MOTORI DIESEL

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Il concetto di base del funzionamento del motore Diesel è che quando un gas viene compresso, la sua temperatura cresce. In questo motore viene utilizzata tale proprietà comprimendo all’interno del cilindro la sola aria a valori elevati fino a raggiungere la temperatura alla quale il combustibile, iniettato presso il punto morto superiore, si accende spontaneamente. Viene pertanto definito motore ad accensione spontanea, in contrapposizione al motore ad accensione comandata, nel quale l’accensione è innescata da una scarica elettrica.

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 combustibile 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 l’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 combustibile immessa nei cilindri, nonché il momento esatto dell’immissione stessa. Sulla base della quantità di combustibile 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-combustibile che è immessa nel cilindro, ma solo sulla quantità di combustibile 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 combustibile 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 relativamente ritardata. In una fase successiva, l’evoluzione delle pompe di iniezione ha permesso di migliorare il controllo dei tempi e delle quantità di gasolio iniettate, con l’implementazione di dispositivi di autoregolazione dell’anticipo dell’iniezione (ad esempio il variatore dell’anticipo dell’iniezione a masse centrifughe, tipico delle pompe di iniezione in linea). Nei motori moderni l’immissione di combustibile 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 combustibile 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.

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.

Iniezione indiretta

Exquisite-kfind.png 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.

Iniezione diretta

Exquisite-kfind.png 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 combustibile direttamente nella camera di combustione (senza precamera quindi). In questo caso il sistema di alimentazione deve operare a pressioni molto più alte del sistema di iniezione indiretta (gli iniettori hanno tre o più fori, di diametro più piccolo) e sono stati 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.

Tipi di motore Diesel

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 finlandese 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.