motori diesel

Il motore Diesel, brevettato nel 1892, è una tipologia di motore a combustione interna, alimentato a gasolio, che sfrutta il principio della compressione per ottenere l'accensione del combustibile e non l'azione delle candele d'accensione impiegate invece di un motore ad accensione comandata.

La prima auto di serie spinta da un motore alimentato a gasolio fu la Mercedes 260 D del 1936. Il motore Diesel era noto però già da molto tempo, perché applicato su vasta scala in marina in impianti fissi ancor prima della guerra del 1914-18, e a partire dal 1927 su autocarri ed autobus.
In prima fase si provvide (dato che la compressione del motore era limitata) al preriscaldamento del combustibile in modo che il combustibile preriscaldato si incendiasse sufficientemente anche con aria relativamente fredda. Il sistema a preriscaldamento si mostrò piuttosto complesso ed inaffidabile, ed inoltre eccessivamente legato alla temperatura esterna. L’attenzione si concentrò, quindi, nello sviluppo di sistemi in grado di ottenere le stesse condizioni di riscaldamento in modo sovrabbondante, e quindi sicuro, direttamente mediante la compressione preventiva dell'aria. La combustione è preceduta dalla vaporizzazione e innesco del combustibile immerso in aria arroventata.
La combustione dell'aria è ottenuta con l'aumento della sua compressione, avendo minor volume (cioè le dimensioni) della camera di combustione, in modo che lo spazio rimanente all’ aria nel fine corsa superiore sia il minore possibile, ed inoltre con l' adozione di motori "sottoquadri", cioè dove i pistoni avevano una corsa più lunga rispetto all' alesaggio. L'elevato lavoro di compressione (doppio rispetto ai motori a benzina) rese più "ruvido" il funzionamento del motore e violentemente smorzata la rotazione dello stesso. Occorreva poi, nell'aria maggiormente compressa, giungere ad iniettare il combustibile. Le varie case motoristiche, nel tempo, hanno ideato sistemi diversi.
Il primo sostanziale risultato di rendere sufficientemente efficace e stabile (con progresso uniforme) la fiammata di combustione fu ottenuta dalla casa motoristica americana Continental che stava studiando il modo di utilizzare il motore Diesel sugli aerei. Il sistema consisteva nel creare una cavità nella testata dove veniva costretta l'aria, e in quello spazio avveniva una migliore miscelazione di combustibile e di aria, vi era inoltre alloggiata una candeletta per aiutare la combustione. Il sistema fu poi utilizzato soprattutto dalla Caterpillar, per i suoi mezzi da lavoro e per mezzi militari.
La Caterpillar, che produceva prevalentemente motori di grandi dimensioni, per avere una combustione sempre più regolare, ebbe l'idea di aumentare il numero degli iniettori (fino a tre) e quindi i punti di accensione, allo scopo di uniformare il procedere della combustione. La necessità di lasciare un adeguato spazio di miscelazione e di inizio della combustione per ogni iniettore ridusse il rapporto di compressione. Negli anni ottanta la casa tedesca Volkswagen usò il modo d'iniettare mediante compressori ad elevata pressione il gasolio nel vano di testata.
Negli anni novanta si propose di eliminare le precamere e i vani di testata, creando invece un vano sulla testa del pistone. Furono poi utilizzate pompe di iniezione rotative della Bosch ad alta pressione, accoppiate con iniettori a getti multipli. Precedendo la FIAT, la Perkins Engines utilizzando sistemi bilanciati fluidodinamici all'interno della camera di combustione riuscì a ottenere un sistema maggiormente soddisfacente di combustione a diversi regimi, senza complicare il sistema con dispositivi elettronici.
Le pompe di iniezione rotative però non presentavano il problema di una incostante pressione di iniezione, dato che erano legate al regime di rotazione del motore stesso. Tale incostanza riduceva il rendimento e aumentava gli inquinanti per incompleta . Si arrivò così a un'idea semplice e molto efficace: immagazzinare in qualche modo il gasolio già in pressione all'interno di un "serbatoio" che costituisse un accumulo di combustibile compresso (ottenendo per la prima volta di sganciare il concetto di "pressione" da quello di "portata". La Magneti Marelli brevettò nel 1988 un sistema denominato Unijet, sostanzialmente un tubo (detto "flauto") comune a tutti i cilindri del motore, al cui interno il gasolio era tenuto a pressione costante (ed elevatissima) e che alimentava gli iniettori. Nacque così il common rail (industrializzato e prodotto dopo il 1994 dalla Bosch) che nelle sue successive evoluzioni ha reso possibile la progressiva riduzione delle cilindrate, grazie a una perfetta gestione dei fenomeni di combustione, possibile in passato solo su motori con cilindrate unitarie grandi. Bosch fu in grado di sviluppare anche le successive evoluzioni di tale sistema, rendendolo sempre competitivo sul mercato. Quasi contemporaneamente, la casa tedesca Volkswagen, nel 2000, sviluppò un sistema di iniezione diretta denominato iniettore pompa (PDE), rimpicciolendo ciò che era al momento un sistema che riscuoteva molto successo su motori a gasolio di grossa cilindrata usati su trattori per autotrazione (MAN e Mach che equipaggia i trattori del gruppo Renault). Tale sistema presenta il vantaggio di fornire altissime pressioni di iniezione (oltre 2000 bar), anche a regimi bassissimi, permettendo un'ottima nebulizzazione del gasolio, a tutto vantaggio di una combustione uniforme. Il fatto negativo più importante si presentò presto, ed era intrinseco nella progettazione del motore stesso. Mentre il sistema common rail era praticamente applicabile a tutti i motori a gasolio senza dover subire la riprogettazione dei motore, il sistema iniettore-pompa richiedeva una riprogettazione delle testate dei motori, che dovevano essere previste per alloggiare i (relativamente) grossi iniettori-pompa che dovevano essere singolarmente azionati meccanicamente da alberi motori, o da camme.
L’evoluzione finale del Common-Rail è il sistema ad iniezioni multiple (o "stratificate"), tra i quali sono particolarmente celebri il Volkswagen TDI ed il multi jet, inventato e brevettato da FIAT, che consiste semplicemente in un normale common rail il cui funzionamento è frazionato in tante piccole iniezioni, che possono variare nel numero a seconda delle condizioni di necessità (da 2 a 9 iniezioni per ciclo).

Le pluriniezioni sono rese necessarie dal fatto che il gasolio ha un alto potere calorifico. Tale fenomeno è ciò che ha reso fino a oggi il motore a gasolio un po' scorbutico e rumoroso (il classico TAC), che però suddivide il quantitativo di gasolio necessario in sempre più piccole dosi iniettate a forti pressioni, facendo sì che la combustione sia quanto più rotonda possibile. Le fasi sono suddivisibili in:
preiniezione: viene iniettata una piccola quantità di gasolio che fa da fiamma pilota per la combustione vera e propria.
iniezione: si sviluppa in vari step successivi, più ne sono e meglio riesce la totale combustione.
postiniezione: viene iniettata una piccola quantità di gasolio a combustione ormai avvenuta in piena fase di espansione. Tale iniezione, è fondamentale per la rigenerazione dei filtri e quindi per l'abbattimento degli inquinanti da combustione, che nei motori a gasolio sono di particolare pericolosità e dannosità.

I motori Diesel a due tempi sono di impiego prevalentemente industriale e navale, vengono installati su navi mercantili (portacontainer, bulk carrier, petroliere) in accoppiamento con un'elica a passo fisso.
Rispetto ai motori navali a 4 tempi, i motori a due tempi sono generalmente più grandi e sviluppano potenze molto maggiori, con regimi di rotazione di max 100 giri al minuto, inoltre hanno una notevole semplificazione costruttiva. Attualmente il più grande motore del mondo è il finlandese Wärtsilä 14RTFLEX96-C che è il motore principale delle più grandi navi portacontainer del mondo, prodotte dalla danese Maersk. Questo motore sviluppa una potenza di 82 MW e riesce a garantire una velocità di crociera di 25 nodi.