Il concetto di “efficienza” inteso in senso più comune equivale a una miglioria o ancora meglio ad una “ottimizzazione” termine che ormai da anni utilizziamo per dare un’identità alle nostre rimappature.Ottimizzare le curve di potenza in un motore serve quindi ad incrementare la resa, migliorarne l’erogazione, aumentare il piacere di guida e in termini specifici tutto questo su un motore si traduce in un aumento dell’efficienza termica!
Che cosa è un motore termico:
Un motore termico o motore a combustione è una macchina termica che funziona da motore, cioè usa il calore come vettore energetico per la produzione di lavoro (solitamente di tipo meccanico), come le turbine a gas, i motori a combustione interna, motori a combustione esterna (motori a vapore), eccetera
Nei motori termici il funzionamento può essere di due tipi:
1. Continuo (motore a turbina)
Motore a funzionamento continuo, con questo motore la produzione d'energia è costante nel tempo, dato che come dice il nome è continua, volendo dividere dal punto di vista funzionale questo motore, si può dire che in esso sono individuabili tre zone, delimitate nella camera di combustione, dove ogni zona c'è la trasformazione del carburante in energia, in modo continuo.
2. Suddiviso in fasi (motore volumetrico).
Motore a funzionamento in fasi, con questo motore si riesce ad avere energia dai pistoni, sia che questi siano alternativi sia che siano rotanti; il funzionamento è divisibile in fasi, in ciascuna delle quali si ha un'azione diversa, necessaria per ricavare energia dal combustibile.
Il rendimento di entrambidipende sostanzialmente dal rapporto tra temperatura di inizio e di fine ciclo, dove i modelli stradali più efficienti non riescono ad avere un rendimento superiore allo 0,3 o 30% (il motore 2T Diesel navale Wärtsilä-Sulzer RTA96-C della Wärtsilä, ha un rendimento superiore al 0,5 o 50%), questo è dovuto dal fatto che questi motori non riescono a sfruttare il calore data la velocità delle fasi e per la loro fonte d'energia, infatti questi motori devono disperdere molto calore.
Confrontando i motori termici con i motori elettrici, che mediamente hanno un rendimento dello 0,9 o 90% e che praticamente quasi non richiedono ausili per il raffreddamento, ci si può accorgere che questo tipo di tecnologia (termica) non sia il massimo, anche se ha l'enorme vantaggio di poter immagazzinare con un serbatoio di dimensioni contenute, una quantità molto elevata d'energia (combustibile), mentre per i motori elettrici, i loro serbatoi (batterie) sono molto limitati nella capacità d'immagazzinamento, questo ha sancito il successo dei motori termici.
Con l'esaurimento delle riserve petrolifere, i motori termici sono destinati a essere abbandonati oppure a essere utilizzati in modo marginale con combustibili alternativi che dovranno essere economici da produrre, a basso impatto ambientale e disponibili in quantità sufficiente per soddisfare le richieste del mercato mondiale. L'idrogeno è un vettore di energia che è possibile ricavare dall'acqua, è ecologico e inesauribile, ma con le tecnologie attuali non è possibile produrlo e stoccarlo in quantità elevate a costi convenienti e in modo pulito. Le varietà di biocarburante disponibili sono meno inquinanti della benzina e sono rinnovabili ma spesso non convengono dal punto di vista della resa energetica, ovvero sono i costi e l'energia impiegati per produrli sono superiori al guadagno che si ottiene dal loro utilizzo.
SI PUÒ DIRE CHE I MOTORI DIESEL SIANO PIÙ EFFICIENTI DEI MOTORI BENZINA?
Qui di seguito rispondiamo ad alcune domande che possono interessare gli appassionati:
1. Perché i motori diesel consumano meno di quelli a ciclo Otto, a parità di potenza erogata e di tempo di funzionamento?
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.
2. Perché nei diesel il rapporto di compressione è così alto?
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.
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
3. Per quale ragione il vantaggio dei diesel, in termini di consumo, in genere è più sensibile nell’uso cittadino o su percorsi misti come le salite di montagna?
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.
4. Per quale motivo i diesel non girano forte come i motori a ciclo Otto?
Il gasolio deve essere iniettato all’interno del cilindro, distribuirsi 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.
5. Se girano relativamente piano, come è possibile che gli odierni motori a gasolio raggiungano potenze specifiche così alte?
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.
6. Per quale ragione, diversamente da quanto accade per i motori a benzina, i diesel delle ultime generazioni sono praticamente sempre turbo?
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.
“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”
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.
7. 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.
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.
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
8. Perché i diesel tendono ad essere più rumorosi e più “ruvidi” dei motori a ciclo Otto?
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.
LE NOSTRE CONCLUSIONI PER UNA MAGGIORE EFFICIENZA MOTORE.
Come avrete capito da questo articolo a parità di potenza i motori Diesel di ultima generazione hanno un efficienza pari o superiore ai motori benzina. Un ulteriore vantaggio è dato dal fatto che oramai sono quasi tutti sovralimentati e questo è un fattore molto importante anche per quanto riguarda la rimappatura della centralina.È risaputo infatti che la sovralimentazione gioca un ruolo fondamentale per l’ottenimento di maggiore potenza.
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