Avviamento dei motori a combustione interna Generalità...1 Avviamento dei motori a combustione interna...2 Caratteristiche dei motori di avviamento...3 Meccanismi di ingranamento automatico...5 Ingranamento ad inerzia...5 Ingranamento a solenoide...6 Generalità L avviamento dei motori a combustione interna (MCI) è effettuato, ormai da molti decenni, attraverso l utilizzo di un motore elettrico del tipo a collettore. L utilizzo di questa soluzione discende da molteplici fattori: La scelta del motore elettrico è diretta conseguenza della scelta del sistema elettrico di bordo che effettua l accumulo energetico in accumulatori elettrochimici. Soluzioni di altro genere (ad es. avviamento attraverso aria compressa) utilizzate sulle grandi navi non sono usate a bordo degli autoveicoli a causa della loro complessità (e quindi peso e ingombro). Fra i motori elettrici il candidato naturale è il motore a collettore in quanto: esso è dotato in maniera naturale di una eccellente coppia di spunto può essere alimentato direttamente dalla sbarra in corrente continua presente a bordo In conseguenza di questo in passato, quando la conversione del vettore elettrico DC/AC era estremamente complessa e onerosa, l uso di motori di avviamento in corrente alternata era improponibile. Attualmente il motore di avviamento è un macchina distinta dall alternatore prevalentemente in conseguenza del fatto che l avviamento di un MCI richiede delle coppie molto elevate, che vengono ottenute con un ingranaggio meccanico che realizza rapporti fra la velocità angolare del motore di avviamento e del motore da avviare (e quindi anche fra le relative coppie) dell ordine di 1/10. Un rapporto così elevato comporterebbe velocità angolari a regime dell ordine di 50-60 krpm, che sono troppo elevate per realizzare alternatori di basso costo ed alta affidabilità. L utilizzo di rapporti più modesti, per contro, comporterebbe un inaccettabile sovradimensionamento in coppia della macchina elettrica rispetto a quanto oggi necessario per le funzioni di alternatore. Le cose potrebbero mutare in un futuro relativamente prossimo in quanto con potenze dell alternatore che nel prossimo decennio potrebbero raggiungere i 5-10kW, e opportuna disposizione costruttiva 1, le coppie potrebbero essere effettivamente adeguate all avviamento del motore a pistoni, e quindi le due macchine (motorino di avviamento e alternatore) potrebbero essere unificate installando un unica macchina reversibile dotata di convertitore AC/DC bidirezionale. 1 Qui si intende la realizzazione di rotore di ampio diametro integrato nel volano: da una parte l ampio diametro, necessario per le elevate coppie, non crea particolari problemi di ingombro in quanto cospicue dimensioni radiali devono comunque essere previste per la presenza del volano; dall altra il ferro del circuito magnetico contribuisce all effetto volano. Una costruzione di questo tipo consente di far ruotare il rotore della macchina elettrica alla stessa velocità dell albero a camme, evitando i problemi di peso, ingombro e rendimento associati alla presenza di una trasmissione con riduzione di velocità. Avviamento dei motori a combustione interna (cenni) pag. 1
Come è discusso nel file relativo ai sistemi di generazione ( panoramica.pdf ), un dispositivo consenta simultaneamente generazione e avviamento viene detto Integrated Starter Alternator (ISA), ovvero Integrated Starter Generator (ISG). Se esso viene utilizzato anche per la frenatura a recupero e la propulsione ausiliaria, il suo utilizzo rende la propulsione del veicolo ibrida (meccanica + elettrica), ed il relativo veicolo viene classificato come veicolo ibrido elettrico. Questa opzione, già presente su alcuni veicoli di serie, è attualmente allo studio presso tutti i principali costruttori di autoveicoli del mondo. Nel seguito si considererà solo la soluzione attualmente utilizzata a bordo degli autoveicoli, ovvero quella che prevede motori di avviamento a collettore, alimentati direttamente in DC. Avviamento dei motori a combustione interna Le coppie necessarie per avviare un MCI dipendono dalla cilindrata e dal numero di cilindri. In particolare sono di interesse due valori di coppia: la coppia di spunto (o Stalled Torque) che tiene conto anche di tutti gli attriti di primo distacco; la coppia di avviamento (o Cranking Torque) che è la coppia alla minima velocità di rotazione in grado di consentire l avviamento del motore (quest ultima normalmente assunta pari a 100 giri al minuto). La prima delle due è superiore alla seconda di circa tre volte. Normalmente entrambe le coppie vengono considerate nelle peggiori condizioni termiche ammesse per l avviamento, ovvero per una temperatura ambiente di -20 C. Ad esempio, valori tipici di coppia di spunto e di avviamento per un motore a ciclo Otto, 4 cilindri e 2000 cc sono, rispettivamente 480 Nm e 160 Nm. A partire da questi valori si possono ottenere valori orientativi delle coppie di spunto e di avviamento per diversi numeri di cilindri e diverse cilindrata a partire dai dati riportati in tab. I. Tab. I: Valori tipici della coppia necessaria all avviamento di motori a ciclo Otto. Cilindri Coppia per cilindrata (Nm/l) 1 125 4 80 6 65 8 60 12 55 Come si è già osservato nelle generalità, per contenere le dimensioni e i pesi del motore di avviamento esso è normalmente molto più veloce dell albero motore, con rapporto di trasmissione dell ordine di 1:10 1:15, realizzato dall accoppiamento pignone - ruota dentata del volano. Una volta noti i valori della coppia di spunto e di avviamento necessarie al motore di propulsione, i corrispondenti valori del motore di avviamento si ottengono dividendo i valori relativi al motore per il rapporto di trasmissione (preso maggiore di 1). E indispensabile che il motore di avviamento si disconnetta del motore di propulsione dopo che quest ultimo si è avviato, per due ragioni fondamentali: una sua connessione persistente provocherebbe un inutile assorbimento di potenza da parte del MCI, la quale potenza verrebbe dissipata prevalentemente per attrito e ventilazione del motorino di avviamento, che si troverebbe a ruotare a velocità molto elevate il motorino di avviamento dovrebbe essere dimensionato per tollerare velocità dell ordine di 50-60krpm, il che risulterebbe complesso, costoso, e comunque ingiustificato. Avviamento dei motori a combustione interna (cenni) pag. 2
Sono pertanto previsti meccanismi automatici di connessione del motorino al momento di iniziare l avviamento, e di disconnessione quando viene raggiunta e superata, con ampio margine, la velocità di avviamento del motore (intorno ai 200 giri al minuto 2 ). Caratteristiche dei motori di avviamento Come si è detto, i motori di avviamento sono oggi costituiti da motori in c.c. a collettore. Le loro caratteristiche elettriche vengono normalmente riportate dai costruttori in un campo di temperature molto esteso, in particolare verso le temperature rigide, le più critiche per l avviamento. In fig. 1, a titolo di esempio sono riportate delle curve caratteristiche che mostrano l andamento di alcuni parametri in funzione della temperatura. Entrambi i grafici sono tracciati considerando l assieme starter - batteria, in quanto le prestazioni dello starter sono fortemente influenzate dalle prestazioni della batteria che lo alimenta. Fig. 1: Dipendenza delle condizioni di avviamento dalla temperatura. Per comprendere l assieme delle due figure è opportuno partire dal grafico di destra. In esso l intersezione della coppia motrice prodotta dal motorino di avviamento con la coppia resistente presentata dal MCI determina la velocità di regime che si raggiungerebbe in assenza di invio di combustibile (o tensione alle candele). Questa velocità di regime diminuisce al diminuire della temperatura, (per effetto combinato della riduzione della coppia del motorino a causa delle deteriorate prestazioni della batteria alle basse temperature e dell aumento della coppia resistente del MCI per effetto dell aumento della viscosità del lubrificante) ed è riportata nella curva a) della figura di sinistra. Nella figura di sinistra è riportata anche la curva b), che rappresenta la minima velocità del motore alla quale l invio del combustibile (e della tensione alle candele se si tratta di motore ad accensione comandata) genera l avviamento del normale funzionamento del motore a combu- 2 Mentre la coppia di avviamento cautelativamente viene valutata ai 100 giri al minuto, dove iniziano i primi scoppi, lo sgancio della frizione di sovravelocità è intorno ai 200 giri, velocità in cui il motore ruota con regolarità (cfr. fig. 9). Avviamento dei motori a combustione interna (cenni) pag. 3
stione interna. Evidentemente l intersezione delle due curve determina la minima temperatura alla quale il MCI è in grado di avviarsi. Nella fig. 2 è riportata una rappresentazione di alcune grandezze in funzione della corrente dello starter, eccitato in serie per due valori della temperatura ambiente. Consideriamo inizialmente l avviamento alla temperatura di +20 C. Alla chiusura della chiave del quadro si determina l avviamento del motore a velocità inizialmente nulla e coppia massima (parte destra della figura). Man mano che l avviamento procede si hanno vari fenomeni: la coppia del motore si riduce e contemporaneamente la velocità aumenta il prodotto coppia-velocità, cioè la potenza meccanica erogata, prima cresce per il prevalere dell effetto dell incremento di velocità, raggiunge un massimo, poi si riduce per il prevalere dell effetto della riduzione di coppia la corrente gradatamente si riduce per il crescere della forza controelettromotrice del motore; in conseguenza di questo, la tensione applicata, pari alla tensione di batteria, contemporaneamente cresce la parte terminale delle curve, quella più prossima all asse delle ordinate, non può in pratica essere utilizzata in quanto al raggiungimento della massima velocità il motore viene comunque disconnesso per evitarne danneggiamenti meccanici. Se si analizza il medesimo avviamento alla temperatura di -20 C si vede come le prestazioni si riducono, in particolare la massima potenza erogata passa si riduce di circa un terzo. La coppia erogata non varia con la temperatura in quanto dipende solo dalla corrente e dalle caratteristiche costruttive del motore, essendo l eccitazione in serie. In generale per l eccitazione del motore si utilizzano diverse soluzioni: magneti permanenti, eccitazione serie, derivata, mista serie - derivata (fig. 3). Fig. 2: Esempio di caratteristiche di sistema batteria-motore di avviamento. Fig. 3: Curve coppia-velocità di vari tipi di motori di avviamento. L andamento della coppia elettromagnetica generata da un motore a collettore con i vari tipi di eccitazione può essere qualitativamente determinato utilizzando il seguente modello equivalente semplificato in cui, in particolare, si trascurano gli effetti della saturazione del ferro: C = kφi = kkφ I V = E + RI = kk I = k I I e Φ I Ω + RI e 1 e = k I 1 e Ω + R Avviamento dei motori a combustione interna (cenni) pag. 4
Da cui, agevolmente: C k V 2 1 = (1) 2 ( k1ω + R) (eccitazione in serie) 20,00 Ecc-serie Ecc.deriv V kφω C = kφ (2) R (eccitazione in derivazione e a magneti permanenti) 10,00 0,00 0 100 200 300 Le curve coppia-velocità fornite dai costruttori, del tipo di quelle riportate in fig. 3 sono normalmente relative al motore alimentato da una batteria di tipo automobilistico piuttosto che da una tensione costante. Questo spiega come mai in fig. 3 la curva della coppia nel caso di eccitazione derivata ha andamento differente da quella con macchine a magneti permanenti: nel caso di eccitazione derivata all avviamento viene erogata una forte corrente che comporta una notevole riduzione della tensione, e quindi del flusso, e in conseguenza della coppia (si consideri la (2), nella quale risulta prevalente l effetto sul termine di segno negativo rispetto a quello sul fattore moltiplicativo). Meccanismi di ingranamento automatico Discutiamo dei due sistemi di ingranamento automatico più rilevanti, per ragioni storiche o di utilizzo: ingranamento ad inerzia ingranamento a solenoide Ingranamento ad inerzia Questo sistema è stato utilizzato per oltre 80 anni a bordo dei veicoli, e solo negli anni più recenti è stato abbandonato. Questo sistema fa utilizzo di un piccolo pignone dotato di una scanalatura interna, che si impegna in analoga scanalatura presente sull albero del motorino di avviamento. Quando il motore viene alimentato, l albero del rotore inizia a ruotare ma il pignone, per il solo effetto della sua inerzia rotazionale e della scanalatura elicoidale, oltre che iniziare a ruotare, trasla assialmente ed in tal modo si impegna sulla dentatura ricavata sul volano del MCI da avviare, vincendo anche la reazione di una molla di contrasto. Quando il MCI si avvia, esso tende ad accelerare, la coppia fra pignone e corona dentata si inverte di segno e l azione di tale coppia, unita a quella della molla di contrasto, riporta il pignone in posizione di riposo, e in tal modo sgancia il motorino di avviamento dal motore ormai avviato. Questo sistema, che possiede senza dubbio la caratteristica di una estrema semplicità, come si è detto è stato utilizzato a lungo. Peraltro esso ha evidenziato alcuni problemi, ed in particolare: l ingranamento risulta particolarmente violento, e tende a consumare eccessivamente gli ingranaggi del pignone e della dentatura del volano in taluni casi poteva capitare che il pignone si disimpegnasse ai primi scoppi del motore, quando il motore non è ancora in grado di autosostentarsi. Per risolvere questi problemi negli anni più recenti il sistema di ingranamento ad inerzia è stato soppiantato dall ingranamento a solenoide descritto nel paragrafo seguente. Avviamento dei motori a combustione interna (cenni) pag. 5
Ingranamento a solenoide Questo tipo di ingranamento sostituisce, per ottenere un corretto ingranamento, la forza di i- nerzia con delle forze esplicitamente applicate al pignone attraverso degli avvolgimenti a solenoide. Il sistema può essere descritto con riferimento alle figg. 4, 6 e 7, che ne descrivono una realizzazione della azienda Bosch. Il dispositivo presenta un solenoide di ingranamento montato nello stesso involucro meccanico del motore di avviamento (parte superiore della figura 6) il quale effettua una serie di operazioni atte a causare l ingranamento del pignone e l attivazione del motore di avviamento di seguito descritte. Il solenoide di ingranamento contiene due avvolgimenti: l avvolgimento di spinta e l avvolgimento di trattenuta. Quando la chiave di accensione (tasto avviamento veicolo) si chiude vengono alimentati sia l avvolgimento di spinta (pull-in winding) che l avvolgimento di tenuta (holdon winding) rappresentati in fig. 4. L avvolgimento di tenuta è alimentato alla piena tensione di batteria, ha una resistenza interna relativamente elevata ed esercita una forza sul pignone di modesta entità. L avvolgimento di spinta, per contro, è alimentato in serie con il motore di avviamento, dotato di una piccola resistenza interna ed è in grado di esercitare una considerevole forza sul pignone. L alimentazione dei due avvolgimenti (ma per la maggior parte del più potente avvolgimento di spinta) causa la nascita di una forza assiale sul pistone parzialmente posto al suo interno che, attraverso la leva di ingranamento (Engaging lever) lo spinge e lo forza ad ingranare nell anello dentato del volano. Contemporaneamente il motore elettrico, attraversato da una corrente ridotta rispetto a quella di spunto a piena tensione, comincia a ruotare a velocità ridotta, in tal modo facilitando l ingranamento. Al termine dell ingranamento il pignone chiude un interruttore di fine - corsa che bypassa l avvolgimento di spinta; così facendo tale avvolgimento ovviamente cessa di esercitare una spinta sul pignone, il quale rimane in posizione per la forza esercitata dall avvolgimento di tenuta, che contrasta la forza resistente dovuta ad una molla di contrasto. Contemporaneamente si ottiene anche l effetto di attivare l alimentazione del motore elettrico alla piena tensione. Il motore può quindi iniziare a porre in rotazione il MCI a piena coppia. Quando quest ultimo si è avviato, e la chiave di avviamento viene rilasciata, l alimentazione del motore viene a mancare e la molla di contrasto agisce sul pignone senza che esso venga più spinto da alcun avvolgimento, e in tal modo il pignone si sgancia dalla ruota del volano e ritorna nella posizione di riposo. Uno schema di principio ed una rappresentazione costruttiva di tale sistema sono riportate nelle figure 5 e 6 rispettivamente. tasto avviamento veicolo avvolgim. di tenuta avvolgim. di spinta fine corsa pignone Fig. 4: Schema elettrico dell ingranamento a solenoide. Avviamento dei motori a combustione interna (cenni) pag. 6
Fig. 5: Schema di principio del funzionamento di starter a solenoide. Fig. 6: Schema costruttivo di starter a solenoide BOSCH EF. Avviamento dei motori a combustione interna (cenni) pag. 7
Fig. 7: Dettagli del dispositivo rappresentato in fig. 6 Si nota una aumentata smussature dei denti del pignone per favorire l ingranamento. A fronte di una maggiore complessità costruttiva sono evidenti i vantaggi di questo tipo di sistema rispetto all ingranamento inerziale: la traslazione del pignone può avvenire in maniera più dolce in quanto non è necessario attivare forze di inerzia; inoltre il rilascio del pignone avviene soltanto quando la chiave viene rilasciata, evitando ogni disimpegno intempestivo che invece era presente nel sistema ad inerzia. Siccome il motore, come si è già detto, non è in grado di tollerare la rotazione alla piena velocità del MCI, e siccome a differenza del dispositivo di ingranamento ad inerzia il disimpegno del pignone non è automatico, è necessario provvedere il sistema di un dispositivo che consenta la trasmissione della coppia solo dal motore elettrico verso lo MCI e non viceversa; in tal modo il motore elettrico non può esse3re trascinato a velocità eccessive anche quando il pilota indugiasse prima di rilasciare la chiave di avviamento del motore. Tale dispositivo viene detta frizione di sovravelocità. Avviamento dei motori a combustione interna (cenni) pag. 8
Un esempio di come può essere rappresentata costruttivamente la frizione di sovravelocità è riportato in fig. 8. La parte principale della frizione è la conchiglia (clutch shell) con piste di rotolamento, nelle quale sono liberi di muoversi dei rulli (rollers), solidale al rotore dello starter. La parte interna, solidale con il pignone, è solidale alla conchiglia solo quando la coppia è trasmessa dalla conchiglia al pignone e non viceversa. In condizioni di riposo le molle a spirale (coil spring) pressano i rulli nella zona ristretta compresa fra la pista della conchiglia e la parte cilindrica dell albero del pignone, in modo che il pignone è rotazionalmente bloccato all albero del motore in continua. Fig. 8: Frizione di sovravelocità Quando il motore si avvia la coppia applicata alla frizione tende ad invertirsi di segno e pertanto la conchiglia si sgancia dal pignone e si mette a ruotare più velocemente del pignone stesso, mentre i rulli si spostano nella parte più larga della pista della conchiglia. 3 In queste condizioni la coppia trasmessa dalla frizione è virtualmente nulla. La descrizione del meccanismo dell avviamento è completata dall analisi della fig. 9 che rappresenta la composizione delle coppie dello starter e del motore. Da notare che l asse orizzontale fa riferimento alla Fig. 9: Meccanismo di accensione del motore a starter alimentato. 1 coppia generata dal MCI nell ipotesi di combustione regolare 2 coppia teorica del motore elettrico 3 coppia teorica totale (somma delle curve 1 e 2) In corrispondenza del punto A (80-100 giri/min) inizia una combustione irregolare del motore; ad una velocità superiore, punto B, (150-180 giri/min) la combustione si regolarizza ed il contributo del motore all accelerazione diventa notevole. A partire da questo punto il motore di avviamento può essere disinserito. Questo accade in figura nel punto C. 3 In queste condizioni essi si trovano a strisciare sulle piste. Avviamento dei motori a combustione interna (cenni) pag. 9