10 domande e 10 risposte sui motori diesel

D. Perché i motori diesel consumano meno di quelli a ciclo Otto, a parità di potenza erogata e di tempo di funzionamento?
R. È importante sottolineare che il ciclo Diesel non è superiore a quello Otto, sotto l’aspetto del rendimento termico, ovvero della utilizzazione della energia fornita al motore dal carburante. I motori diesel consumano meno principalmente in quanto hanno un rapporto di compressione più elevato.

Il rendimento termico aumenta al crescere di tale rapporto, con conseguenze positive in termini energetici. Inoltre, i diesel funzionano sempre con miscele aria-carburante notevolmente magre, il che contribuisce ulteriormente all’ottenimento di consumi minori. Occorre anche tenere presente che il gasolio ha una densità più elevata, rispetto alla benzina, e anche questo è vantaggioso, per quanto riguarda i consumi delle autovetture.

D. Perché nei diesel il rapporto di compressione è così alto?
R. La cosa è necessaria e al tempo stesso vantaggiosa. Per poter ottenere l’accensione spontanea della miscela aria-gasolio occorre raggiungere, al
termine della fase di compressione, una temperatura molto alta, ottenibile solo comprimendo l’aria stessa in misura molto considerevole. Non per nulla i diesel vengono anche chiamati, correttamente, motori ad accensione per compressione…

Il vantaggio che si ottiene è legato al fatto che, come già detto, aumentando il rapporto di compressione cresce il rendimento termico. Sotto questo aspetto i motori a ciclo Otto sono limitati dal fatto che oltre un certo rapporto di compressione nei loro cilindri si verifica la detonazione, cioè una combustione anomala di una parte della miscela aria-carburante, che può avere anche conseguenze deleterie per organi meccanici come i pistoni.

D. Per quale ragione il vantaggio dei diesel, in termini di consumo,in genere è più sensibile nell’uso cittadino o su percorsi tormentati?
R. I motori a ciclo Otto sono dotati di una valvola a farfalla che, quando l’acceleratore è premuto solo parzialmente, è aperta solo in misura contenuta (e quindi “strozza” l’aspirazione); ciò determina notevoli perdite per pompaggio, con conseguente peggioramento del rendimento meccanico, il che causa un aumento del consumo specifico. I motori a gasolio invece sono privi di tale valvola e quindi respirano sempre liberamente.

D. Cosa succede quando si preme l’acceleratore? I diesel sono doversi dai motori a ciclo Otto sotto questo aspetto?
R. Nei motori ad accensione per scintilla (alimentati con benzina, metano o GPL), cioè a ciclo Otto, l’erogazione della potenza viene regolata quantitativamente, agendo sulla respirazione per mezzo della valvola del gas, che usualmente è del tipo a farfalla. Mano a mano che si preme il

pedale dell’acceleratore la valvola viene aperta in misura maggiore e quindi il motore può respirare più liberamente; aumenta la quantità di aria che viene richiamata in ciascun cilindro ad ogni fase di aspirazione.

Nei motori a gasolio, ossia a ciclo Diesel, non vi è alcuna valvola del gas e la respirazione è sempre libera. L’erogazione della potenza viene controllata variando la quantità di carburante che viene immessa in ciascun cilindro al termine di ogni fase di compressione. Quella che cambia è pertanto la dosatura della miscela aria-carburante (è per questa ragione che talvolta si parla di controllo “qualitativo”).

D. Per quale motivo i diesel non girano forte come i motori a ciclo Otto?
R. Il gasolio deve essere iniettato all’interno del cilindro, distribuirsi in seno alla massa d’aria ad elevata pressione e in movimento vorticoso e deve quindi vaporizzare e accendersi. Tutto questo deve avvenire quando l’aria è a una temperatura molto alta, tale appunto da determinare una velocissima evaporazione e quindi dare inizio alla combustione. L’iniezione deve pertanto avvenire verso la fine della fase di compressione, e deve completarsi in un arco di rotazione dell’albero di modesta estensione. Il tempo a disposizione è molto ridotto già a regimi relativamente modesti e inizia a risultare insufficiente a velocità di rotazione dell’ordine di poco più di 4500 giri/min.

D. Se girano relativamente piano, come è possibile che gli odierni motori a gasolio raggiungano potenze specifiche così alte?
R. In effetti alcuni diesel di recente presentazione a parità di cilindrata sono in grado di fornire prestazioni analoghe o addirittura superiori a quelle dei motori a benzina aspirati destinati alle auto di serie, anche se i loro regimi di rotazione sono nettamente inferiori. Questo è dovuto al fatto che sono sovralimentati e che oggi possono adottare pressioni di alimentazione particolarmente elevate. Di conseguenza ogni fase di combustione diventa più vigorosa (la pressione media effettiva raggiunge valori altissimi) e questo si traduce in una coppia straordinariamente elevata, in relazione alla cilindrata.

La potenza che un motore produce è costituita dal prodotto tra la coppia e il regime di rotazione, e quindi in questo caso è cospicua anche se il motore gira relativamente piano (l’elevato valore del primo dei due fattori in questione compensa il modesto valore del secondo). Un modello recentemente presentato dalla BMW ha una potenza specifica di oltre 120 cavalli/litro, il che costituisce un valore impressionante, per un
motore di serie.

D. Per quale ragione, diversamente da quanto accade per i motori a benzina, i diesel delle ultime generazioni sono praticamente sempre turbo?
R. La sovralimentazione mediante turbocompressore è particolarmente adatta ai diesel, nei quali i gas di scarico hanno una temperatura nettamente più bassa di quella che raggiungono nei motori ad accensione per scintilla. Questo significa che la turbina è meno sollecitata e può essere realizzata agevolmente senza dover fare ricorso a materiali sofisticati. Per diversi anni le turbine a geometria variabile sono state impiegate esclusivamente sui diesel proprio per questa ragione.

Inoltre, anche in fase di rilascio, ossia con il pedale dell’acceleratore completamente sollevato, la quantità di gas che raggiunge la turbina è considerevole, il che agevola comunque la riduzione del ritardo nella risposta all’azionamento del comando del gas (turbo lag). Infine, e si tratta di una cosa della massima importanza, nei diesel non c’è il problema della detonazione, a differenza di quanto accade nei motori a ciclo Otto. È pertanto possibile adottare pressioni di alimentazione molto alte; aumentano sia le sollecitazioni termiche che quelle meccaniche, ma non si

incappa nel deleterio fenomeno della detonazione.

D. Per quale ragione i motori diesel sono notevolmente più costosi di quelli a ciclo Otto? I componenti in fondo sono gli stessi, anche se alcuni hanno una forma e un dimensionamento differenti.
R. Il motore in sé non ha un costo sensibilmente diverso. Quello che incide pesantemente è il sistema di iniezione. Per immettere in tempi brevissimi una adeguata quantità di gasolio nella camera di combustione, per ottenere una sua elevata polverizzazione e per avere una buona “penetrazione” dell’aria da parte dei getti di combustibile emessi, occorre una pressione di iniezione elevatissima. Oggi si arriva anche a superare i 2000 bar. Questo rende assai impegnativa la realizzazione di componenti come le pompe di iniezione e gli iniettori. Le tolleranze dimensionali e geometriche sono incredibilmente ristrette (si lavora a livello di qualche micron!), e pure i materiali impiegati e le finiture adottate devono essere in grado di soddisfare esigenze molto severe. Tutto ciò determina costi di produzione assai alti.

D. Perché i diesel tendono ad essere più rumorosi e più “ruvidi” dei motori a ciclo Otto?
R. La rumorosità dei motori a gasolio, piuttosto avvertibile in alcune autovetture in determinate condizioni di funzionamento, è dovuta alle modalità con le quali si svolge la combustione. In questo caso infatti, a differenza di quanto avviene nei motori ad accensione per scintilla, non c’è un fronte di fiamma che nasce in corrispondenza della candela e si propaga attraverso la camera, determinando un aumento della pressione rapido ma comunque sempre graduale. Nei diesel l’incremento della pressione è brusco e piuttosto repentino, il che in certe situazioni può causare una certa ruvidità di funzionamento e una tipica rumorosità di combustione. Le iniezioni “modulate” o spezzettate in più iniezioni parziali sono state sviluppate proprio per ridurre al minimo questo inconveniente, che oggi in molti casi è da ritenere ampiamente superato.

D. Per quale ragione i diesel vengono alimentati con gasolio, carburante che non può essere utilizzato nei motori ad accensione per scintilla?
R. Il gasolio ha caratteristiche molto diverse da quelle della benzina (come pure da quelle del GPL e del metano). Nei motori diesel non c’è la candela e non scocca alcuna scintilla; il carburante deve accendersi spontaneamente, e con rapidità, dopo essere stato iniettato nella camera piena di aria ad alta temperatura. La maggiore o minore tendenza a questa “auto-accensione” viene indicata dal numero di cetano del carburante stesso, che se necessario può essere innalzato mediante aggiunta di appositi additivi. La benzina ha un numero di cetano bassissimo e quindi non è adatta ad essere impiegata per alimentare i motori diesel.