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150 anni e non li dimostra: il Motore a Combustione Interna
L’EPOCA PIONIERISTICA
Verso la metà del 1800 la meccanica stava sperimentando un fortissimo impulso al suo sviluppo sull’onda della così detta “Rivoluzione Industriale” che stimolava la ricerca di sempre nuovi dispositivi capaci di produrre energia meccanica in maniera più efficiente e sicura.
E’ in questo periodo che due ingegneri italiani, Nicolò Barsanti (poi conosciuto come Eugenio dopo la sua ordinazione a sacerdote) e Felice Matteucci collaborarono allo sviluppo delle idee del primo su di una macchina termica a combustione interna, idee che vennero sviluppate e che culminarono nel 1853 con il deposito dell’invenzione presso l’Accademia dei Georgofili di Firenze e successivamente con varie richieste di brevetto in vari paesi.
DA BARSANTI E MATTEUCCI A NIKOLAUS OTTO
Molti altri personaggi negli stessi anni svilupparono dei motori a combustione interna, ma la bontà dell’invenzione della coppia italiana era tale da permettere un maggiore rendimento rispetto alle soluzioni rivali, pur trattandosi di una soluzione che non prevedeva una fase di compressione.
Negli anni immediatamente successivi un ingegnere tedesco di nome Nikolaus Otto attraverso i suoi studi definì, nel 1862 attraverso il deposito di un brevetto, il primo prototipo di motore a 4 tempi e seguì ad esso la nascita della fabbrica di Otto, fondata con Eugen Langen, fabbrica che poi assumerà il nome Deutz con il quale è conosciuta a tutt’oggi.
Il motore di Otto utilizzava un sistema di accensione della carica dal quale discende la “candela” dei motori ad accensione comandata ed era ancora privo della fase di compressione.
Nel 1872, superati i problemi che affliggevano il motore da lui progettato mediante l’introduzione della fase di compressione, sviluppo dovuto al lavoro prezioso di altri due nomi che contribuiranno alla storia dell’automobile (Gottlieb Daimler e Wilhelm Maybach), Otto depositò il brevetto di quello che viene riconosciuto il Motore a Ciclo Otto che costituì la base per buona parte dei motori che utilizziamo ancora adesso (quelli comunemente chiamati “a benzina“).
UN NUOVO CONCETTO – IL MOTORE DIESEL
Successivamente al brevetto presentato da Otto, un ingegnere tedesco di nome Rudolf Diesel orientò le sue ricerche su un motore nel quale la combustione venisse innescata non più da un dispositivo dedito a tale funzione, bensì avvenisse spontaneamente ad opera delle elevate temperature che si sviluppavano durante la compressione della carica di aria e combustibile nella camera di combustione.
La datazione del primo motore Diesel è del 1892 per quanto riguarda il brevetto, mentre tra il 1894 ed il 1897 Diesel realizzò e perfezionò il suo prototipo.
Il rendimento di tale motore fu superiore a quello del motore “rivale” Otto, analogamente a quanto avviene oggi e le caratteristiche tecniche di questo motore ne hanno consentito un impiego in applicazioni tra le più svariate.
MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA – COME SONO FATTI?
I MCI presentano delle caratteristiche in gran parte comuni ai modelli pionieristici nati circa 150 anni fa, anche se nella realtà molti cambiamenti sono avvenuti, non sempre evidenti, ma comunque importanti.
Un moderno motore è costituito da uno o più cilindri chiusi ad una estremità dalla camera di combustione, dotata di opportune aperture per permettere l’ingresso della carica fresca e la fuoriuscita dei prodotti della combustione.
All’interno dei cilindri scorrono i pistoni, i quali vengono spinti dall’espansione dei gas durante la combustione e cedono tale energia ad un meccanismo che trasforma il moto alternato del pistone in un moto rotatorio.
Un’immagine della coppia Pistone – Biella illustra meglio di mille parole ciò di cui stiamo parlando:
Tale trasformazione oggi viene eseguita mediante un meccanismo “biella-manovella“, mentre nei primi prototipi si utilizzavano dei sistemi lineari composti da un’asta dentata ed una ruota dentata che ingranava durante la fase di espansione per poi venire disimpegnata durante il moto di ritorno del pistone.
L’immissione della carica e l’espulsione dei gas combusti avviene oggi unicamente mediante le valvole “a fungo” (Poppet Valves), mentre in passato si è assistito a soluzioni particolari, ed in certi casi riprese in considerazione, come ad esempio le valvole a fodero (Sleeve Valves).
Uno schema molto semplificato del motore, dove si individuano il pistone, la biella e l’albero motore, oltre che le valvole e le camme che azionano le stesse è il seguente:
Altri cambiamenti sono avvenuti, ad esempio sul sistema di preparazione della carica e di iniezione permettendo di migliorare le prestazioni dei motori pur rimanendo ancorati ai concetti di base sui quali sono nati, ma tutto ciò esula da questo post in quanto spingerebbe ad un approfondimento tecnico che richiederebbe troppo spazio.
CLASSIFICAZIONE DEI MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA E COMBUSTIBILI
Limitandoci ai soli motori alternativi (ovvero quelli dove l’organo responsabile della trasformazione dell’energia chimica del combustibile in energia meccanica si muove di moto rettilineo alternato) si può operare una classificazione degli stessi in base a vari parametri, ad esempio:
* Numero di fasi svolte in un giro completo dell’albero motore
* Tipo di combustibile impiegato
* Modalità di accensione della carica
La prima classificazione permette di suddividere i motori in 2 e 4 tempi, i quali ultimi risultano essere gli unici impiegati nella trazione stradale ad eccezione dei piccoli motori (in genere di cilindrata non oltre i 250cc) per i motoveicoli.
Il tipo di combustibile impiegato non rappresenta una grande caratteristica distintiva in quanto la successiva classificazione (per modalità di accensione della carica) racchiude implicitamente alcune caratteristiche che i combustibili utilizzati per le varie tipologie devono possedere.
Con questa classificazione si possono suddividere i motori in:
* Accensione Comandata
* Accensione Spontanea
I motori ad accensione comandata non sono nient’altro che i motori a Ciclo Otto (comunemente chiamati “a benzina”) mentre i motori ad accensione spontanea sono i motori a Ciclo Diesel.
I combustibili che possono venire utilizzati in ciascuno dei due tipi devono rispettare delle caratteristiche che rendono perfetto un combustibile per un particolare tipo di motore e completamente inadatto per l’altro.
Benzine, combustibili a base alcoolica come l’etanolo ed il metanolo (il primo molto utilizzato in Brasile perché producibile dalla canna da zucchero, abbondante in quei territori) ed il gas naturale (o prodotto da processi di sintesi) sono combustibili adatti ad un impiego nei motori a ciclo Otto in quanto caratterizzati da un “numero di Ottano” (ovvero la capacità di resistere a forti compressioni senza auto accendersi) elevato, mentre combustibili quali il Gasolio (che comunemente chiamiamo “Diesel”) e tutti gli oli combustibili di varia natura per autotrazione (Biodiesel ecc) sono adatti all’impiego nei motori a ciclo Diesel in quanto presentano una bassa resistenza all’autoaccensione mediante compressione (misurata dal parametro “numero di Cetano“).
EMISSIONI INQUINANTI E NORMATIVE
Le emissioni inquinanti nei motori dipendono strettamente da due fattori:
* Caratteristiche del Combustibile
* Andamento della fase di Combustione
Ogni combustibile è costituito in prevalenza da atomi di idrogeno e carbonio, in numero per molecola variabile, e la combustione di una molecola di combustibile genererà (in caso di combustione perfetta) come prodotti anidride carbonica e vapore acqueo in misura proporzionale al contenuto delle sue specie componenti nei reagenti, come già visto in occasione di precedenti post sugli impianti termoelettrici.
Eventuali altre sostanze presenti nel combustibile possono originare eventuali prodotti di combustione indesiderati, ma alcuni dei più noti non hanno origine principale nel combustibile, bensì nello sviluppo della fase di combustione, fortemente differente tra motori Otto e Diesel, anche se di queste differenze ne parleremo nei post dedicati ad ognuno di essi.
Oltre a considerare la composizione del combustibile, è importante valutare come si sviluppa la combustione, in quanto questo importante processo presenta forme differenti in funzione di alcuni parametri, rendendo più o meno evidente la produzione di certi inquinanti.
Le emissioni dei MCI sono costituite essenzialmente da:
* CO2 – anidride carbonica
* CO – monossido di carbonio, dovuto ad una combustione non completa
* HC – idrocarburi incombusti, dovuti ad una combustione non completa
* NOx – ossidi d’azoto, dovuti alle elevate temperature durante la combustione
* Particolato – presente in misura sensibile solo nei Diesel, dovuto sia a caratteristiche del combustibile che a caratteristiche della combustione
Da molti anni ormai esistono norme sempre più severe che pongono un limite alle emissioni, ed a tal riguardo si può fare riferimento alle normative EURO giunte alla EURO5 per quanto riguarda l’Europa, mentre analoghe normative sono presenti negli USA ed in Giappone, pur se con valori di riferimento differenti ma sempre nello stesso ordine di grandezza delle norme EURO.
Tali normative prevedono che ogni motore rispetti i livelli stabiliti nell’ambito di un test standard che prevede una serie di accelerazioni, decelerazioni e marcia a regime costante svolto in condizioni ambientali controllate.
Tali normative vengono rispettate nell’ambito di prova stabilito, ma al di fuori delle condizioni di test difficilmente i motori rispetteranno i limiti di emissione, e le cause di questo sono molteplici ed in parte da imputare a chi poi guiderà il veicolo in quanto il corretto funzionamento del motore richiede che l’utilizzatore adotti uno stile di guida ottimale, in assenza del quale risultano vanificati molti sforzi per limitare effettivamente le emissioni.
IL MOTORE AD ACCENSIONE COMANDATA
Come già descritto in precedenza, il motore a ciclo Otto prende il nome dal suo ideatore Nikolaus Otto, un ingegnere tedesco che sviluppò gli studi di Lenoir ed altri e realizzò un motore che rappresenta ancora oggi la base di tutti i motori a benzina a 4 tempi, anche se sarebbe più corretto indicarli come motori “ad accensione comandata” in quanto la combustione della miscela aria combustibile viene provocata dalla scintilla prodotta dalla candela.
Le quattro fasi che contraddistinguono un motore 4 tempi sono:
* aspirazione della carica (in genere una miscela aria-combustibile)
* compressione
* combustione e successiva espansione
* scarico
Una rappresentazione di tali fasi è possibile in un diagramma che presenta grandezze termodinamiche come assi x ed y, ed il diagramma più utilizzato per i motori è quello dove vengono indicate le pressioni ed i volumi.
Per un ciclo Otto ideale si ottiene:
La parte indicata dal tratto 0-1 corrisponde all’aspirazione della carica fresca, il tratto 1-2 alla compressione adiabatica (ovvero senza scambio termico con l’esterno), il tratto 2-3 alla combustione a volume costante, il tratto 3-4 all’espansione adiabatica dei gas combusti, il tratto 4-1 allo scarico spontaneo a volume costante, mentre lo scarico forzato coincide con il tratto 1-0 (percorso in verso opposto all’aspirazione).
In corrispondenza dei tratti 2-3 e 4-1 sono presenti rispettivamente un “ingresso di calore nel ciclo” ed una “cessione di calore dal ciclo”, così come teoricamente idealizzate da Otto, corrispondenti all’energia sviluppata dalla combustione ed alla cessione all’ambiente dell’energia residua (o non convertita in lavoro meccanico) dei gas combusti.
L’area compresa tra i vari tratti è la misura del lavoro meccanico ottenibile dal ciclo ideale.
Se termodinamicamente il ciclo Otto presenta delle differenze notevoli rispetto al ciclo Diesel (in quest’ultimo la combustione avviene a pressione costante, pertanto al tratto verticale 2-3 bisogna sostituirne uno orizzontale), da un punto di vista “pratico” la differenza apparente è costituita dalla modalità di accensione della miscela aria combustibile, in quanto nei motori a ciclo Otto si utilizza una scintilla provocata da una candela, mentre nel ciclo Diesel la combustione si innesca spontaneamente a causa dell’elevata pressione di fine compressione.
La scelta della modalità di accensione e la forma del diagramma termodinamico sono in realtà strettamente dipendenti, in quanto per potere realizzare una combustione a volume costante risulta necessario innescare la stessa nel momento desiderato, avendo avuto cura di evitare accensioni spontanee durante la compressione, e cercare di permettere un rapido sviluppo della stessa quando il pistone si trova al punto morto superiore PMS (ovvero nel punto di fine compressione, dove termina la fase ascendente ed inizia la discesa verso il punto morto inferiore PMI).
Un valido sistema per ottenere questo risultato è quello di innescare la combustione al PMS attraverso una scintilla, e fare propagare la fiamma rapidamente.
Anche le caratteristiche del combustibile devono essere adeguate, infatti esso deve garantire una forte resistenza all’autoaccensione per evitare che la combustione si inneschi spontaneamente, inoltre deve essere facilmente vaporizzabile in quanto la combustione avviene in fase gassosa.
In realtà il diagramma rilevabile dal funzionamento del motore risulta sensibilmente differente da questo, presentando piuttosto una forma del tipo:
Si nota come i singoli tratti non siano più nettamente riconoscibili, ed inoltre il tratto relativo all’aspirazione ed allo scarico forzato ora racchiudano un’area non nulla, e conseguentemente rappresenta il lavoro speso dal motore per il ricambio della carica, lavoro che va poi sottratto a quello utile del ciclo per potere valutare quello effettivamente disponibile all’albero motore.
COMBUSTIONE ED EMISSIONI
Perché la combustione proceda e sia il più completa possibile è necessario che la miscela presenti caratteristiche di omogeneità e proporzioni tra aria e combustibile tali da richiedere in genere una miscela omogenea e stechiometrica.
La miscela omogenea significa che nell’intero volume della camera di combustione il rapporto tra aria e combustibile deve essere costante, senza zone quindi dove la miscela sia più ricca o povera di combustibile, e questo al fine di una combustione migliore.
Le emissioni di questi motori, in virtù dell’insieme di caratteristiche che li contraddistinguono, sono essenzialmente costituite da:
* CO2
* HC
* NOx
* CO
Il CO e gli HC vengono prodotti dalla non completa combustione della carica, mentre gli NOx si formano a causa dell’elevata temperatura di combustione, pertanto per eliminare queste specie inquinanti si utilizza un catalizzatore trivalente, capace di ossidare gli HC e la CO formando CO2 ed H2O e ridurre gli NOx ad azoto molecolare (N2).
Il funzionamento del catalizzatore è molto delicato e richiede un’accurato bilanciamento delle specie da trattare, e pertanto la necessità di miscela stechiometrica diventa una condizione rigorosa nelle varie condizioni di funzionamento del motore.
Il catalizzatore è costituito in genere da un cilindro poroso prodotto in materiale ceramico, sul quale vengono depositati dei metalli nobili (i catalizzatori), ed il tutto viene racchiuso in un contenitore metallico collegato in serie allo scarico del motore:
IL MOTORE AD ACCENSIONE SPONTANEA
L’impiego della classificazione in base alla modalità di ignizione della carica come fatto anche in precedenza presenta il vantaggio di una maggiore generalità e rigorosità scientifica, ma d’altro canto rende meno comprensibile ai non “addetti ai lavori” l’identificazione di questi nell’ambito di quanto usato nella produzione, pertanto, anche se non risulta perfettamente corretto da un punto di vista scientifico, la definizione di “Motore ad Accensione Spontanea” diventerà sinonimo di motore a “ciclo Diesel”.
Analogamente che per il motore a ciclo Otto, le quattro fasi sono:
* aspirazione della carica (costituita in questo caso da sola aria)
* compressione della carica ed iniezione del combustibile in prossimità del punto morto superiore
* combustione e successiva espansione
* scarico
Anche in questo caso è possibile individuare un diagramma termodinamico tipico di questa modalità di funzionamento, ed esso è rappresentato nella seguente figura (diagramma Pressioni – Volumi):
La parte indicata dal tratto 0-a corrisponde all’aspirazione della carica fresca, il tratto a-b alla compressione adiabatica (ovvero senza scambio termico con l’esterno), il tratto b-c alla combustione a pressione costante, il tratto c-d all’espansione adiabatica dei gas combusti, il tratto d-a allo scarico spontaneo a volume costante, mentre lo scarico forzato coincide con il tratto a-0 (percorso in verso opposto all’aspirazione).
Analogamente al ciclo Otto, in corrispondenza dei tratti b-c e d-a sono presenti rispettivamente un “ingresso di calore nel ciclo” ed una “cessione di calore dal ciclo” che rappresentano rispettivamente l’energia sviluppata con la combustione e l’energia residua dei gas combusti.
Nei motori Diesel, a seguito della fase di compressione della sola aria si procede con l’iniezione del combustibile (gasolio), il quale necessita di un certo tempo per vaporizzare (e per favorire tale operazione si utilizza oggi l’iniezione ad alta pressione mediante Common Rail od Iniettore Pompa, mentre in passato si utilizzava un sistema oramai in disuso consistente in una precamera ad alta turbolenza affacciata sulla camera di combustione principale) e per diffondersi nella massa d’aria.
L’elevata temperatura raggiunta dall’aria a seguito della compressione porta, in presenza di un rapporto locale aria combustibile adeguato, alla nascita di tanti nuclei di fiamma distribuiti in tutto il volume dai quali si svilupperanno i vari fronti di fiamma.
Con il procedere della combustione e quindi dell’espansione dei gas, l’iniezione del combustibile procede e la vaporizzazione dello stesso viene ora agevolata dall’elevatissima temperatura di combustione.
Il procedere della combustione durante l’espansione permette, almeno a livello teorico, di considerare la combustione a pressione costante in quanto l’incremento di pressione dei gas combusti viene compensato dall’aumentato spazio fisico a disposizione durante l’espansione.
COMBUSTIONE ED EMISSIONI
La combustione si sviluppa pertanto in due fasi ben distinte, la prima (corrispondente al primo picco nel diagramma seguente) rappresenta una combustione rapida dovuta ai molti nuclei di combustione che si sviluppano inizialmente, mentre la seconda parte viene detta “fase diffusiva” in quanto il suo andamento è strettamente legato alla diffusione del combustibile che viene iniettato nella massa di aria e gas combusti presenti:
La fase diffusiva porta alla produzione di particolato in misura sensibile, e per evitare un produzione di fumosità costante i motori Diesel sono limitati ad operare con un forte eccesso di aria rispetto alle condizioni stechiometriche.
Tra gli inquinanti prodotti dai Diesel quindi si rilevano:
* CO2
* HC
* NOx
* CO
* Particolato
Il CO e gli HC vengono prodotti dalla non completa combustione della carica, ma in virtù del forte eccesso d’aria usato nei motori Diesel il loro quantitativo non è in genere sensibile, mentre gli NOx si formano a causa dell’elevata temperatura di combustione e sono agevolati per via dell’eccesso d’aria, pertanto si utilizzano sistemi come il ricircolo all’aspirazione dei gas combusti (EGR – Exhaust Gas Recirculation).
I motori Diesel, grazie ad una regolazione del carico, ovvero della potenza erogata, che opera sul rapporto relativo aria combustibile e non sulla quantità assoluta di carica aspirata, permette di non utilizzare la valvola a farfalla per limitare la portata d’aria in ingresso (in quanto nei Diesel l’aria che viene aspirata è sempre la stessa quantità, ciò che cambia è quanto combustibile si inietta) e questa assenza migliora la resa del motore, con benefici in termini di rendimento.
Soluzioni come la sovralimentazione e l’EGR verranno introdotte e riprese in seguito quando verranno esaminate le soluzioni adottate per migliorare i motori.