Come funzionano i motori diesel

Il V-8 Duramax da 4,5 litri migliora l'efficienza del 25 percento rispetto ai motori a benzina, riducendo gli inquinanti e le emissioni. Guarda altre foto del motore diesel. 2008

-Uno degli articoli più popolari è How Car Engines Work, che spiega i principi di base alla base della combustione interna, discute il ciclo a quattro tempi e parla di tutti i sottosistemi che aiutano il motore della tua auto a fare il suo lavoro. Per molto tempo dopo la pubblicazione di quell'articolo, una delle domande più comuni poste (e uno dei suggerimenti più frequenti nel riquadro dei suggerimenti) è stata: "Qual è la differenza tra un motore a benzina e un motore diesel?"

La storia di Diesel inizia in realtà con l'invenzione del motore a gasolio. Nikolaus August Otto aveva inventato e brevettato il motore a benzina nel 1876. Questa invenzione utilizzava il principio di combustione a quattro tempi, noto anche come "ciclo Otto", ed è la premessa di base per la maggior parte dei motori delle automobili di oggi. Nella sua fase iniziale, il motore a benzina non era molto efficiente e altri importanti metodi di trasporto come il motore a vapore è andata male pure. Solo il 10% circa del carburante utilizzato in questi tipi di motori ha effettivamente spostato un veicolo. Il resto del carburante produceva semplicemente calore inutile.

-Nel 1878, Rudolf Diesel frequentava il Politecnico di Germania (l'equivalente di un college di ingegneria) quando apprese della scarsa efficienza dei motori a benzina e a vapore. Queste informazioni inquietanti lo hanno ispirato a creare un motore con estensione maggiore efficienza, e ha dedicato gran parte del suo tempo allo sviluppo di un "motore a combustione". Nel 1892 Diesel aveva ottenuto un brevetto per quello che oggi chiamiamo motore diesel.

-Se i motori diesel sono così efficienti, perché non li usiamo più spesso? Potresti vedere le parole "motore diesel" e pensare a grandi e pesanti camion da carico che vomitano fumo nero e fuligginoso e creano un forte rumore sferragliante. Questa immagine negativa dei camion e dei motori diesel ha reso il diesel meno attraente per i conducenti occasionali negli Stati Uniti - sebbene il diesel sia ottimo per il trasporto di grandi spedizioni su lunghe distanze, non è stata la scelta migliore per i pendolari di tutti i giorni. Questo sta iniziando a cambiare, tuttavia, poiché le persone stanno migliorando il motore diesel per renderlo più pulito e meno rumoroso.

Se non l'hai già fatto, probabilmente vorrai leggere prima Come funzionano i motori per auto, per avere un'idea delle basi della combustione interna. Ma torna in fretta: in questo articolo sveliamo i segreti del motore diesel e apprendiamo alcuni nuovi progressi.

-In teoria, i motori diesel e i motori a benzina sono abbastanza simili. Sono entrambi motori a combustione interna progettato per convertire l'energia chimica disponibile nel carburante in energia meccanica. Questa energia meccanica muove i pistoni su e giù all'interno dei cilindri. I pistoni sono collegati a un albero motore e il movimento su e giù dei pistoni, noto come movimento lineare, crea il movimento rotatorio necessario per far avanzare le ruote di un'auto.

Sia i motori diesel che quelli a benzina convertono il carburante in energia attraverso una serie di piccole esplosioni o combustioni. La principale differenza tra diesel e benzina è il modo in cui avvengono queste esplosioni. In un motore a benzina, il carburante viene miscelato con l'aria, compresso dai pistoni e acceso dalle scintille delle candele. In un motore diesel, tuttavia, l'aria viene prima compressa, quindi viene iniettato il carburante. Poiché l'aria si riscalda quando viene compressa, il carburante si accende.

La seguente animazione mostra il ciclo diesel in azione. Puoi confrontarlo con l'animazione del motore a benzina per vedere le differenze.

Motore diesel © .com 2019

Il motore diesel utilizza un ciclo di combustione a quattro tempi proprio come un motore a benzina. I quattro colpi sono:

1. Colpo di aspirazione - La valvola di aspirazione si apre, lasciando entrare l'aria e abbassando il pistone. -
2. Colpo di compressione - Il pistone si sposta indietro e comprime l'aria.
3. Colpo di combustione - Quando il pistone raggiunge la parte superiore, il carburante viene iniettato al momento giusto e acceso, costringendo il pistone a tornare indietro.
4. Corsa di scarico - Il pistone torna in alto, spingendo fuori dalla valvola di scarico lo scarico creato dalla combustione.

Ricordare che il motore diesel è sprovvisto di candela, che aspira aria e la comprime, e che poi inietta il carburante direttamente nella camera di combustione (iniezione diretta). È il calore dell'aria compressa che accende il carburante in un motore diesel. Nella sezione successiva, esamineremo il processo di iniezione diesel.

Compressione

Lavorando sui suoi calcoli, Rudolf Diesel ha teorizzato che una maggiore compressione porta a una maggiore efficienza e maggiore potenza. Ciò accade perché quando il pistone schiaccia l'aria con il cilindro, l'aria si concentra. Il gasolio ha un alto contenuto di energia, quindi la probabilità che il diesel reagisca con l'aria concentrata è maggiore. Un altro modo per pensarci è che quando le molecole d'aria sono così vicine tra loro, il carburante ha maggiori possibilità di reagire con quante più molecole di ossigeno possibile. Rudolf si è rivelato giusto: un motore a benzina si comprime con un rapporto da 8: 1 a 12: 1, mentre un motore diesel comprime con un rapporto da 14: 1 a 25: 1.

Foto per gentile concessione del motore diesel a sei cilindri DaimlerChrysler Atego

Una grande differenza tra un motore diesel e un motore a gas è nel processo di iniezione. La maggior parte dei motori delle automobili utilizza l'iniezione in porto o un carburatore. Un sistema di iniezione a babordo inietta il carburante appena prima della corsa di aspirazione (all'esterno del cilindro). Un carburatore miscela aria e carburante molto prima che l'aria entri nel cilindro. In un motore di automobile, quindi, tutto il carburante viene caricato nel cilindro durante la corsa di aspirazione e quindi compresso. La compressione della miscela aria / carburante limita il rapporto di compressione del motore: se comprime troppo l'aria, la miscela aria / carburante si accende spontaneamente e provoca colpi. Poiché provoca un calore eccessivo, i colpi possono danneggiare il motore.

I motori diesel utilizzano l'iniezione diretta del carburante: il carburante diesel viene iniettato direttamente nel cilindro.

L'iniettore di un motore diesel è il suo componente più complesso ed è stato oggetto di molte sperimentazioni: in ogni motore particolare, può essere posizionato in una varietà di luoghi. L'iniettore deve essere in grado di resistere alla temperatura e alla pressione all'interno del cilindro e comunque erogare il carburante in una nebbia sottile. Anche far circolare la nebbia nel cilindro in modo che sia distribuita uniformemente è un problema, quindi alcuni motori diesel impiegano speciali valvole di induzione, camere di pre-combustione o altri dispositivi per turbinare l'aria nella camera di combustione o altrimenti migliorare il processo di accensione e combustione.

Alcuni motori diesel contengono un file candeletta. Quando un motore diesel è freddo, il processo di compressione potrebbe non portare l'aria a una temperatura sufficientemente alta da accendere il carburante. La candeletta è un filo riscaldato elettricamente (pensa ai fili caldi che vedi in un tostapane) che riscalda le camere di combustione e aumenta la temperatura dell'aria quando il motore è freddo in modo che il motore possa avviarsi. Secondo Cley Brotherton, un tecnico di attrezzature pesanti Journeyman:

Tutte le funzioni in un motore moderno sono controllate dall'ECM che comunica con un set elaborato di sensori che misurano tutto da R.P.M. alle temperature del liquido di raffreddamento del motore e dell'olio e persino alla posizione del motore (cioè T.D.C.). Le candelette oggi sono usate raramente su motori più grandi. L'ECM rileva la temperatura dell'aria ambiente e ritarda i tempi del motore a basse temperature in modo che l'iniettore spruzzi il carburante in un secondo momento. L'aria nel cilindro viene compressa di più, creando più calore, che aiuta l'avviamento.

Motori più piccoli e motori che non dispongono di un controllo computerizzato così avanzato utilizzano candelette per risolvere il problema dell'avviamento a freddo.

Naturalmente, la meccanica non è l'unica differenza tra motori diesel e motori a benzina. C'è anche la questione del carburante stesso.

Un campione di gasolio Staff / Getty Images

-Il carburante di petrolio inizia come petrolio greggio che si trova naturalmente nella Terra. Quando il petrolio greggio viene lavorato nelle raffinerie, può essere separato in diversi tipi di combustibili, tra cui benzina, carburante per aerei, cherosene e, naturalmente, diesel.

Se hai mai confrontato gasolio e benzina, sai che sono diversi. Di certo hanno un odore diverso. Il carburante diesel è più pesante e più oleoso. Evapora molto più lentamente della benzina - il suo punto di ebollizione è in realtà più alto del punto di ebollizione dell'acqua. Sentirai spesso che il carburante diesel viene chiamato "gasolio" perché è molto oleoso.

Il gasolio evapora più lentamente perché è più pesante. Contiene più atomi di carbonio in catene più lunghe rispetto alla benzina (la benzina è tipicamente C9H20, mentre il gasolio è tipicamente C14H30). Ci vuole meno raffinazione per creare il gasolio, motivo per cui era più economico della benzina. Dal 2004, tuttavia, la domanda di diesel è aumentata per diversi motivi, tra cui una maggiore industrializzazione e costruzione in Cina e negli Stati Uniti [fonte: Energy Information Administration].

Il carburante diesel ha una maggiore densità di energia della benzina. In media, 1 gallone (3,8 L) di gasolio contiene circa 155x10⁶ joule (147.000 BTU), mentre 1 gallone di benzina contiene 132x10⁶ joule (125.000 BTU). Questo, combinato con la maggiore efficienza dei motori diesel, spiega perché i motori diesel ottengono un migliore chilometraggio rispetto ai motori a benzina equivalenti.

Il carburante diesel viene utilizzato per alimentare un'ampia varietà di veicoli e operazioni. Ovviamente alimenta i camion diesel che vedi avanzare pesantemente lungo l'autostrada, ma aiuta anche a spostare barche, scuolabus, autobus urbani, treni, gru, attrezzature agricole e vari veicoli di emergenza e generatori di corrente. Pensa a quanto sia importante il diesel per l'economia: senza la sua alta efficienza, sia l'industria delle costruzioni che le aziende agricole soffrirebbero enormemente degli investimenti in combustibili a bassa potenza ed efficienza. Circa il 94 percento delle merci, che siano spedite su camion, treni o barche, si basa sul diesel.

In termini di ambiente, il diesel ha alcuni pro e contro. I vantaggi: il diesel emette quantità molto piccole di monossido di carbonio, idrocarburi e anidride carbonica, emissioni che portano al riscaldamento globale. Le quantità elevate di composti azotati e particolato (fuliggine) vengono rilasciati dalla combustione del gasolio, che portano a piogge acide, smog e cattive condizioni di salute. Nella pagina successiva esamineremo alcuni recenti miglioramenti apportati in queste aree.

Carburante più pulito e livelli di emissioni più rigorosi dovrebbero ridurre il numero di morti premature a causa dell'inquinamento da motore diesel. Foto per gentile concessione di Mario Tama / Getty Images

-Durante la grande crisi petrolifera degli anni '70, le case automobilistiche europee iniziarono a pubblicizzare motori diesel per uso commerciale come alternativa alla benzina. Coloro che l'hanno provato sono rimasti un po 'delusi: i motori erano molto rumorosi e sarebbero arrivati ​​a casa e avrebbero trovato le loro auto coperte di fuliggine nera da davanti a dietro - la stessa soo-t responsabile dello smog nelle grandi città.

Negli ultimi 30-40 anni, tuttavia, sono stati apportati notevoli miglioramenti alle prestazioni del motore e alla pulizia del carburante. I dispositivi di iniezione diretta sono ora controllati da computer avanzati che monitorano la combustione del carburante, aumentando l'efficienza e riducendo le emissioni. I combustibili diesel meglio raffinati come il diesel a bassissimo tenore di zolfo (ULSD) ridurranno la quantità di emissioni nocive e l'aggiornamento dei motori per renderli compatibili con carburante più pulito sta diventando un processo più semplice. Altre tecnologie come i filtri antiparticolato CRT e i convertitori catalitici bruciano la fuliggine e riducono il particolato, il monossido di carbonio e gli idrocarburi fino al 90 percento. [fonte: Diesel Technology Forum]. Il continuo miglioramento degli standard per un carburante più pulito dell'Unione europea spingerà anche le industrie automobilistiche a lavorare di più per ridurre le emissioni: entro settembre 2009, l'UE spera di ridurre le emissioni di particolato da 25 mg / chilometro a 5 mg / chilometro [fonte: EUROPA].

Potresti anche aver sentito parlare di qualcosa chiamato biodiesel. È lo stesso del diesel? Il biodiesel è un'alternativa o un additivo al carburante diesel che può essere utilizzato nei motori diesel con poche o nessuna modifica ai motori stessi. Non è prodotto dal petrolio, ma proviene da oli vegetali o grassi animali che sono stati alterati chimicamente. (Fatto interessante: Rudolf Diesel aveva inizialmente considerato l'olio di semi di ortaggi come carburante per la sua invenzione.) Il biodiesel può essere combinato con il normale diesel o utilizzato completamente da solo. Puoi leggere di più sul biodiesel in How Biodiesel Works.

Per ulteriori informazioni sui motori diesel e sugli argomenti correlati, consultare i collegamenti nella pagina successiva.

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