Funzionamento motore diesel

Discussione in 'Schede Tecniche' iniziata da MirkoAlfa, 26 Gennaio 2007.

  1. Le differenze tra un motore diesel ed uno a benzina non consistono nel solo carburante impiegato, ma derivano soprattutto da considerazioni termodinamiche; la scelta del carburante impiegato, infatti, è solo una conseguenza del ciclo termodinamico su cui si basa il funzionamento del motore.

    I cicli termodinamici utilizzati nei motori alternativi a combustione interna sono due: il ciclo di Otto (per i motori a benzina, metano, GPL, metanolo, idrogeno…) ed il ciclo di Diesel ( per i motori a gasolio ). Per completezza è il caso di menzionare il ciclo di Brayton-Joule su cui si basano i motori aeronautici a reazione ed il ciclo di Rankine per le macchine termiche a vapore.

    Il ciclo di Otto fu ideato nel 1862 dal francese Beau de Rochas e applicato nel 1877 dal tedesco N.A. Otto, da cui prese il nome.

    Nel 1893 il tedesco Rudolf Diesel, apportando alcune modifiche al ciclo Otto, pubblicò il suo ciclo per un motore a combustione interna; una delle modifiche sostanziali fu il fatto che nel motore veniva compressa aria pura anziché miscela aria-combustibile.

    I motori a ciclo Diesel si dicono anche ad "accensione per compressione" (AC) perché all'interno dei cilindri il carburante s'infiamma spontaneamente a causa del notevole aumento della temperatura dell'aria causato dalla compressione.

    Nei motori a benzina (ciclo Otto), detti ad accensione comandata (AS), l'accensione avviene invece non per compressione, ma grazie alla presenza di un impianto di accenditori ad alta tensione, detti "candele", che fanno scoccare nel giusto istante la scintilla di innesco dando l'avvio alla combustione all'interno dei cilindri: è proprio questa la prima sostanziale differenza tra un diesel ed un benzina.

    Il verificarsi dell'accensione spontanea in un motore a ciclo Otto è da ritenersi estremamente deleterio perché se questa evenienza dovesse verificarsi avverrebbe in anticipo rispetto al dovuto ed in maniera estremamente violenta degenerando in detonazione ( velocità supersonica del fronte di fiamma che si propaga sotto forma di onda d'urto ); la detonazione, chiamata in gergo “battito in testa”, è caratterizzata da un tipico rumore di tintinnio metallico generato dall'onda d'urto che impatta su testa, pistone e parete del cilindro causando un notevole decadimento delle prestazioni del motore e, nella peggiore delle ipotesi, danni strutturali.

    Detto ciò si comprende facilmente che il funzionamento del motore deve avvenire in regime di combustione ordinaria evitando assolutamente la detonazione, ed è per questo motivo che il rapporto di compressione del motore a ciclo Otto non deve superare una certa soglia limite. (Il rapporto di compressione volumetrico di un motore è dato dal rapporto tra il volume massimo ed il volume minimo della camera di combustione, ovvero tra volume della camera con il pistone al punto morto inferiore e volume con il pistone al punto morto superiore ).

    Da ciò emerge la seconda sostanziale differenza tra un diesel e un benzina: il rapporto di compressione.

    In un propulsore AS (benzina) il rapporto di compressione deve essere inferiore a 12:1 per un aspirato ed inferiore a 8,5:1 per un turbo-compresso (per evitare la detonazione). In un motore AC (diesel) il rapporto di compressione può anche arrivare a 23:1 in un aspirato e 18:1 in un turbo compresso ed è limitato, per ragioni strutturali, “soltanto” dalle sollecitazioni degli organi principali del motore.

    A questo punto è possibile fare alcune importanti considerazioni:

    • Considerazione numero uno : la termodinamica ci dice, che il rendimento di un motore a scoppio aumenta con l'aumentare del rapporto di compressione. Da ciò deduciamo che un motore a gasolio ha un rendimento termodinamico maggiore rispetto ad un equivalente motore a benzina; in altre parole, a parità di calore generato dal combustibile bruciato produce più energia meccanica. Ciò si traduce, a parità di potenza massima del motore, in un minor consumo di combustibile ed in una maggiore disponibilità di coppia motrice.

    Analizziamo adesso il risvolto della medaglia: la combustione del gasolio è lenta. Proprio grazie a questa caratteristica, questo combustibile può essere utilizzato con gli alti rapporti di compressione che caratterizzano i motori diesel (che originariamente bruciavano una polvere finissima di carbon-fossile).

    Combustione lenta significa che il motore diesel ha un limitatore di giri naturale. Infatti oltre i 5.000 giri/min il rendimento dei propulsori AC scende vistosamente non essendo più possibile la completa accensione della miscela con conseguente calo delle prestazioni. Per i motori a benzina la soglia del regime di rotazione è invece intorno ai 18.000 giri/min, regime a cui girano però solo gli attuali motori da formula uno ( anche se in ambito motociclistico è ormai usuale un regime intorno ai 15.000 giri/min ).

    E' stato prima detto che i motori AC sono caratterizzati da un elevato valore del rapporto di compressione. Il valore di quest'ultimo caratterizza la "ferocia" della combustione e una combustione violenta equivale ad una "sonora" e brutale martellata sui pistoni, sulle pareti dei cilindri e sulla testa.

    • Considerazione numero due : i diesel sono mediamente più pesanti dei motori AS poiché, dovendo resistere a sollecitazioni più intense, dovute ad una combustione più “violenta” rispetto a quella di un ciclo Otto, devono essere adeguatamente dimensionati.

    • Considerazione numero tre : sempre per motivi legati ad una combustione più “violenta”, i diesel sono più rumorosi dei benzina.

    Ricapitolando : a fronte di un migliore rendimento, il diesel paga il prezzo di un regime limitato a 5.000 giri/min che ne limita la potenza massima, di una maggior sollecitazione degli organi meccanici e di una rumorosità poco piacevole; inconvenienti che, abbinati al maggior costo di progettazione e costruzione, hanno limitato inizialmente l'impiego dei propulsori diesel solo in ambito industriale, nella trazione stradale pesante e per i grandi motori navali, rimanendo però emarginati dall'ambito aeronautico ( a causa del peso eccessivo ) o dai mezzi stradali leggeri ( a causa dell'eccessivo costo ).

    Il fatto di non essere mai stati utilizzati come motori aeronautici ne ha sicuramente rallentato lo sviluppo, ma l'attuale tecnica del diesel ha fatto passi da gigante ed al giorno d'oggi i suoi inconvenienti pesano sempre meno.

    Quali sono le innovazioni apportate da progettisti e costruttori per ottenere l'attuale generazione dei diesel ?

    TURBO, TITANIO E COMMON RAIL
    Sul fronte "prestazioni" la prima svolta è stata data dall'adozione del turbo-compressore che ha migliorato nettamente l'alimentazione del diesel poichè soffia più aria di quanta il motore ne potrebbe aspirare da solo e per di più lo fa alimentato da energia di scarto recuperata dai gas di scarico.
    L'adozione del “turbo” inizialmente ne peggiorò la guidabilità poiché diminuì l'intervallo di giri in cui il motore è meglio sfruttabile e poiché il turbo-compressore soffre del tipico ritardo di risposta ( fenomeno denominato “turbo lag”). Infatti fin quando l'azione del dispositivo non diventa considerevole, la coppia motrice risulta ridotta comportando una sensibile restrizione del campo d'utilizzo del propulsore.

    Per rendere meno avvertibile il fenomeno, i progettisti svilupparono particolari tipi di turbina detti a “geometria variabile” che, abbinate in futuro alla gestione elettronica dell'alimentazione e all'iniezione diretta, lo annullarono quasi del tutto.

    Inizialmente i costruttori, per diminuire la rumorosità dei motori per autotrazione, adottarono un sistema di iniezione detto a “pre-camera”: in pratica, il combustibile era iniettato in una pre-camera comunicante con quella principale tramite un ugello di espansione con un foro di piccola sezione. Il passaggio della miscela aria-combustibile avveniva, mentre la combustione era in atto, attraverso l'ugello che provocava una brusca "laminazione". La miscela si trovava improvvisamente ad una pressione più bassa (dovuta alla maggiore ampiezza della camera di combustione rispetto alla pre-camera), si raffreddava e si contraeva. Il risultato era un calo delle prestazioni ma anche un netto abbattimento della rumorosità, come voluto dai progettisti.

    L'iniezione diretta ( ovvero senza pre-camera ) era utilizzata solo nei motori industriali, in quelli destinati alla trazione stradale pesante e per la propulsione navale.

    Un'altra svolta decisiva è stata data dall'adozione dei sistemi di iniezione diretta anche nei motori “leggeri”: al giorno d'oggi la quasi totalità dei motori diesel per autotrazione è alimentata ad iniezione diretta ed è equipaggiata turbo-compressore.

    I più importanti passi nello sviluppo dei motori diesel “leggeri” sono stati fatti dai progettisti dalla FIAT che fu la prima casa automobilistica al mondo ad utilizzare l'iniezione diretta di gasolio in un motore destinato a muovere un'automobile: accadde nel 1988 con il lancio della FIAT Croma 2.0 TD i.d. equipaggiata da un motore di 1.968 cc con potenza di quasi 100 CV, turbo-compressore a geometria variabile e pompa rotativa ad alta pressione; era proprio l'alta pressione di iniezione necessaria per realizzare l'iniezione diretta uno dei principali problemi da risolvere. Il propulsore era completamente privo di qualsiasi gestione elettronica dell'alimentazione e caratterizzato da un tipico e riconoscibile rumore di funzionamento, ma nonostante ciò quel motore era avanti di dieci anni rispetto agli altri diesel sul mercato.

    Per ridurre la rumorosità del diesel a iniezione diretta, senza penalizzarne le prestazioni, l'unica strada da seguire era quella di rendere la combustione più graduale e ciò fu ottenuto dosando il combustibile un po' alla volta realizzando più fasi di iniezione gestite elettronicamente; questa è proprio la principale caratteristica di funzionamento del common-rail, caratteristica non realizzabile con una tradizionale pompa rotativa che realizza l'iniezione necessariamente in un'unica soluzione.

    Nel 1997 (nove anni dopo il lancio della Croma 2.0 TD i.d.) la FIAT presentò sul mercato la 156 JTD, prima automobile al mondo equipaggiata da impianto di alimentazione common-rail (sistema sviluppato da FIAT con brevetto successivamente ceduto alla BOSCH); da questo momento in poi il diesel a pre-camera non avrà più ragione di esistere.

    Grazie alla particolare gestione elettronica dell'iniezione ad altissima pressione (1300 bar contro i 150 bar dei sistemi a pre-camera) implementata nel sistema common-rail, l'iniezione diretta ha potuto diffondersi su larga scala nei motori “leggeri”. Ciò è avvenuto grazie alla possibilità di realizzare due fasi di iniezione: una detta “pilota” con cui viene iniettata inizialmente una piccola quantità di combustibile ed una principale. Ciò ha permesso l'ottenimento di un funzionamento più "morbido" e meno rumoroso, una combustione più completa, grazie al combustibile più finemente polverizzato, e l'abbattimento degli elevati picchi di temperatura in camera di combustione che generavano notevoli quantità di ossidi di azoto ( NOxX ) estremamente nocivi alla salute; inoltre l'accoppiata common-rail & turbo ben si sposò, grazie al dosaggio del combustibile estremamente preciso, con l'aumento di prestazioni, la diminuzione dei consumi e con il drastico abbattimento del particolato emesso ( tipico fumo nero del diesel ).

    Il common-rail è affiancato da un altro efficace sistema di iniezione ad alta pressione: l'iniettore-pompa. Questo sistema, sviluppato dalla Volkswagen più o meno in contemporanea al common-rail, consiste nell'integrazione di una micro-pompa all'interno dello stesso iniettore che consente di realizzare una pressione di iniezione intorno ai 2000 bar che, abbinata alla gestione elettronica del dosaggio del combustibile, ha ottenuto risultati degni di nota al pari del common-rail…Anche se i propulsori equipaggiati da iniettore-pompa sono caratterizzati da una rumorosità di funzionamento leggermente superiore a causa della presenza di una sola fase di iniezione ( nel common-rail di ultima generazione ce ne sono addirittura cinque ).
    La battaglia tra common-rail ed iniettore-pompa è stata quindi spietata, ma adesso anche la Volkswagen equipaggia i suoi motori più “prestigiosi” con il sistema common-rail ( vedi Audi A8 3.3 V8 Tdi).

    Un altro incremento di potenza sul diesel deriva dall'adozione di testata multi-valvole, che ha il pregio di migliorare la respirazione del motore apportando ulteriori vantaggi in termini di prestazioni.

    L'aumento delle prestazioni, che dal nostro punto di vista è sempre una buona cosa, non è visto così tanto bene sul fronte "sollecitazione organi meccanici"; la soluzione viene dalle nuove leghe di titanio più leggere e robuste dell'acciaio, anche se, ovviamente, non sono la soluzione banale per tutti i problemi strutturali soprattutto per via degli elevati costi.
     

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  3. Bè semplicemente sbalorditivo, completo, sembra quasi una enciclopedia... complimenti .: Clap :. .: Clap :. .: Clap :.
     
  4. wow... .: Clap :. .: Clap :.
    c'è tutta quella roba sotto un cofano?!?! :lachen001: :grinser005: : good . :

    bella mirko...
     
  5. Una relazione completa e precisa. C'è sempre da imparare qualcosa di nuovo
     
  6. ottimo articolo e anch'esso dimostra che a noi italiani, nessuno ci deve insegnare niente.
     
  7. Salve la contatto in merito al suo articolo sul funzionamento del motore diesel. Per caso ha creato dei pdf?

    Vorrei poterli avere per email ma ho provato ad inviarle un pm ma ha la casella piena

    Saluto