Membri del gruppo
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- Arieta Carlo
- Salemme Rocco
Il motore Diesel è una tipologia di motore a combustione interna. 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. Quest' ultimo infatti, ha un rendimento più basso, poichè per migliorarlo bisognerebbe poter aumentare ulteriormente il "rapporto di compressione", cosa impossibile se si utilizza una miscela aria - benzina, perchè la benzina presenta il fenomeno dell'autoaccensione. In pratica l'aria all'interno del cilindro viene compressa ad elevati valori e in seguito si aggiunge il combustibile e l'accensione della miscela avviene quindi spontaneamente proprio a causa di questa elevata temperatura.
Origini del motore Diesel
Rudolf Diesel sviluppò l'idea di un motore a cui bastasse l'alta pressione del carburante per accendersi, eliminando quindi il dispositivo di accensione allora usato nei motori a combustione interna.
Il 17 febbraio 1894 un motore dotato di un singolo pistone fu capace di girare per un minuto durante una dimostrazione pubblica: il motore era alimentato con carburante polverizzato, iniettato da un getto d'aria compressa. Era una macchina alta 3 metri, che raggiungeva una compressione di 80 atmosfere (8100 kPa).
La sua presentazione ufficiale si ebbe, dopo altri tre anni di studio, all'Esposizione Universale di Parigi del 1900, il carburante utilizzato era l'olio di arachidi; la produzione iniziò subito e il primo motore destinato al mercato fu assemblato all'interno di una distilleria statunitense. La quantità di brevetti che vennero riconosciuti al motore in tutti i Paesi europei assicurarono una rendita milionaria a Rudolf Diesel, che divenne ricco in poco tempo.
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.
CICLO A 4 TEMPI
ASPIRAZIONE:
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.
COMPRESSIONE:
L'aria viene compressa dalla spinta ascendente dello stesso pistone raggiungendo la pressione di 3000 kPa. In questo processo la temperatura può raggiungere valori compresi tra i 700 e i 900 °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.
SCOPPIO:
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.
SCARICO:
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.
CICLO A 2 TEMPI
Il ciclo Diesel a 2 tempi comprende solo l'aspirazione e lo scarico, al giorno d'oggi si utilizza solo per le navi e le centrali termoelettriche con cilindri di grandi dimensioni e più lenti, ma che hanno maggiore potenza.
Schema di motore Diesel
1. Iniettore
2. albero a camme
3. valvola
4. pistone
5. biella
6. albero a gomito
L'iniezione nei motori Diesel
Due sono oggi le tipologie di iniezione dei motori Diesel: indiretta e diretta.
INDIRETTA:
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.
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.
Nei primi motori Diesel il sistema di regolazione dell'iniezione 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 ossido di azoto 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.
Sistema ad iniezione
Conclusioni
Infine concludiamo elencando vantaggi e svantaggi che il motore diesel ha rispetto ad un motore tradizionale a scoppio.
VANTAGGI
-ha un rendimento maggiore, circa il 40%;
-è molto più semplice, in quanto non sono necessari nè il carburatore, nè la candela e quindi ha un minore costo di manutenzione;
-puo' usare combustibile meno costoso (nafta,gasolio) che,essendo poco volatile, alle basse temperature non riesce a mescolarsi bene con l'aria nel carburatore del motore a scoppio, mentre va benissimo alle alte temperature del motore diesel;
SVANTAGGI
-lavorando a pressione piu' elevata deve essere piu' robusto, quindi è più pesante e, di conseguenza, più costoso e più lento;
Quindi considerando il non basso costo iniziale, ma il minor costo di manutenzione, è adatto per macchine che vengono usate molto e che non necessitino di alte velocità, quindi consigliate per usi industriali e trasporti.