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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. 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.
Origini del motore diesel [modifica]
Questo tipo di motore si deve all'inventore tedesco Rudolph Diesel che lo realizzò nel 1892. Il brevetto venne concesso il 23 febbraio 1893. Inizialmente il motore era stato pensato dal suo inventore in modo che potesse utilizzare diversi tipi di carburanti tra i quali anche la polvere di carbone. La sua presentazione ufficiale si ebbe all'Esposizione Universale di Parigi del 1900. In questo caso il carburante utilizzato era l'olio di arachidi. Attualmente il carburante maggiormente utilizzato nei motori diesel è il gasolio tanto che il termine motore a gasolio è divenuto sinonimo di motore diesel. il motore a diesel è l'unico motore che non ha la candela.
Funzionamento [modifica]
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.
L'iniezione nei motori diesel [modifica]
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 [modifica]
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 né l'aria né il gasolio, ma semplicemente le sole 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 [modifica]
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.
Tipi di motore diesel [modifica]
La prima differenziazione tra i motori diesel si ha tra quelli con ciclo a quattro tempi, in pratica la maggioranza dei motori in circolazione, e quelli con ciclo due tempi, adottato di solito nei grandi motori navali. 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. Per esempio i motori di grande cilindrata montati sulle navi sono dei V12. 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 (ca. 15%).
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.
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