I più comuni motori Diesel sono dei propulsori 4 tempi ad accensione spontanea nei quali la combustione avviene automaticamente grazie alle elevate pressioni e temperature che si raggiungono all’interno del cilindro.
Il funzionamento di un motore Diesel viene spesso spiegato facendo riferimento al ciclo ideato dallo stesso Rudolf Diesel nel 1892.
A mio avviso però, questo ciclo è troppo astratto e non riesce a descrivere nei suoi tratti fondamentali il reale funzionamento del propulsore. Preferisco perciò rifarmi al ciclo aria-combustibile che è costituito da quattro fasi fondamentali: aspirazione, compressione, combustione/espansione e scarico.
Nel dettaglio si ha:
0-1 Aspirazione a pressione ambiente: il pistone scende fino al punto morto inferiore consentendo all’aria di riempire il cilindro.
1-2 Compressione adiabatica (senza scambi di calore): una volta giunto al PMI (Punto Morto Inferiore), il pistone inverte la sua corsa e comprime l’aria fino al punto morto superiore gli iniettori spruzzano il gasolio che idealmente brucia in modo istantaneo. Nei motori Diesel perciò non si aspira direttamente una miscela aria-combustibile come avviene nei motori a benzina, ma si aspira aria e la miscela si forma direttamente all’interno del cilindro.
2-3 Trasformazione reversibile isobara (a pressione costante): a seguito della combustione il pistone inizia a scendere verso il PMI, consentendo all’aria di espandersi all’interno del cilindro senza perdere pressione.
3-4 Espansione adiabatica (senza scambi di calore): Il pistone continua la sua corsa verso il PMI completando la fase di espansione senza perdite di calore.
4-1 e 1-0 Scarico a pressione ambiente: Il pistone ritorna al PMS (Punto Morto Superiore) espellendo senza fatica i gas combusti.
Nonostante il ciclo aria-combustibile riesca a descrivere abbastanza accuratamente le varie fasi con cui opera un motore diesel, è evidente che la realtà sia diversa rispetto a quella dipinta da questo ciclo. Le trasformazioni, infatti, sono irreversibili. Vi sono attriti e scambi di calore con l’esterno, l’aspirazione e lo scarico richiedono del lavoro di pompaggio e la combustione non è istantanea. Tutto ciò ha l’effetto di ridurre significativamente la potenza che il propulsore riesce ad erogare e il rendimento dello stesso.
C’è però una frase cruciale che differisce in maniera significativa rispetto al ciclo ideale.
I motori Diesel, infatti, sono soggetti ad un fenomeno chiamato “Ritardo all’auto-accensione” per cui non si può assolutamente considerare vero il fatto che la combustione avvenga istantaneamente.
Vale quindi la pena descrivere in maniera più accurata la sequenza con cui avviene questa fase. Si pone particolare attenzioni agli anticipi necessari per garantire il corretto funzionamento del motore.
Guardiamo il grafico e analizziamo cosa succede.
A : Il combustibile viene iniettato con un anticipo di circa 15° rispetto al punto morto superiore. Ciò viene fatto quando all’interno del cilindro vi sono temperature di 500°- 600° gradi e pressioni di 30 – 40 bar.
A-B : Si ha un ritardo all’auto-accensione del combustile e di conseguenza l’andamento delle pressioni è quello che si avrebbe in assenza di iniezione.
B-C : Inizia una combustione rapida in cui viene bruciato in modo quasi istantaneo tutto il carburante che si era premiscelato durante la fase di ritardo all’auto-accensione.
C-D : Viene progressivamente bruciato il gasolio che viene iniettato.
D : Termina l’iniezione di combustibile.
D-E : Il carburante ancora presente viene bruciato e la fase di combustione si esaurisce. Nel funzionamento reale quindi, oltre che regolare opportunamente anticipi e ritardi delle valvole, bisogna tener conto del ritardo all’auto-accensione anticipando opportunamente l’iniezione di gasolio.
Ma a cos’è dovuto questo ritardo?
Nel prossimo articolo verrà spiegato più in dettaglio questo aspetto, saranno valutati effetti e possibili metodi di risoluzione di questo problema.