Ingegneria motori diesel

L’INVENZIONE DEL MOTORE DIESEL
Rudolf Diesel (1858-1913) era un ingegnere tedesco, di origine francese, cui si deve l'invenzione di quel motore a combustione interna, detto motore diesel. Dopo essersi diplomato brillantemente (1880) presso la Technische Hochschule di Monaco, tra il 1880 e il 1890 Diesel cercò di trovare un più efficace sostituto per il vapore come mezzo fluido da usare nelle macchine termiche. Giovandosi di una notevole preparazione teorica di tipo matematico e fisico, Diesel riuscì a progettare un motore che aveva un rendimento superiore a quello della macchina a vapore e del motore che Nikolaus August Otto aveva inventato di recente.  Rudolf Diesel sviluppò l'idea di un motore a cui bastasse l'alta temperatura generata dalla compressione dell'aria nella camera di scoppio per l'accensione del carburante, eliminando quindi il dispositivo di accensione allora usato nei motori a combustione interna che derivavano dall'idea di Nikolaus Otto.Il brevetto del nuovo motore venne depositato il 23 febbraio 1892 cui fece seguito, nell'anno successivo, la pubblicazione del principio di funzionamento nel saggio:"Teoria e costruzione di un motore termico razionale, destinato a soppiantare la macchina a vapore e le altre macchine a combustione finora conosciute".Il 17 febbraio 1894 un motore dotato di un singolo pistone fu capace di girare per un minuto durante una dimostrazione pubblica: il motore era alimentato con carburante polverizzato, iniettato da un getto d'aria compressa. Era una macchina alta 3 metri, che raggiungeva una compressione di 80 atmosfere (8100 kPa).Diesel costruì un prototipo migliorato nel 1897, mentre lavorava alla Maschinenfabrik Augsburg. Il suo motore aveva alcune caratteristiche simili al prototipo di Herbert Akroyd Stuart del 1890, e per questo dovette affrontare diverse dispute sulla paternità del brevetto: la sua invenzione ebbe però un riconoscimento ufficiale, ed è su questo modello che sono costruiti i moderni motori Diesel.La sua presentazione ufficiale si ebbe, dopo altri tre anni di studio, all'Esposizione Universale di Parigi del 1900, il carburante utilizzato era l'olio di arachidi; la produzione iniziò subito e il primo motore destinato al mercato fu assemblato all'interno di una distilleria statunitense .La quantità di brevetti che vennero riconosciuti al motore in tutti i Paesi europei assicurarono una rendita milionaria a Rudolf Diesel, che divenne ricco in poco tempo.Il motore Diesel è una tipologia di motore a combustione interna che sfrutta il principio della compressione per ottenere l'accensione del combustibile. Il concetto di base del funzionamento del motore Diesel è che quando un gas viene compresso, la sua temperatura cresce. In questo motore viene utilizzata tale proprietà comprimendo all'interno del cilindro la sola aria a valori elevati fino a raggiungere la temperatura alla quale il combustibile, iniettato presso il punto morto superiore, si accende spontaneamente. Viene pertanto definito motore ad accensione spontanea, in contrapposizione al motore ad accensione comandata, nel quale l'accensione è innescata da una scarica elettrica.In un motore Diesel con ciclo a quattro tempi l'aria viene immessa nel cilindro, richiamata dal movimento discendente del pistone e attraverso la valvola di aspirazione, quando il pistone risale tale aria è compressa. In tale compressione l'aria può raggiungere valori di temperatura tra i 700 e i 900 gradi C. Poco prima che il pistone raggiunga il punto morto superiore, cioè il punto di massima salita dello stesso, viene immesso per mezzo di un iniettore il combustibile nell'aria arroventata e compressa nello spazio residuo sopra il pistone. Si ha quindi l'autoaccensione e poi la combustione della miscela aria combustibile, a cui segue la fase di espansione che riporta il pistone verso il basso generando così la rotazione dell'albero motore, la spinta per tale rotazione costituisce l'erogazione di energia meccanica che è lo scopo del motore stesso. Infine si ha la fase di scarico dove i gas combusti vengono espulsi dal cilindro attraverso l'apertura della valvola di scarico. È da notare che è possibile realizzare anche un motore Diesel con ciclo due tempi. Il funzionamento sopra riportato spiega alcune delle caratteristiche che differenziano il motore Diesel da quello a benzina. Per fronteggiare le forze che si creano durante l'intero processo il motore Diesel dovrà avere un rapporto di compressione molto più elevato di quello di un analogo motore a benzina. Questa necessità influenza anche il peso di un motore Diesel, che sarà maggiore di quello di un motore a benzina di analoga cilindrata, in quanto le parti del motore dovranno essere costruite per resistere a stress più elevati. D'altra parte, proprio per il suo funzionamento, il motore Diesel trae maggiori vantaggi dall'impiego di sistemi di sovralimentazione che effettuano una compressione dell'aria già prima che questa entri nel cilindro.In questo tipo di motori è di fondamentale importanza il sistema di alimentazione ed in particolare la pompa del combustibile, che regola la quantità di combustibile immessa nei cilindri, nonché il momento esatto dell'immissione stessa. Sulla base della quantità di combustibile immesso ad ogni regime di rotazione il motore fornisce più o meno potenza in quanto l'aria da questo aspirata è un valore costante che corrisponde sempre al massimo possibile (non esiste un carburatore). Nei motori Diesel, a differenza di quelli a benzina, non è necessario gestire l'accensione con dispositivi esterni, è lo stesso fatto della iniezione che direttamente agisce per l'"accensione" della miscela. La potenza non è direttamente basata sulla quantità di miscela aria-combustibile che è immessa nel cilindro, ma solo sulla quantità di combustibile iniettato. Nei primi motori Diesel questo sistema di regolazione era di tipo meccanico con una serie di ingranaggi che prelevavano energia dal motore stesso. Il limite più rilevante era dato dal fatto che l'immissione di combustibile era rigidamente collegata con il regime di rotazione del motore stesso, dato che la combustione è un fatto fisico costante, a basse velocità di rotazione la combustione rischia di essere troppo anticipata rispetto al moto del pistone (che è relativamente più lento), mentre a velocità elevata il moto accelerato (veloce) del pistone combinato con la combustione fa risultare la combustione relativamente ritardata. In una fase successiva, l'evoluzione delle pompe di iniezione ha permesso di migliorare il controllo dei tempi e delle quantità di gasolio iniettate, con l'implementazione di dispositivi di autoregolazione dell'anticipo dell'iniezione (ad esempio il variatore dell'anticipo dell'iniezione a masse centrifughe, tipico delle pompe di iniezione in linea). Nei motori moderni l'immissione di combustibile è invece regolata attraverso il ricorso all'elettronica. Si hanno quindi dei moduli di controllo elettronici (ECM – Electronic Control Module) o delle unità di controllo (ECU – Electronic Control Unit) che altro non sono che dei piccoli calcolatori montati sul motore. Questi ricevono i dati da una serie di sensori e li utilizzano per calibrare, secondo tabelle (dette anche mappe) memorizzate nell'ECM/ECU, la quantità di combustibile da iniettare e (soprattutto) il tempo, inteso come momento esatto di immissione, in modo da ottenere sempre il valore ottimale, o il più vicino a questo, per quel determinato regime di rotazione. In questo modo si massimizza il rendimento del motore e se ne abbassano le emissioni. In questo caso il tempo, misurato in gradi angolari di rotazione, assume una importanza critica in quanto sia un ritardo che un anticipo rispetto al momento ottimale comportano dei problemi. Infatti se si anticipa troppo si ritroveranno nei gas di scarico valori rilevanti di ossidi di azoto (NOx) anche se il motore raggiunge una efficienza maggiore dato che la combustione avviene ad una pressione più alta. Un ritardo invece, a causa della combustione incompleta, produce molto particolato (polveri sottili) e fumosità allo scarico oltre a peggiorare l'efficienza del motore. Non esiste un valore ottimale valido per tutti i motori ma ogni motore ne ha uno proprio.
I MOTORI DIESEL 2 TEMPI
I motori Diesel a due tempi sono di impiego esclusivamente 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 molto più grandi e sviluppano potenze molto maggiori, essendo inoltre privi di valvole hanno una notevole semplificazione costruttiva. 
I MOTORI DIESEL 4 TEMPI
I motori Diesel a quattro tempi sono quelli maggiormente diffusi nel campo automobilistico, ferroviario, nelle centrali di generazione Diesel-elettrica, nelle imbarcazioni da diporto e nelle navi da crociera, traghetti e piccole navi mercantili. Per quanto riguarda le tipologie di motori si possono realizzare Diesel con qualunque configurazione di cilindri dato che spesso i problemi ed i vantaggi di una determinata configurazione restano immutati, sia che si tratti di motori a Ciclo Otto (benzina) o di motori a Ciclo Diesel (gasolio). Nelle auto la configurazione più diffusa è quella con quattro cilindri in linea. Si può dire che quasi tutti i motori Diesel sono sovralimentati proprio per sfruttare i vantaggi di questo sistema con questa tipologia di motore. Va detto che in ogni caso per raggiungere uno stesso livello di potenza i motori Diesel, per le loro caratteristiche, devono avere una cilindrata (quindi dimensioni di motore, e quindi peso) superiore a quella dei motori a benzina. In compenso, sempre a parità di potenza erogata, il motore Diesel vanta una maggiore efficienza (circa il 15%).