Accanto agli elementi di base del motore che partecipano direttamente alla gen- erazione della energia propulsiva, vi sono organi definiti ausiliari ma nella realtà indispensabili:
• il circuito di lubrificazione
• il circuito di raffreddamento
Il raffreddamento è un problema particolarmente importante per la testata e la parte superiore del blocco cilindri, visto che alcune superfici della camera di com- bustione e dei condotti di scarico sono soggette a flussi termici molto intensi, tali da richiedere un’efficiente asportazione del calore per evitare di mettere in crisi il materiale. Dato che anche il lubrificante asporta una certa quantità di calore dal motore, bisogna procedere in contemporanea anche alla definizione dei canali di lu- brificazione, tenendo comunque ben presente che lo scopo primario del sistema di raffreddamento è legato al materiale e al lubrificante, che hanno una temperatura di lavoro limitata. Nel breve periodo di durata della combustione si sviluppano nella testata dei carichi termici enormi. Di conseguenza, quantità molto elevate di calore vengono cedute per irraggiamento con sviluppo di elevate temperature sul piatto- fiamma della testata e sul cielo del pistone. Tale fenomeno prosegue, fortunatamente con progressiva attenuazione, durante la successiva fase di espansione. Questa sol- lecitazione termica viene comunque ridotta durante le altre fasi, e soprattutto in
CAPITOLO 5. LA TESTATA
quella di aspirazione, in cui normalmente si ha l’ingresso di aria fresca dall’ ester- no. Nonostante ciò, è necessario provvedere a sottrarre una percentuale rilevante di questo calore prodotto con la combustione attraverso un sistema dedicato costitu- ito da un circuito di raffreddamento, in modo tale da impedire il blocco del motore per surriscaldamento. In linee generali, dell’ intera quantità di calore introdotto nel sistema con la combustione, un terzo si trasforma in lavoro meccanico all’albero, un terzo viene perduto in calore sensibile dei gas di scarico e l’altro terzo viene sottratto dal sistema di raffreddamento (da questa ipotesi deriva il valore medio del rendimento totale dei motori a combustione interna che solitamente viene preso attorno al 33% per i motori ad accensione comandata e 35-40% per i diesel che sono caratterizzati da una minore perdita di calore). Di regola i gas di scarico asportano una quantità di calore alquanto maggiore del fluido di raffreddamento (in generale la temperatura di entrata del fluido refrigerante nel motore si aggira attorno ai 90◦C contro i 95- 100◦C d’uscita). Nei motori ad alte prestazioni l’uso del raffreddamento a liquido è obbligatorio, a causa degli elevati flussi di calore da smaltire per mantenere il ma- teriale ad una temperatura accettabile. In tale ambito gli aspetti più problematici da determinare sono i coefficienti di scambio dei vari fluidi. Non bisogna in questo caso dimenticare l’importanza che riveste la scabrezza delle superfici: le superfici grezze sono in grado infatti di scambiare calore più efficacemente solo in condizioni di bassi flussi termici; le asperità superficiali possono infatti trattenere le bolle di vapore, ostacolandone la circolazione. Occorre quindi prevenire, durante la fase di analisi progettuale, eventuali zone di ristagno e verificare le temperature in tutta la struttura.
L’ipotesi di partenza è stata quella di conferire al gasolio contenuto nei serbaboi sia la funzione di fluido refrigerante che di lubrificante, additivandolo in opportuno rapporto con dell’olio lubrificante.
Ciò consente di eliminare l’apparato di lubrificazione, poichè l’utilizzo dell’o- lio, avrebbe richiesto un specifico circuito (con annesse pompe serbatoi e condotti), aumentando così il costo, il peso e la complessità del motore.
Ogni propulsore sarà quindi dotato di un’unico serbatoio, all’ interno del quale verrà stipato gasolio sufficiente ad assolvere tutte le funzioni cui è chiamato. Lo schema di figura 5.24 chiarisce quanto detto.
Tutto il gasolio utilizzato per le funzioni di raffreddamento e lubrificazione, viene (a meno delle inevitabili perdite) recuperato e reintrodotto all’interno del serbatoio attraverso una pompa. Vale la pena di osservare, che l’utizzo del gasolio come fluido
CAPITOLO 5. LA TESTATA Lubrificazione organi in movimento Alimentazione Sistema Common-Rail Raffreddamento Testata Serbatoio Gasolio Pompa di recupero Pompa di mandata
Figura 5.24: Funzioni del gasolio
refrigerante, porta ad un aumento della sua temperatura, condizione che favorisce il processo di vaporizzazione del combustibile e piu in generale, migliora il processo di combustione.
Il circuito di raffreddamento trae origine da architetture già esistenti e vede ap- plicato il principio che vuole la parte più bassa della testata completamente immersa nel liquido di raffreddamento, al preciso scopo di garantire un più alto grado di refrigerazione.
L’ipotesi da me sviluppata è quella di utilizzare gli alberi a camme come condotti di mandata del gasolio “fresco”, con pressione di 4 Bar. Ogni albero sarà quindi dotato di appositi fori (figura 5.25). Alcuni di questi avranno la funzione di lubrificare i contatti striscianti camme-bicchierini e albero-boccola e saranno perciò realizzati in corrispondenza di tali contatti. I restanti fori, praticati tra una camma e l’altra, serviranno a versare il gasolio necessario alla refrigerazione della testata.
Figura 5.25: Raffreddamento testata
Per mezzo di opportuni scavi praticati nel coperchio, (all’interno delle sedi degli alberi a camme), il gasolio confluirà all’interno della testa (figura 5.25). Sei camicie di deflusso praticate nella parte inferiore della testata (figura 5.26), faranno poi defluire
CAPITOLO 5. LA TESTATA
verso i condotti di recupero il gasolio, che attraverso una pompa, sarà reimmesso all’interno del serbatoio.
La presenza del condotto di scarico in posizione centrale, impedisce un raffred- damento adeguato delle zone più interne del piatto-fiamma. Per questo motivo ho deciso di praticare tre condotti del diametro di 10 mm (12 mm per il condotto di mezzeria) con l’intento di assicurare un continuo passaggio di gasolio fresco (figura 5.26).
Figura 5.26: Condotti di raffreddamento
Tali condotti hanno un’azione estremamente efficace, poichè in essi, il gasolio fluisce con pressione di 4 bar in maniera continuativa e quindi assicurano un costante smaltimento di calore nei punti più sensibili al surriscaldamento del piatto-fiamma.