Prosegue anche per oggi la discussione sui Motori a Combustione Interna iniziata nei precedenti post (1, 2, 3, 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.
