Motore Diesel
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Il motore Diesel 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.
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[modifica] Introduzione
Nel caso di questo motore l'accensione della miscela aria – carburante avviene per compressione e non viene provocata da una scintilla o altro agente esterno, come per i motori alimentati a benzina. 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 avviene quindi spontaneamente proprio a causa di questa elevata temperatura.
[modifica] Origini del motore Diesel
[modifica] Funzionamento
Quando un gas viene compresso, la sua temperatura, in base alla legge combinata dei gas, cresce. Nel motore Diesel viene utilizzata questa proprietà per provocare l'accensione spontanea 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, dove viene compressa dalla spinta ascendente dello stesso pistone. In questo processo la temperatura può raggiungere valori compresi tra i 700 e i 900 gradi C. Poco prima che il pistone raggiunga il punto morto superiore, il punto di massima salita dello stesso, viene immesso per mezzo di un iniettore il carburante. Si ha poi la combustione e la seguente fase di espansione che riporta il pistone verso il basso generando così la rotazione dell'albero motore, che genererà la forza che, semplificando, permette il movimento del veicolo. Infine si ha la fase di scarico dove i gas combusti vengono espulsi dal cilindro attraverso l'apertura della valvola di scarico. Da notare che è possibile realizzare anche un motore Diesel con ciclo due tempi.
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 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 dello stesso 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. Nei motori Diesel, a differenza di quelli a benzina, non è possibile agire per gestire l'accensione, e quindi la potenza, direttamente sulla quantità di miscela aria-carburante da immettere nel cilindro ma solo sulla quantità di carburante immesso. 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. 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 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 unità di angoli 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 serie dalla Fiat Croma Turbo D i.d.
[modifica] Iniezione indiretta
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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
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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 sono generalmente molto più grandi e sviluppano potenze molto maggiori. 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.
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Per approfondire, vedi le voci Ciclo Diesel e Ciclo Sabathé. |
[modifica] Motori Diesel a quattro tempi
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 benzina o di motori a 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 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%).
Il gasolio arrivava dal serbatoio e il Diesel vi sostava per un bel po’ di tempo dato che si trattava di un serbatoio che in certi casi conteneva più di un litro di gasolio, ma per fortuna, tutti questi sistemi di pre-riscaldamento, con il tempo, vennero banditi a causa dei rischi che comportavano in caso di incidenti.
Pur scomparendo la precamera, anche i sistemi common rail hanno una sorta di preparazione del carburante che avviene nel "condotto comune" (common rail) in cui il gasolio si trova a pressioni altissime ed è pronto per l'iniezione che avviene di conseguenza a pressioni elevatissime.
Gli iniettori devono quindi sopportare pressioni elevatissime ed è stato questo il principale problema tecnico che hanno dovuto affrontare gli ingegneri Fiat. Il completamento del sistema commonrail è stato opera della Bosch a cui Fiat cedette il brevetto, pare proprio a causa di questi problemi a livello di iniezione.
[modifica] L'evoluzione tecnica
L’attenzione si concentrò, quindi, nello sviluppo di sistemi in grado di ottenere le stesse caratteristiche dei motore Diesel con pre-riscaldamento del carburante senza avere organi di preriscaldamento in quanto avevano grossi problemi di affidabilità. Ecco che si cercò di sviluppare il sistema di compressione in modo da non avere più la necessità di pre-riscaldare il combustibile e per fare sì che l’aria fosse sufficientemente calda per far avvenire la combustione.
Il risultato venne ottenuto riducendo sempre più la camera di combustione, in modo che lo spazio rimanente all’aria nel fine corsa superiore sia il meno possibile, in modo da avere compressioni più elevate.
Ma per fare questo, si dovette adoperare i motori sottoquadri, dove i pistoni avevano una corsa piu lunga rispetto l'alesaggio e quindi ci fu la necessità d'appesantire il volano. A questo punto, trovato il modo di comprimere maggiormente l’aria, bisognava solo trovare il modo di vincere la pressione all’interno della camera di combustione, per riuscire ad iniettare il gasolio ad una pressione superiore ai 1 800 bar e da questo momento tutte le varie case motoristiche, hanno ideato sistemi diversi.
A dire il vero, però, prima d'arrivare ad attuare questi sistemi si attese l'arrivo agli anni '50, soprattutto perché, iniettando il gasolio a quella pressione, all’interno della camera di combustione, non si otteneva piu una fiamma uniforme ottenendo così una spinta sbilanciata sul pistone che imponeva sforzi anomali alle bielle.
La soluzione a questo problema venne trovata dalla casa motoristica americana Continental che stava studiando il modo di utilizzare il motore Diesel sugli aerei. Il tutto consisteva nel fare un rigonfiamento sulla testata dove veniva costretta l’aria e in quello spazietto rimanente sopra al pistone che era anche la camera di combustione dove c’era anche una candeletta per aiutare la combustione.
L’idea funzionava bene se non che la fiamma non era ancora regolare in quanto l’iniettore era posizionato lateralmente in una parete di questo spazio ridotto sopra alla camera di combustione. Questo sistema era utilizzato soprattutto dalla Caterpillar per mezzi di lavoro e in mezzi blindati.
La Caterpillar, che faceva soltanto motori di grosse cilindrate, ebbe l'idea di mettere 3 iniettori attorno alla camera di combustione per avere una combustione più regolare, il sistema funzionava, se non che si perdeva moltissima compressione a causa dell'aumento del volume della camera di combustione e non si trovava il modo di utilizzare la stessa funzione nei motori di cilindrata più piccola.
Prima che venisse eliminata la pre-camera nei motori Diesel veloci si arrivò agli anni '80 quando la casa tedesca Volkswagen trovò il modo d'iniettare ad elevata pressione il gasolio nel rigonfiamento sulla testata con un sistema di compressori, ma bisognava rinforzare fortemente i vincoli delle bielle a causa della combustione irregolare che imponeva spinte anomale sulla superficie del pistone riducendo così la prontezza di risposta del motore.
Passarono moltissimi anni e si arriva fino agli anni '90 quando la casa italiana Fiat ha l’idea di riportare completamente la camera di combustione all'interno del pistone, eliminando la precamera, e sfruttando le nuove pompe iniezione rotative della Bosch ad alta pressione accoppiate con un iniettore a getti multipli. Tecnicamente fu la Perkins a vincere sul tempo la fiat, ma quest'ultima riuscì a rendere il motore fruibile alla clientela e commercializzarlo in tempi decisamente minori, grazie ad un progetto che non prevedeva inutili complicazioni elettroniche. La cosa fu possibile grazie ad un attento studio delle fluidodinamiche all'interno della camera di combustione (il motore è il blocco da 1 930 cm³denominato DiD e montato sulle Fiat Croma). Le pompe di iniezione rotative però presentavano il problema di una incostante pressione di iniezione, essendo mosse comunque dall'albero a camme del motore. 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. In casa Fiat si 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.
Qui, la Fiat, che deteneva i diritti su tale invenzione, commise l'errore di vendere il brevetto per il sistema Common-Rail alla Bosch che, però fu in grado di sviluppare le successive evoluzioni di tale sistema, rendendolo sempre competitivo sul mercato. Quasi contemporaneamente, infatti, la casa tedesca Volkswagen, nel 2000, sviluppa un sistema di iniezione diretta denominato iniettore pompa (TDI), 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. La controindicazione più importante si presentò però molto presto ed era intrinseca nella progettazione del motore stesso. Mentre il sistema common rail era praticamente applicabile a tutti i motori a gasolio senza doversi sobbarcare costose riprogettazioni dei motori, il sistema iniettore pompa richiedeva una totale rivisitazione delle testate dei motori, costrette ad alloggiare i pesanti iniettori che fungevano anche da pompa, mossi dall'albero a camme o da un albero aggiuntivo (sempre per mezzo di camme). Tale sistema è attualmente ancora usato sui motori del gruppo ma sino ai 2 litri di cilindrata. Oltre viene utilizzato il sistema common rail (multijet), capace di rispettare le sempre più stringenti normative antiinquinamento.
L’evoluzione finale del Common-Rail è nuovamente merito della Fiat che sulla base del Common rail da lei inventato ha sviluppato il sistema di iniezione 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 pluriiniezioni 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.
Grazie a questa evoluzione, il multijet è diventato il motore dal miglior rendimento, ottenendo dei valori di erogazione di coppia motrice costantemente (al di sopra del 90% della coppia massima) nei regimi compresi tra 1500 e 4500 rpm, facendo segnare un nuovo punto di arrivo in termini di allungo per i motori Diesel, che non è cosa comune veder girare a regimi così elevati.
L'ottimo rendimento di questo motore ha attratto molte case Automobilistiche estere verso Fiat, che questa volta, non cedendo il brevetto, ha iniziato a fornire personalmente i motori alle case automobilistiche estere che ne hanno fatto richiesta, in particolare ai marchi che fanno capo all'americana General Motors (come Opel, Suzuki, Cadillac e Saab) nell'ambito di un accordo di fornitura.
Questa è una dimostrazione notevole di successo di un progetto ben fatto. Resta l'amaro in bocca a Fiat per aver lasciato scappare il primo Common-Rail, infatti attualmente più del 90% dei motori Diesel in commercio utilizza la Tecnologia Common-Rail inventata da Fiat, un fatto che sarebbe bene tener presente ogni volta che si parla di Diesel al giorno d'oggi.
