5. MOTORI DIESEL
Il ciclo Diesel è un ciclo termodinamico per motori a combustione interna dove, a differenza del ciclo otto l'accensione del carburante non avviene attraverso una candela bensì attraverso un procedimento di compressione, in modo da provocarne l’autoaccensione e dare origine ad una combustione più lenta e graduale.
5.1 – Motore diesel due tempi
È un motore che oggi viene impiegato quasi esclusivamente per la propulsione delle navi. Il suo ciclo (aspirazione-compressione-espansione-scarico) viene svolto in 360°, cioè un giro di albero motore. La caratteristica principale di un due tempi a ciclo Diesel è quella di avere una apertura di aspirazione non circolare (detta luce) nelle pareti del cilindro. Questa luce è comandata nell'apertura e nella chiusura dal passaggio del pistone. A causa della luce, questo tipo di motore non può creare il vuoto necessario per la fase di aspirazione, quindi al motore viene abbinata una pompa ad aria che immette nel cilindro la quantità d'aria sufficiente. L'aria viene anche impiegata per il lavaggio del cilindro, e così la luce di aspirazione prende anche il nome di "luce di lavaggio". Il ciclo 2 tempi Diesel viene detto anche ciclo Sabathé.
5.2 – Motore diesel quattro tempi
A differenza dei motori a ciclo Otto alimentati a benzina, dove la trasformazione avviene a volume costante, nel Diesel avviene a pressione costante. Il suo ciclo viene svolto in 720° cioè in due giri di albero motore. Non esistono luci ma un sistema di distribuzione costituita solitamente dal bicchierino, dall'asta, dal bilanciere e dal suo albero. L'albero a camme mediante, appunto, camme, spinge verso l'alto il bicchierino nel cui interno è appoggiata l'asta di punteria; il bilanciere riceve così la spinta
necessaria a premere dalla parte opposta la valvola che così facendo riesce ad aprirsi. Quando l'albero a camme inizia un nuovo giro, la valvola si chiude mediante una molla di richiamo. Esistono quindi valvole d'aspirazione e valvole di scarico. Vi sono tante camme quante valvole: normalmente le camme esistenti sono una per ogni valvola, ma nei motori reversibili (motori che possono essere avviati in senso contrario) ci sono due camme per ogni valvola: una camma di marcia avanti e una camma di marcia indietro. L’albero a camme serve quindi a comandare le valvole. Situato quasi sempre all'interno del basamento, in certi motori lo si trova anche in testa. Se l'albero è interno gli si ricava un eccentrico per la pompa AC (alimentazione - carburante) e un ingranaggio a denti obliqui per la pompa dell'olio e per lo spinterogeno (quest'ultimo solo nei motori a benzina). Se l'albero a camme è in testa allora esiste un mezzo albero con l'eccentrico e l'ingranaggio a denti obliqui. Si noti che il limite di giri di un motore a benzina (4 tempi) è determinato dal tempo di chiusura della valvola (molla). Il limite di giri di un motore Diesel (4 tempi) è determinato dal tempo necessario per la combustione.
5.3 – Scelta del motore
Il motore utilizzato per effettuare le prove sperimentali, vedi fig.5.3.1, è a basso contenuto tecnologico, in modo da minimizzare le variazioni di condizione al contorno nelle quali sviluppare test; quindi motori stazionari sono risultati idonei per i nostri scopi.
Attualmente le motorizzazioni più richieste sono quelle con cilindrata che tipicamente variano tra i 1900 e i 2200m cm3 con frazionamenti comunemente a quattro cilindri. Quanto detto ha portato l’utilizzo di una cilindrata unitaria ideale di 500 cm3 .
Al fine di limitare le potenze in gioco, gli ingombri e i pesi, ci si è orientati per un frazionamento monocilindrico che oltretutto è il più diffuso nei motori stazionari di piccola cilindrata.
Fig. 5.3.1
Il motore scelto è un Lombardini [i] serie LD (ex Ruggerini ora integrato nelle linee di produzione a marchio Lombardini), monocilindrico a ciclo diesel di 500 cm3 appunto, siglato 15- LD 500.
Il grafico che segue (Fig. 5.3.1), fornito dalla casa costruttrice, riporta le varie curve di potenza, coppia e consumo specifico.
Fig. 5.3.2
Fig. 5.3.3
5.4– Scelta dell’olio
Per quanto riguarda la scelta dell’olio vegetale da usare nei nostri test, siamo partiti non tanto da analisi e valutazioni delle proprietà chimico-fisiche dei vari oli vegetali possibili e disponibili, ma da una ricerca sul campo.
Ci siamo interessati di quali fossero gli oli vegetali più diffusi e commercializzati, ritenendo che il nostro primario criterio di scelta ricadesse sulla disponibilità e la convenienza economica del prodotto. Infatti la maggior presenza sul territorio di un dato prodotto a svantaggio di un altro si traduce anch’essa in convenienza economica.
L’uso di olio vegetale puro non trattato, non esterificato (non trasformato in Biodiesel) per alimentare i motori delle autovetture diesel, porta a scontrarsi con la possibilità di
rendere disponibili enormi quantitativi di quell’olio in tempi brevi in modo da venire incontro alle richieste che ne nascerebbero.
Ci limiteremo quindi esclusivamente a considerare l’attuale situazione di mercato senza analizzare la sostenibilità di uno stravolgimento di mercato di quell’olio per uso alimentare.
Ci si rende facilmente conto che per rendere più semplice e meno traumatico il passaggio a questo tipo di combustibile alternativo da parte della normale utenza ed estendere l’uso di oli vegetali a tutta l’autotrazione civile, bisogna optare per l’utilizzo di questo olio insieme al normale diesel disponibile sul mercato, in miscele con percentuali di olio vegetale tutto sommato basse e che comunque non superino il 30%. Questo porterebbe immediatamente a due vantaggi:
1. Le considerazioni economiche del macrosistema trasporti avrebbe un impatto minore
2. I motori attuali a ciclo diesel riuscirebbero meglio a digerire il passaggio a questo tipo di alimentazione, costringendo le case motoristiche ad una ricerca più mirata in questa direzione.
Negli ultimi anni gli oli più diffusi sugli scaffali dei supermercati sono classificati in tre categorie:
• Olio di semi di girasole • Olio di mais
La proprietà chimico-fisica che dobbiamo tenere maggiormente in considerazione per un fluido da utilizzare come carburante in un normale motore per autotrazione è la viscosità. Un’ appropriata viscosità del fluido assicura l’efficienza e l’operatività dell’impianto di iniezione. Un elevato valore crea notevoli problemi al motore: infatti è necessario aumentare la portata e la pressione massima degli iniettori per impedire un peggioramento dell’atomizzazione.
Tramite uno strumento atto alla rilevazione della viscosità in funzione della temperatura abbiamo fatto eseguire test per avere dati certi su cui lavorare. In fig. 5.4.1, sono riportati i risultati ottenuti.
Dal grafico (fig. 5.4.1) si evince che c’è una marcata discrepanza tra i dati dei tre oli e quelli del diesel, soprattutto a temperatura ambiente, dove i dati numerici delle viscosità degli oli vegetali sono cinque volte più grandi di quelli del diesel. Al salire della temperatura si vede un netto miglioramento, con i dati che si attestano all’incirca intorno al doppio del valore della viscosità del diesel misurato a temperatura ambiente. Avendo deciso di limitare la nostra indagine allo studio del comportamento di miscele di olio vegetale con diesel tradizionale nell’alimentazione di un motore ad accensione per compressione, si può decidere di optare per l’olio di girasole. Quest’ultimo all’aumentare della temperatura possiede la migliore tendenza a diminuire la propria viscosità e ciò porta a limitare gli effetti d’innalzamento della viscosità finale del carburante.
L’accorgimento fondamentale da seguire sarà quello di preriscaldare questa miscela per tornare a valori assoluti di viscosità simili quelli del diesel tradizionale a temperatura ambiente che sono poi i valori di progetto usati per il sistema d’iniezione del motore.
Si tratterà poi, in fase sperimentale, di effettuare prove a diversa temperatura di preriscaldamento in modo da evidenziare le tendenze di consumo e di rendimento del motore.
Fig. 5.4.1
Le nostre prove sono ricadute sull’utilizzo dell’olio di girasole da aggiungere al diesel tradizionale in varie percentuali e preriscaldandolo a varie temperature.
Le caratteristiche chimico-fisiche dell’olio influiscono sul suo comportamento come combustibile nei motori endotermici.
In tabella 5.1 vengono riportate le principali caratteristiche chimico-fisiche dell’olio di girasole e del gasolio, in modo da poter fare un confronto diretto delle loro proprietà.
PROPRIETA’ OLIO GIRASOLE GASOLIO
Massa volumica a 20°C (Kg/dm^3) 0.915 0.82 Viscosità a 38°C 37.1 2.7 PCI (Mj/dm^3) 32.9 35.8 Numero di cetano 37 47 Flash Point 274 60 Punto di solidificazione (°C) -18 Numero di iodio 110-143 Tab. 5.1
