat Croma Turbo D i.d.

[modifica] Iniezione indiretta

Per approfondire, vedi la voce Iniezione indiretta.

Nell'iniezione indiretta il gasolio viene iniettato in una precamera di combustione che si trova sulla testata del motore. L'iniettore ha un solo foro di polverizzazione del gasolio. La pressione d'iniezione del gasolio è di circa 150 bar. Nella precamera c'è una candeletta elettrica che serve a facilitare l'avviamento del motore. La candeletta non riscalda l'aria, ma il gasolio e le pareti della precamera di combustione. Con questo sistema si rallenta il ritardo di accensione e si riduce il rumore emesso. Viene ridotto anche lo stress della combustione e quindi le pressioni sui singoli componenti. Si ha però come svantaggio la perdita di calore verso il sistema di raffreddamento e quindi una minore efficienza generale del propulsore.

[modifica] Iniezione diretta

Per approfondire, vedi la voce Iniezione diretta.

Diversi sono i sistemi di iniezione diretta impiegati sui motori Diesel. Per iniezione diretta si intende l'immissione del carburante direttamente nella camera di scoppio (senza precamera quindi). In questo caso il sistema di alimentazione deve operare a pressioni molto più alte del sistema di iniezione indiretta e sono eliminati alcuni di quei componenti che rendevano il motore Diesel particolarmente rumoroso. L'iniezione diretta ha avuto diverse interpretazioni, la più famosa è il sistema denominato Common rail ma esiste anche il sistema ad Iniettore pompa. I primi motori Diesel ad iniezione diretta dotati di pompa rotativa sono ormai scomparsi in virtù delle notevolmente superiori performance dei due sistemi sopracitati.

[modifica] Tipi di motore Diesel

[modifica] Motori Diesel a due tempi

I motori Diesel a due tempi sono di impiego esclusivamente navale, vengono installati su navi mercantili (portacontainer, bulk carrier, petroliere) in accoppiamento con un'elica a passo fisso.

Rispetto ai motori navali a 4 tempi, i motori a due tempi sono generalmente molto più grandi e sviluppano potenze molto maggiori, essendo inoltre privi di valvole hanno una notevole semplificazione costruttiva. Attualmente il più grande motore del mondo è il Wärtsilä 14RTFLEX96-C che è il motore principale delle più grandi navi portacontainer del mondo, prodotte dalla danese Maersk. Questo motore sviluppa una potenza di 82 MW e riesce a garantire una velocità di crociera di 25 nodi.

Per approfondire, vedi le voci Ciclo Diesel e Ciclo Sabathé.

[modifica] Motori Diesel a quattro tempi

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

I motori Diesel a quattro tempi sono quelli maggiormente diffusi nel campo automobilistico, ferroviario, nelle centrali di generazione Diesel-elettrica, nelle imbarcazioni da diporto e nelle navi da crociera, traghetti e piccole navi mercantili.

Per quanto riguarda le tipologie di motori si possono realizzare Diesel con qualunque configurazione di cilindri dato che spesso i problemi ed i vantaggi di una determinata configurazione restano immutati, sia che si tratti di motori a Ciclo Otto (benzina) o di motori a Ciclo Diesel (gasolio). Nelle auto la configurazione più diffusa è quella con quattro cilindri in linea. Si può dire che quasi tutti i motori Diesel sono sovralimentati proprio per sfruttare i vantaggi di questo sistema con questa tipologia di motore. Va detto che in ogni caso per raggiungere uno stesso livello di potenza i motori Diesel, per le loro caratteristiche, devono avere una cilindrata (e quindi dimensioni di motore, e quindi peso) superiore a quella dei motori a benzina. In compenso, sempre a parità di potenza erogata, il motore Diesel vanta una maggiore efficienza (circa il 15%).

[modifica] L'evoluzione tecnica

La prima auto di serie al mondo spinta da un motore alimentato a gasolio fu la Mercedes 260 D del 1936. Il motore Diesel era noto però già da tempo, perché applicato su vasta scala in marina in impianti fissi ancor prima della guerra del 1914-18, e a partire dal 1927 su autocarri ed autobus.

In prima fase si provvide (dato che la compressione del motore era limitata) al preriscaldamento del combustibile in modo che il combustibile preriscaldato si incendiasse sufficientemente anche con aria relativamente fredda. Il sistema a preriscaldamneto si mostrò piuttosto complesso ed inaffidabile, ed inoltre eccessivamente legato alla temperatura esterna. L’attenzione si concentrò, quindi, nello sviluppo di sistemi in grado di ottenere le stesse condizioni di riscaldamento direttamente in modo sovrabbondante, e quindi sicuro, direttamente mediante la compressione preventiva dell'aria. La combustione è preceduta dalla vaporizzazione e innesco del combustibile immerso in aria arroventata.

L'arroventamento dell'aria è ottenuto con l'aumento della sua compressione, riducendo sempre più la camera di combustione, in modo che lo spazio rimanente all’aria nel fine corsa superiore sia il meno possibile, ed inoltre con l'adozione di motori "sottoquadri", cioè dove i pistoni avevano una corsa più lunga rispetto l'alesaggio. L'elevato lavoro di compressione (più che raddoppiato che nei motori a benzina) rese più "ruvido" il funzionamento del motore e violentemente smorzata la rotazione dello stesso, questo rese necessario il sovradimensionamento del volano.

Occorreva poi, nell'aria maggiormente compressa, giungere ad iniettare il combustibile. Le varie case motoristiche, hanno ideato sistemi diversi.

Il primo sostanziale risultato di rendere sufficientemente efficace e stabile (con progresso uniforme) la fiammata di combustione fu ottenuta dalla casa motoristica americana Continental che stava studiando il modo di utilizzare il motore Diesel sugli aerei. Il sistema consisteva nel fare una cavità nella testata dove veniva costretta l’aria, ed in quello spazio avveniva una migliore miscelazione di carburante e di aria, vi era inoltre alloggiata una candeletta per aiutare la combustione. Il sistema fu poi utilizzato soprattutto dalla Caterpillar per mezzi di lavoro e in mezzi militari.

La Caterpillar, che produceva prevalentemente motori di grandi dimensioni, per avere una combustione più regolare, ebbe l'idea di aumentare il numero degli iniettori (fino a tre) e quindi i punti di accensione, allo scopo di uniformare il procedere della combustione. La necessità di lasciare un adeguato spazio di miscelazione e di inizio della combustione per ogni iniettore ridusse il rapporto di compressione; chiaramente il sistema poi restava di difficile applicazione in motori di piccola cilindrata.

Negli anni '80 la casa tedesca Volkswagen trovò il modo d'iniettare mediante compressori ad elevata pressione il gasolio nel vano di testata.

Negli anni anni '90 si propose di eliminare le precamere ed i vani di testata, creando invece un vano sulla testa del pistone. Furono poi utilizzate pompe di iniezione rotative della Bosch ad alta pressione, accoppiate con iniettori a getti multipli. Precedendo la FIAT, la Perkins utilizzando sistemi bilanciati fluidodinamici all'interno della camera di combustione riuscì ad ottenere un sistema maggiormente soddisfacente di combustione a diversi regimi, senza complicare il sistema con dispositivi elettronici.

Le pompe di iniezione rotative però presentavano il problema di una incostante pressione di iniezione, dato che erano legate al regime di rotazione del motore stesso. Tale incostanza riduceva il rendimento e aumentava gli inquinanti per incompleta combustione. Si arrivò cosi ad un'idea semplice e molto efficace: immagazzinare in qualche modo il gasolio già in pressione all'interno di un "serbatoio" che costituisse un accumulo di carburante compresso. La FIAT usò un tubo comune al cui interno il gasolio era tenuto a pressione costante e che alimentava gli iniettori. Nacque così il common rail che nelle sue successive evoluzioni ha reso possibile la progressiva riduzione delle cilindrate, grazie ad una perfetta gestione dei fenomeni di combustione, possibile in passato solo su motori con cilindrate unitarie grandi. Bosch fu in grado di sviluppare le successive evoluzioni di tale sistema, rendendolo sempre competitivo sul mercato. Quasi contemporaneamente, la casa tedesca Volkswagen, nel 2000, sviluppò un sistema di iniezione diretta denominato iniettore pompa (PDE), rimpicciolendo ciò che era al momento un sistema che riscuoteva molto successo su motori a gasolio di grossa cilindrata usati su trattori per autotrazione (MAN e Mach che equipaggia i trattori del gruppo Renault). Tale sistema presenta il vantaggio di fornire altissime pressioni di iniezione (oltre 2000 bar), anche a regimi bassissimi, permettendo un'ottima nebulizzazione del gasolio, a tutto vantaggio di una combustione uniforme. Il fatto negativo più importante si presentò presto, ed era intrinseco nella progettazione del motore stesso. Mentre il sistema common rail era praticamente applicabile a tutti i motori a gasolio senza dover subire la riprogettazione dei motore, il sistema iniettore-pompa richiedeva una riprogettazione delle testate dei motori, che dovevano essere previste per alloggiare i (relativamente) grossi iniettori-pompa che dovevano essere singolarmente azionati meccanicamente da alberi motori, o da camme. Il sistema è attualmente ancora usato sui motori del gruppo sino ai 2,5 litri di cilindrata; oltre viene utilizzato comunque il sistema common rail.

L’evoluzione finale del Common-Rail è il multi jet che consiste semplicemente nel frazionamento in tante piccole iniezioni della normale iniezione common rail e possono variare nel numero a seconda delle condizioni di necessità (da 2 a 9 iniezioni per ciclo).

Le pluriniezioni sono rese necessarie dal fatto che il gasolio non brucia istantaneamente, ma solo dopo aver raggiunto una certa massa critica, detonando. Tale fenomeno è ciò che ha reso fino ad oggi il motore a gasolio sempre un po' scorbutico e rumoroso (il classico TAC). Riuscendo però a suddividere il quantitativo di gasolio necessario in sempre più piccole dosi iniettati a forti pressioni, rende la combustione quanto più rotonda possibile. Le fasi sono suddivisibili in:

  1. preiniezione: viene iniettata una piccola quantità di gasolio che fa da fiamma pilota per la combustione vera e propria.
  2. iniezione: si sviluppa in vari step successivi, più ne sono e meglio riesce la totale combustione.
  3. postiniezione: viene iniettata una piccola quantità di gasolio a combustione ormai avvenuta in piena fase di espansione. Tale iniezione, è fondamentale nell'abbattimento degli inquinanti da combustione incompleta, che nei motori a gasolio sono di particolare pericolosità.

[modifica] Voci correlate

[modifica] Altri progetti

Estratto da "http://it.wikipedia.org/wiki/Motore_Diesel"
Strumenti personali