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Motore diesel come funziona

Motore diesel

Tipo di motore a combustione interna

Per la locomotiva, vedere Locomotiva diesel. Per il motore di gioco, vedi Diesel (motore di gioco).

Il motore diesel , che prende il nome dall'ingegnere tedesco Rudolf Diesel, è un motore a combustione interna in cui l'accensione del carburante è causata dall'elevata temperatura dell'aria nel cilindro dovuta alla compressione meccanica; quindi, il motore diesel è chiamato motore ad accensione spontanea (motore CI). Ciò contrasta con i motori che utilizzano l'accensione a candela della miscela aria-carburante, come un motore a benzina (motore a benzina) o un motore a gas (che utilizza un carburante gassoso come il gas naturale o il gas di petrolio liquefatto).

Introduzione

I motori diesel funzionano comprimendo solo l'aria o l'aria combinata con i gas di combustione residui dello scarico (noto come ricircolo dei gas di scarico, "EGR"). L'aria viene indotta in la camera durante la corsa di aspirazione e compressa durante la corsa di compressione. Ciò aumenta la temperatura dell'aria all'interno del cilindro in modo che il gasolio atomizzato iniettato nella camera di combustione si accenda. Con il carburante che viene iniettato nell'aria appena prima della combustione, la dispersione del carburante è irregolare; Questa è chiamata miscela aria-carburante eterogenea. La coppia prodotta da un motore diesel è controllata manipolando il rapporto aria-carburante (λ); Invece di strozzare l'aria aspirata, il motore diesel si basa sull'alterazione della quantità di carburante iniettata, e quindi il rapporto aria-carburante è solitamente elevato.

Il motore diesel ha la più alta efficienza termica (vedi efficienza del motore) di qualsiasi motore a combustione interna o esterna grazie al suo rapporto di espansione molto elevato e alla combustione intrinsecamente magra, che consente la dissipazione del calore da parte dell'aria in eccesso. Si evita anche una piccola perdita di efficienza rispetto alla benzina non a iniezione diretta motore, in quanto il carburante incombusto non è presente durante la sovrapposizione delle valvole, e quindi nessun carburante passa direttamente dall'aspirazione/iniezione allo scarico. I motori diesel a bassa velocità (come quelli utilizzati nelle navi e in altre applicazioni in cui il peso complessivo del motore è relativamente irrilevante) possono raggiungere efficienze effettive fino al 55%. [1] La turbina a gas a ciclo combinato (ciclo Brayton e Rankine) è un motore a combustione più efficiente di un motore diesel, ma a causa della sua massa e delle sue dimensioni, non è adatto a molti veicoli, comprese le moto d'acqua e alcuni aerei. I motori diesel più grandi del mondo messi in servizio sono motori diesel marini a 14 cilindri a due tempi; producono una potenza di picco di quasi 100 MW ciascuno. [2]

I motori diesel possono essere progettati con cicli di combustione a due o quattro tempi. Originariamente erano usati come sostituti più efficienti per i motori a vapore stazionari. Dagli anni 1910, Sono stati utilizzati in sottomarini e navi. L'uso in locomotive, autobus, camion, attrezzature pesanti, attrezzature agricole e impianti di generazione di elettricità è seguito in seguito. Negli anni '30, iniziarono lentamente ad essere utilizzati in alcune automobili. Dalla crisi energetica degli anni '70, la domanda di una maggiore efficienza del carburante ha portato la maggior parte delle principali case automobilistiche, a un certo punto, a offrire modelli diesel, anche in auto molto piccole. [3] [4] Secondo Konrad Reif (2012), la media UE per le auto diesel all'epoca rappresentava la metà delle nuove immatricolazioni. [5] Tuttavia, l'inquinamento atmosferico e le emissioni complessive sono più difficili da controllare nei motori diesel rispetto ai motori a benzina e l'uso di motori diesel negli Stati Uniti è ora in gran parte relegato ai veicoli stradali e fuoristrada più grandi. [6] [7]

Sebbene l'aviazione abbia tradizionalmente evitato di utilizzare Motori diesel, i motori diesel degli aerei sono diventati sempre più disponibili nel 21° secolo. Dalla fine degli anni '90, per vari motivi, tra cui i vantaggi intrinseci del diesel rispetto ai motori a benzina, ma anche per problemi recenti peculiari dell'aviazione, lo sviluppo e la produzione di motori diesel per aeromobili è aumentato, con oltre 5.000 motori di questo tipo consegnati in tutto il mondo tra il 2002 e il 2018, in particolare per aerei leggeri e veicoli aerei senza pilota. [9]

Nel

1878 Rudolf Diesel, studente del "Polytechnikum" di Monaco di Baviera, assistette alle lezioni di Carl von Linde. Linde ha spiegato che i motori a vapore sono in grado di convertire solo il 6-10% dell'energia termica in lavoro, ma che il ciclo di Carnot consente la conversione di molta più energia termica in lavoro per mezzo del cambiamento isotermico in condizione. Secondo Diesel, questo ha acceso l'idea di creare un motore altamente efficiente che potesse funzionare sul ciclo di Carnot. [14] Il diesel è stato anche introdotto in un pistone antincendio, un innesco antincendio tradizionale che utilizza i principi di compressione adiabatica rapida che Linde aveva acquisito dal sud-est asiatico. [15] Dopo diversi anni di lavoro sulle sue idee, Diesel le pubblicò nel 1893 nel saggio Teoria e costruzione di un motore termico razionale . [14]

Diesel è stato pesantemente criticato per il suo saggio, ma solo pochi hanno trovato l'errore che ha commesso; [16] Il suo motore termico razionale avrebbe dovuto utilizzare un ciclo di temperatura costante (con compressione isotermica) che avrebbe richiesto un livello di compressione molto più elevato di quello necessario per l'accensione per compressione. L'idea di Diesel era quella di comprimere l'aria così strettamente che la temperatura dell'aria avrebbe superato quello della combustione. Tuttavia, un motore del genere non potrebbe mai svolgere alcun lavoro utilizzabile. [17] [18] [19] Nel suo brevetto statunitense del 1892 (concesso nel 1895) #542846, Diesel descrive la compressione richiesta per il suo ciclo:

l'aria atmosferica pura viene compressa, secondo la curva 1 2, in misura tale che, prima che avvenga l'accensione o la combustione, si ottiene la pressione più alta del diagramma e la temperatura più alta, vale a dire, la temperatura alla quale deve avvenire la combustione successiva, non il punto di combustione o di accensione. Per chiarire questo concetto, si supponga che la successiva combustione avvenga a una temperatura di 700°. In tal caso la pressione iniziale deve essere di sessantaquattro atmosfere, oppure per 800° centigradi la pressione deve essere di novanta atmosfere, e così via. Nell'aria così compressa viene poi gradualmente introdotta dall'esterno finemente combustibile diviso, che si accende all'introduzione, poiché l'aria si trova ad una temperatura molto superiore al punto di accensione del combustibile. I tratti caratteristici del ciclo, secondo la mia presente invenzione, sono quindi l'aumento della pressione e della temperatura fino al massimo, non per combustione, ma prima della combustione per compressione meccanica dell'aria, e quindi per la successiva esecuzione del lavoro senza aumento di pressione e temperatura per combustione graduale durante una parte prescritta della corsa determinata dall'olio tagliato. [20]

Nel giugno 1893, Diesel si rese conto che il suo ciclo originale non avrebbe funzionato e adottò il ciclo a pressione costante. [21] Diesel descrive il ciclo nella sua domanda di brevetto del 1895. Si noti che non si fa più menzione di temperature di compressione superiori alla temperatura di combustione. Ora si afferma semplicemente che la compressione deve essere sufficiente per innescare accensione.

1. in un motore a combustione interna, la combinazione di un cilindro e di un pistone costruiti e disposti in modo da produrre aria in misura tale da produrre una temperatura superiore al punto di accensione del carburante, un'alimentazione di aria compressa o di gas; un rifornimento di carburante; una valvola di distribuzione del carburante, un passaggio dall'alimentazione dell'aria al cilindro in comunicazione con la valvola di distribuzione del carburante, un ingresso al cilindro in comunicazione con l'alimentazione dell'aria e con la valvola del carburante, e un olio tagliato, sostanzialmente come descritto. [22] [23] [24]

Nel 1892, Diesel ricevette brevetti in Germania, Svizzera, Regno Unito e Stati Uniti per "Metodo e apparato per convertire il calore in lavoro". [25] Nel 1894 e nel 1895, depositò brevetti e addenda in vari paesi per il suo motore; i primi brevetti furono rilasciati in Spagna (n. 16.654), [26] Francia (n. 243.531) e Belgio (n. 113.139) nel dicembre 1894, e in Germania (n. 86.633) nel 1895 e negli Stati Uniti (n. 608.845) nel 1898. [27]

Diesel è stato attaccato e criticato per diversi anni. I critici hanno affermato che Diesel non ha mai inventato un nuovo motore e che l'invenzione del motore diesel è una frode. Otto Köhler ed Emil Capitaine sono stati due dei critici più importanti dell'epoca di Diesel. [28] Köhler aveva pubblicato un saggio nel 1887, in cui descrive un motore simile a quello descritto da Diesel nel suo saggio del 1893. Köhler immaginò che un tale motore non potesse eseguire alcun lavoro. [19] [29] Emil Capitaine aveva costruito un motore a petrolio con accensione a tubo incandescente nei primi anni 1890; [30] Sosteneva contro il suo stesso giudizio che il suo il motore di accensione a tubo incandescente funzionava allo stesso modo del motore Diesel. Le sue affermazioni erano infondate e perse una causa per brevetto contro Diesel. [31] Anche altri motori, come il motore Akroyd e il motore Brayton, utilizzano un ciclo operativo diverso dal ciclo del motore diesel. [29] [32] Friedrich Sass dice che il motore diesel è "opera propria" del diesel e che qualsiasi "mito del diesel" è "falsificazione della storia". [33]

Il primo motore diesel

Diesel cercò aziende e fabbriche che avrebbero costruito il suo motore. Con l'aiuto di Moritz Schröter e Max Gutermuth, riuscì a convincere sia la Krupp di Essen che la Maschinenfabrik di Augusta. [35] I contratti furono firmati nell'aprile 1893 e all'inizio dell'estate del 1893 il primo prototipo di motore diesel è stato costruito ad Augusta. Il 10 agosto 1893 avvenne la prima accensione, il carburante utilizzato era la benzina. Nell'inverno 1893/1894, Diesel ridisegnò il motore esistente e il 18 gennaio 1894 i suoi meccanici lo avevano convertito nel secondo prototipo. [37] Nel gennaio di quell'anno, un sistema di iniezione ad aria compressa fu aggiunto alla testata del motore e testato. [38] Friedrich Sass sostiene che si può presumere che Diesel abbia copiato il concetto di iniezione ad aria compressa da George B. Brayton, anche se Diesel ha sostanzialmente migliorato il sistema. [39] Il 17 febbraio 1894, il motore ridisegnato fece 88 giri, un minuto; [10] con questa notizia, le azioni della Maschinenfabrik Augsburg sono aumentate del 30%, indicativo dell'enorme domanda prevista per un motore più efficiente. [40] Il 26 giugno 1895, il motore raggiunse un efficienza del 16,6% e aveva un consumo di carburante di 519 g·kW −1 ·h −1 . [41] Tuttavia, nonostante la dimostrazione del concetto, il motore causò problemi, e il Diesel non riuscì a ottenere alcun progresso sostanziale. [43] Pertanto, Krupp ha preso in considerazione la possibilità di rescindere il contratto stipulato con Diesel. [44] Diesel fu costretto a migliorare il design del suo motore e si affrettò a costruire un terzo prototipo di motore. Tra l'8 novembre e il 20 dicembre 1895, il secondo prototipo aveva percorso con successo oltre 111 ore al banco di prova. Nel rapporto del gennaio 1896, questo fu considerato un successo. [45]

Nel febbraio 1896, Diesel prese in considerazione la sovralimentazione del terzo prototipo. [46] Imanuel Lauster, incaricato di disegnare il terzo prototipo "Motore 250/400", aveva terminato i disegni entro il 30 aprile 1896. Durante l'estate in quell'anno fu costruito il motore, fu completato il 6 ottobre 1896. [47] I test furono condotti fino all'inizio del 1897. [48] I primi test pubblici iniziarono il 1º febbraio 1897. [49] Il test di Moritz Schröter del 17 febbraio 1897 fu il test principale del motore Diesel. Il motore era da 13,1 kW con un consumo specifico di carburante di 324 g·kW -1 ·h -1 , [50] con un'efficienza effettiva del 26,2%. Nel 1898, Diesel era diventato milionario. [53]

Timeline

1890s

  • 1893: appare il saggio di Rudolf Diesel intitolato Teoria e costruzione di un motore termico razionale. [54] [55]
  • 1893: 21 febbraio, Diesel e la Maschinenfabrik Augsburg firmano un contratto che consente a Diesel di Costruisci un prototipo di motore. [56]
  • 1893: 23 febbraio, Diesel ottiene un brevetto (RP 67207) intitolato " Arbeitsverfahren und Ausführungsart für Verbrennungsmaschinen " (Metodi e tecniche di lavoro per motori a combustione interna).
  • 1893: 10 aprile, Diesel e Krupp firmano un contratto che consente a Diesel di costruire un prototipo di motore. [56]
  • 1893: 24 aprile, sia Krupp che la Maschinenfabrik Augsburg decidono di collaborare e costruire un solo prototipo ad Augusta. [56] [36]
  • 1893: luglio, il primo prototipo viene completato. [57]
  • 1893: 10 agosto, il diesel inietta carburante (benzina) per la prima volta, provocando la combustione, distruggendo l'indicatore. [58]
  • 1893: 30 novembre, il diesel richiede un brevetto (RP 82168) per un processo di combustione modificato. Lo ottiene il 12 luglio 1895. [59] [60] [61]
  • 1894: 18 gennaio, dopo che il primo prototipo è stato modificato per diventare il secondo prototipo, iniziano i test con il secondo prototipo. [37]
  • 1894: 17 febbraio, il secondo prototipo viene eseguito per la prima volta. [10]
  • 1895: 30 marzo, Diesel richiede un brevetto (RP 86633) per un processo di avviamento con aria compressa. [62]
  • 1895: 26 giugno, il secondo prototipo supera per la prima volta i test dei freni. [41]
  • 1895: Diesel richiede un secondo brevetto US Patent # 608845 [63]
  • 1895: 8 novembre - 20 dicembre, viene condotta una serie di test con il secondo prototipo. In totale, sono state registrate 111 ore di funzionamento. [45]
  • 1896: 30 aprile, Imanuel Lauster completa il terzo e ultimo prototipo Disegni. [47]
  • 1896: 6 ottobre, viene completato il terzo e ultimo prototipo di motore. [11]
  • 1897: 1 febbraio, il prototipo del motore diesel è in funzione ed è finalmente pronto per i test di efficienza e la produzione. [49]
  • 1897: 9 ottobre, Adolphus Busch concede in licenza i diritti del motore diesel per gli Stati Uniti e il Canada. [53] [64]
  • 1897: 29 ottobre, Rudolf Diesel ottiene un brevetto (DRP 95680) sulla sovralimentazione del motore diesel. [46]
  • 1898: 1 febbraio, viene registrata la Diesel Motoren-Fabrik Actien-Gesellschaft. [65]
  • 1898: marzo, il primo motore diesel commerciale, da 2×30 CV (2×22 kW), viene installato nello stabilimento di Kempten della Vereinigte Zündholzfabriken A.G. [66] [67]
  • 1898: 17 settembre, il Allgemeine Gesellschaft für Dieselmotoren A.-G. è fondata. [68]
  • 1899: Viene costruito il primo motore diesel a due tempi, inventato da Hugo Güldner. [52]

1900

1910

1920 1923

  • : Alla mostra Königsberg DLG, viene presentato il primo trattore agricolo con motore diesel, il prototipo Benz-Sendling S6. [94] [ Necessaria una fonte migliore ]
  • 1923: 15 dicembre, il primo camion con motore diesel a iniezione diretta viene testato da MAN. Lo stesso anno, Benz costruisce un camion con un motore diesel a iniezione nella precamera di combustione. [95]
  • 1923: Appare il primo motore diesel a due tempi con lavaggio in controcorrente. [96]
  • 1924: Fairbanks-Morse introduce il Y-VA a due tempi (in seguito rinominata Modello 32). [97]
  • 1925: Sendling inizia la produzione in serie di un trattore agricolo diesel. [98]
  • 1927: Bosch introduce la prima pompa di iniezione in linea per motori diesel di autoveicoli. [99]
  • 1929: Appare la prima autovettura con motore diesel. Il suo motore è un motore Otto modificato per utilizzare il principio diesel e la pompa di iniezione di Bosch. Seguono diversi altri prototipi di auto diesel. [100]

Anni '30

  • 1933: la Junkers Motorenwerke in Germania inizia la produzione del motore diesel per l'aviazione di maggior successo di tutti i tempi, lo Jumo 205. Allo scoppio della seconda guerra mondiale, ne vengono prodotti oltre 900 esemplari. La sua potenza nominale al decollo è di 645 kW. [101]
  • 1933: General Motors utilizza il suo nuovo due tempi a iniezione di unità soffiato dalle radici Il motore diesel Winton 201A alimenterà la sua esposizione di assemblaggio automobilistico alla Fiera Mondiale di Chicago ( A Century of Progress ). [102] Il motore è offerto in diverse versioni che vanno da 600 a 900 CV (447-671 kW). [103]
  • 1934: La Budd Company costruisce il primo treno passeggeri diesel-elettrico negli Stati Uniti, il Pioneer Zephyr 9900 , utilizzando un motore Winton. [102]
  • 1935: La Citroën Rosalie è equipaggiata con un primo motore diesel a iniezione a camera di turbolenza a scopo di test. [104] Daimler-Benz inizia la produzione del Mercedes-Benz OM 138, il primo motore diesel prodotto in serie per autovetture e uno dei pochi motori diesel per autovetture commercializzabili dell'epoca. La potenza nominale è di 45 CV (33 kW). [105]
  • 1936: il 4 marzo decolla il dirigibile LZ 129 Hindenburg, il più grande aereo mai realizzato per la prima volta. È alimentato da quattro motori diesel V16 Daimler-Benz LOF 6, da 1.200 CV (883 kW) ciascuno. [106]
  • 1936: Inizia la produzione della prima autovettura prodotta in serie con motore diesel (Mercedes-Benz 260 D). [100]
  • 1937: Konstantin Fëdorovič Chelpan sviluppa il motore diesel V-2, successivamente utilizzato nei carri armati sovietici T-34, ampiamente considerato come il miglior telaio per carri armati della seconda guerra mondiale. [107]
  • 1938: La General Motors fonda la GM Diesel Division, in seguito diventata Detroit Diesel, e introduce il motore a due tempi ad alta velocità a media potenza della Serie 71, adatto per veicoli stradali e per uso marino. [108]

1940

  • 1946: Clessie Cummins ottiene un brevetto su un apparato di alimentazione e iniezione del carburante per motori a gasolio che incorpora componenti separati per generando la pressione di iniezione e la fasatura dell'iniezione. [109]
  • 1946: Klöckner-Humboldt-Deutz (KHD) introduce sul mercato un motore diesel raffreddato ad aria per la produzione di massa. [110]

1950

  • 1950: KHD diventa il leader mondiale del mercato dei motori diesel raffreddati ad aria. [111]
  • 1951: J. Siegfried Meurer ottiene un brevetto sul sistema M , un design che incorpora una camera di combustione a sfera centrale nel pistone (DBP 865683). [112]
  • 1953: Primo motore diesel per autovetture a iniezione a camera di turbolenza prodotto in serie (Borgward/Fiat).
  • 1954: Daimler-Benz introduce il Mercedes-Benz OM 312 A, un motore diesel industriale di serie 6 cilindri in linea da 4,6 litri con turbocompressore, da 115 CV (85 kW). Si rivela inaffidabile. [113]
  • 1954: Volvo produce una piccola serie di 200 unità di una versione turbo del motore TD 96. Questo motore da 9,6 litri ha una potenza nominale di 136 kW (185 CV). [114]
  • 1955: Il turbocompressore per i motori diesel marini a due tempi MAN diventa di serie. [96]
  • 1959: La Peugeot 403 diventa la prima berlina/berlina passeggeri prodotta in serie al di fuori della Germania Ovest ad essere offerta con un'opzione di motore diesel. [115]
Anni

'60

Anni '70

  • Anni 1972: KHD introduce il sistema AD, Allstoff-Direkteinspritzung , (anyfuel direct-injection), per i suoi motori diesel. I diesel a corrente alternata possono funzionare praticamente con qualsiasi tipo di combustibile liquido, ma sono dotati di una candela ausiliaria che si accende se la qualità di accensione del carburante è troppo bassa. [119]
  • 1976 - Lo sviluppo dell'iniezione common rail inizia presso l'ETH di Zurigo. [120]
  • 1976: La Volkswagen Golf diventa la prima berlina/berlina passeggeri compatta ad essere offerta con un'opzione di motore diesel. [121] [122]
  • 1978: Daimler-Benz produce il primo motore diesel per autovetture con turbocompressore (motore Mercedes-Benz OM617). [123]
  • 1979: Primo prototipo di un motore a croce a due tempi a bassa velocità con iniezione common rail. [124]

Anni '80

  • 1981/82: Lo scavenging Uniflow per motori diesel marini a due tempi diventa standard. [125]
  • 1982: Agosto, Toyota introduce sul mercato giapponese un'unità di controllo motore (ECU) controllata da microprocessore per motori diesel. [126]
  • 1985: dicembre, test su strada di un'iniezione common rail per autocarri che utilizzano un motore 6VD 12,5/12 GRF-E modificato in un IFA W50. [127]
  • 1987: Daimler-Benz introduce la pompa di iniezione a controllo elettronico per motori diesel per autocarri. [81]
  • 1988: La Fiat Croma diventa la prima autovettura prodotta in serie al mondo ad avere un motore diesel a iniezione diretta. [81]
  • 1989: L'Audi 100 è la prima autovettura al mondo con motore diesel turbocompresso, intercooler, a iniezione diretta e a controllo elettronico. [81] Ha un BMEP di 1,35 MPa e un BSFC di 198 g/(kW·h). [128]

1990

  • 1992: 1 luglio, entra in vigore la norma sulle emissioni Euro 1. [129]
  • 1993: Primo motore diesel per autovetture con quattro valvole per cilindro, il Mercedes-Benz OM 604. [123]
  • 1994: Sistema di iniezione unitaria di Bosch per motori diesel di autocarri. [130]
  • 1996: Primo motore diesel con iniezione diretta e quattro valvole per cilindro, utilizzato nella Opel Vectra. [131] [81]
  • 1996: Prima pompa di iniezione del distributore a pistoni radiali di Bosch. [130]
  • 1997: Primo motore diesel common rail prodotto in serie per un'autovettura, il Fiat 1.9 JTD. [81] [123]
  • 1998: BMW vince la 24 Ore del Nürburgring con una BMW E36 modificata. La vettura, denominata 320d, è alimentata da un motore diesel a quattro cilindri in linea da 2 litri con iniezione diretta e pompa di iniezione del distributore a comando elicoidale (Bosch VP 44), che eroga 180 kW (240 CV). Il consumo di carburante è di 23 l/100 km, solo la metà del consumo di carburante di un'auto simile con motore Otto. [132]
  • 1998: Volkswagen introduce il motore VW EA188 Pumpe-Düse (1.9 TDI), con iniettori unitari a controllo elettronico sviluppati da Bosch. [123]
  • 1999: Daimler-Chrysler presenta il primo motore diesel a tre cilindri common rail utilizzato in un'autovettura (la Smart City Coupé). [81]

Anni

2000
  • 2000: Peugeot introduce il filtro antiparticolato diesel per autovetture. [81] [123]
  • 2002: Tecnologia degli iniettori piezoelettrici di Siemens. [133]
  • 2003: Tecnologia degli iniettori piezoelettrici di Bosch, [134] e Delphi. [135]
  • 2004: BMW introduce il turbocompressore a doppio stadio con il motore BMW M57. [123]
  • 2006: Il motore diesel più potente del mondo, il Wärtsilä-Sulzer RTA96-C, è Prodotto. La potenza nominale è di 80.080 kW. [136]
  • 2006: L'Audi R10 TDI, equipaggiata con un motore V12-TDI da 5,5 litri, con una potenza di 476 kW (638 CV), vince la 24 Ore di Le Mans 2006. [81]
  • 2006: Daimler-Chrysler lancia il primo motore per autovetture di serie con trattamento di riduzione catalitica selettiva dei gas di scarico, il Mercedes-Benz OM 642. È pienamente conforme allo standard sulle emissioni Tier2Bin8. [123]
  • 2008: Volkswagen introduce il catalizzatore LNT per motori diesel di autovetture con motore VW 2.0 TDI. [123]
  • 2008: Volkswagen avvia la produzione in serie del più grande motore diesel per autovetture, l'Audi V12 TDI da 6 litri. [123]
  • 2008: Subaru introduce il primo motore diesel contrapposto orizzontalmente da montare su un'autovettura. Si tratta di un motore common rail da 2 litri, 110 kW. [137]

Anni 2010

Principio di funzionamento

Panoramica

Le caratteristiche di un motore diesel sono [143]

  • Utilizzo dell'accensione spontanea, invece di un apparecchio di accensione come una candela.
    • Formazione
  • interna della miscela. Nei motori diesel, la miscela di aria e carburante si forma solo all'interno della camera di combustione.
  • Controllo della coppia di qualità. La quantità di coppia prodotta da un motore diesel non è controllata strozzando l'aria aspirata (a differenza di un tradizionale motore a benzina con accensione comandata, in cui il flusso d'aria viene ridotto per regolare la coppia erogata), ma il volume d'aria che entra nel motore è massimizzato in ogni momento e la coppia erogata è regolata esclusivamente controllando la quantità di carburante iniettato.
  • Elevato rapporto aria-carburante. I motori diesel funzionano in modo significativo ai rapporti aria-carburante globali più snello del rapporto stechiometrico.
  • Fiamma di diffusione: Alla combustione, l'ossigeno deve prima diffondersi nella fiamma, piuttosto che avere ossigeno e carburante già miscelati prima della combustione, il che si tradurrebbe in una fiamma premiscelata.
  • Miscela aria-carburante eterogenea: Nei motori diesel, non c'è una dispersione uniforme di carburante e aria all'interno del cilindro. Questo perché il processo di combustione inizia alla fine della fase di iniezione, prima che si possa formare una miscela omogenea di aria e carburante.
  • Preferenza per il carburante con un'elevata prestazione di accensione (numero di cetano), piuttosto che un'elevata resistenza al battito (numero di ottano) che è preferita per i motori a benzina.
Ciclo

termodinamico

Vedi anche: Ciclo diesel e Motore a combustione interna alternativo

Il motore a combustione interna diesel si differenzia dal ciclo Otto a benzina per l'utilizzo di aria calda altamente compressa per accendere il carburante piuttosto che utilizzare una candela (accensione per compressione piuttosto che accensione a scintilla ).

Nel motore diesel, inizialmente nella camera di combustione viene immessa solo aria. L'aria viene quindi compressa con un rapporto di compressione tipicamente compreso tra 15:1 e 23:1. Questa elevata compressione provoca l'aumento della temperatura dell'aria. All'incirca all'inizio della corsa di compressione, il carburante viene iniettato direttamente nell'aria compressa nella camera di combustione. Questo può essere in un vuoto (tipicamente toroidale) nella parte superiore del pistone o in una precamera a seconda del design del motore. L'iniettore di carburante assicura che il carburante venga scomposto in piccole goccioline e che il carburante sia distribuito uniformemente. Il calore dell'aria compressa vaporizza il carburante dalla superficie delle goccioline. Il vapore viene poi acceso dal calore dell'aria compressa nella camera di combustione, le goccioline Continuano a vaporizzare dalle loro superfici e bruciano, diventando più piccoli, fino a quando tutto il carburante nelle goccioline è stato bruciato. La combustione avviene ad una pressione sostanzialmente costante durante la parte iniziale della corsa di potenza. L'inizio della vaporizzazione provoca un ritardo prima dell'accensione e il caratteristico rumore di battito del diesel quando il vapore raggiunge la temperatura di accensione e provoca un brusco aumento della pressione sopra il pistone (non indicato nel diagramma dell'indicatore P-V). Quando la combustione è completa, i gas di combustione si espandono man mano che il pistone scende ulteriormente; L'alta pressione nel cilindro spinge il pistone verso il basso, fornendo potenza all'albero motore.

Oltre all'elevato livello di compressione che consente la combustione senza un sistema di accensione separato, un elevato rapporto di compressione aumenta notevolmente l'efficienza del motore. Aumento del rapporto di compressione in un motore ad accensione comandata in cui carburante e aria vengono miscelati prima dell'ingresso nel cilindro è limitato dalla necessità di prevenire la preaccensione, che causerebbe danni al motore. Poiché in un motore diesel viene compressa solo l'aria e il carburante viene introdotto nel cilindro solo poco prima del punto morto superiore (PMS), la detonazione prematura non è un problema e i rapporti di compressione sono molto più elevati.

Il diagramma pressione-volume (pV) è una rappresentazione semplificata e idealizzata degli eventi coinvolti in un ciclo di un motore diesel, organizzata per illustrare la somiglianza con un ciclo di Carnot. A partire da 1, il pistone si trova al punto morto inferiore ed entrambe le valvole sono chiuse all'inizio della corsa di compressione; Il cilindro contiene aria a pressione atmosferica. Tra 1 e 2 l'aria viene compressa adiabaticamente, cioè senza trasferimento di calore da o verso l'ambiente, dal pistone di risalita. (Questo è vero solo approssimativamente poiché ci sarà uno scambio di calore con le pareti del cilindro.) Durante Questa compressione, il volume si riduce, la pressione e la temperatura aumentano. Al 2 (PMS) o poco prima di 2 (PMS) il carburante viene iniettato e brucia nell'aria calda compressa. L'energia chimica viene rilasciata e ciò costituisce un'iniezione di energia termica (calore) nel gas compresso. La combustione e il riscaldamento avvengono tra le 2 e le 3. In questo intervallo la pressione rimane costante poiché il pistone scende, e il volume aumenta; La temperatura aumenta come conseguenza dell'energia della combustione. A 3 l'iniezione e la combustione del carburante sono complete e il cilindro contiene gas a una temperatura più alta rispetto a 2. Tra 3 e 4 questo gas caldo si espande, di nuovo approssimativamente adiabaticamente. Si lavora sul sistema a cui è collegato il motore. Durante questa fase di espansione il volume del gas aumenta e la sua temperatura e pressione diminuiscono. A 4 la valvola di scarico si apre e la pressione scende bruscamente a quella atmosferica (circa). Questo è espansione senza resistenza e nessun lavoro utile viene svolto da esso. Idealmente l'espansione adiabatica dovrebbe continuare, estendendo la linea di 3-4 verso destra fino a quando la pressione scende a quella dell'aria circostante, ma la perdita di efficienza causata da questa espansione non resistita è giustificata dalle difficoltà pratiche che comporta il suo recupero (il motore dovrebbe essere molto più grande). Dopo l'apertura della valvola di scarico, segue la corsa di scarico, ma questa (e la successiva corsa di induzione) non sono mostrate sul diagramma. Se mostrati, sarebbero rappresentati da un circuito di bassa pressione nella parte inferiore del diagramma. A 1 si presume che le corse di scarico e induzione siano state completate e che il cilindro sia nuovamente riempito d'aria. Il sistema pistone-cilindro assorbe energia tra 1 e 2: questo è il lavoro necessario per comprimere l'aria nel cilindro ed è fornito dall'energia cinetica meccanica immagazzinata nel volano del motore. Il risultato del lavoro è fatto dalla combinazione pistone-cilindro tra 2 e 4. La differenza tra questi due incrementi di lavoro è l'output di lavoro indicato per ciclo, ed è rappresentata dall'area racchiusa dal loop pV. L'espansione adiabatica si trova in un intervallo di pressione più elevato rispetto a quello della compressione perché il gas nel cilindro è più caldo durante l'espansione che durante la compressione. È per questo motivo che il ciclo ha un'area finita e l'output netto di lavoro durante un ciclo è positivo. [144]

Efficienza

L'efficienza del carburante dei motori diesel è migliore rispetto alla maggior parte degli altri tipi di motori a combustione, [145] [146] a causa del loro elevato rapporto di compressione, dell'elevato rapporto di equivalenza aria-carburante (λ), [147] e della mancanza di restrizioni dell'aria aspirata (ad esempio valvole a farfalla). In teoria, la massima efficienza possibile per un motore diesel è del 75%. Tuttavia, in pratica l'efficienza è molto più bassa, con efficienze fino al 43% per i motori delle autovetture, fino al 45% per i motori di autocarri e autobus di grandi dimensioni e fino al 55% per i grandi motori marini a due tempi. [1] [150] L'efficienza media nel ciclo di guida di un veicolo a motore è inferiore all'efficienza massima del motore diesel (ad esempio, un'efficienza media del 37% per un motore con un'efficienza di picco del 44%). [151] Questo perché l'efficienza del carburante di un motore diesel diminuisce a carichi inferiori, tuttavia, non scende così velocemente come quella del motore Otto (accensione a scintilla). [152]

Emissioni

Vedi anche: Scarico diesel

I motori diesel sono motori a combustione e, pertanto, emettono prodotti di combustione nei loro gas di scarico. A causa della combustione incompleta, [153] motore diesel I gas di scarico includono monossido di carbonio, idrocarburi, particolato e ossidi di azoto. Circa il 90% delle sostanze nocive può essere rimosso dai gas di scarico utilizzando la tecnologia di trattamento dei gas di scarico. I motori diesel dei veicoli stradali non hanno emissioni di anidride solforosa, perché il carburante diesel dei veicoli a motore è privo di zolfo dal 2003. [156] Helmut Tschöke sostiene che il particolato emesso dai veicoli a motore ha un impatto negativo sulla salute umana. [157]

Il particolato nelle emissioni di gas di scarico dei motori diesel è talvolta classificato come cancerogeno o "probabile cancerogeno" ed è noto per aumentare il rischio di malattie cardiache e respiratorie. [158]

Impianto elettrico

In linea di principio, un motore diesel non richiede alcun tipo di impianto elettrico. Tuttavia, la maggior parte dei moderni motori diesel sono Dotato di pompa elettrica del carburante e centralina elettronica del motore.

Tuttavia, in un motore diesel non è presente un sistema di accensione elettrica ad alta tensione. Ciò elimina una fonte di emissioni di radiofrequenza (che può interferire con le apparecchiature di navigazione e comunicazione), motivo per cui solo i veicoli diesel sono ammessi in alcune parti della National Radio Quiet Zone americana. [159]

Controllo della coppia

Per controllare la coppia erogata in un dato momento (cioè quando il guidatore di un'auto regola il pedale dell'acceleratore), un regolatore regola la quantità di carburante iniettata nel motore. I regolatori meccanici sono stati utilizzati in passato, tuttavia i regolatori elettronici sono più comuni sui motori moderni. I regolatori meccanici sono solitamente azionati dalla cinghia accessoria del motore o da un sistema di trasmissione a ingranaggi [160] [161] e utilizzano una combinazione di molle e pesi per controllare l'erogazione del carburante in relazione sia al carico che alla velocità. [160] I motori a regolazione elettronica utilizzano un'unità di controllo elettronica (ECU) o un modulo di controllo elettronico (ECM) per controllare l'erogazione del carburante. L'ECM/ECU utilizza vari sensori (come il segnale di velocità del motore, la pressione del collettore di aspirazione e la temperatura del carburante) per determinare la quantità di carburante iniettata nel motore.

A causa della quantità di aria costante (per un dato numero di giri/min) mentre la quantità di carburante varia, vengono utilizzati rapporti aria-carburante molto elevati ("magri") in situazioni in cui è richiesta una coppia minima. Questo differisce da un motore a benzina, in cui viene utilizzata una valvola a farfalla per ridurre anche la quantità di aria aspirata come parte della regolazione della coppia del motore. Il controllo della fasatura dell'inizio dell'iniezione di carburante nel cilindro è simile al controllo della fasatura dell'accensione in un motore a benzina. È quindi un fattore chiave nel controllo della potenza erogata, del carburante emissioni di gas di scarico.

Classificazione

Esistono diversi modi per classificare i motori diesel, come descritto nelle sezioni seguenti.

Günter

Mau classifica i motori diesel in base alle loro velocità di rotazione in tre gruppi: [162]

  • Motori ad alta velocità (> 1.000 giri/min),
  • Motori a media velocità (300-1.000 giri/min) e
  • Motori a bassa velocità (< 300 giri/min).
Motori diesel ad alta velocità
I

motori ad alta velocità sono utilizzati per alimentare camion (camion), autobus, trattori, automobili, yacht, compressori, pompe e piccoli generatori elettrici. A partire dal 2018, la maggior parte dei motori ad alta velocità ha l'iniezione diretta. Molti motori moderni, in particolare nelle applicazioni su strada, sono dotati di iniezione diretta common rail. [164] Sulle navi più grandi, i motori diesel ad alta velocità sono Spesso utilizzato per alimentare generatori elettrici. [165] La potenza massima dei motori diesel ad alta velocità è di circa 5 MW. [166]

Motori
diesel a media velocità

I motori a media velocità sono utilizzati in grandi generatori elettrici, locomotive diesel ferroviarie, propulsione navale e applicazioni di azionamento meccanico come compressori o pompe di grandi dimensioni. I motori diesel a media velocità funzionano con gasolio o olio combustibile pesante mediante iniezione diretta allo stesso modo dei motori a bassa velocità. Solitamente si tratta di motori a quattro tempi con pistoni del tronco; [167] una notevole eccezione sono i motori EMD 567, 645 e 710, che sono tutti a due tempi. [168]

La potenza dei motori diesel a media velocità può arrivare fino a 21.870 kW, con un'efficienza effettiva di circa il 47-48% (1982). La maggior parte dei motori a media velocità più grandi viene avviata con aria compressa direttamente sui pistoni, utilizzando un distributore d'aria, al contrario di un motorino di avviamento pneumatico che agisce sul volano, che tende ad essere utilizzato per i motori più piccoli. [171]

I motori a media velocità destinati ad applicazioni marine sono solitamente utilizzati per alimentare (ro-ro) traghetti, navi passeggeri o piccole navi merci. L'utilizzo di motori a media velocità riduce il costo delle navi più piccole e aumenta la loro capacità di trasporto. Inoltre, una singola nave può utilizzare due motori più piccoli invece di un motore grande, il che aumenta la sicurezza della nave. [167]

Motori
diesel a bassa velocità

I motori diesel a bassa velocità sono generalmente di dimensioni molto grandi e vengono utilizzati principalmente per alimentare le navi. Esistono due diversi tipi di motori a bassa velocità comunemente usati: motori a due tempi con traversa e motori a quattro tempi con tronco a pistone regolare. I motori a due tempi hanno una frequenza di rotazione limitata e il loro scambio di carica è più difficile, il che significa che di solito sono più grandi dei motori a quattro tempi e vengono utilizzati per alimentare direttamente l'elica di una nave.

I motori a quattro tempi sulle navi sono solitamente utilizzati per alimentare un generatore elettrico. Un motore elettrico alimenta l'elica. [162] Entrambi i tipi sono solitamente molto sottosquadrati, il che significa che l'alesaggio è più piccolo della corsa. [172] I motori diesel a bassa velocità (come quelli utilizzati nelle navi e in altre applicazioni in cui il peso complessivo del motore è relativamente irrilevante) hanno spesso un'efficienza effettiva fino al 55%. [1] Come i motori a media velocità, i motori a bassa velocità vengono avviati con aria compressa e utilizzano olio pesante come carburante principale. [171]

Ciclo

di combustione

I motori a quattro tempi utilizzano il ciclo di combustione descritto in precedenza. La maggior parte dei diesel più piccoli, ad esempio per uso veicolare, utilizza tipicamente il ciclo a quattro tempi. Ciò è dovuto a diversi fattori, come la fascia di potenza stretta del design a due tempi, che non è particolarmente adatta per l'uso automobilistico, e la necessità di complicati e costosi sistemi di lubrificazione integrati e misure di lavaggio. [173] L'efficacia in termini di costi (e la percentuale di peso aggiunto) di queste tecnologie ha un impatto minore sui motori più grandi e più costosi, mentre i motori destinati alla spedizione o all'uso stazionario possono funzionare a una singola velocità per lunghi periodi. [173]

I motori a due tempi utilizzano un ciclo di combustione che si completa in due tempi anziché in quattro. Il riempimento del cilindro con aria e la sua compressione avvengono in una sola passata e le corse di potenza e di scarico sono combinate. La compressione in un due tempi Il motore diesel è simile alla compressione che avviene in un motore diesel a quattro tempi: quando il pistone passa attraverso il centro inferiore e inizia verso l'alto, inizia la compressione, che culmina nell'iniezione e nell'accensione del carburante. Invece di un set completo di valvole, i motori diesel a due tempi hanno semplici porte di aspirazione e porte di scarico (o valvole di scarico). Quando il pistone si avvicina al punto morto inferiore, sia la luce di aspirazione che quella di scarico sono "aperte", il che significa che c'è pressione atmosferica all'interno del cilindro. Pertanto, è necessaria una sorta di pompa per soffiare l'aria nel cilindro e i gas di combustione nello scarico. Questo processo è chiamato scavenging . La pressione richiesta è di circa 10-30 kPa. [174]

A causa della mancanza di corse di scarico e aspirazione discrete, tutti i motori diesel a due tempi utilizzano un soffiatore di recupero o una qualche forma di compressore per caricare i cilindri con aria e assistere in pulitura. [174] I compressori di tipo Roots sono stati utilizzati per i motori delle navi fino alla metà degli anni '50, tuttavia dal 1955 sono stati ampiamente sostituiti dai turbocompressori. [175] Di solito, un motore diesel navale a due tempi ha un turbocompressore monostadio con una turbina che ha un afflusso assiale e un deflusso radiale. [176]

In

generale, ci sono tre tipi di scavenging possibili:

Lo

scavenging a flusso incrociato è incompleto e limita la corsa, eppure alcuni produttori lo hanno utilizzato. [177]