OPERA SUL MOTORE PRINCIPALE ED AUSILIARIO E SUI SISTEMI DI CONTROLLO ASSOCIATI: 3_1_2 Il motore diesel 4 tempi - Storia e funzionamento

STORIA DEL MOTORE DIESEL

All'inizio del XX secolo, le macchine a vapore cominciarono a sparire, lentamente ma costantemente, nei musei. Stavano venendo sostituite dai motori diesel che erano più piccoli, più efficienti e potevano essere utilizzati ovunque. 

L'inventore di questo nuovo motore fu l'ingegnere Rudolf Diesel. Rudolf Diesel era il figlio di un piccolo produttore di pelli. Il padre, Theodore, era un operaio libraio ambulante quando emigrò da Augusta nel sud della Germania a Parigi. Fu lì che Rudolf Diesel nacque nel 1858. 

Nel 1870 scoppiò la guerra tra la Francia e gli stati tedeschi, guidati dalla Prussia. Sebbene la famiglia non fu oggetto di persecuzioni, dovette lasciare la Francia in gran fretta. I Diesel si rifugiarono a Londra dove Rudolf frequentò una scuola inglese e, come a Parigi, la sua meta preferita furono i musei di tecnica. Nei giorni successivi, la città inglese venne accerchiata dai tedeschi così che la famiglia mandò Rudolf ad Augusta in baviera dove sarebbe stato accolto in casa del professore di matematica Cristoph Barnickel e sua moglie. Vi restò per 5 anni per completare la scuola industriale.

Al termine del corso fu il primo della graduatoria. Ciò aveva richiesto un immenso lavoro per aver ottenuto una buona formazione professionale. Al liceo tecnico di Monaco, Rudolf studia con il pioniere delle macchine per la refrigerazione, il professor Carl Linde

All’età di 22 anni termina i suoi studi con il miglior esame di quella scuola. Rudolf si dirige a Winterthur  in Svizzera per realizzare una pratica professionale nella fabbrica di auto Sulzer. Il suo cammino lo riporta a Parigi dove Carl Linde sta inaugurando una fabbrica del ghiaccio e qui gli viene proposto la carica da Direttore e Rudolf accetta

Oltre al suo lavoro Rudolf studia sempre come rimpiazzare la macchina a vapore a bassa efficienza con una nuova macchina. Con la macchina a vapore si perde molto calore ed energia per cui il rendimento è basso con una prestazione scarsa di circa il 10%. Una macchina efficienza deve poter trasformare la maggior quantità che consuma. 

Per 14 anni Rudolf è alla ricerca di un motore rivoluzionario che sostituisca la macchina a vapore e Carl Linde gli dà tutto l’appoggio necessario permettendo a Rudolf di non lavorare esclusivamente con le macchine della fabbrica del ghiaccio. Fu a 34 anni nel 1892 che Rudolf ottenne un brevetto per il suo nuovo motore che aveva un diverso processo di combustione.

Approfittò di un processo che lui già aveva studiato in gioventù prendendo spunto dagli accendini. Se veniva pompata aria con un pistone di gomma all’interno di un tubo di vetro contenente uno stoppaccio la temperatura si innalzava a tal punto da incendiarlo. Lo stesso si verifica nel gonfiare una ruota di bicicletta. 

Il motore sviluppato da Rudolf funzionava in maniera molto simile. L’aria viene risucchiata all’interno di un cilindro. Un pistone comprime l’aria che si riscalda come il gonfiatore di prima. Una volta compressa l’aria all’interno del cilindro si inietta combustibile. L’aria è così calda che la miscela si accende da sola. La pressione dell’esplosione spinge il pistone verso il basso realizzando un lavoro meccanico. Il meccanismo fa si che il pistone salga verso l’alto espellendo i gas dell’esplosione e ritorna verso il basso per riprendere il ciclo.

Ma il motore di Rudolf nonostante i 15 anni di studio non funzionava ancora bene al punto tale che Linde interrompe la relazione lavorativa con Rudolf. Ottenne però un finanziamento dal birraio Henry Ford  quello che poi diventerà MAN. Continuò con motori sperimentali e nel 1895 ottiene il primo marchio di motori Rudolf Diesel con motori funzionanti con un rendimento più del doppio rispetto ad una macchina convenzionale a vapore.

Rudolf scrive a sua moglie che adesso era lui il leader di costruttore di motori nel pianeta, da questo e dall’altro lato dell’oceano. Nel 1898 il primo motore che venne usato in una fabbrica di fiammiferi, l’inizio di un grande esito commerciale. La ragione è l’efficacia del motore che ha lo stesso consumo di energia ma con una potenza superiore a qualsiasi altra macchina conosciuta fino a quel tempo superando il motore di Otto. Nel motore di Nikolaus otto sviluppato appena due decenni prima, comprimeva una miscela di aria e benzina invece di aria pura. La compressione era però inferiore a quella del suo motore, infatti non raggiungeva temperature per autoaccendersi per cui occorreva l’utilizzo di una candela. La pressione causata dall’esplosione spinge il pistone verso giù come nel motore di Rudolf realizzando lavoro. Grazie alla minor pressione era più facile costruire un motore Otto che un motore Diesel, ma con prestazioni inferiori.

A questo si aggiunge il minor costo che ha questo motore rispetto a tutti gli altri. Rudolf esperimenta con tutti i tipi di combustibili, ma alla fine decide di usare il cherosene che è più economico e facile da utilizzare. I motori moderni diesel lavorano con combustibili avente minor contenuto di zolfo. Rapidamente Rudolf Diesel divenne famoso, i suoi motori vengono prodotti in tutto il mondo ed in poco tempo il magnate americano della birra ottiene una licenza al prezzo di un milione di marchi per costruire motori diesel per locomotori, fabbriche e naviglio.

MOTORI DIESEL 4 TEMPI AD ACCENSIONE SPONTANEA

Questo nuovo motore è alimentato a gasolio, combustibile di qualità inferiore rispetto alla normale benzina (e quindi meno costoso), manca della fase di accensione elettrica e il combustibile non scoppia ma brucia lentamente. Tutte queste differenze contribuiscono ad aumentare il rendimento del motore diesel. Nei motori ad accensione spontanea o ad accensione per compressione il combustibile è iniettato durante la compressione dell’aria per cui si ha una combustione spontanea dovuta all’alta temperatura creatasi all’interno della camera di combustione durante questa fase. I motori ad accensione spontanea sono sempre ad iniezione, che può essere indiretta (a precamera) o diretta. 

Basso rendimento è indice di perdita di calore che non verrà utilizzato positivamente. Più sarà il calore perso, maggiore sarà l’energia meccanica dissipata dal fluido.

migliora la miscelazione e di conseguenza la combustione risulta omogenea e accelerata. L’aumento di superficie esposta alla combustione rende basso il rendimento termodinamico del motore. Basso rendimento è indice di perdita di calore che non verrà utilizzato positivamente. Più sarà il calore perso, maggiore sarà l’energia meccanica dissipata dal fluido.

Nelle seguenti animazioni verrà esposto il funzionamento del motore diesel a 4 tempi. Nella prima animazione vediamo le parti costruttive del motore.

In questa animazione invece è mostrata la fase di aspirazione.

In questa animazione è mostrata la fase di compressione.

In questa animazione è mostrata la fase di combustione \ espansione.

In questa animazione è mostrata la fase di scarico.

In questa animazione sono mostrate tutte e quattro le fasi del motore diesel 4 tempi.