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PARAGRAFO 01 - 02 - 03                             RITORNA AL PROGRAMMA

MOTORI A INIEZIONE A GASOLIO
(CICLO DIESEL)
LO SCHEMA A BLOCCHI seguente individua gli impianti funzionali del motore, cioè gli organismi che ne consentono il funzionamento.

La mancanza o la non efficienza di uno di essi determina il non funzionamento del motore.

TEMPI E FASI.

TEMPI: i tempi del motore sono le corse (per esempio su e giù) che il pistone deve compiere per realizzare il ciclo di lavoro. I motori Diesel (come quelli a carburazione) possono essere a due oppure a quattro tempi. Nei motori a due tempi ogni due movimenti completi del pistone si ha un ciclo di lavoro. Nei motori quattro tempi si ha un ciclo di lavoro ogni quattro movimenti completi del pistone.

FASI: le fasi del motore sono i fenomeni che avvengono nel gas (aria, combustibile, miscela aria-combustibile, gas combusto) all'interno del cilindro. Oltre alle quattro fasi della figura ci sono anche l'iniezione, lo scarico naturale e il lavaggio.

IMPIANTI.

AVVIAMENTO: è il sistema che consente di "accendere" il motore. Può avvenire con un motore ausiliario (motorino elettrico) oppure ad aria compressa.
COMBUSTIBILE: il combustibile (cioè il materiale che può bruciare producendo una grande quantità di calore in breve tempo) è il gasolio che è un derivato del petrolio. L'impianto si compone essenzialmente di: 1- serbatoio; 2- filtro; 3- pompa; 4- iniettore.
ARIA: l'aria è il comburente perché contiene l'ossigeno: la combustione è una reazione chimica che consiste nell'unione del carbonio e dell'idrogeno, di cui è costituito il gasolio, con l'ossigeno dell'aria. L'impianto si compone essenzialmente di: 1- filtro; 2- compressore o soffiante; 3- valvola.
DISTRIBUZIONE: la distribuzione è l'insieme di organi che consente alle valvole di aprirsi e chiudersi a tempo debito. L'impianto si compone essenzialmente di: 1- cinghia o catena o ruota dentata mossa dall'albero motore; 2- albero a camme; 3- aste di comando; 4- bilancieri; 5- molle di richiamo.
TRASMISSIONE: la trasmissione è l'insieme di organi che consente di trasmettere il moto dal pistone all'albero motore. L'impianto si compone essenzialmente di: 1- pistone dotato di moto alternativo; 2- eventuale asta di rinvio con testa-croce; 3- biella collegata al pistone con un perno detto spinotto e alla manovella con un cuscinetto; 4- manovella o collo d'oca costituita da una piega dell'albero; 5- albero motore dotato di moto rotatorio; 5- supporti, detti cuscinetti di banco; 6- volano che ha la funzione di assorbire energia durante l'espansione per restituirla nelle altre fasi.
LUBRIFICAZIONE: ha il compito di lubrificare tutti gli organi mobili per ridurre o annullare l'attrito. Senza la lubrificazione negli elementi in movimento a contatto si sviluppa una grande quantità di calore. L'impianto si compone essenzialmente di: 1- serbatoio oppure coppa dell'olio; 2- filtro; 3- pompa; 4- fori e tubi di distribuzione; 5- eventuale impianto di raffreddamento.
RAFFREDDAMENTO: ha il compito di eliminare il calore in eccesso, cioè quello che il motore non è riuscito a trasformare in lavoro. Tale calore deve essere sottratto perché altrimenti ad esempio alcune parti potrebbero fondere. Si usa sempre acqua dolce, addizionata con elementi chimici (additivi) che proteggono dalla corrosione. L'impianto si compone essenzialmente di: 1- passaggi intorno ai cilindri; 2- tubi di carico e scarico; 3- scambiatore di calore (per esempio a "radiatore"); 4- pompa di circolazione; 5- eventuale ventilatore per raffreddare lo scambiatore di calore oppure un secondo scambiatore ad acqua di mare.
SCARICO: ha il compito di eliminare il gas combusto, cioè quello che ha già ceduto la sua energia al pistone nella fase di espansione. L'impianto si compone essenzialmente di: 1- valvola di scarico; 2- tubo; 3- marmitta o camino aperto verso l'atmosfera; 4- eventuale turbina che muove un compressore assiale.

IL CICLO DIESEL IDEALE E QUELLO REALE

Si definisce ideale il ciclo percorso da un gas ideale in una macchina ideale. Il gas si dice ideale quando si comporta seguendo in ogni condizione una legge fisica rappresentata da una formula matematica, che invece è vera solo in determinate situazioni. La macchina si dice ideale quando è capace ad esempio di eseguire comandi istantanei. Nella realtà non esistono né il gas né la macchina ideale, per cui è possibile chiedersi il perché del loro studio. La risposta è abbastanza semplice: lo studio di elementi ideali ci consente di prevedere quale massimo risultato è possibile teoricamente raggiungere con il gas e la macchina reale; in questo modo possiamo limitare i nostri sforzi per tentare di avere risultati migliori. In pratica se sappiamo che in condizioni ideali si può avere un rendimento del 30 % è inutile tentare di avere una macchina reale con il 40 % di rendimento: tutt'al più tenteremo di arrivare al 29 %.
Nelle figure in basso sono riportati i cicli Diesel ideale, corretto per tener conto almeno parzialmente della situazione reale, e il ciclo reale, in prima approssimazione. I cicli sono disegnati nel piano p, v essendo p la pressione e v il volume del gas dentro il cilindro. In questo modo è possibile studiare la variazione della pressione quando il pistone si muove da P.M.I. a P.M. S. e viceversa.


ciclo Diesel ideale                                                                      ciclo Diesel reale

Il ciclo ideale (a sinistra) si compone di:
1- trasformazione 0 - 1 isobara di ammissione (aspirazione) dell'aria a pressione atmosferica; nel punto 0 la pressione è 1 atmosfera e poiché rimane costante la linea 0 - 1 è orizzontale, come appare nella figura; in questa fase la valvola di ammissione è aperta e l'aria entra liberamente nel cilindro attraverso il suo filtro;
2- trasformazione 1 - 2 adiabatica di compressione durante la quale aumenta la temperatura dell'aria; in questa fase il pistone si muove verso l'alto, la valvola di ammissione è chiusa, e quindi l'aria rimasta nel cilindro viene compressa, cioè diminuisce di volume e aumenta di pressione; contemporaneamente aumenta la temperatura;
3- trasformazione 2 - 3 combustione a volume costante durante la quale avviene la prima parte della produzione di calore; nel punto 2 avviene l'iniezione e la miscela aria - gasolio si incendia producendo calore ed aumento di pressione; ciò avviene mentre il pistone è fermo al punto morto superiore e quindi a volume costante;
4- trasformazione 3 - 3' completamento della combustione a pressione costante; il pistone viene spinto verso il P.M.I. dalla pressione dei gas combusti in modo che l'aumento di pressione è equilibrata dal movimento del pistone stesso e perciò in definitiva la pressione rimane costante;
5- trasformazione 3' - 4 adiabatica di espansione durante la quale avviene la produzione del lavoro utile; la combustione è finita e di conseguenza la pressione diminuisce man mano che il pistone si allontana verso il P.M.I. a velocità crescente;
6- trasformazione 4 - 1 a volume costante durante la quale avviene lo scarico naturale; nel punto 4 si apre la valvola di scarico e il gas combusto esce liberamente dal cilindro mentre il pistone è fermo;
7- trasformazione 1 - 0 a pressione costante di scarico forzato; la valvola di scarico è ancora aperta e il pistone, tornando verso il P.M.S., spinge fuori i gas combusti che ancora si trovano dentro il cilindro.


Il ciclo reale (a destra) è corretto perché:
1- l'ammissione 0 - 1 avviene con pressione in diminuzione in quanto l'aria si muove da un luogo all'altro solo se c'è una differenza di pressione: in pratica il pistone, movendosi verso il basso, crea una depressione che richiama aria dall'esterno;
2- la compressione 1 - 2 produce calore e il cilindro si riscalda cedendo una parte del calore all'esterno;
3- la combustione è lenta e quindi non può avvenire nell'istante in cui il pistone è fermo al punto morto superiore ma inizia prima del punto 2 e prosegue raggiungendo un massimo lungo la 3 - 3';
4- il completamento della combustione non può avvenire a pressione costante perché il pistone è più veloce della combustione;
5- durante l'espansione 3' - 4 una parte del calore viene sottratto dall'acqua di raffreddamento, altrimenti il pistone potrebbe grippare;
6- lo scarico naturale non può avvenire istantaneamente mentre il pistone è fermo al punto morto inferiore, e quindi la valvola di scarico si apre nel punto 4' prima che finisca l'espansione;
7- lo scarico forzato non può avvenire a pressione costante: il pistone risalendo verso il P.M.S. deve far crescere la pressione per vincere la pressione atmosferica.

LE DIFFERENZE.
(vedi le linee blu nella figura a destra)

AMMISSIONE: affinché un fluido (liquido o gas) possa muoversi da un punto all'altro, occorre che fra i due punti ci sia una differenza di pressione. Quando il pistone si muove da P.M.S. a P.M.I. (trasformazione 0 - 1) crea nel cilindro un vuoto che permette all'aria atmosferica (oppure a quella spinta da un compressore, se il motore è servito da una turbina, o da una soffiante) di entrare attraverso la valvola. Di conseguenza la 0 - 1 avviene inizialmente a pressione minore di quella atmosferica.
SCARICO FORZATO: per lo stesso motivo lo scarico forzato avviene a pressione maggiore di quella atmosferica, cioè il pistone nella trasformazione 1 - 0 deve esercitare una forza per costringere il gas ad uscire, forza fornita dal volano.
COMPRESSIONE: non può essere una adiabatica pura e semplice, perché l'aria si riscalda per effetto della compressione ma una parte di tale calore è assorbita dal cilindro e dal pistone, che a loro volta la cedono all'acqua di raffreddamento. Ne segue che l'aria si riscalda meno del previsto, anche se c'è un poco di recupero per effetto dell'attrito.
INIEZIONE: poiché la combustione deve essere lenta, l'iniezione del combustibile avviene prima che il pistone raggiunga il P.M.S., per cui si ha un rapido aumento di pressione, mentre il pistone è ancora in movimento.
COMBUSTIONE: inizia prima del P.M.S. e continua dopo, per cui il massimo di pressione si ottiene quando è già cominciata l'espansione.
ESPANSIONE: non avviene secondo una adiabatica pura e semplice. Infatti una buona parte del calore viene sottratta dall'acqua di raffreddamento, essendo la temperatura superiore ai 1.000 gradi Celsius. Se tale temperatura si mantenesse a lungo, il materiale di cui è fatto il pistone perderebbe ogni capacità di resistenza.
SCARICO NATURALE: lo scarico naturale inizia prima che finisca l'espansione con l'apertura anticipata della valvola nel punto 4'. Il gas ha ancora una notevole pressione (4 - 8 atmosfere) e può uscire senza chiedere energia al volano che nella fase successiva (scarico forzato) deve provvedere a vuotare il cilindro.
LAVAGGIO: prima che finisca lo scarico forzato si apre la valvola di ammissione, in modo che l'aria fresca contribuisca a vuotare il cilindro. La valvola di scarico si chiude dopo l'inizio dell'ammissione, in modo che il cilindro si vuoti al massimo del gas combusto. Quindi c'è una fase (chiamata lavaggio) durante la quale entrambe le valvole sono aperte.
VANTAGGI DEL LAVAGGIO: il pistone non può vuotare completamente il cilindro perché in ogni caso deve rimanere lo spazio nel quale si raccoglierà l'aria compressa (camera di combustione, volume nocivo). Questo significa che ad ogni giro rimarrà gas combusto caldo che impedisce l'ingresso di una buona quantità di aria fresca e ricca di ossigeno (con poco ossigeno la combustione non avviene o avviene "male"). Risulta quindi indispensabile far uscire la maggior quantità possibile di gas combusti, anche sacrificando una parte di combustibile, come avviene nei motori a benzina, oppure una parte dell'aria, come avviene nei motori Diesel.

IL RENDIMENTO.

Si chiama rendimento il rapporto fra ciò che si ottiene dal motore e ciò che gli si fornisce. In pratica si fornisce l'energia chimica potenziale del gasolio (da trasformare in calore durante la combustione) e si ottiene il movimento dell'albero motore.

              ciò che si ottiene              
ciò che si mette a disposizione

In sintesi ciò che si ottiene è misurato dall'area interna al ciclo (nel ciclo ideale l'area 1 - 2 - 3 - 4; nel ciclo reale (vedi le linee blu) l'area interna al ciclo ideale meno l'area interna al ciclo 0 - 1 - 0). Il valore del rendimento è sempre minore di uno, cioè si ricava meno di quello che si spende. In breve mettendo a disposizione 100 calorie sotto forma di gasolio se ne ricavano da 30 a 50 sotto forma di movimento dell'albero motore e molto meno sotto forma di movimento della nave o dell'automobile.
In via approssimata ma efficace, il rendimento può essere misurato dal rapporto fra lo spazio percorso o il carico trasportato e la quantità di combustibile consumato, cioè chilometri a litro di carburante, oppure tonnellate trasportate a tonnellata di combustibile. In questi casi però bisogna tener conto anche di altri elementi, come la velocità o il comfort del viaggio.


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