Il Motore Diesel. Semplificazioni e dettagli base sull'argomento. Versione per il Formatore

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1 Regione Peimonte IMPIANTISTICA IDRAULICA E PNEUMATICA DELL'AUTOVEICOLO Venere Fabrizio DATA EMISSIONE Aprile 2015 DATA REVISIONE Il Motore Diesel Semplificazioni e dettagli base sull'argomento Versione per il Formatore 1 di 22

2 Il Motore Diesel Il motore Diesel, brevettato nel 1892, è una tipologia di motore a combustione interna, alimentato a gasolio, che sfrutta il principio della compressione per ottenere l'accensione del combustibile e non l'azione di scariche elettriche da parte delle candele d'accensione tipiche invece di un motore ad accensione comandata. Il motore Diesel è stato usato inizialmente per i mezzi d'opera, esteso poi ai mezzi industriali e infine nel terzo millennio con la sua continua evoluzione, sta sempre più dominando il mercato dell'automobile e dell'automobilismo. La prima auto di serie al mondo spinta da un motore alimentato a gasolio fu una Mercedes nel Il motore Diesel era noto però già dagli inizi del secolo. In prima fase si provvide (dato che la compressione del motore era limitata) al preriscaldamento del combustibile in modo che si incendiasse sufficientemente anche con aria relativamente fredda. Il sistema a preriscaldamento si mostrò piuttosto complesso ed inaffidabile. Con lo sviluppo della tecnica l arroventamento dell'aria fu ottenuto con l'aumento della sua compressione, riducendo sempre più il volume della camera di combustione. L'elevato lavoro di compressione (più che raddoppiato che nei motori a benzina) rese più "ruvido" il funzionamento del motore e ridusse la rotazione dello stesso, questo rese necessario il sovradimensionamento del volano e l utilizzo di materiali più resistenti. 2 di 22

3 Classificazione dei Motori Diesel Mentre il motore ad accensione per scintilla trova nel sistema di accensione e nella propagazione della combustione un limite alle dimensioni dei cilindri, il motore ad accensione per compressione può avere die cilindri di dimensione molto diversa. E d uso distinguere i motori AC in tre grandi categorie: motori veloci, medio-veloci e lenti. I motori Diesel lenti sono usati in installazioni fisse o marine, hanno spiccate caratteristiche di sicurezza e durata, il loro regime di utilizzo è, di solito, inferiore ai 450 giri/min. il funzionamento a basso regime significa limitazione della potenza specifica, ma tutto a vantaggio della durata. Sono studiata in modo da bruciare combustibili liquidi pesanti e l avviamento è, di norma, ad aria compressa. I Diesel Medio-Veloci funzionano a regime compreso tra i 600 ed i 1500 giri motore, devono poter funzionare a piena potenza normale a regime pressoché costante per lunghi periodi di tempo e quindi possedere buone caratteristiche di durata e facile manutenzione. I motori Diesel Veloci sono quelli che avendo un rapporto peso/potenza relativamente basso, potenze specifiche elevate e dimensioni ridotte, vengono utilizzati specialmente su autoveicoli e piccole imbarcazioni; bruciano gasoli leggeri, di buona qualità e funziona tramite iniezione meccanica/elettronica. 3 di 22

4 Funzionamento Come abbiamo già detto il motore AC sfrutta la compressione dell aria per produrre sufficiente calore a far esplodere la miscela aria gasolio. Questo tipo di funzionamento, però, necessità di accorgimenti tecnici otre che strutturali per poter funzionare correttamene. Analizziamo ora il ciclo Diesel in modo semplice e identifichiamoli: l aria pulita viene aspirata dalla discesa del pistone attraverso l apertura della valvola di aspirazione, riempiendo il cilindro; viene compressa nella fase di salita verso il PMS fino ad arrivare ad un ventesimo del suo volume iniziale (rapporto di compressione). il pistone del motore Diesel presenta una camera di scoppio ricavata al proprio interno dove viene facilitata la turbolenza e effettuata l iniezione di combustibile. 4 di 22

5 L aria compressa raggiunge temperature che vanno dai 700 C agli oltre 900 C, superando ampiamente la temperatura di autoaccensione del gasolio che è di 320/380 C. Avviene quindi l iniezione di gasolio all interno della camera: il carburante, essendo polverizzato ad alta pressione, viene riscaldato dall aria compressa ed esplode nel modo più uniforme possibile, dando la spinta necessaria al pistone per trasmettere il movimento. La fase di scarico possiede una parte in cui i gas combusti escono autonomamente grazie ad una leggera sovrappressione rimasta nel cilindro, successivamente il pistone li spinge nel condotto di scarico durante la sua fase di risalita. La temperatura dei gas di scarico si aggira ancora tra i 550 e i 750 C (bassa). 5 di 22

6 Caratteristiche essenziali Identifichiamo, ora, alcune tra le principali ed essenziali caratteristiche del motore Diesel: aspira aria fresca filtrata; durante la fase di compressione comprime solo aria; lavora sempre in eccesso di aria; in genere, non ha la valvola a farfalla sul condotto di aspirazione; si utilizzano carburanti con alto punto di ebollizione; la regolazione del carico avviene tramite la variazione della quantità di carburante iniettata; la miscela viene preparata sempre all interno della camera di combustione; Il carburante è iniettato ad alta pressione; è definito ad accensione spontanea; dopo la prima fase di accensione, la combustione evolve a pressione costante; presenta una minore dispersione di pressione e temperatura rispetto ad un motore AS. 6 di 22

7 Tipi di Iniezione Abbiamo già detto che i motori Diesel necessitano di un iniezione di combustibile all interno della camera di combustione per permettere il loro funzionamento, ci sono però due tipi di iniezione strutturalmente diversi: l iniezione diretta e l iniezione indiretta. Nel caso dell iniezione indiretta sui motori Diesel, la testata motore presenta uno spazio in cui viene alloggiato l iniettore e la candeletta di preriscaldamento. Questa soluzione è adottata per rendere più morbido il funzionamento del Diesel prima dell avvento dell iniezione diretta common-rail. Nella precamera, tramite il foro d entrata, viene spinta dal pistone una parte dell aria aspirata che, grazie alla geometria della camera, subisce un moto vorticoso; successivamente avviene l iniezione di gasolio che si mischia con il vortice d aria e si infiammerà in parte grazie alla temperatura dell aria in pressione. La combustione di questa parte di miscela aumenta la pressione in camera e spinge il resto del gasolio misto aria nella camera principale, dove si incendierà completamente a contatto con il resto dell aria spirata. Abbiamo quindi un accensione in due fasi che rende il funzionamento del motore più fluido, ma necessitiamo di maggiore compressione e di dispositivi di preriscaldamento. 7 di 22

8 L iniezione diretta, invece, è stata una delle prime soluzione di alimentazione per i veicoli ad accensione per compressione. Come abbiamo già detto, presenta numerosi vantaggi: essendo, il gasolio, iniettato direttamente nella camera di combustione, esso ha più facilità ad incendiarsi e ciò comporta la possibilità di riduzione del rapporto di compressione, di quantità di carburante necessario allo scoppio e una buona partenza a freddo. Il funzionamento del motore risulta però poco fluido, tendenzialmente rumoroso e causa un elevata sollecitazione termica e meccanica. Il sistema di preriscaldamento non è necessario ai fini dell avviamento a freddo, ma viene installato per ridurre l inquinamento in partenza, gestendo al meglio la temperatura in camera. Nell attuale mercato dell auto il motore Diesel è solo più ad iniezione diretta, i suoi difetti vengono compensati e ridotti dalla gestione elettronica che, aumentando il numero d iniezioni a scoppio riduce il battito e migliora l erogazione. L iniettore dell iniezione diretta a controllo elettronico è strutturalmente diverso dai precedenti e presenta più fori di polverizzazione per aumentare la vorticosità e la miscelazione del combustibile con l aria. 8 di 22

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13 Sistemi di preriscaldamento Utilizzando per lo scoppio, la temperatura creata dalla compressione dell aria, i motori Diesel hanno delle difficoltà ad avviarsi a freddo. Per agevolare la partenza a temperature ridotte e la riduzione di sostanze inquinanti non combuste, si utilizzano sistemi di preriscaldamento della camera di combustione. Questi sistemi si identificano in: Candele ad incandescenza a perno: utilizzate sulla maggior parte dei veicoli leggeri; Candela a fiamma: utilizzate su veicoli commerciali e di vecchia generazione; Riscaldatore dell aria aspirata: utilizzato nel collettore d aspirazione di veicoli ad iniezione diretta di nuova generazione. Se analizziamo i tre tipi di sistemi troveremo che: la candela a fiamma è un tipo di dispositivo obsoleto, che si attivava solo a bassissime temperature e faceva si che il motore aspirasse direttamente una fiamma creata nel condotto d aspirazione tramite un iniettore ed una candeletta elettrica; il riscaldatore dell aria aspirata viene montato su piccoli motori che, avendo un iniezione diretta, non necessitano di troppo calore in avviamento; la candeletta ad incandescenza, invece, viene tuttora montata sulla maggior parte dei motori a gasolio automobilistici. Essa aumenta la temperatura della sua testa tramite il passaggio di corrente elettrica attraverso una resistenza al suo interno. Alloggiata nella camera di scoppio permette così di far partire il motore superando l ostacolo del freddo e diminuendo l inquinamento causato dalle particelle di carburante incombuste. Il tempo di riscaldamento è breve, ma varia in base alla temperatura del liquido di raffreddamento: più è bassa e più la candeletta rimarrà accesa. Il conducente del veicolo potrà vedere l inizio e la fine della fase di preriscaldo grazie ad una spia sul cruscotto che rimarrà accesa fintanto che le candelette scalderanno. 13 di 22

14 Pompa meccanica di Iniezione Quando parliamo di iniezione meccanica di gasolio, facciamo spesso riferimento a un tipo di pompa iniezione di vecchia generazione, chiamata in gergo tecnico Pompa distributrice a pistone assiale. Essa ha al suo interno un complicato sistema meccanico che permette di mettere in pressione il gasolio tramite un pistone rotativo: Il movimento interno viene portato dalla cinghia di distribuzione del motore (questo tipo di pompa è sempre fasata); tramite l albero, collegato con la puleggia, il moto viene trasmesso ad un disco a camme, il quale attua il movimento alternato del pistone distributore. La quantità di gasolio in mandata viene decisa da un cursore di regolazione che permette di caricare il pistone più o meno a seconda dell accelerazione richiesta. L iniettore che riceve la mandata di gasolio viene selezionato da un distributore rotativo che subisce la pressione del pistone interno alla pompa e grazie al suo movimento circolare apre una luce alla volta; ogni luce è un passaggio diretto alla tubazione che porterà ad un iniettore. La pompa possiede ancora un variatore d anticipo che permette al disco a camme di variare il tempo di spinta sul pistone e di conseguenza il momento in cui avverrà l iniezione nel cilindro. 14 di 22

15 L iniettore Diesel L iniettore Diesel è l organo che permette l immissione del Gasolio incamera di combustione. Come abbiamo già visto, l immissione può essere diretta o indiretta e questa diversità comporta dei cambiamenti anche al tipo di iniettore utilizzato. A sinistra l immagine mostra un iniettore per iniezione meccanica diretta: la sua struttura è allungata in modo da oltrepassare la testata del motore ed inserire lo spillo all interno della camera di combustione. A desta, invece, è raffigurato in sezione un iniettore da iniezione indiretta: esso è strutturalmente simile al primo, ma lo spillo è più corto, dovendo riempire la precamera. Questi tipi di iniettori sono definiti ad apertura automatica, in quanto il movimento dello spillo è effettuato tramite l azione derivata dalla pressione del combustibile. Il gasolio subisce la spinta della pompa meccanica che lo porta ad avere una pressione intorno ai 300 Bar, tramite il tubo d entrata all iniettore (zona filtro) attraversa il corpo e raggiunge la zona di espansione che si trova verso il fondo dello spillo. Questa zona e la forma dello spillo permettono al gasolio di spingere lo spillo contro la e di fuoriuscire dai fori. La molla, finita la spinta del combustibile torna in posizione facendo si che lo spillo vada a chiudere i fori di uscita. 15 di 22

16 The Common-Rail Diesel Il sistema Common Rail è un tipo di alimentazione gestito elettronicamente. Esso può essere individuato sia sui motori benzina che sui motori a gasolio, con ovvie differenze l uno dall altro. Esso è composto da un gruppo di iniettori, di norma tanti quanto i numeri dei cilindri, collegati insieme da una tubazione comune. Questo tipo di collegamento permette di mandare in pressione il combustibile in modo uniforme e senza la necessità di diversificare la gestione in modo meccanico. Abbiamo quindi una pompa di alta pressione che riceve il carburante e lo immette nel flauto alla pressione necessaria. In questo modo il combustibile rimane costantemente in pressione sull ingresso di ogni iniettore. Ciò permette di poter gestire l iniezione di carburante in modo totalmente elettronico: il sistema common-rail è controllato della centralina motore dal sistema di bassa pressione in arrivo alla pompa, la pressione all interno della pompa, la pressione sul flauto e l apertura degli iniettori. E chiaro che l accelerazione su un veicolo dotato di motore Diesel Common-rail è regolata dal tempo di iniezione piuttosto che dalla quantità di gasolio iniettata(la quantità di gasolio è calcolata direttamente tramite il tempo di iniezione e la portata). Gli iniettori permettono il passaggio del carburante tramite un sistema innovativo che permette di reggere in chiusura dello spillo pressioni superiori a 3000 Bar. Questo sistema nativo degli anni 90 ha permesso, grazie alla grande flessibilità data alla sofisticata gestione della ECU, di ridurre drasticamente l inquinamento dei motori Diesel, l aumento delle potenze e la riduzione delle cilindrate. 16 di 22

17 La Pompa Alta Pressione La pompa di carburante ad alta pressione è l organo meccanico che permette il funzionamento del sistema common-rail. Essa deve garantire la pressione nel collettore e la portata del combustibile necessaria al funzionamento del motore ma, nella maggior parte dei casi, non deve soddisfare nessuna fasatura. Questa tipo di pompa riceve il gasolio dal sistema di bassa pressione, sostenuto da una pompa elettrica, per portarlo a pressioni superiori ai 1600 Bar. Per fare questo al suo interno si trovano da uno a tre pistoni, assiali o radiali, che, comandati da una camma, pompano il combustibile all interno del circuito di alta pressione. Le sue condizioni permettono una certa libertà di collocazione; può, infatti, essere collegata direttamente all albero a camme oppure tramite ad una cinghia dentata. Il suo funzionamento è meccanico ma gestito dall elettronica, che decide la portata, la pressione e, in alcuni casi, l esclusione di alcuni elementi pompanti per diminuire l assorbimento di potenza della pompa. Non necessitando di fasatura, le fasi pompanti non corrispondono con le iniezioni nei cilindri, ma avverranno in modo molto più rapido, garantendo potata maggiore del necessario, rendendo così la pressione costante all interno del Rail. 17 di 22

18 Pompa Alta pressione Bosch CP3, per impianti ad iniezione Common-Rail. 18 di 22

19 Iniettore Common-Rail L iniettore Diesel per sistemi Common-Rail è a controllo elettronico del tipo indicato in figura. Il combustibile passa attraverso l orifizio ed entra nel volume di controllo; la pressione agisce sulla parte superiore dell asta di spinta. Quando il solenoide viene alimentato si apre l orifizio, la pressione agisce sulla parte superiore dell asta di spinta. Quando il solenoide viene alimentato si apre l orifizio, la pressione nel volume di controllo si riduce e l iniettore si apre. Interrompendo la corrente che alimenta il solenoide, l iniettore si chiude. Quando la pressione nel volume di controllo aumenta e l asta di spinta chiude l iniettore. La durata dell iniezione, la pressione del combustibile nel collettore, il flusso attraverso l iniettore determinano la quantità di combustibile iniettato. L iniettore viene aperto e chiuso dalla centralina, nei tempi definiti dalla mappatura. Essi hanno la possibilità di aprirsi e chiudersi in tempi brevissimi, ciò determina la possibilità di effettuare iniezioni multiple (Multi-Jet). 19 di 22

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21 Sistema Iniettore-Pompa Il sistema iniettore-pompa è costituito da un circuito a bassa pressione, dotato di pompa di alimentazione e di filtro, che alimenta tanti iniettori-pompa quanti sono i cilindri del motore. Un unico albero a camme aziona i pistoncini di ciascun elemento pompante, direttamente o tramite dei bilancieri, in questo modo lo stantuffo ad alta pressione va ad agire sul gasolio all interno dell iniettore, portandolo ad una pressione sufficiente ad alzare l ago polverizzatore e battere la molla. Questo sistema è stato adottato, nel campo automobilistico, dal gruppo VGA che ne ha costituito il suo principale sistema di gestione dei motori a gasolio degli ultimi quindici anni (TDI). I vantaggi dell iniettore pompa sono la possibilità di avere pressioni elevatissime, gestite dalla valvola elettromagnetica e dalla centralina, di poter effettuare una preiniezione e di avere un sistema motore più compatto, con meno organi ausiliari, d altra parte, però, è limitato dall azione della camma che ne prestabilisce il pompaggio. E stato superato successivamente dalle ultime evoluzioni del common-rail, che lo hanno reso obsoleto, permettendo diverse pre e post iniezioni all iniezione principale. 21 di 22

22 Bibliografia: Aa. Vv.: Tecnica dell Automobile, Editrice San Marco Dante Giacosa: Motori Endotermici, Hoepli 22 di 22