di  -  lunedì 2 agosto 2010

Prosegue anche per oggi la discussione sui Motori a Combustione Interna iniziata nei precedenti post (123, 4), ed in particolare, dopo avere parlato dei Motori ad Accensione Comandata (del tipo a ciclo Otto) quest’oggi andremo a parlare dei Motori ad Accensione Spontanea ed in particolare del ciclo Diesel.

IL MOTORE AD ACCENSIONE SPONTANEA

L’impiego della classificazione in base alla modalità di ignizione della carica come fatto anche in precedenza presenta il vantaggio di una maggiore generalità e rigorosità scientifica, ma d’altro canto rende meno comprensibile ai non “addetti ai lavori” l’identificazione di questi nell’ambito di quanto usato nella produzione, pertanto, anche se non risulta perfettamente corretto da un punto di vista scientifico, la definizione di “Motore ad Accensione Spontanea” diventerà sinonimo di motore a “ciclo Diesel”.

Analogamente che per il motore a ciclo Otto, le quattro fasi sono:

  • aspirazione della carica (costituita in questo caso da sola aria)
  • compressione della carica ed iniezione del combustibile in prossimità del punto morto superiore
  • combustione e successiva espansione
  • scarico

Anche in questo caso è possibile individuare un diagramma termodinamico tipico di questa modalità di funzionamento, ed esso è rappresentato nella seguente figura (diagramma Pressioni – Volumi):

La parte indicata dal tratto 0-a corrisponde all’aspirazione della carica fresca, il tratto a-b alla compressione adiabatica (ovvero senza scambio termico con l’esterno), il tratto b-c alla combustione a pressione costante, il tratto c-d all’espansione adiabatica dei gas combusti, il tratto d-a allo scarico spontaneo a volume costante, mentre lo scarico forzato coincide con il tratto a-0 (percorso in verso opposto all’aspirazione).

Analogamente al ciclo Otto, in corrispondenza dei tratti b-c e d-a sono presenti rispettivamente un “ingresso di calore nel ciclo” ed una “cessione di calore dal ciclo” che rappresentano rispettivamente  l’energia sviluppata con la combustione e l’energia residua dei gas combusti.

Nei motori Diesel, a seguito della fase di compressione della sola aria si procede con l’iniezione del combustibile (gasolio), il quale necessita di un certo tempo per vaporizzare (e per favorire tale operazione si utilizza oggi l’iniezione ad alta pressione mediante Common Rail od Iniettore Pompa, mentre in passato si utilizzava un sistema oramai in disuso consistente in una precamera ad alta turbolenza affacciata sulla camera di combustione principale) e per diffondersi nella massa d’aria.

L’elevata temperatura raggiunta dall’aria a seguito della compressione porta, in presenza di un rapporto locale aria combustibile adeguato, alla nascita di tanti nuclei di fiamma distribuiti in tutto il volume dai quali si svilupperanno i vari fronti di fiamma.

Con il procedere della combustione e quindi dell’espansione dei gas, l’iniezione del combustibile procede e la vaporizzazione dello stesso viene ora agevolata dall’elevatissima temperatura di combustione.

Il procedere della combustione durante l’espansione permette, almeno a livello teorico, di considerare la combustione a pressione costante in quanto l’incremento di pressione dei gas combusti viene compensato dall’aumentato spazio fisico a disposizione durante l’espansione.

COMBUSTIONE ED EMISSIONI

La combustione si sviluppa pertanto in due fasi ben distinte, la prima (corrispondente al primo picco nel diagramma seguente) rappresenta una combustione rapida dovuta ai molti nuclei di combustione che si sviluppano inizialmente, mentre la seconda parte viene detta “fase diffusiva” in quanto il suo andamento è strettamente legato alla diffusione del combustibile che viene iniettato nella massa di aria e gas combusti presenti:

La fase diffusiva porta alla produzione di particolato in misura sensibile, e per evitare un produzione di fumosità costante i motori Diesel sono limitati ad operare con un forte eccesso di aria rispetto alle condizioni stechiometriche.

Tra gli inquinanti prodotti dai Diesel quindi si rilevano:

  • CO2
  • HC
  • NOx
  • CO
  • Particolato

Il CO e gli HC vengono prodotti dalla non completa combustione della carica, ma in virtù del forte eccesso d’aria usato nei motori Diesel il loro quantitativo non è in genere sensibile, mentre gli NOx si formano a causa dell’elevata temperatura di combustione e sono agevolati per via dell’eccesso d’aria, pertanto si utilizzano sistemi come il ricircolo all’aspirazione dei gas combusti (EGR – Exhaust Gas Recirculation).

I motori Diesel, grazie ad una regolazione del carico, ovvero della potenza erogata, che opera sul rapporto relativo aria combustibile e non sulla quantità assoluta di carica aspirata, permette di non utilizzare la valvola a farfalla per limitare la portata d’aria in ingresso (in quanto nei Diesel l’aria che viene aspirata è sempre la stessa quantità, ciò che cambia è quanto combustibile si inietta) e questa assenza migliora la resa del motore, con benefici in termini di rendimento.

Soluzioni come la sovralimentazione e l’EGR verranno introdotte e riprese in seguito quando verranno esaminate le soluzioni adottate per migliorare i motori, pertanto per oggi è tutto, vi saluto (ma sarò sempre pronto a seguire la discussione) e vi auguro buone vacanze, invitandovi a non lasciarci ma a continuare a seguirci in questo “mese a velocità ridotta“, approfittando per andare alla scoperta di quanto pubblicato in passato nella rubrica Energia e Futuro.

19 Commenti »

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  • # 1
    Filippo1974
     scrive: 

    Sono sempre stato un convinto sostenitore dei motori Diesel (tutte le vetture che ho posseduto finora erano dotate di questa motorizzazione), però inizio a pensare che, nella perenne rincorsa alle prestazioni, si siano un po’ perse per strada quelle che erano le caratteristiche del Diesel così apprezzate dagli estimatori: longevità, affidabilità, guidabilità ai bassi regimi. Per mantenere quest’ultima caratteristica i costruttori sono stati costretti addirittura in alcuni casi a ricorrere a soluzioni esasperate tipo il doppio turbo sequenziale (vedi BMW e FIAT); e per quanto concerne longevità ed affidabilità, nonostante le varie rassicurazioni di circostanza io faccio fatica a credere che un Diesel da 95 CV/litro (il FIAT 1.9 multijet con il doppio turbo) possa durare diverse centinaia di migliaia di km.

    Turbine multiple, in cascata o in parallelo… impianti di iniezione sofisticatissimi, con pressioni in gioco enormi (mi risulta che i più recenti common rail superino di slancio i 1600 bar, può essere?)… non stiamo snaturando troppo questo motore? Per contro, si sta facendo di tutto per far assomigliare i benzina moderni ai Diesel di una volta: mia moglie possiede una MiTo 1.4 MultiAir, ho potuto guidarla in diverse occasioni e francamente per come riprende dai bassi regimi potrei perfino pensare che ha un motore Diesel (vecchia maniera)…

    Chiedo quindi a Simone quale opinione si è fatto di questa tendenza a far assomigliare i benzina ai Diesel e viceversa, stravolgendo quindi le anime dei due propulsori.

    Ciao
    Filippo

  • # 2
    ares17
     scrive: 

    @filippo.
    Al giorno d’oggi si vedono motori diesel che hanno un elevata potenza specifica (si è passato dai 90cv dei 1900 turbo agli oltre 170cv a parità di cilindrata).
    l’innalzamento della potenza è riconducibile in parte alla maggiore pressione di vaporizzazione del gasolio (con una accensione controllata meglio nei tempi) e all’utilizzo di componenti più leggeri che assorbono meno cv.
    Questo è possibile solo grazie al controllo elettronico del motore che decide in baso al regime di rotazione ed al carico sul motore la quantità massima di combustibile da iniettare (si è perso difatti in guidabilità ai bassi regimi sia in salita che con elevato carico) in modo da preservare gli organi meccanici da eccessivi stress e rottura (oggi si sente spesso parlare di motori diesel limitati in coppia, piuttosto che in potenza)
    Difficilmente al giorno d’oggi un motore diesel sarà in grado di superare i 250.000 km senza che i componenti (sopratutto pistoni e fascie elastiche) rientrano nelle specifiche ottimali ( a differenza dei vecchi motori che raggiungevano per la maggiore i 400.000 km ed in alcuni casi i 500.000).

    Tutto questo è solo un difetto apparente, in quanto la vita media di un’auto è di molto inferiore a quella di una volta.

    Ps: a quando un accenno ai 2T benzina e diesel?

  • # 3
    Massimo M
     scrive: 

    @ares17: “vita media di un’auto è di molto inferiore a quella di una volta.”. Su base di cosa affermi ciò?
    Io ho visto la vita – dei motori – allungarsi invece: Non è più secessario un rodaggio e su un utilizzo normale si arriva senza troppi problemi a 200.000 km. “Prima” era così? Il problema è sato dalle alte pressioni in gioco?
    P.S:: Anche io ho oggi una vettura Diesel, e difficilmente cambierò per la prossima: Meglio coppia che cavalli.

  • # 4
    Nip
     scrive: 

    @Filippo
    Non so quanto tu vada indietro con la memoria, ma la caratteristica principale che trovavo nei diesel era il fatto che andavano a gasolio (trent’anni fa costava moolto meno della benzina).
    Quanto alla guidabilità… io ricordo vetture con un gran tiro già al minimo (tanto aprezzato dalle autoscuole) ma con una sensibilità al pedale dell’acceleratore quasi inesistente, su alcune vetture sembrava quasi un interruttore ON/OFF :)

  • # 5
    ares17
     scrive: 

    @massimom
    Non sono io a dirlo: l’aci.
    L’età media del parco auto circolante oggi in Italia è di molto inferiore a quella di 15 anni fa.
    La Fiat uno td aveva un motore molto spinto (prendeva i 5200 rpm contro i 4400/4600 rpm degli altri diesel, eppure faceva in media 250.000 km se i cambi oli erano regolari. Ogni 10.000 km, ma è una questione più di lubrificante che ti motore).
    Al giorno d’oggi ho visto molte auto avere problemi al motore (fasce, testata) gia a 200.000 km.
    Io personalmente con un golf c 1° serie ci ho fatto 400.000 km prima di pensionarlo (tranne che la cinghia ogni 80.000, un alternatore ed una pompa acqua mai messo mano al motore), quante auto conosci con tale longevità tra quelle moderne (tra tutte quelle che conosco la vità utile arriva ai 250.000 km).
    Regimi di rotazione elevati, alte potenze specifiche e componenti meno robusti (in media un motore diesel pesava 120kg in più del corrispettivo benzina) per forza di cose portano la durata totale a calare.

  • # 6
    ares17
     scrive: 

    @nip
    Non so che auto hai guidato, ma la mia memoria arriva ad un quarto di secolo fa e ti posso assicurare che tranne per quelle persone che non usano parzializzare il gas (tutto su o tutto giù) non ho mai trovato auto con quel problema (tranne che su un fiorino d che prima di sostituire il cavo del gas aveva effettivamente quel problema).

    Anzi, i motori di prima erano molto più sensibile alla variazione di gas rispetto a quelli moderni, sopratutto ai bassi regimi.

  • # 7
    ares17
     scrive: 

    @Filippo1974
    impianti di iniezione sofisticatissimi, con pressioni in gioco enormi (mi risulta che i più recenti common rail superino di slancio i 1600 bar, può essere?)
    La Bmw usa da parecchio tempo sistemi di iniezione pompa-iniettore singolo da 2000 bar.
    L’iniezione ad alta pressione però aumenta sia la resa energetica che la durata del motore: il gasolio viene nebulizzato molto più finemente, a tutto vantaggio di una combustione migliore, di un abbattimento degli agenti inquinanti (molto minore il fumo nero che vedi dalle auto diesel non trovi?) e di anticipi di iniezione non troppo spinti (difatti i motori diesel quasi hanno perso del tutto il loro caratteristico battito).

  • # 8
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    Scusate se rispondo solo ora ma ero tutta la mattina impegnato lontano dal pc… rispondo in generale a tutte le questioni sollevate senza fare singoli riferimenti per semplicità.

    I diesel sono cambiati enormemente negli ultimi 20 anni, si può dire che i motori diesel siano “rinati” in concomitanza con lo sviluppo del common rail, anche se in realtà la soluzione “iniettore pompa” permette le stesse qualità… ma da solo il common rail non bastava, infatti il problema dell’iniezione nei diesel è dovuto al fatto che il combustibile è un olio, e dato che la combustione avviene in fase gassosa risulta necessario farlo vaporizzare finemente, cosa per il gasolio piuttosto problematica nella fase iniziale della combustione
    In passato, mediante la precamera di combustione, si riusciva ad ottenere tale vaporizzazione e la combustione poi procedeva nella camera principale, ma la regolabilità di questa soluzione era limitata proprio da ciò.
    Da ciò discendeva una certa “rudezza” di funzionamento con conseguenti sollecitazioni meccaniche molto elevate, che richiedevano una costruzione molto robusta (e quindi pesante) che però dava dei problemi limitando il regime di rotazione del motore a regimi non troppo alti.
    Il common rail, unitamente ad iniettori (ed al controllo elettronico estremamente sofisticato) capaci di operare ad alta pressione (superiori ai 1000 bar, ma oggi si raggiungono anche i 1600 bar e la tendenza è di andare oltre) in particolare con una iniezione frazionata (ovvero iniettando prima un piccolo ammontare di gasolio per creare le condizioni adatte in camera di combustione e successivamente procedere con una o più iniezioni successive per controllare la velocità di combustione) ha reso possibile ridurre le sollecitazioni meccaniche su pistoni, bielle, albero e tutte le parti più sollecitate permettendo di alleggerire la costruzione del motore.
    I diesel di oggi sono in grado di spingersi a regimi che in passato erano pericolosi per il motore, anche se la maggiore attenzione per le emissioni spinge perché il motore operi a regimi più bassi, grazie al fatto che la coppia erogata dal motore diesel è talmente elevata e piuttosto favorevole alla marcia stabile (purtroppo il discorso sulle mappe di funzionamento è complesso, magari lo riprenderò in un post dedicato all’interazione “Uomo-Automobile-Strada”) da consentire l’impiego di rapporti lunghi e fare operare il motore a più alto rendimento.

    Questione durata: oggi si cambia auto molto più spesso, posso dire che un diesel moderno arriva a 250000 km in genere senza particolari problemi se viene seguito con le manutenzioni previste, e se ovviamente chi guida ha rispetto del mezzo, ma le macchine moderne presentano tanta elettronica ed accessori che spesso e volentieri si presentano dei problemi tali da rendere più conveniente una sostituzione del veicolo piuttosto che la sua riparazione… io non progetto motori (ci faccio ricerca) e non posso dire se in fase progettuale si stima la vita utile su un determinato valore e lo si realizza in funzione di questa, ma di sicuro pistoni, bielle, albero motore non risentono tanto dei chilometri quanto fasce, pompa di iniezione (non dimentichiamo che una pompa operante a 1600bar è piuttosto sollecitata) e “accessori”… spero di avere risposto più o meno a tutto… scusate per la lunghezza, se qualcosa mi è sfuggito indicatemelo…

    PS di motori a due tempi non ero sicuro di parlarne, ma se possono interessare ne parlerò appositamente… i suggerimenti sono sempre graditi

  • # 9
    bagnino89
     scrive: 

    @ Simone:

    In fase progettuale non è forse la velocità media del pistone uno dei più importanti indicatori per quanto riguarda la vita del motore?

  • # 10
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ bagnino89

    La velocità media del pistone in realtà è un parametro importantissimo per il progetto aldilà di discorsi sulla vita utile dello stesso, perché attraverso quel parametro si comprende “quanto è spinto il motore”, ed ovviamente un motore molto spinto non ha solitamente una vita utile lunga quanto un motore tranquillo… ma i motori di serie non hanno velocità medie effettive particolarmente critiche ed il range di variazione della stessa è abbastanza “standard”

  • # 11
    marco
     scrive: 

    @ares17
    ciao

    forse non faccio testo, ma ho una stilo jtd 1.9 del 2003 con 323.000 km e non mangia un filo d’olio

    mio cognato ha una golf 5 con quasi 280.000 km anche lui nessun problema.

    certo, ho una guida molto tranquilla, max 120 km/h, lo dimostra il fatto che ho ancora la prima frizione e non accenna al mimino cedimento.

    in media faccio circa 140 km al giorno, casa – ufficio (abito in montagna quindi ho anche parecchie salite da fare giornalmente).
    ovviamente ho avuto interventi in officina, ma sempre per manutenzione programmata (olio, cinghia distrib, freni, ecc ecc).

    quindi, secondo me al contrario di quanto dici, i motori ora sono enormemente più affidabili di un tempo, vuoi per i materiali utilizzati, vuoi per le tecniche d costruzione impiegate.

  • # 12
    ares17
     scrive: 

    @marco.
    Mi viene da ridere quando si parla di auto che mangia olio.
    Un motore nuovo “deve” consumare olio tra i 100g e i 200g (questo è intrinseco del motore).
    Addirittura l’alfa romeo sui vecchi vm faceva rientrare il consumo di 1000g nel normale consumo (il maggior difetto di quei motori erano le testate separate che in caso di tiratina a freddo si crepavano).
    La stilo jtd del 2003 dovrebbe avere come base del motore il sofim utilizzato da fiat gia dai tempi della ritmo (il tuo dovrebbe essere il 105 o 110 cv) quindi non si può considerare del tutto nuovo.
    Il golf di tuo cognato probabilmente non è il 150cv (e forse nemmeno il 130cv).
    La vita media di un motore non indica la morte dello stesso (all’esempio da te riportato mio cognato ha fatto con una 146 con sofim 440.000 km prima di cambiare auto, e non per via del motore, ed un mio amico con una Uno td 380.000 km prima di toglierla, ma il motore consumava olio).
    Come vedi sei ancora lontano dal considerare il motere modorno più affidabile.
    Indubbiamente soffre molto meno di problemi alla testata (le tirate a freddo erano davvero devastanti con pompe meccaniche) perchè l’elettronica impedisce difatti questo inconveniente (la gente guardava il termometro dell’acqua, ma serebbe stato opportuno vuardare piuttosto la temp dell’olio).

  • # 13
    luckye
     scrive: 

    …il problema dei diesel non è certamente la meccanica,come non lo è per i benzina turbo o bicilindrici che siano.
    Il problema nel 2010 è la stramaledetta elettronica…con cui ho sperimentato tutti i tipi di disagio.
    Ho avuto tante marche,Bmw,Ford,Fiat,Renault…il tallone d’achille è sempre quello.

  • # 14
    Cael
     scrive: 

    se non ci fosse l’elettronica staremmo ancora ai diesel modello trattore di due decenni fa.

  • # 15
    megawati
     scrive: 

    Benedetta l’elettronica :-)
    Comunque: x chi diceva del parco macchine circolante che è molto più nuovo ora rispetto a 15 anni fa: non dimenticare che in 15 anni ci sono state le normative Euro 1-2-3-4-5, PIU’ gli incentivi alla rottamazione. Adesso trovare una macchina davvero vecchia che non sia d’epoca è decisamente raro, ma non perché le auto durino poco… piuttosto perché il tasso di ricambio è aumentato per cause artificiali.

    Senti come strillano le case automobilistiche e i concessionari ogni volta che gli incentivi x rottamazione scadono e il governo fa finta di niente ^_^ è perchè sanno benissimo che senza i dané la gente smetterebbe di cambiare auto per qualche annetto, tanto ormai ce l’hanno tutti nuova o quasi.

  • # 16
    arkanoid
     scrive: 

    Attenzione che nei diesel il consumo di olio nullo non è sempre un buon segno. E’ bene controllare la qulità dell’olio presente nella coppa per non trovarsi con gasolio unto e conseguente grippaggio.

  • # 17
    Ominaru
     scrive: 

    @Simone Serra (Autore del post)

    Io avrei scritto il post #8 nell’ articolo principale come processo evolutivo (tecnologia) cosi’ IMHO e’ solo teorico e sembra una versione piu’ aggiornata del mio vecchio libro di 5° di macchine a fluido.
    Inoltre comincerei a scrivere di piu’ sull’ impatto ambientale dato dalla combustione scrivendo sulle normative Euro 1-2-3-4-5-6. Magari anche con qualche critica visto che il particolato si riduce SOLO di dimensione diventando pericoloso per l’ uomo causa le nanopolveri.

    qui c’e’ un approfondimento sui dispositivi antiparticolato:

    http://it.wikipedia.org/wiki/Filtro_attivo_antiparticolato

    I motori moderni, in genere, sono migliorati come durata; da bambino poche auto avevano piu’ di 100.000 se a benzina e 200.000 se a diesel.
    Poi i guasti ci sono ma di solito, come scrive anche Simone Serra, sono agli elementi accessori quali turbine, pompe acqua al limite sono dovuti anche per progettazione ma solo perche’ recente: chi comprerebbe oggi il bicilindrico twin air FIAT appena uscito? Discorso diverso invece per propulsori con piu’ anni di progetto.

  • # 18
    Simone (Autore del post)
     scrive: 

    @ Ominaru

    Purtroppo quando si scrive il post ci si concentra su certe cose e si tralasciano altre parti del discorso che poi vengono sviluppate nei commenti… in fin dei conti il bello di un blog è proprio questo…

    Di emissioni in dettaglio se ne parlerà, la serie di post “motoristici” è ancora lunga e ci saranno varie sorprese…

  • # 19
    Marco
     scrive: 

    @ares17

    non devi ridere, cerca di leggere fra le righe invece:
    quando scrivo “non mangia un filo d’olio” intendo dire che non devo fare rabbocchi o altro, ma che il consumo è nella norma.
    il mio motore è il 115, forse la base deriva da quello della ritmo, dopotutto tutti i motori derivano da esperienze passate, ma monta le più moderne tecnologie, come il common rail.
    cosa voglio dire?
    voglio dire che è inutile insistere con l’equazione motori moderni=vita breve, il fatto è tutto qua: se si trattano con le dovute cautele, se si rispettano i tempi di manutenzione, ecc ecc, ogni motore è affidabile. poi ci può stare quello con il pezzo difettoso, la garanzia esiste per questo.
    per chiudere, per me 323.000 km (oggi sono più di 350.000) è indice di affidabilità.

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