Elementi di Meccanica agraria parte seconda

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1 Corso di Meccanica agraria Istituto Agrario S. Michele Elementi di Meccanica agraria parte seconda Classe 3^S a.s con il coordinamento e la supervisione del prof. Maines Fernando Giugno 2010

2 Elementi di meccanica agraria pag. 1 Maines Fernando Sommario 1 I motori termici: definizione, classificazione e parametri principali I motori endotermici I principali organi dei motori endotermici I cicli ed i tempi dei motori endotermici Motori ad accensione spontanea (o a ciclo Diesel) Motori ad accensione comandata (o a ciclo Otto) Motori a 4 tempi Motori a 2 tempi I cicli teorici e i cicli reali dei motori endotermici I cicli dei motori endotermici Il ciclo Diesel teorico Il ciclo Otto Il ciclo Sabathè Il ciclo reale La trasmissione del moto con organi deformabili Le catene Le cinghie Il sistema di distribuzione nei motori endotermici Le curve caratteristiche di un motore Curva caratteristica della coppia Curva caratteristica della potenza Curva caratteristica del consumo specifico L impianto di raffreddamento Sistemi di raffreddamento a liquido Sistemi di raffreddamento ad aria Gli attriti Tecniche per ridurre gli attriti in un motore Cuscinetti Lubrificanti Impianto di lubrificazione L impianto di alimentazione del motore diesel La sovralimentazione Compressore volumetrico Turbocompressore Il sistema di avviamento...113

3 Elementi di meccanica agraria pag. 2 Maines Fernando 1 I motori termici: definizione, classificazione e parametri principali

4 Elementi di meccanica agraria pag. 3 Maines Fernando

6 Elementi di meccanica agraria pag. 5 Maines Fernando I motori termici o motori a combustione sono dispositivi che producono del lavoro meccanico utilizzando il calore come vettore energetico. Il loro compito è quello di fornire il moto necessario al funzionamento delle macchine (dispositivi costituiti da un insieme di organi, di cui almeno uno è in movimento). Il motore, infatti, deve mettere a disposizione sufficiente forza motrice sia per svolgere lavoro utile (lavoro positivo) che per contrastare le forze resistenti passive 1. La correlazione fra intensità e variazione delle forze motrici e delle forze resistenti determina il funzionamento di una macchina che, in modo molto schematico, si può suddividere in tre diverse fasi: la fase di avviamento, la fase di regime, la fase di arresto. Le prestazioni di un motore sono definite in prima battuta dal rendimento meccanico, che rappresenta l efficienza con cui i componenti meccanici interagiscono (scorrendo, rotolando) tra di loro senza perdere energia. Il valore di tale parametro è dato dal rapporto fra l energia sviluppata a livello del volano (organo che ruota in uscita dal motore) e l energia messa a disposizione dalla combustione. Esso si può mettere in relazione con la forza resistente alla rotazione del motore: tanto maggiore sarà tale forza e tanto maggiore sarà l azione frenante (forze resistenti) e minore sarà il rendimento. I motori termici si suddividono in motori esotermici e motori endotermici. I motori a combustione esterna, protagonisti della prima meccanizzazione dell agricoltura, sono una tipologia di motori nei quali la combustione per riscaldare il 1 Le forze resistenti si dividono in forze resistenti passive e forze resistenti utili. In entrambi i casi si tratta di forze che si oppongono al moto ma a differenza delle forze resistenti passive, quelle resistenti utili svolgono un lavoro utile (come nel caso della frizione o del freno).

7 Elementi di meccanica agraria pag. 6 Maines Fernando fluido operativo avviene esternamente al motore vero e proprio dove invece si realizza la conversione dell energia termica in lavoro meccanico. Appartengono a questa categoria il motore a vapore e il motore Stirling. In generale si caratterizzano per i bassi rendimenti (0,12 0,15); inoltre, a parità di potenza, un motore a combustione esterna è in genere più ingombrante e pesante di un motore a combustione interna soprattutto per la presenza di uno scambiatore di calore utilizzato per riscaldare il fluido di lavoro. Per contro si caratterizza per la forte coppia all avviamento ed è meno esigente per quanto riguarda la qualità del combustibile; infine, la temperatura e la pressione relativamente basse della combustione portano ad una minor formazione di inquinanti, in particolare per quanto riguarda gli ossidi di azoto. 1.1 I motori endotermici I motori endotermici sono dei motori termici nei quali la combustione avviene in una camera interna al motore, nella quale viene immessa, tramite un apposito sistema di alimentazione, una miscela composta da un carburante o un combustibile (gasolio, metano, GPL, cherosene) e un comburente (aria). Il calore prodotto viene trasformato in lavoro meccanico, mentre i prodotti della combustione sono espulsi attraverso un impianto di scarico. I motori endotermici possono essere: ad accensione comandata o a scintilla (basati sul ciclo Otto); ad accensione spontanea (basati sul ciclo Diesel). Nei motori endotermici ad accensione comandata l accensione viene comandata attraverso una scintilla ad alta tensione che scocca nella miscela aria-combustibile all interno del cilindro. La scintilla viene prodotta attraverso una bobina alimentata da una batteria che può essere ricaricata durante il funzionamento attraverso un alternatore trascinato dal motore. Nei motori ad accensione spontanea il combustibile viene iniettato in una camera dove è presente dell aria fortemente compressa; la combustione si innesca spontaneamente a causa delle condizioni di alta temperatura dell aria stessa. I motori endotermici si dividono ulteriormente in: motori rotativi;

8 Elementi di meccanica agraria pag. 7 Maines Fernando motori alternativi. Fra i motori endotermici rotativi, generalmente a ciclo Otto, il principale esempio è il motore Wankel messo a punto nel 1950 nel quale il pistone non si muove di moto alternato ma ruota attorno a un asse. Questo motore si caratterizza per gli alti rendimenti ma presenta ancora qualche criticità nell assicurare la tenuta del pistone nel tempo. I motori alternativi, anche chiamati motori a pistoni, sono motori termici basati sul sistema biella-manovella, dispositivo in grado di trasformare il movimento alternativo del pistone (derivante dalla pressione generato all interno della camera di combustione), in un movimento di rotazione dell albero motore. I motori alternativi si diversificano in base al numero di cilindri e alla loro diversa disposizione, al numero di tempi (possono essere a due o quattro tempi), al campo di utilizzo (in agricoltura si utilizzano soprattutto motori Diesel veloci) e al tipo di raffreddamento. Vengono inoltre classificati in base ad alcuni parametri geometrici: il punto morto superiore (PMS): è l altezza massima che il pistone può raggiungere nella sua corsa all interno del cilindro; il punto morto inferiore (PMI): è l altezza minima raggiunta dal pistone nella sua corsa all interno del cilindro; la corsa: è la distanza compresa tra PMS e PMI ed è generalmente espressa in millimetri; l alesaggio: è il diametro interno del cilindro ed è generalmente espresso in millimetri;

9 Elementi di meccanica agraria pag. 8 Maines Fernando la cilindrata: è il volume del cilindro racchiuso tra due punti morti ed è espressa generalmente in centimetri cubici o in litri (decimetri cubici); rapporto (volumetrico) di compressione dato dal rapporto tra la somma del volume della cilindrata (C) e il volume della camera di combustione 2 (K) divisa per il volume della sola camera di combustione: R c = (C + K)/K I motori rotativi possono essere classificati anche in base ad alcune grandezze legate alla prestazione del motore: il rendimento: nei motori termici dipende sostanzialmente dal rapporto tra la temperatura di inizio e di fine ciclo; il regime di rotazione: rappresenta la velocità di rotazione dell albero motore, espressa in radianti al secondo (rad/s) o più frequentemente in giri al minuto (giri/min); il rapporto massa-potenza espresso in kg/kw; il consumo specifico che rappresenta la quantità combustibile utilizzato dal motore per ogni kilowatt di potenza erogata. Ecco alcuni valori di riferimento di queste grandezze per i motori a ciclo Otto e a ciclo Diesel. Benzina Diesel Rendimento % 34-40% Regime di rotazione (giri/min) Rapporto massa/potenza(kg/kw) Potenza per unità di cilindrata (kw/l) Consumo specifico di combustibile (g/kwh) La camera di combustione è lo spazio compreso tra la testata e la testa del pistone quando si trova al PMS.

10 Elementi di meccanica agraria pag. 9 Maines Fernando 2 I principali organi dei motori endotermici

13 Elementi di meccanica agraria pag. 12 Maines Fernando Il motore diesel è costituito principalmente dai seguenti organi: 1. monoblocco; 2. testata; 3. coppa dell olio; 4. pistoni o stantuffi; 5. biella; 6. albero motore; 7. volano;

14 Elementi di meccanica agraria pag. 13 Maines Fernando 8. organi di distribuzione; 9. albero a camme; 10. valvole di aspirazione e di scarico; 11. dispositivo equilibratore; 12. sistemi e impianti accessori. Il monoblocco: costituisce l elemento strutturalmente portante del motore. In esso sono ricavati i cilindri, le eventuali intercapedini per la circolazione dell acqua di raffreddamento, gli alloggiamenti dei vari organi, le sedi delle valvole nel caso di motore a 4 tempi a valvole laterali. È costituito principalmente di alluminio o ghisa. La testata: chiude superiormente il monoblocco. In essa sono ricavati i fori per le candele (motore ciclo Otto) o per gli iniettori (motori Diesel), le sedi per le valvole di aspirazione e di scarico, la camera di combustione, i fori di raccordo ai collettori di aspirazione dell aria e di scarico dei gas combusti. La tenuta fra testata e monoblocco è assicurata da una guarnizione resistente alla pressione e alla temperatura. Normalmente i motori fino a 4 cilindri sono dotati di testata unica, mentre quelli a 6 cilindri ne presentano 2. In altre realizzazioni si hanno testate indipendenti, una per ogni cilindro. Il sistema di fissaggio della testata viene effettuato mediante prigionieri e bulloni tirati con apposite chiavi dinamometriche, secondo una successione prestabilita. Per i motori a due tempi le testate possono essere di tre tipi: monopezzo, scomponibili o integrata. La testata è principalmente costruita in ghisa o in alluminio. La coppa dell olio: rappresenta la chiusura inferiore del monoblocco. Nel motore a 4 tempi contiene l olio di lubrificazione, mentre nel motore a 2 tempi, nella coppa entra la miscela aspirata del carburatore. È generalmente in ghisa o in alluminio ma può essere realizzato anche con un polimero termoplastico.

15 Elementi di meccanica agraria pag. 14 Maines Fernando Il cilindro: è la parte fondamentale del motore. Può essere ricavato direttamente per lavorazione dell acciaio del monoblocco (motori senza camicia o linerless) oppure è costituito da canne a secco (quando sono pressate a freddo e le loro pareti sono a diretto contatto con la ghisa del monoblocco) o in umido (quando sono a contatto con il refrigerante). Nonostante vengano prediletti motori con numero pari di cilindri, per l efficienza e la rotondità di funzionamento, esistono casi di motori con 3 o 5 cilindri. I materiali utilizzati per la fabbricazione dei cilindri sono: alluminio: è un materiale leggero, con un maggiore potere dissipante del calore, ma data la sua dolcezza richiede dei trattamenti per poter supportare l attrito con il pistone, come la cromatura o un riporto con una lega resistente come il carburo di silicio e nichel (Ni-Kasil) o la ghisa. ghisa: è un materiale pesante, ma che richiede solo poche lavorazioni e resiste bene agli stress termici; inoltre, essendo un materiale molto duro e poroso, si raffredda molto velocemente, riuscendo a far defluire velocemente il calore. I pistoni o stantuffi: sono l elemento scorrevole dentro al cilindro, che trasforma l energia di pressione ottenuta dalla combustione in movimento. Normalmente è costituito da 2 parti, dette testa e mantello. La testa è la parte superiore, nella quale viene ricavata la camera di combustione, di forma tale da aumentare la turbolenza dell aria e rendere più efficiente la combustione. Nella parte laterale, il mantello, sono ricavate le scanalature dove alloggiano le fasce elastiche (segmenti), che assicurano la tenuta delle pressione dei gas e l anello raschia olio, che nella discesa del pistone asporta l olio in eccesso dalle pareti del cilindro. La produzione si differenzia per il tipo di realizzazione del pistone, che può essere: fuso in conchiglia o più semplicemente fuso, dove la lega viene fatta colare per gravità nello stampo; esiste una variante dove si sfrutta la forza centrifuga e in cui lo stampo ruota e applica una lieve compressione della lega fusa;

16 Elementi di meccanica agraria pag. 15 Maines Fernando stampati: la lega viene prima utilizzata per la creazione del grezzo del pistone che poi viene sottoposto a una pressione tramite una pressa, in modo da ravvicinare ulteriormente le molecole della lega; forgiato: la lega viene fatta riscaldare fino al punto di fusione e spinta tramite un maglio a una pressione elevata dentro lo stampo, questa tecnica rispetto alla fusione permette d avere una lega più compatta e più ricca di legami molecolari (a parità di volume è più pesante, ma estremamente più resistente), il che permette di creare anche pistoni più leggeri e resistenti rispetto ai fusi; inoltre si ha una minore dilatabilità, che richiede una tolleranza minore nell accoppiamento. A carico di questo componente meccanico si possono verificare vari danni, che richiedono la sua sostituzione: grippaggio: si verifica quando il pistone si dilata troppo per il calore e si ferma nel cilindro con il conseguente bloccaggio del motore. In queste condizioni si possono verificare danni anche agli altri organi del motore stesso; spistonamento: quest evenienza si ha quando il pistone colpisce meccanicamente la testata del motore o quando si tiene per un tempo troppo prolungato il motore a un carico eccessivo, deformando le sedi dello spinotto del pistone e creando dei giochi d accoppiamento che sono deleteri per la vita e le prestazioni del motore; puntinatura: si ha quando sul cielo si formano piccoli depositi (facilmente avvertibili al tatto) consistenti in gocce del materiale del pistone derivanti dalla parziale fusione di questo per surriscaldamento locale. Con il tempo, il ripetersi di questo fenomeno può anche comportare la foratura del cielo; fusione o buco su cielo: la foratura di cui sopra può avvenire anche per un eccessivo anticipo della fasatura d accensione, carburazione troppo magra, detonazione o preaccensione: tutti casi in cui si ha una combustione molto anticipata e che termina in anticipo rispetto al PMS, innalzando la temperatura del cielo del pistone e portando prima ad un avvallamento e poi alla foratura. La biella: è un asta con fusto a doppia T e con 2 fori alle estremità detti occhio del piede per il collegamento al pistone mediante lo spinotto e occhio di testa per il collegamento all albero motore. È un elemento meccanico di collegamento tra altri due membri cinematici di un meccanismo, dotato di moto rotatorio e traslatorio. Una sua tipica

17 Elementi di meccanica agraria pag. 16 Maines Fernando applicazione è nel meccanismo biella-manovella, ovvero nel meccanismo che permette di trasformare un moto rettilineo alterno in un moto rotatorio continuo o viceversa. La biella deve essere molto resistente alle sollecitazioni, poiché questo componente è sottoposto ad azioni assiali ed a momenti flettenti variabili durante il ciclo del motore. Per la sua fabbricazione si possono usare vari materiali: plastica, nel caso di piccole macchine utensili; leghe d alluminio, ora abbandonate, che permettono di ottenere bielle più snelle e meno costose; acciaio (generalmente al nichel, cromo, molibdeno), ottimo per la notevole resistenza; titanio, usato in particolar modo nel caso di veicoli sportivi per uso competitivo. L albero motore: è detto anche albero a gomiti per i ripiegamenti che presenta in corrispondenza di ogni cilindro, formando le cosi dette manovelle. I perni di banco dell albero poggiano sui supporti di banco del basamento con lo scopo di sostenere le spinte consentendo nel contempo, la rotazione. Ciascuna manovella ha un perno di biella al quale è collegata la testa di biella (collegamento appartenete al manovellismo di spinta). Alle estremità dell albero sono montati, da una parte il volano e dall altra la puleggia per la cinghia del ventilatore, l alternatore e la pompa dell acqua di raffreddamento nonché l ingranaggio della distribuzione. Il volano: disco di massa elevata che ha lo scopo di rendere uniforme la rotazione dell albero motore, smorzando l accelerazione del pistone nella fase attiva (fase di espansione) e restituendo energia nelle fasi passive (aspirazione, compressione, scarico). Sulla corona dentata del volano ingrana il pignone del motorino elettrico di avviamento; infine il volano partecipa al funzionamento della frizione. Gli organi della distribuzione: comprendono l albero a camme, le punterie (sono organi registrabili interposti fra gli eccentrici dell albero a camme e le valvole e assicurano

18 Elementi di meccanica agraria pag. 17 Maines Fernando una regolare apertura e chiusura delle valvole eliminando i giochi che si producono per usura), la molla di ritorno e le valvole. albero a camme: ha il compito di fare aprire le valvole al momento opportuno (messa in fase della distribuzione). È comandato dall albero motore per mezzo di ingranaggi, cinghia dentata o catena e ruota a metà giri rispetto all albero motore, in quanto ciascuna valvola si deve aprire una sola volta durante le 4 fasi e quindi ogni 2 giri dell albero motore. A tal fine l ingranaggio montato sull albero a camme ha un diametro e un numero di denti doppio di quello montato sull albero motore. Le valvole sono comandate tramite aste e bilancieri, se l albero a camme è posizionato in basso oppure direttamente dall albero a camme se questo è posto in alto a livello della testata; valvole di aspirazione e di scarico: hanno una forma a fungo (testa e gambo) e la loro apertura è controllata dall albero a camme: possono essere laterali (sede ricavata nel monoblocco) o in testa (con sede ricavata nella testata); le valvole per cilindro possono essere:2 (1 di aspirazione e 1 di scarico), 3 (1 di scarico più grande e 2 di aspirazione per assicurare un maggior riempimento di aria nei cilindri) oppure 4 (2 di aspirazione e 2 di scarico).

19 Elementi di meccanica agraria pag. 18 Maines Fernando Il dispositivo equilibratore: è impiegato per ridurre le vibrazioni che si generano inevitabilmente in molti motori a causa della loro stessa architettura: in genere si tratta di un albero ausiliario (talvolta però se ne impiegano 2) con una massa eccentrica; in qualche caso si può fare ricorso a un dispositivo di tipo differente: una biella ausiliaria opportunamente guidata. Sistemi e impianti accessori: il motore è completato da diversi sistemi e impianti accessori atti a garantire un regolare funzionamento e quindi evitare danni: impianto di lubrificazione, impianto di raffreddamento, alternatore, collettori di scarico con eventuale turbocompressore, sistema di avviamento, sistema di alimentazione di aria e gasolio.

20 Elementi di meccanica agraria pag. 19 Maines Fernando 3 I cicli ed i tempi dei motori endotermici

22 Elementi di meccanica agraria pag. 21 Maines Fernando I motori si suddividono in: motori ad accensione spontanea (o a ciclo Diesel); motori ad accensione comandata (o a ciclo Otto). Un ulteriore suddivisione divide i motori endotermici in: motori a 4 tempi;

23 Elementi di meccanica agraria pag. 22 Maines Fernando motori a 2 tempi. 3.1 Motori ad accensione spontanea (o a ciclo Diesel) Nei motori a ciclo Diesel l accensione è determinata dall iniezione del gasolio nella camera di combustione, quando il pistone si trova nel PMS e l aria è fortemente compressa. L aria ha raggiunto una temperatura molto elevata, superiore a quella di infiammabilità del gasolio, che si accende spontaneamente. La combustione è favorita inoltre da una spinta polverizzazione del gasolio, in quanto si viene ad aumentare la superficie di contatto tra gasolio e ossigeno. A tale scopo risulta fondamentale l azione della pompa di iniezione che manda all iniettore gasolio ad una pressione da 200 a 1600 atm. 3.2 Motori ad accensione comandata (o a ciclo Otto) Nei motori a ciclo Otto, detti anche a benzina, l accensione è invece determinata dalla scintilla di che scocca fra gli elettrodi di una candela quando il pistone si trova al PMS provocando la combustione di una miscela di aria e benzina proveniente dal carburatore, dispositivo che svolge il compito di dosare appropriatamente la benzina e di favorire l intima miscelazione con l aria.

24 Elementi di meccanica agraria pag. 23 Maines Fernando 3.3 Motori a 4 tempi I motori a 4 tempi si caratterizzano per il fatto che il ciclo termodinamico avviene in 4 fasi operative (tempi) legate al movimento del pistone nel cilindro (due salite e due discese nel caso di cilindri verticali): 1 tempo (aspirazione): il pistone scende dal PMS al PMI determinando un aumento di volume con pressione costante (atmosferica), dato che la valvola di aspirazione è aperta (quella di scarico è chiusa) e nel cilindro entra aria o la miscela aria/benzina. In questo caso si parla di motori aspirati. Per migliorare le prestazioni del motore (aumento di potenza) si possono adottare dispositivi che aiutano l entrata dell aria o della miscela e per questo detti di sovralimentazione. 2 tempo (compressione): il pistone risale al PMS mentre entrambe le valvole sono chiuse, provocando un progressivo aumento della la pressione (proporzionale alla diminuzione del volume);

25 Elementi di meccanica agraria pag. 24 Maines Fernando 3 tempo (accensione o iniezione ed espansione): delle quattro è l unica fase attiva, la candela scocca la scintilla o l iniettore spruzza il gasolio nella camera di combustione, dando inizio alla combustione che provoca la discesa del pistone dal PMS al PMI grazie alla pressione dei gas di scarico sul cielo del pistone. All aumento del volume a disposizione dei gas corrisponde una progressiva diminuzione di pressione. 4 tempo (scarico): all inizio di questa fase si apre la valvola di scarico e fuoriescono i gas di combustione grazie al ritorno al PMS con diminuzione del volume che riporta la pressione al valore (costante) della pressione atmosferica.

26 Elementi di meccanica agraria pag. 25 Maines Fernando 3.4 Motori a 2 tempi Nel 1 tempo (espansione e scarico) la candela scocca la scintilla e il pistone scende dal PMS al PMI. Durante questo movimento deve avvenire sia l entrata di nuova miscela dalla apposita apertura resa libera dalla discesa del pistone mentre da un altra vengono fatti uscire i gas di scarico. Per assicurare efficienza ad entrambe le operazioni si deve evitare che parte della miscela esca dalla luce di scarico e che gas di scarico ormai esauriti rimangano nel cilindro riducendo conseguentemente il rendimento di combustione. A tale scopo la posizione delle due luci (aperte e chiuse dal movimento dello stesso pistone) vengono disposte e la forma del cielo del pistone vengono conformate in modo da indurre un moto turbolento della nuova miscela che contribuisce alla fuoriuscita completa dei gas di scarico. Nel 2 tempo (lavaggio immissione e compressione) invece, il pistone dal PMI sale al PMS e prima che si chiuda la luce di alimentazione si completa l entrata della miscela e lo scarico dei gas (lavaggio). A questo punto essendo entrambe le luci chiuse avviene la compressione della miscela che porterà poi alla combustione del 1 tempo. I motori a 2 tempi si caratterizzano per molti vantaggi tra cui: motore più leggero e maneggevole; possibilità di disporre il motore in posizione inclinata; maggiore affidabilità; risposta più scattante e rapida (miglior ripresa). Presentano anche alcuni difetti, tra cui: emissioni di gas più inquinanti; minor rendimento termodinamico per la presenza di miscela incombusta nei gas di scarico e per la presenza di olio; consumi specifici più elevati; costi dell olio lubrificante che viene aggiunto al combustibile per assicurare una capacità lubrificante alla miscela.

27 Elementi di meccanica agraria pag. 26 Maines Fernando 4 I cicli teorici e i cicli reali dei motori endotermici

30 Elementi di meccanica agraria pag. 29 Maines Fernando 4.1 I cicli dei motori endotermici Sono costituiti da una successione ciclica di trasformazioni termodinamiche effettuate su un gas con lo scopo di trasformare energia termica in energia meccanica. Le principali tipologie di cicli sono: ciclo Diesel; ciclo Otto; ciclo Sabathè. Si tratta di cicli chiusi e ideali, ripetibili in definitivamente: di conseguenza nel ciclo non compare nessuna trasformazione rappresentativa né della fase di aspirazione dei gas freschi (trasformazione 0-1) né della fase di scarico dei gas esausti (trasformazione 3-6). La trasformazione fra i punti 4 e 1 del ciclo infatti comporta l espulsione solamente della quantità di calore residuo Q 0 a bassa entalpia, non dei fumi residui. L aspirazione e lo scarico dei gas vengono talora rappresentati sul ciclo ideale mediante i tratti 0-1 e 5-6. La presenza di tali tratti non comporta alcuna modifica al bilancio dei lavori svolti dal ciclo, in quanto gli scambi di energia dei due processi si annullano reciprocamente. 4.2 Il ciclo Diesel teorico I motori che utilizzano il ciclo Diesel, detti ad accensione spontanea, non hanno bisogno né di candele né di circuito di accensione: per contro richiedono un sofisticato sistema di iniezione ad alta pressione. Il fatto che durante la compressione sia presente solo aria rende possibile l adozione di rapporti di compressione volumetrici più elevati rispetto ai motori che utilizzano il ciclo Otto.

31 Elementi di meccanica agraria pag. 30 Maines Fernando IL ciclo Diesel è composto dalle seguenti trasformazioni termodinamiche: 0-1 aspirazione isobarica di espansione durante la quale la valvola di aspirazione è aperta: o il volume aumenta; o la pressione rimane costante e pari alla pressione atmosferica. 1-2 compressione adiabatica (o isoantropica): o si comprime il gas senza scambi di calore; o entrambe le valvole sono chiuse; o la temperatura e la pressione del gas aumentano; o il lavoro di compressione va ad aumentare l energia interna del gas. 2-3 accensione: o è una trasformazione isobara con calore fornito al sistema dall esterno: la pressione rimane costante; la temperatura ed il volume del gas aumentano; l energia termica fornita va ad incrementare l energia interna del gas e contemporaneamente fornisce lavoro.

32 Elementi di meccanica agraria pag. 31 Maines Fernando 3-4 espansione adiabatica o isoantropica (fase attiva); il gas si espande senza scambi di calore; la temperatura e la pressione del gas diminuiscono; l energia interna precedentemente accumulata viene trasformata in lavoro meccanico. 4-1 apertura valvola di scarico; o trasformazione isocora con riduzione istantanea di pressione: il gas viene raffreddato e riportato alle condizioni di pressione atmosferica. o scarico isobarico: valvola di scarico aperta; pressione atmosferica (costante). Il lavoro utile del ciclo è rappresentato dall area interna al ciclo (nel caso di grafici pv): è il risultato della differenza fra il lavoro di espansione positivo (area sotto alla trasformazione attiva 2-3 4) e il lavoro di compressione negativo (area sotto alla trasformazione 1-2).

33 Elementi di meccanica agraria pag. 32 Maines Fernando Il rendimento è dato dalla seguente formula: η = 1 k 1 k β 1 ρ k( β 1) dove: ρ = rapporto di compressione v 1 /v 2 ; β = rapporto di combustione v 3 /v 2 ; k = rapporto c p /c v ; v 1 = volume inizio compressione; v 2 = volume fine compressione; v 3 = volume di fine combustione; c v = calore specifico a volume costante del gas; c p = calore specifico a pressione costante del gas. 4.3 Il ciclo Otto Si differenzia dal ciclo precedente per il fatto che la fase di accensione (2-3) è una trasformazione isocora con improvviso aumento di pressione. Si deve inoltre notare il diverso valore di pressione (decisamente minore) raggiunto a fine compressione (punto 2).

34 Elementi di meccanica agraria pag. 33 Maines Fernando 4.4 Il ciclo Sabathè Il ciclo Sabathè noto come ciclo misto o come ciclo Diesel veloce, in quanto utilizzato nei motori AC veloci di piccole e medie dimensioni. Il ciclo Sabathè è formato da una compressione adiabatica, due introduzioni di calore, una isovolumica ed una isobara, un espansione adiabatica ed uno scarico di calore isovolumico. Si differenzia da entrambi i cicli precedenti per il fatto che la fase di accensione (2-3 ) avviene in parte a volume costante (2-3) e in parte a pressione costante (3-3 ). 4.5 Il ciclo reale Il ciclo reale si differenzia da quello teorico a causa di: perdite di calore (le trasformazioni adiabatiche non lo sono totalmente); la combustione non è istantanea; l apertura e la chiusura delle valvole non sono istantanee; le pressioni di aspirazione e scarico non sono costanti: o l aspirazione avviene in leggera depressione; o lo scarico avviene in leggera sovrapressione. l andamento delle trasformazioni si discosta da quello teorico determinando: o arrotondamento a livello dei punti iniziali e finali; o andamenti irregolari; o riduzione dell area compresa nel ciclo e conseguente riduzione del lavoro utile prodotto dal motore; o presenza di un sottociclo (fra le fasi di aspirazione e scarico) percorso in senso antiorario: portatore di lavoro negativo (fatto dal sistema sul motore), da sottrarre al lavoro utile.

35 Elementi di meccanica agraria pag. 34 Maines Fernando Per eseguire un confronto paritario fra i vari cicli termodinamici, risulta indispensabile prefissare un unico valore per alcune grandezze caratteristiche, comuni ai cicli in esame quali, per esempio, il rapporto di compressione volumetrico, la temperatura massima raggiunta ed il calore unitario introdotto. A pari rapporto di compressione, il valore più elevato di rendimento è raggiunto dal ciclo Otto; tuttavia, nella pratica costruttiva, mentre nei cicli Otto di solito non si supera il valore ρ = 10, nei cicli Diesel a Sabathè esso si posiziona tra 15 e 23. Pertanto questi ultimi, in particolare il ciclo Sabathè, raggiungono i rendimenti maggiori.

36 Elementi di meccanica agraria pag. 35 Maines Fernando Molto significativo è il confronto eseguito tracciando sui medesimi diagrammi (p,v) e (T, S) i tre cicli ideali, a pari rapporto di compressione e pari calore introdotto, ed avendo assunto il punto 1 come partenza e arrivo. Il tratto di compressione adiabatica 1-2 è comune tre cicli; anche 1 estensione delle tre aree racchiuse nel piano (T,S) è uguale per tutti i cicli. Il ciclo Otto raggiunge il valore più elevato di pressione e temperate rappresentato dal punto 3, posizionato in entrambi i diagrammi nella zona superiore dei grafici. Questo ciclo, inoltre, scarica la minore quantità di calore Q 0 a bassa temperatura, dato che nel diagramma entropico esso evidenzia area sottesa più stretta: per queste ragioni detiene il rendimento migliore fra i tre cicli a confronto. In conclusione, per ottenere i rendimenti più elevati, occorre raggiungere i più alti valori possibili di pressione e temperatura, facendo svolgere ai gas la più ampia espansione possibile, in modo da riversare nell ambiente la minore quantità di calore attraverso i fumi di scarico.

37 Elementi di meccanica agraria pag. 36 Maines Fernando 5 La trasmissione del moto con organi deformabili

40 Elementi di meccanica agraria pag. 39 Maines Fernando I sistemi di trasmissione sono quei dispositivi in grado di trasferire il movimento fra organi diversi di un meccanismo. Il moto può essere trasformato: da rettilineo alternato a rotatorio e viceversa, utilizzando principalmente il sistema biella manovella (o manovellismo di spinta); da rotatorio a rotatorio, mediante ruote dentate, nel caso in cui gli alberi sono vicini, oppure organi deformabili, quando gli alberi sono distanti. Come abbiamo già accennato, il manovellismo di spinta è costituito principalmente da quattro membri: manovella, biella, pistone e cilindro, che sono tutti collegati fra loro da quattro cerniere. Un esempio particolarmente importante è dato dal sistema biellamanovella che trasforma il moto rettilineo alternato del pistone in moto rotatorio dell albero motore.

41 Elementi di meccanica agraria pag. 40 Maines Fernando Nel caso invece di ruote dentate o di sistemi ad organi deformabili, i sistemi sono costituiti da: una ruota conduttrice cioè l organo portatore del moto; una ruota condotta che riceve il moto. Il comportamento meccanico di una trasmissione di moto viene descritto dal coefficiente di trasmissione (τ): 2 2 r2 ω n τ = = = ω n r dove: ω 1 è la velocità angolare della ruota conduttrice; ω 2 è la velocità angolare della ruota condotta; n 1 è il n di giri al minuto della ruota conduttrice; n 2 è il n di giri al minuto della ruota condotta; r 1 è il raggio della ruota conduttrice; r 2 è il raggio della ruota condotta. Pertanto se: τ < 1 il sistema determina una riduzione di velocità (riduttore di giri); τ = 1 il sistema mantiene inalterato il numero di giri; τ > 1 il sistema determina un aumento di giri (moltiplicatore di giri). per assicurare un funzionamento corretto ed efficiente, l angolo di abbraccio della ruota con diametro minore deve essere di almeno 120 e, per fare ciò, in molti casi si adotta un rullo tendicinghia.

42 Elementi di meccanica agraria pag. 41 Maines Fernando In generale gli organi flessibili si caratterizzano per la capacità di resistere solo a sollecitazioni di trazione e si suddividono in: funi: vengono utilizzate prevalentemente per il fissaggio e/o il sollevamento di carichi; catene: sono costituite da un insieme di anelli o di piastrine e perni metallici che formano una maglia. Si utilizzano nei casi in cui risulta più importante un elevata resistenza rispetto all ottimizzazione cinematica. 5.1 Le catene Le catene si caratterizzano, in generale, per una consistente dissipazione di energia, un alta rumorosità, la capacità di trasmettere potenze elevate e per l assenza di slittamenti nel caso di basse velocità; tuttavia una maggiore cura nella realizzazione dei collegamenti tra le maglie consente la riduzione degli attriti ed il miglioramento della forma per ottenere un inserzione graduale e silenziosa sul dente della puleggia. Ne esistono di vari tipi e con caratteristiche diverse: ad anello: usate per trasmettere potenze elevate a basse velocità; Zöbel: è la tipica catena usata per biciclette e moto e può essere singola, doppia o tripla; Renold: molto silenziosa e caratterizzata dalla scarsa usura e dall ottimo funzionamento anche ad alte velocità; silenziose.

43 Elementi di meccanica agraria pag. 42 Maines Fernando 5.2 Le cinghie Le cinghie sono utilizzate per collegare due alberi con un interasse considerevole e trasferiscono il moto sfruttando principalmente le forze di attrito. Le principali tipologie sono: cinghie lisce rettangolari: erano usate soprattutto in passato. Hanno una sezione molto appiattita ed estesa e poggiano su delle pulegge aventi la faccia esterna liscia per favorirne lo scorrimento. Sono molto silenziose ed hanno un elevata flessibilità; infatti è possibile anche la trasmissione tra assi sghembi, ma al tempo stesso la massima coppia trasmissibile è limitata dall attrito tra la puleggia e la cinghia e dal possibile asincronismo tra gli alberi collegati. In questo sistema sono necessari elevati precarichi per evitarne lo scorrimento; cinghie tonde: si presentano analoghe alle cinghie lisce e vengono utilizzate in casi particolari quando, per esempio, gli assi sono eccessivamente sghembi; cinghie trapezoidali: sono formate da materiale elastomero con all interno elementi di acciaio per renderle più resistenti. Richiedono pulegge con una scanalatura opportuna che funge da guida. Il contatto tra le due parti avviene lungo i fianchi inclinati della cinghia e, nel caso in cui si voglia aumentare l attrito, si possono adottare delle pulegge con gole zigrinate. Sono meno flessibili delle cinghie lisce e possono trasmettere coppie molto elevate anche con precarichi relativamente modesti. Oltre ad avere coefficienti di attrito elevati, si caratterizzano per rendimenti che toccano il 96%, velocità oscillanti tra 25 e 40 m/s e coefficienti di trasmissione fino a 1/15; poli-v: rappresentano una soluzione di compromesso tra l elevata flessibilità delle cinghie lisce e la grande capacità di carico di quelle trapezoidali; cinghie dentate: sono formate da una serie di denti collegati da una fascia continua di gomma avente all interno dei cavi d acciaio o kevlar per aumentarne la resistenza. Si caratterizzano per un alta silenziosità, le elevate coppie trasmissibili, gli ottimi rendimenti, l elevata sicurezza, la garanzia di sincronismo degli assi collegati ed infine per l assenza di slittamenti. E importante ricordare inoltre che per questo tipo di cinghie è necessario un accurato allineamento per contrastare gli spostamenti laterali.

45 Elementi di meccanica agraria pag. 44 Maines Fernando 6 Il sistema di distribuzione nei motori endotermici

47 Elementi di meccanica agraria pag. 46 Maines Fernando Il sistema di distribuzione o più semplicemente distribuzione, è l insieme degli organi meccanici predisposti al controllo dei gas che entrano e/o escono nei cilindri. Nel caso dei motori a quattro tempi il sistema di distribuzione è piuttosto complicato e può assumere

48 Elementi di meccanica agraria pag. 47 Maines Fernando forme diverse in relazione all architettura scelta per il motore. La distribuzione ha principalmente il compito di aprire e chiudere le valvole di aspirazione (che regolano il flusso di aria o di miscela aria/benzina) e le valvole di scarico (che regolano il flusso dei gas di combustione), al momento giusto (in funzione delle fasi del motore) e, a tal fine, è composto di varie parti: albero ad eccentrici; punteria; aste e bilancieri; valvole; molle di contrasto. L albero (o gli alberi) a eccentrici svolge il compito di apertura e di chiusura delle valvole, grazie all azione delle camme, elementi eccentrici presenti sull albero in numero pari a quello delle valvole. L albero riceve il moto dall albero motore con un regime di rotazione pari alla metà (rapporto di trasmissione 2/1). Se l albero a camme è posto in alto nella testata, il moto viene trasferito mediante catena o cinghie dentate che agiscono su rulli dentati; generalmente sono anche corredate di tendi-cinghia con rullini (in funzione della geometria del loro percorso) e richiedono la messa a punto solo al montaggio, poiché cinghie e catene non presentano dilatazione con l uso. Se, invece, l albero a camme è posto in basso nel monoblocco il trasferimento del moto avviene mediante ruote dentate. Il compito degli eccentrici è quello di trasformare il moto rotatorio in un moto lineare da imprimere alle valvole: ciò può avvenire in maniera diretta oppure con l interposizione di altri elementi (punterie, bilancieri, eventuali aste e molle). Le camme hanno superfici cilindriche non circolari che nella rotazione si comportano in modo eccentrico rispetto.

49 Elementi di meccanica agraria pag. 48 Maines Fernando Sono ricavate in un unico pezzo solidale all albero con il quale ruotano e che si chiama, appunto, albero a camme. Le punterie mettono a punto la posizione di riposo fra le valvole e i relativi organi di azionamento e svolgono il compito di trasferire il moto rotatorio dell eccentrico in moto verticale. Hanno una forma di piatto o bicchiere e s incorporano ai bilancieri o alle aste di spinta. In altre soluzioni, alle punterie s intercalano delle pastiglie calibrate collocate dentro bussole di alloggiamento oppure sulla stessa valvola. Le punterie sono sottoposte a continuo strisciamento i cui effetti possono essere contenuti grazie a: un sottile gioco fra camma e punteria (da 0,06 mm a 0,13 mm); l utilizzo di materiali molto resistenti (ceramiche, materiali polimerici, mescola siliconica, ); una grande precisione nella realizzazione dei componenti; l eccentricità di contatto fra camma e punteria che provoca sulla punteria stessa un leggero movimento circolare che consente di distribuire il contatto su una superficie più estesa. Le aste sono piccoli alberi metallici che trasmettono il movimento comandato dall albero a camme quando questo non si trova montato sulla testata. Sono quindi necessarie solo nei motori che hanno gli alberi a camme nel carter.

50 Elementi di meccanica agraria pag. 49 Maines Fernando I bilancieri sono elementi meccanici che hanno il compito di trasmettere allo stelo della valvola il movimento originato dalla camma. I bilancieri oscillano intorno a un perno situato in posizione quasi centrale rispetto alla propria lunghezza al di sopra delle valvole stesse. Le valvole sono gli organi meccanici che aprono e chiudono il passaggio dei gas nei condotti. Hanno forma a fungo e la corona circolare della loro testa appoggia su una sede circolare al termine del condotto; l estremità opposta costituisce lo stelo, che riceve la spinta dall organo di azionamento. A seconda della funzione che svolgono si dividono in valvole di aspirazione e valvole di scarico; possono diversificarsi in funzione della posizione e della dimensione. Le valvole sono caratterizzate da: forma a fungo; l utilizzo di materiali resistenti alle alte temperature;

51 Elementi di meccanica agraria pag. 50 Maines Fernando un elevata precisione esecutiva nell attuazione in particolare della superficie tronco conica lungo la quale la valvola si appoggia alla battuta del foro, per assicurare una perfetta tenuta. Le valvole sono mantenute in posizione di chiusura mediante una molla a spirale (di contrasto), la cui azione viene vinta dall azione della camma. Tali molle sono interposte fra lo stelo della valvola e la testata, e hanno il compito di mantenere la valvola permanentemente in contatto con il profilo della camma, oppure con la sede circolare praticata nella testata. Le molle si fissano allo stelo per mezzo di piattelli a forma di semiluna, che s incastrano in una scanalatura praticata nello stelo. ***** Il funzionamento del sistema di distribuzione viene rappresentato da un diagramma a torta definito diagramma di distribuzione. Tale diagramma tiene conto di quattro fattori: i quattro tempi del motore; gli anticipi di apertura delle valvole e i ritardi di chiusura delle valvole rispetto al momento teorico di arrivo al PMI e al PMS, necessari per sfruttare appieno le corse del pistone in quanto l apertura e la chiusura non sono istantanee; l anticipo nell accensione mediante innesco a scintilla o iniezione del gasolio. Il diagramma riporta la posizione di apertura e chiusura degli organi della distribuzione (valvole per i motori a quattro tempi e luci per quelli a due tempi), in funzione dell angolo di manovella. In particolare: la valvola di aspirazione: apre 5-15 prima che il pistone giunga al PMS; chiude dopo che è giunto al PMI: per consentire l entrata di una volume maggiore di aria. la valvola di scarico: apre prima che il pistone giunga al PMI; chiude 5-15 dopo che è giunto al PMS: per favorire una migliore pulizia del cilindro dai gas di scarico.

52 Elementi di meccanica agraria pag. 51 Maines Fernando L anticipo d iniezione, invece, non dovrebbe essere fisso ma variare con il variare delle condizioni di funzionamento del motore (regolazione è il variatore dell anticipo d iniezione ). Infine si osserva la presenza di un momento particolarmente critico, allorquando alla fine dello scarico e all inizio dell aspirazione entrambe le valvole sono aperte per un intervallo di gradi.

53 Elementi di meccanica agraria pag. 52 Maines Fernando 7 Le curve caratteristiche di un motore

57 Elementi di meccanica agraria pag. 56 Maines Fernando Le curve caratteristiche sono 3 grafici sperimentali attraverso i quali si riesce ad avere una visione abbastanza completa delle prestazioni reali di un motore. Queste curve caratteristiche rappresentano: la coppia o momento motore (C); la potenza (P); il consumo specifico (Cs). Un ulteriore grandezza fondamentale per la definizione delle prestazioni di un motore è il rendimento definito come rapporto tra l energia disponibile all albero motore E m e l energia E c chimica presente nel combustibile. Tale rendimento (detto rendimento totale di un motore) è dato dal prodotto di 3 rendimenti parziali: il rendimento termodinamico; il rendimento volumetrico; il rendimento meccanico. Il rendimento termodinamico è il rapporto tra l energia meccanica prodotta E i e la quantità di calore prodotta dalla combustione Q 0 : η t = E i / Q 0 In un motore Diesel il rendimento termodinamico può giungere fino al 0,36-0,40%, mentre in un motore a benzina arriva allo 0,28-0,35%.

58 Elementi di meccanica agraria pag. 57 Maines Fernando Esso aumenta col numero di giri in funzione del disegno della camera di scoppio, della dosatura della miscela (carburazione) e della fase di anticipo accensione. Può invece diminuire a causa di diverse perdite: attraverso i gas di scarico e per la presenza di particelle incombuste (29%); per attriti e il funzionamento dei dispositivi accessori (7%); attraverso impianto di raffreddamento e di lubrificazione (32%); Il rendimento volumetrico, invece, dipende dal grado di riempimento dei cilindri ed è costituito dal rapporto fra la quantità di miscela aria benzina aspirata effettivamente ad ogni ciclo e quella corrispondente al volume generato dal pistone durante la corsa dal PMS al PMI (cilindrata). Infine si definisce il rendimento meccanico, determinato dalla presenza degli attriti ed è il rapporto tra l energia disponibile all albero motore E m e l energia meccanica prodotta E i. η m = E m / E i Generalmente in un motore endotermico il rendimento meccanico vale circa 0, Curva caratteristica della coppia La coppia motrice è il momento derivante dal prodotto fra la forza prodotta dallo scoppio della miscela aria-combustibile e la lunghezza della manovella (albero a gomiti). Rappresenta l energia generata in un giro del motore, attraverso la combustione del carburante.

59 Elementi di meccanica agraria pag. 58 Maines Fernando Più genericamente la coppia motrice è la forza che il pistone trasmette all albero motore, espressa in Nm, attraverso la biella sulla manovella dell albero motore. Tanto più la coppia sarà elevata, tanto più facilmente e rapidamente il motore sarà messo in rotazione, con tutti i suoi organi collegati. Questa grandezza fondamentale, dalla quale si può interpretare il carattere di un motore, viene misurata attraverso una prova su banco in condizioni standard: al motore con un massimo afflusso di carburante, dopo un corretto periodo di riscaldamento e per l intera gamma di velocità del motore, viene applicato un freno dinamometrico la cui azione, inizialmente nulla, viene progressivamente aumentata fino a fermare la rotazione dell albero motore. La curva della coppia ha un andamento prima crescente con il numero di giri, poi un tratto quasi costante all interno del quale raggiunge il valore massimo ed infine un tratto decrescente: il valore di coppia riportato nelle schede tecniche dei motori, corrisponde al picco della curva ed è generalmente situato circa a metà del campo di utilizzo di un motore. L importanza di questa curva, come vedremo, risiede nel fatto che essa influisce su molti aspetti del comportamento di un motore.

60 Elementi di meccanica agraria pag. 59 Maines Fernando Su di essa si individuano i seguenti punti di riferimento: coppia massima C max raggiunta ad un numero di giri attorno al 60% di quello massimo; coppia in corrispondenza della potenza massima C Pmax ; coppia di spunto C nmin, cioè la coppia che il motore riesce a sviluppare ai bassi regimi (attorno ai 1000 g/min): si valuta mediante il seguente coefficiente Sp = C min /C Pmax 100. Si possono ora individuare 2 intervalli: ramo crescente (dalla coppia di spunto alla coppia massima) a comportamento instabile: infatti un aumento di coppia resistente, a causa della riduzione conseguente del numero di giri, determina una riduzione della coppia motrice; si instaura un ciclo vizioso che porta allo spegnimento del motore se non si interviene con il cambio abbassando il rapporto di trasmissione; ramo decrescente della coppia (dalla coppia massima alla coppia di potenza massima) detto di funzionamento stabile; infatti a un aumento della coppia resistente, con riduzione del numero di giri, il motore risponde con un aumento della coppia motrice che stabilizza il comportamento del motore stesso. I valori di coppia massima C max e di coppia di potenza massima C Pmax vengono utilizzati per definire alcuni parametri valutativi molto importanti: intervallo di utilizzo o riserva di giri definito dalle differenze fra n Pmax e n Cmax : è l intervallo entro il quale il motore ha un comportamento, come già visto, efficace e stabile; per un motore trattoristico tale valore deve essere attorno ai g/min. riserva di coppia: è data da: ((C max C Pmax )/C max ) 100. Tale parametro rappresenta un indice dell elasticità del motore; indica, infatti, la coppia motrice disponibile che il motore può mettere a disposizione in risposta ad eventuali aumenti della coppia resistente esterna ( inizio salita, terreni più duri in aratura, ). La riserva di coppia deve essere almeno del 25 %, ma ormai è buona norma arrivare al 40 %. Si osserva, infine, che valori alti di riserva di coppia non si devono ottenere abbassando il valore di C Pmax ma aumentando C max ).

61 Elementi di meccanica agraria pag. 60 Maines Fernando 7.2 Curva caratteristica della potenza La potenza rappresenta l energia generata per unità di tempo, e viene espressa in W o CV (1kW = 1,36 CV, mentre 1 CV = 0,736 kw). La potenza teorica di un motore è data dalla relazione: P m = V p me n / 2 dove: V è la cilindrata in m 3 ; p me è la pressione media effettiva all interno del pistone, espressa in Pa; rappresenta un valore medio fra la pressione durante la combustione e la pressione minima durante l apertura delle valvole di scarico. Di seguito sono riportati alcuni valori di riferimento della pressione media effettiva in diversi tipi di motori: aspirato 7,50 8,00 bar; turbo 9,00-12,00 bar ; turbo intercooler 13,00 14,00 bar. n il numero di giri in s -1 ; Altre espressioni per la potenza sono: P = C 2 n/( ) [in kw] secondo la quale basta moltiplicare la coppia espressa in Nm con la velocità di rotazione espressa in giri/minuto e poi dividere il tutto per 9554, per ottenere la potenza del motore (espressa in kw) a quel determinato regime. P = (p me c n)/( ): secondo la quale la potenza viene vista come una misura della quantità di lavoro prodotta nell unità di tempo e, pertanto, è una grandezza strettamente dipendente dalla presenza di uno spostamento (o, nel caso dei motori, di una rotazione). Da queste espressioni si può dedurre che la potenza di un motore può essere aumentata in 4 modi : aumentando la cilindrata (tramite cilindri più grandi e/o più cilindri); aumentando la pressione media effettiva mediante un aumento del rapporto di compressione, o con un migliore riempimento del cilindro; aumentando il numero di giri: questo intervento è di scarsa utilità nei motori diesel dove il numero di giri si può variare limitatamente, fino a circa 2500 g/min (il valore massimo è limitato dal ritardo di accensione e dal funzionamento della pompa di iniezione); mediante la sovralimentazione che consente di migliorare il rendimento di combustione grazie al maggiore riempimento dei cilindri da parte dell aria, rispetto a ciò che normalmente accade per un motore aspirato (vedi capitolo specifico). La curva della potenza rappresenta la distribuzione di potenza durante l intera gamma di velocità di un motore, ottenuta con massimo afflusso di carburante. Ha un andamento sempre crescente poiché, la diminuzione della coppia che caratterizza il secondo tratto è compensata dall aumento del regime di rotazione del motore che continua a crescere. Solo nel tratto finale la curva può presentare un breve tratto discendente in cui c è una diminuzione leggera della potenza erogata. Si parla in tal caso di motori extra power; attualmente i motori presentano un tratto finale della curva della potenza con andamento costante (costant power).

62 Elementi di meccanica agraria pag. 61 Maines Fernando Sulla curva di potenza si evidenziano i seguenti punti : potenza massima (P max ); potenza nominale (P nmax ) corrispondente al numero di giri massimo; potenza corrispondente alla coppia massima (P Cmax ). 7.3 Curva caratteristica del consumo specifico Il consumo specifico, misurato in g/kwh, viene definito come il rapporto fra il consumo di combustibile (espresso in g) e la potenza erogata (in kw). C s = C/W m Il consumo specifico può essere espresso anche mediante la relazione C s = 3600/(η t H i ) dove H i è il Potere Calorifico Inferiore espresso in MJ/kg e η t è il rendimento totale. Anche il consumo specifico viene generalmente misurato mediante prove al banco. La curva del consumo specifico indica quanto combustibile viene utilizzato dal motore per produrre un kwh di energia ai diversi regimi di rotazione. La curva del consumo specifico ha un andamento tendenzialmente piatto nell intervallo a funzionamento stabile, con un valore minimo nella zona fra C max e il % del n max. I valori medi per i motori diesel per trattrici si aggirano attorno g / kwh; il valore minimo, invece, si aggira sui g/kwh per i motori diesel e sui g/kwh per i motori a benzina. Il consumo specifico è evidentemente legato al rendimento complessivo del motore: tanto più il rendimento è alto tanto più il C s è basso. Altri indici di valutazione sono: rapporto di velocità rdv dato che n Pmax /n Cmax : deve essere 1,5; rendimento del motore η = energia utile/energia consumata: per un diesel veloce deve essere 36 %;

63 Elementi di meccanica agraria pag. 62 Maines Fernando età del propulsore: è dato dal rapporto alesaggio/corsa; deve essere 0,90. Per concludere riportiamo, a titolo di esempio i dati relativi al Motore Perkins serie cilindri Turbo intercooler: cilindrata: 400cc; potenza massima: 90 kw a 2600 g/min; coppia massima: 376 Nm a 1600 g /min; coppia di potenza massima: 312 Nm; potenza di coppia massima: 70 kw; riserva di coppia: 20,5 %; consumo specifico minimo: 210 g / kwh.

64 Elementi di meccanica agraria pag. 63 Maines Fernando 8 L impianto di raffreddamento

68 Elementi di meccanica agraria pag. 67 Maines Fernando L impianto di raffreddamento serve per ridurre gli elevati valori di temperatura degli organi del motore, dovuti principalmente al calore prodotto all interno del cilindro, dove vengono raggiunte elevate temperature ( C). E pertanto indispensabile che prevedere un sistema di raffreddamento per evitare, in primo luogo, la combustione del lubrificante e un eccessiva dilatazione dei metalli che provocherebbero il blocco del motore. Il sistema di raffreddamento può esportare fino al 30% del calore prodotto ( kJ/kWh) e deve fare ciò con efficienza, senza eccedere perché, temperature troppo basse provocherebbero cattivi rendimenti del motore. Pertanto, l impianto di raffreddamento viene utilizzato per raggiungere i seguenti obbiettivi: mantenere il motore ad una temperatura accettabile per evitare il surriscaldamento dei suoi componenti; preservare le proprietà fisico-chimiche del lubrificante, sostanze facilmente alterabili quando si raggiungono temperature troppo elevate; riscaldamento dell abitacolo per la climatizzazione invernale del veicolo; migliorare la partenza a freddo. Gli impianti di raffreddamento si possono classificare in due principali tipi: sistemi di raffreddamento a liquido; sistemi di raffreddamento ad aria. 8.1 Sistemi di raffreddamento a liquido Questo tipo di raffreddamento ha dimostrato di essere il più efficiente. La temperatura viene mantenuta costante tramite un sistema idraulico che interessa tutto il motore. Al suo interno, infatti, circola un liquido di raffreddamento (o refrigerante) costituito da semplice acqua distillata additivata per assicurare le specifiche caratteristiche di anticongelamento, anticorrosione assenza di schiuma e antiossidante. Il liquido refrigerante inoltre deve avere anche un elevato punto di ebollizione e un basso punto di congelamento. L efficienza comunque diminuisce nel tempo e per questo è consigliato di cambiarlo ogni 1600 ore. Gli organi principali dell impianto di raffreddamento a liquido sono: le intercapedini; la pompa d acqua; il termostato;

69 Elementi di meccanica agraria pag. 68 Maines Fernando il radiatore; il ventilatore; il sistema di riscaldamento della cabina. La pompa è una pompa centrifuga e ha la funzione di assicurare la circolazione il liquido refrigerante. Essa è azionata generalmente dalla rotazione del motore stesso mediante una puleggia ed una cinghia trapezoidale. La portata si aggira sui L/h per ogni kw sviluppabile dal motore. Sebbene non sia obbligatoria (si parla in tal caso di motori a raffreddamento libero), la pompa è essenziale per assicurare efficienza al sistema. Il termostato è una valvola termostatica bypass. La troviamo tra il monoblocco e il radiatore e serve per impedire al liquido refrigerante di passare per il radiatore quando il motore, appena avviato, è ancora freddo; in tal caso il liquido viene fatto circolare solamente nel monoblocco in modo da facilitare il rapido riscaldamento del motore fino alla temperatura di C. Superate tali temperature, la valvola si apre consentendo la cosiddetta grande circolazione.

70 Elementi di meccanica agraria pag. 69 Maines Fernando Il radiatore è uno scambiatore di calore, che ha il compito di far raffreddare il liquido proveniente dal monoblocco. Esso è costituito da una griglia di tubicini alettati (in modo da aumentare la superficie di scambio) dove il liquido trasferisce il calore ad una corrente di aria provocata da un ventilatore assiale con portata di m³/h per ogni kw sviluppato nel motore. Il radiatore superiormente presenta un collettore collegato ad un tubo per il ritorno nel motore passando per la pompa di alimentazione (collegato al motore attraverso un tubo in materiale plastico) munito anche di tappo; inferiormente è presente un collettore dove si raccoglie il liquido raffreddato in modo da omogeneizzarne la temperatura. La ventola è sempre presente nei motori trattoristici, dato che questi mezzi non operano con significative velocità di avanzamento. Necessitano, pertanto, di un sostegno al radiatore. La ventola può essere alimentata direttamente dal motore ma, sempre più spesso, è collegata a un motorino elettrico alimentato dalla batteria. Il vaso di espansione ha lo scopo di assorbire le variazioni di volume del liquido indotte dalla variazione della temperatura e inoltre consente di effettuare il rabbocco di liquido. Per questo è munito di tappo e di indicatore di livello minimo e massimo. L indicatore posto sul cruscotto, infine, consente un continuo monitoraggio della temperatura del liquido da parte dell operatore. Il sistema di raffreddamento a liquido, a seconda della temperatura del motore (e pertanto anche dal liquido) può funzionare seconda due modalità diverse: ciclo chiuso; ciclo aperto. Nel caso di ciclo chiuso, all accensione del motore il liquido è messo in circolazione e movimento dalla pompa idraulica, che lo fa scorrere nel circuito presente nel monoblocco motore, portandolo ad assorbire il calore delle sue varie parti, senza che tale liquido abbia la possibilità di raffreddarsi giacché il liquido è costretto a passare per un canale che bypassa il radiatore e chiude il circuito. Tale funzionamento continua fino a quando il liquido non raggiunge una temperatura sufficiente ad aprire la valvola termostatica e iniziare così il funzionamento a ciclo aperto.

71 Elementi di meccanica agraria pag. 70 Maines Fernando Al raggiungimento della temperatura di esercizio (70-80 C), la valvola termostatica incomincia ad aprirsi consentendo al liquido d essere pompato al radiatore. Incomincia in tal modo la fase a ciclo aperto, durante la quale la valvola adatta la sua apertura a seconda della quantità di calore che il liquido deve dissipare. Una volta raffreddato il liquido nel radiatore, questo ritorna nel monoblocco per ricominciare il ciclo ad alta temperatura. Il sistema di raffreddamento a liquido si caratterizza per i seguenti vantaggi: superiore potere refrigerante; minore rumorosità; temperature di regimi minori; temperature più omogenee e prestazioni indipendenti delle condizioni esterne di temperatura; minor ingombro trasversale; possibilità di utilizzare il refrigerante per riscaldare la cabina nel periodo invernale. Di contro evidenzia anche alcuni svantaggi maggior fabbisogno di manutenzione; sistema più costoso; architettura più complessa per la presenza dell intercapedini. 8.2 Sistemi di raffreddamento ad aria Il raffreddamento ad aria è l altro sistema utilizzato per garantire la costanza di temperatura d esercizio di un motore endotermico. E utilizzato maggiormante per motori che alimentano veicoli veloci (moto, ) ma ha trovato applicazione anche in ambito trattoristico. La circolazione e l azione dinamica dell aria è favorita dall alettatura che caratterizza monoblocco e testata in modo da aumentare la superficie di scambio, fino ad avere un rapporto di 1:2 rispetto alla superficie frontale dei cilindri. Nel caso dei trattori è necessario la presenza di un ventilatore che sostenga l azione dell aria con portate di m 3 /h per ogni kw di potenza. Si parla in questo caso di raffreddamento forzato ad aria. Tale sistema può essere ulteriormente migliorato coprendo il motore con un diffusore (come nelle autovetture o scooter), per concentrare e indirizzare la corrente dell aria prodotta dalla ventola (eventualmente affiancata anche da una circolazione dinamica attraverso opportune prese d aria e griglie).

72 Elementi di meccanica agraria pag. 71 Maines Fernando Pertanto g li organi principali dell impianto di raffreddamento ad aria sono: testata e monoblocco con alette da raffreddamento; convogliatore; ventilatore. Nel caso dei motori pluricilindrici, il grado di raffreddamento non potrà risultare omogeneo (gli ultimi cilindri vengono raggiunti da una corrente d aria ormai calda) e in particolare il penultimo cilindro può risultare in sofferenza. Per ridurre questo inconveniente si dispongono apposite carenature per indurre sugli ultimi cilindri un maggiore effetto di raffreddamento. Anche per questo motivo, il raffreddamento ad aria è più adatto a trattrici di potenza medio-bassa. Per migliorare ulteriormente l efficacia del raffreddamento, si può prevedere un sistema che invia in pressione l olio di lubrificazione verso le parti termicamente più sollecitate, come al di sotto dei pistoni (sistemi di raffreddamento misto ariaolio). In tal caso diventa necessaria la presenza di radiatore specifico per raffreddare il lubrificante. I principali vantaggi del sistema di raffreddamento ad aria sono: la semplicità costruttiva; il minor ingombro longitudinale; la maggior affidabilità; il motore raggiunge molto rapidamente la temperatura di regime. Fra gli svantaggi invece, ricordiamo: la ridotta capacità refrigerante; il controllo non ottimale della temperatura del motore; la maggiore rumorosità. In conclusione riassumiamo nella seguente tabella un confronto fra i due sistemi.

74 Elementi di meccanica agraria pag. 73 Maines Fernando 9 Gli attriti

77 Elementi di meccanica agraria pag. 76 Maines Fernando 10 Tecniche per ridurre gli attriti in un motore

80 Elementi di meccanica agraria pag. 79 Maines Fernando 10.1 Cuscinetti I cuscinetti sono dei dispositivi che consentono di ridurre gli attriti che si generano fra due superfici striscianti. Esistono due tipologie con principio di funzionamento diverso: i cuscinetti a strisciamento che impiegano materiali antifrizione; i cuscinetti a rotolamento che utilizzano sfere o cilindri in modo da trasformare l attrito radente in volvente.

81 Elementi di meccanica agraria pag. 80 Maines Fernando I cuscinetti a strisciamento riducono gli attriti interponendo alle due superfici striscianti un materiale a basso coefficiente d attrito. Generalmente sono composti da due semigusci di materiale antifrizione, oppure possono essere costituiti da due cilindri, uno posto nel supporto dell albero e l altro sull albero stesso. Il bronzo, utilizzato prevalentemente in passato, è stato sostituito da materiali complessi come lamine di bronzo impregnate di teflon o a base di ghisa perlitica, oppure leghe a base di stagno e piombo o stagno e zinco. Si tratta comunque di materiali in grado di resistere molto all usura e che si caratterizzano per un ridotto coefficiente d attrito, in modo da poter assicurare al cuscinetto una vita tecnologica il più lunga possibile. Per il loro corretto funzionamento necessitano anche di lubrificazione mediante olio; per questo sulla parete esterna dell elemento è presente un foro che comunica con una gola interna e permette la diffusione dell olio sulla superficie di strisciamento. Nei motori, questo tipo di cuscinetti è utilizzato in corrispondenza del collegamento dell albero motore con le teste di biella e con i supporti di banco. I cuscinetti a rotolamento, invece, sono dei dispositivi che riescono a trasformare l attrito radente in attrito volvente. Per questo sono costituiti da due anelli (uno interno solidale all albero ed uno esterno solidale alla sede) e da una serie di sfere poste fra i due anelli stessi (nello spazio interposto detto gabbia): in questo modo l albero non striscia con il supporto ma ruota fluidamente grazie alle sfere. Gli anelli e le sfere devono essere costruiti con acciai molto resistenti in grado di sopportare gli elevati carichi che si generano a causa della ridotta superficie attraverso la quale sono trasferite le spinte.

82 Elementi di meccanica agraria pag. 81 Maines Fernando Anche questi cuscinetti necessitano di lubrificazione che può essere di due tipi: continua, con immissione continua di olio o discontinua, nel caso si applichi grasso periodicamente. È preferibile utilizzare sempre, quando è possibile, il grasso in quanto viene trattenuto facilmente dalla sede e presenta una miglior protezione dall usura. A seconda degli elementi presenti nella gabbia si distinguono cuscinetti a sfera e cuscinetti a rulli. I primi si caratterizzano per gli attriti molto contenuti, a differenza dei secondi che evidenziano attriti leggermente più alti a cui corrisponde una resistenza ai carichi più elevata dovuta alla maggior superficie di appoggio degli elementi rotanti. I cuscinetti a rotolamento, inoltre, si differenziano in base alla loro forma e funzione in: portanti o radiali (forma cilindrica) se sopportano carichi perpendicolari al loro asse. Possono essere a semplice effetto se costituiti da una ralla per albero, una per alloggiamento e da un gruppo di sfere oppure a doppio effetto se costituiti da una ralla per albero, due ralle per alloggiamento e due gabbie con gruppi sferici; spingenti o assiali (forma conica) in grado di sopportare carichi anche paralleli al loro asse; misti. In base alla loro costruzione si distinguono invece in cuscinetti monoelemento (qualora non sia possibile smontarli), smontabili o scomponibili (divisi in due mezze lune, consentono un montaggio in punti stretti). Infine, si distinguono cuscinetti fissi o oscillanti, qualora l anello interno possa oscillare rispetto all esterno consentendo una certa libertà di movimento rispetto all asse di rotazione.

83 Elementi di meccanica agraria pag. 82 Maines Fernando 10.2 Lubrificanti I lubrificanti sono sostanze, in genere liquide e ad alta viscosità, che consentono, se interposti tra due superfici striscianti, di ridurre in modo consistente gli attriti radenti e le usure a essi conseguenti. Si viene infatti a creare un sottilissimo strato di liquido che consente la separazione delle due superfici a contatto; agli attriti radenti si sostituisce così l attrito viscoso, fino a cento volte minore. Essi hanno anche funzioni secondarie: mantenere pulite le fasce elastiche dei pistoni; proteggere gli organi del motore dall attacco dei residui di combustione; aumentare la tenuta delle fasce elastiche e degli altri organi; contribuire al raffreddamento; preservare le superfici dai fenomeni di ossidazione. I lubrificanti sono generalmente composti da una base di olio di origine minerale (circa il 90%) e da una frazione di additivi (10%). La ricerca è stata in grado di mettere a punto nuove sostanze chimiche, come basi idrogenate, esteri e siliconi allo scopo di migliorare le caratteristiche degli oli di base, relativamente alla viscosità, alla resistenza alle ossidazioni; viene inoltre conferito un miglior comportamento antischiuma ed una miglior capacità disperdente nei confronti dei residui carboniosi di combustione. I lubrificanti, pertanto, devono presentare alcune importanti caratteristiche, prima fra tutte la viscosità, essenziale per assicurare, la completa separazione fra le superfici (portanza). Questa caratteristica deve aumentare con l aumentare della velocità, dei carichi gravanti e dei giochi fra gli organi. La viscosità, che aumenta con il diminuire della temperatura, viene misurata, con scala assoluta, in Ns/m 2 (Pascal su secondo) oppure, con scala relativa, in gradi Engler ( E) che indicano il tempo di efflusso del fluido in esame relativamente a quello di una pari quantità di acqua distillata in condizioni standard. In base alla viscosità i lubrificanti vengono distinti secondo la scala SAE nelle seguenti classi: oli per motore: 5W, 10W, 20W, 20, 30, 40, 50 (la lettera W per winter); oli per cambi: 75, 80, 90, 140, 250. Per ridurre la necessità di frequenti cambi olio (in funzione dell andamento stagionale) sono stati messi a punto degli oli (detti multigrado), in grado di variare la viscosità in funzione della temperatura (es. 20W/40). Nel caso di motori operanti in condizioni gravose (i motori per trattrici agricole rientrano sicuramente in questa categoria) gli oli lubrificanti devono essere in grado di sgretolare e a tenere in sospensione colloidale i residui carboniosi formati in seguito alla combustione. Tali capacità vengono migliorate grazie a specifici additivi e sono caratteristiche degli oli HD, i quali hanno numerosi effetti benefici sul motore, allungandone la durata, evitando la formazione di morchie a basse temperature e neutralizzando l acido solforico (dannoso per gli organi del motore). Questi lubrificanti vengono classificati in base alle caratteristiche di servizio: DG (Diesel general): per utilizzi normali; DM (Diesel medium): per utilizzi mediamente gravosi; DS (Diesel severe): per utilizzi molto gravosi.

84 Elementi di meccanica agraria pag. 83 Maines Fernando La lubrificazione nelle trattrici non si limita a intervenire sul motore. La presenza di una complessa catena cinematica per la trasmissione del moto alle ruote ha reso necessaria la messa a punto di prodotti lubrificanti il cambio di velocità, la coppia conica e il differenziale (SAE 90), per i riduttori finali (SAE 140) o per il sollevatore (SAE 40 e SAE 20). In quest ultimo caso il lubrificante deve assicurare: resistenza all ossidazione; protezione dalla formazione di ruggine; capacità di evitare la formazione di schiuma; corretta viscosità; elevate proprietà antiusura. Tutto ciò ha reso particolarmente gravosa la gestione dei lubrificanti nelle aziende agricole. Le case produttrici hanno lavorato per cercare di semplificare studiando la possibilità di mettere a punto oli universali per trattrici in grado di svolgere tutti i compiti richiesti dai diversi dispositivi presenti sulla trattrice (motore, trasmissione, sollevatore, distributori dell olio). Per riuscire in ciò, un olio universale deve caratterizzarsi per: gradazione multipla di viscosità (almeno 20W/40); elevate proprietà E.P. (capacità di sopportare pressioni elevate); buona scorrevolezza alle basse temperature; potere antischiuma elevato e demulsività (capacità di separare l acqua). Un discorso a parte deve essere fatto per il grasso. Questo è un lubrificante ad alta viscosità adatto a lubrificare superfici su cui agiscono alte pressioni. È applicato a mano o, più comunemente, con apposito erogatore. Viene utilizzato dove agiscono alte pressioni oppure dove non sono consentiti gocciolamenti di olio (ad esempio nei cuscinetti a rotolamento). Il grasso deriva dall olio, minerale o sintetico, il quale viene impastato con additivi (teflon, resine vegetali, glicerolo, esteri) che ne aumentano la resistenza all ossidazione ed evitano la formazione di incrostazioni e residui di varia natura. Poiché in generale il grasso è un cattivo conduttore del calore, si ossida con facilità alle alte temperature e provoca incrostazioni e residui carboniosi. Inoltre, sopra a una certa temperatura, detta punto di goccia, il grasso tende a liquefarsi. Formulare prodotti adatti al calore è quindi molto più difficile per il grasso che per l olio. Esistono diverse categorie di grasso: per alte pressioni EP (impieghi gravosi);

85 Elementi di meccanica agraria pag. 84 Maines Fernando oli miscelati a sostanze solide (usi speciali); asfalti miscelati a oli leggeri; sostanze saponose (sali di litio) miscelate a oli; per uso generico Impianto di lubrificazione È il sistema che consente la messa in circolazione dell olio nel motore e il suo trattamento (filtrazione) per mantenerne l efficienza nel tempo. Si compone di varie parti: coppa dell olio; astina per il controllo del livello; pompa di circolazione; filtro a cartuccia; manometro; valvola per la regolazione della pressione; canalizzazioni di scorrimento dell olio: o circuito principale; o circuito secondario Coppa dell olio È un carter che raccoglie, per gocciolamento, l olio proveniente dal motore. La coppa alloggia anche la succhieruola della pompa ed ha una conformazione che consente il pescaggio del lubrificante in qualsiasi pendenza (anche in salita). È munito, inoltre, di vite per lo svuotamento totale. Infine la coppa permette all olio di raffreddarsi; infatti sulla sua superficie sono presenti delle alettature che aumentano la dissipazione del calore accumulato.

86 Elementi di meccanica agraria pag. 85 Maines Fernando Pompa di circolazione Questo componente permette la circolazione dell olio. La pompa, che è mossa dall albero motore, preleva l olio dalla coppa, attraverso un filtro a maglia metallica posto a monte della stessa pompa che blocca eventuali residui metallici e impedisce l aspirazione di corpi estranei presenti nell olio che potrebbero causare il danneggiamento della pompa. Tra le pompe più comuni si ricordano quelle ad ingranaggi o le pompe a lobi (trocoidali). Generalmente è presente una valvola imitatrice di pressione (3/4 bar), un manometro e un sistema per segnalare pressioni troppo basse Filtro a cartuccia, manometro e valvola di regolazione Il filtro serve a separare eventuali impurità disciolte nell olio. I motori moderni prevedono un filtro singolo (oppure due filtri in serie) costituito da un elemento filtrante in carta trattata chimicamente, alloggiato sia internamente al basamento (solo elemento filtrante) oppure esternamente (cartuccia). L olio dalla periferia del filtro passa in un collettore centrale dal quale può uscire e circolare per il motore, anche in caso d intasamento del filtro. Attualmente si adottano filtri differenziali cioè non interessati da tutta la portata elaborata dalla pompa.

87 Elementi di meccanica agraria pag. 86 Maines Fernando Canalizzazioni di scorrimento Tutte le parti e componenti interne del motore vengono lubrificate attraverso una rete di condotti e canalizzazioni, in cui l olio viene pompato ad alta pressione tramite la pompa. L olio passa attraverso queste canalizzazioni che sono studiate in modo da raggiungere tutte le parti che necessitano di essere lubrificate, ovvero valvole, bilancieri, alberi a camme, cuscinetti a strisciamento. Si possono distinguere due circuiti: principale o primario per la lubrificazione dell albero motore, bronzine, bielle, spinotto, albero a camme; secondario per portare l olio alle aste, bilancieri, valvole, molle di richiamo. La lubrificazione all interno del motore può avvenire anche per fuoriuscita dell olio dagli organi in movimento il quale andrà a lubrificare organi come le camicie dei cilindri, pistoni e spinotti del pistone Eventuale sistema per il raffreddamento dell olio In particolari casi, per evitare che la temperatura dell olio raggiunga valori elevati è importante fare uso di radiatori che riportano la temperatura a valori accettabili, evitando possibili rotture del motore. Questi sistemi si compongono di un ulteriore radiatore (spesso integrato alla coppa dell olio) nel quale viene fatto passare l olio per abbassarne la temperatura. Tale funzione diventa essenziale qualora l olio di lubrificazione venga utilizzato direttamente per il raffreddamento (specialmente in supporto a sistemi di raffreddamento ad aria) mediante, ad esempio, spruzzi d olio nella parte sottostante del pistone.

88 Elementi di meccanica agraria pag. 87 Maines Fernando 11 L impianto di alimentazione del motore diesel

95 Elementi di meccanica agraria pag. 94 Maines Fernando L alimentazione nel motore ad accensione spontanea è composta da una serie di dispositivi che assicurano al motore un corretto rifornimento di aria e gasolio (comburente e combustibile) nelle dosi (il rapporto aria-combustibile è di :1) e nel momento dovuto.

96 Elementi di meccanica agraria pag. 95 Maines Fernando Il rifornimento di aria avviene in modo semplice vista la disponibilità praticamente illimitata e la facilità di prelievo. Prima di poter entrare nel cilindro l aria viene sottoposta a filtrazione per essere liberarla dalle presenze indesiderate (polvere,...). Due sono i tipi di filtri utilizzati: filtro a olio: è costituito da una vaschetta piena d olio nel quale è immerso il tubo di entrata dell aria che deve pertanto gorgogliare lasciando le eventuali impurità nel liquido. Successivamente l aria passa per una fitta rete di metallo o nylon dove si libera dalle eventuali goccioline d olio in sospensione. Il filtro dopo un certo numero di ore di lavoro, in base al tipo di lavoro che si svolge, va smontato per la sostituzione dell olio e la pulizia della maglia con benzina o diluente. Si tratta pertanto di un filtro complesso (e per questo ormai poco utilizzato), sebbene sia particolarmente indicato per lavori in ambienti polverosi; filtro a secco: è costituito da una cartuccia costituita da ampia superficie di materiale cartaceo fittamente pieghettato attraverso il quale l aria è obbligata a passare, liberandosi dalle impurità (filtra dal 99,5 al 99,9 % delle impurità presenti). L efficienza di filtrazione può essere migliorata prevedendo un prefiltro. Questo tipo di filtro è più semplice, anche per quanto riguarda la manutenzione, che risulta più veloce e pratica (getto di aria compressa); per questo è la tipologia più diffusa. Dopo che l aria è stata filtrata, entra nel collettore costituito da un tubo che si dirama in un numero di condotti quanti sono i cilindri; è inoltre sagomato in modo tale da creare la maggiore turbolenza possibile all aria per contribuire alla pulizia della camera di combustione dai gas di scarico. In seguito l aria viene immessa nei cilindri con due sistemi diversi: la semplice aspirazione del pistone o il turbo compressore. Nel secondo caso l aria entra nel cilindro a un pressione maggiore rispetto a quella esterna e pertanto in quantità superiore rispetto ai

97 Elementi di meccanica agraria pag. 96 Maines Fernando sistemi aspirati. In questo modo risulta maggiore la quantità di comburente e quindi si assicura una migliore combustione del carburante. Il gasolio viene fatto arrivare al cilindro tramite un complesso sistema. In primo luogo è presente un serbatoio. Attualmente si adottano materiali plastici perché più facilmente sagomabili per riuscire a recuperare il maggior spazio possibile. Oltre al condotto di andata è presente un condotto per il ritorno del gasolio non utilizzato dagli iniettori. Dal serbatoio il gasolio viene prelevato da una piccola pompa (pompa del gasolio), generalmente una pompa a membrana, caratterizzata da basse pressioni e piccole portate. La pompa aspira il gasolio dal serbatoio per inviarlo alla pompa di iniezione facendolo transitare attraverso il o i filtri necessari per togliere le impurità a l eventuale acqua contenuta nel gasolio. Sono filtri composti da cartucce in materiale cartaceo pieghettato, poste in appositi elementi metallici di facile sostituzione, che deve essere effettuata a intervalli regolari secondo quanto stabilito dal costruttore. In uscita dai filtri il gasolio arriva alla pompa d iniezione che svolge diversi compiti: inviare il gasolio agli iniettori fornendo una sufficiente pressione per raggiungere un corretto grado di polverizzazione; Inviare il gasolio nel giusto momento e con la corretta successione; Regolare il numero minimo di giri.

98 Elementi di meccanica agraria pag. 97 Maines Fernando Due sono le tipologie utilizzate: la pompa d iniezione alternativa e la pompa di iniezione rotativa. La pompa di iniezione alternativa presenta un numero di pistoni, posti in linea, pari al numero di cilindri, collegati mediante un tubicino al corrispettivo iniettore. Ciascun pistoncino presenta due diversi movimenti: un movimento verticale rettilineo alternato, finalizzato alla messa in pressione del gasolio (fino a 700 atmosfere). Il movimento viene indotto da un albero a camme, che ruota ad un velocità pari a metà di quella del motore. Una molla riporta il pistone al punto morto inferiore al termine della spinta indotta dall eccentrico; movimento di rotazione del pistone comandato da un asta a cremagliera che agisce su una ruota dentata posta su un albero coassiale al pistoncino. La cremagliera è comandata direttamente dal pedale dell acceleratore (o dell acceleratore a mano) oppure dal regolatore di giri che interviene qualora il numero di giri dovesse scendere sotto il minimo e dovesse aumentare eccessivamente (anche un valore massimo prefissato). Il secondo movimento del pistone, quello di rotazione, determina la variazione della quantità di gasolio inviata all iniettore in quanto viene anticipata o posticipata l apertura di una luce che mette in comunicazione la camera di compressione con il sistema esterno.

99 Elementi di meccanica agraria pag. 98 Maines Fernando Questo risultato viene ottenuto grazie alla particolare configurazione del pistoncino. Questo infatti presenta un canale per mettere in comunicazione la camera di compressione superiore con quella inferiore (come si può vedere dalle immagini). Il canale ha un tratto rettilineo ed uno con andamento elicoidale. Pertanto, ruotando il pistoncino si anticipa o si ritarda l apertura delle luci laterali di collegamento con l esterno, apertura che determina il crollo della pressione nella camera di compressione e la conseguente interruzione della mandata di gasolio all iniettore. Quando il gasolio presente nella camera di compressione raggiunge una determinata pressione, riesce a vincere l azione di una valvola di chiusura tenuta in posto da una molla, dando inizio all alimentazione dell iniettore. Questo prosegue fino a quando la

100 Elementi di meccanica agraria pag. 99 Maines Fernando pressione nelle camera di compressione si riduce bruscamente con conseguente chiusura della valvola. Per assicurare condizioni di funzionamento ideali per ogni iniettore, si configurano i condotti di mandata per rendere uguali le perdite di carico nonostante i diversi percorsi per raggiungere gli iniettori. Completa la pompa d iniezione il regolatore di giri (di tipo meccanico o idraulico ed ora elettronico) che interviene per gestire il regime minimo e massimo di rotazione La pompa d iniezione rotativa si contraddistingue dalla precedente per avere un solo gruppo pompante, costituito da due pistoncini contrapposti, posti in posizione radiale all interno di un albero radiante. Il regime di rotazione è pari a metà di quello del motore dal quale il movimento deriva mediante una trasmissione a ruote dentate. Il movimento dei pistoni (che in fase di compressine convergono verso un camera posta al centro del cilindro) è data da una serie di coppie di camme in numero pari a quello dei cilindri. Le camme sono ricavate in un cilindro concentrico ed esterno al primo; tale cilindro può subire piccole rotazioni mediante le quali viene variato il valore dell anticipo di iniezione in base al regime di rotazione del motore.

101 Elementi di meccanica agraria pag. 100 Maines Fernando Il cilindro interno (detto distributore rotante) presenta una serie di condotti: condotto centrale lungo l asse del cilindro, collegato con le camere di compressione fra i due cilindri; condotti radiali collegati a quello centrale: o un condotto (A) assicura l arrivo di gasolio dal filtro per n volte nel corso di una rotazione completa del distributore rotante qualora ginge in corrispondenza con ciascuno deli n condotti (dove n è il numero di cilindri) distribuiti su una circonferenza a distanze regolari (anello di carica); o su un piano radiale diverso è presente un condotto B utilizzato per mettere il distributore rotante in comunicazione con gli iniettori. Il cilindro esterno presenta anch esso una serie di canali radiali in corrispondenza con quelli precedentemente descritti per il distributore rotante. In particolare sono presenti: una serie di n condotti posti sull anello di carico connesso con la mandata del gasolio (pompa alimentazione e filtro) che alternativamente entrano in contatto con il condotto A in modo da far giungere il gasolio da mettere in pressione per n volte ad ogni ciclo del motore; una serie di condotti disposti con regolarità su una circonferenza che entrano alernativamente in contatto con il condotto B del distributore rotante. In tal modo il condotto centrale pieno di gasolio in pressione (fino a 1000/1500 atmosfere) viene messo in comunicazione con il condotto di alimentazione di ciascun iniettore. *****

102 Elementi di meccanica agraria pag. 101 Maines Fernando Esistono poi due sistemi innovativi: il common rail e il multijet. Il common rail che si caratterizza per la presenza del condotto comune e degli elettroiniettori: il gasolio dalla pompa arriva direttamente nei cilindri a pressione molto elevata (fino a 2000 bar) e quindi meglio nebulizzato. In tal modo si assicurano diversi vantaggi: migliore controllo dell iniezione; elevata resa ed elasticità anche ai bassi regimi grazie alla pressione costante; riduzione di rumorosità e vibrazioni; consumo ridotto di carburante; buona coppia e potenza; riduzione di emissioni inquinanti. 1. Filtro dell aria; 2. centralina; 3. pompa ad alta pressione; 4. serbatoio common rail; 5. iniettori; 6. sensore per i giri motore; 7. sensore per la temperatura di raffreddamento; 8. filtro combustibile; 9. sensore sul pedale dell acceleratore. Il multijet, invece, consiste nel fatto che ogni cilindro dispone di una pompa-iniettore che provvede a generare direttamente la pressione (si raggiungono le 2000 atm). La polverizzazione del gasolio avviene direttamente nella camera di combustione con una pressione massima di circa 2000 bar. La quantità di combustibile iniettata ed il momento di iniezione più corretto vengono determinati da una apposita centralina elettronica. I vantaggi che si ottengono sono: non è presente nessun tubo di carburante ad alta pressione; le pressioni d iniezione sono più elevate; consumo di carburante risulta minore; minore rumorosità; sensibile diminuzione delle emissioni nocive (ossidi d azoto e polveri sottili); migliore potenza e migliore coppia a basse velocità del motore.

103 Elementi di meccanica agraria pag. 102 Maines Fernando Entrambi questi sistemi si caratterizzano per le minori perdite di carico grazie ai tubi di derivazione più corti. ***** Dalla pompa di iniezione, il gasolio raggiunge l iniettore. Il suo compito è quello di nebulizzare ad alta pressione il gasolio nella camera di scoppio del cilindro. Per questo, perciò, devono essere molto precisi e, in particolare, devono evitare gocciolamenti. In generale sono costituiti da: corpo centrale in acciaio fissato alla testa del cilindro; asta premi valvola; valvola a spillo; ugello ad uno o più fori; vite di taratura; molla di richiamo. Si classificano in base al numero di fori: nel caso di un solo foro di (relativamente) grandi dimensioni, minore risulta la nebulizzazione così come sarà minore la difficoltà esecutiva. Nel caso di iniettore a più fori (3 4) di piccola dimensione, invece, maggiore sarà la nebulizzazione, ma anche le difficoltà esecutive e il fabbisogno di manutenzione. L iniezione del gasolio può avvenire in due modalità: diretta o indiretta. Nell iniezione diretta il combustibile polverizzato è iniettato direttamente nella camera di scoppio: le pressioni d iniezione sono più elevate (fino a 1600 bar nei sistemi commonrail e fino a 2000 bar nel sistema iniettore-pompa) e si utilizzano iniettrori a più fori di piccola dimensione (caratterizzati da una tecnica esecutiva più costosa e sofisticata). La camera è costruita con forme che facilitino la turbolenza dell aria e la miscelazione con il combustibile.

104 Elementi di meccanica agraria pag. 103 Maines Fernando Nell iniezione indiretta il combustibile polverizzato è iniettato (a bar con iniettori a foro singolo) in una precamera dove avviene una prima miscelazione tra aria e gasolio e l inizio della combustione. La conseguente espansione dei gas determina una propagazione turbolenta della miscela non ancora bruciata nella camera di scoppio vera e propria. La posizione decentrata della precamera determina una maggiore complessità della architettura del motore e una maggiore difficoltà nell avviamento a freddo (anche per le minori pressioni) compensata mediante la presenza di una candeletta di preriscaldamento. Nella seguente tabella riportiamo alcuni parametri di confronto fra iniezione diretta ed iniezione indiretta. Regime max rotazione Potenza specifica (KW/dm 3 ) Consumo specifico (g/kwh) Pressione iniezione Raffreddamento Qualità combustibile Iniettori diretta minore minore minore maggiore più facile migliore più delicati indiretta maggiore maggiore maggiore minore più difficile peggiore meno delicati

105 Elementi di meccanica agraria pag. 104 Maines Fernando Per concludere si ricorda la presenza dei sistemi di regolazione: il variatore automatico dell anticipo dell iniezione; il regolatore di giri: inizialmente di tipo meccanico (a masse rotanti), è ora di tipo idraulico o elettronico. Svolge il compito di regolare il regime minimo e quello massimo e, in certe applicazioni, di mantenere costante il regime del motore al variare del carico.

106 Elementi di meccanica agraria pag. 105 Maines Fernando 12 La sovralimentazione

109 Elementi di meccanica agraria pag. 108 Maines Fernando Di un motore endotermico si definisce sovralimentazione l introduzione forzata di aria o di miscela combustibile nei cilindri in quantità ed in pressione maggiore rispetto a quella che sarebbe possibile con la normale aspirazione a pressione atmosferica; in tal modo si garantisce al motore maggiore potenza e una coppia più elevata. Infatti la maggior presenza di ossigeno consente una migliore combustione con un conseguente minore consumo specifico (g/kwh). Pertanto si possono pertanto raggiungere i seguenti obiettivi: aumentare la potenza specifica (potenza per unità di cilindrata) a parità di carburante consumato in modo che: o a parità di cilindrata si otterranno potenze superiori; o a parità di potenza il regime di rotazione del motore sarà inferiore; o la riserva di coppia sarà superiore. ridurre il consumo specifico (consumo per unità di energia prodotta a parità di potenza sviluppata). La sovralimentazione assicura, oltre ad una migliore efficienza di combustione una maggiore elasticità del motore, una minor rumorosità ed una minor sensibilità all altitudine ed alle variazioni delle condizioni atmosferiche. Il livello di sovralimentazione viene espresso mediante il coefficiente di sovrappressione, valore che indica l aumento di pressione nei cilindri rispetto alla pressione atmosferica. Generalmente varia da 0,6 a 1,8, determinando un aumento di potenza da 10-15% a 40-60%. La sovralimentazione può essere ottenuta anche per via chimica, miscelando l aria con un fluido più ossigenato. I sistemi di sovrappressione meccanici più utilizzati sono: i compressori volumetrici; i turbocompressori Compressore volumetrico

110 Elementi di meccanica agraria pag. 109 Maines Fernando Si tratta di compressori a lobi (più raramente a vite) alimentati direttamente dall albero motore tramite cinghia. Questo assicura un erogazione progressiva della potenza garantendo ottimi rendimenti ai bassi e ai medi regimi dato che la portata dell aria inviata ai cilindri è proporzionale alla velocità dell albero motore. Inoltre le minori sollecitazioni meccaniche e termiche rispetto al turbocompressore ne fanno un sistema molto efficiente (per questo i sistemi trovano un applicazione soprattutto in ambito automobilistico su motori a benzina). I turbocompressori volumetrici evidenziano anche alcuni svantaggi: non riescono a garantire le prestazioni massime del turbocompressore, a causa dei limiti fisici del sistema; peggioramento dell efficienza all aumentare del numero di giri; maggiori consumi in quanto il compressore volumetrico assorbe energia dal motore Turbocompressore Il turbocompressore o turboaspirato rappresenta il sistema più diffuso di sovralimentazione.

111 Elementi di meccanica agraria pag. 110 Maines Fernando Esso è costituito da due giranti direttamente collegate fra loro attraverso un albero. La prima girante è una turbina che viene messa in rotazione dall espansione dei gas di scarico (si trova pertanto sulla condotta in uscita dal collettore dai gas di combustione). La seconda girante è un compressore, generalmente in lega di magnesio che, trascinato, in rotazione dalla turbina, comprime l aria e la immette nel collettore d aspirazione. Si tratta di un complesso altamente efficiente in quanto recupera l energia residua dei gas di scarico (energia termica) per azionare la turbina e con essa il compressore. In questo modo è possibile immettere nella camera di scoppio un maggior quantitativo di carburante, vista la maggior presenza di ossigeno, assicurando così una maggiore potenza. Tuttavia proprio in virtù di tale potenza, ovvero maggior consumo, anche i gas di scarico sono costretti a uscire più velocemente, così anche il turbocompressore ruoterà più rapidamente conferendo una sempre maggiore potenza al propulsore. La girante può superare tranquillamente i giri/min. Nel comprimere l aria, il turbocompressore trasferisce all aria anche calore causandone una diminuzione di densità: per riportare l aria a temperature più basse (e perciò a densità

112 Elementi di meccanica agraria pag. 111 Maines Fernando maggiore) si fa uso di un sistema di raffreddamento aria/acqua o aria/aria (intercooler), strutturalmente analogo al radiatore dell impianto di raffreddamento. Può essere posto prima del turbocompressore (beforecooler) o dopo (aftercooler). Per controllare, invece, le condizioni d esercizio della turbina si utilizza una valvola di pressione chiamata valvola wastgate. Essa si trova nel collettore di scarico e la sua azione serve ad evitare che il sistema di sovralimentazione venga sovra-sollecitato, mantenendo la pressione di scarico entro un limite massimo. Rispetto agli altri sistemi di sovralimentazione il turbocompressore si caratterizza per i seguenti svantaggi: maggiore complessità; costi maggiori; maggiori sollecitazione fisiche e termiche del motore che determinano un maggior fabbisogno di raffreddamento e di lubrificazione.

113 Elementi di meccanica agraria pag. 112 Maines Fernando Per concludere proponiamo, nella seguente tabella, il confronto fra un motore aspirato ed uno sovralimentato. Caratteristiche tecniche del motore Diesel aspirato Diesel turbo ad iniezione diretta 1) Numero cilindri e disposizione 4 in linea 4 in linea 2) Alesaggio (mm) ) Corsa (mm) ) Cilindrata totale (cc) 4085, ) Rapporto di compressione (V+V 1 /V 1 ) 16:1 18:1 6) Raffreddamento misto a liquido 7) Pressione media effettiva (bar) ) Potenza massima omologata (kw) ) Potenza specifica (kw/litro) ) Regime di coppia massima (gpm) ) Coppia massima (Nm) ) Potenza di coppia max (kw) ) Regime nominale (gpm) ) Coppia di potenza max (Nm) ) Consumo specifico (g/kwh) ) Consumo specifico (g/kwh) ) Regime massimo (gpm)

114 Elementi di meccanica agraria pag. 113 Maines Fernando 13 Il sistema di avviamento

115 Elementi di meccanica agraria pag. 114 Maines Fernando Il sistema d avviamento svolge il compito di avviare il motore stesso mediante sistemi di tipo elettrico e meccanico. I sistemi elettrici utilizzano un motorino elettrico che entra in funzione solo per alcune frazioni di secondo, fino a quando il motore inizia a funzionare auto sostenendo il movimento dei suoi componenti. I sistemi meccanici invece, presentano dispositivi azionati dal pilota/guidatore, che interviene mediante una leva (a mano o a pedale) o una corda a strappo collegata a un sistema di auto avvolgimento sulla puleggia. Questo sistema è specifico delle piccole attrezzature come motoseghe o decespugliatori. Sulle trattrici si utilizza un sistema di tipo elettrico che è costituito da due elementi: un rotore con pignone dentato, la cui estremità viene innestata automaticamente sulla corona periferica del volano, dal comando meccanico o elettromagnetico di accensione; un motore a corrente continua che fornisce l energia per mettere in rotazione il rotore con pignone dentato. Posto esternamente al basamento del motore, richiede una potenza pari al 4-8% della potenza massima del motore ed è alimentato dalla batteria (a 24 volt) della trattrice.

116 Elementi di meccanica agraria pag. 115 Maines Fernando In alternativa all'impianto d avviamento (in caso di guasto), si può usare: avviamento a spinta: il motore viene messo in collegamento con le ruote motrici tramite l'inserimento della marcia. La rotazione e l avviamento viene indotta spingendo il mezzo e facendo forza sulla ruota motrice, in modo da farla ruotare nel senso di marcia avviatore esterno: il sistema usato per avviare il motore non è montato sul mezzo, ma è esterno a esso; può o agire sulla ruota motrice o collegarsi direttamente al cambio o al motore.