Motore Diesel, tesina

Il motore Diesel 1

Il motore Diesel

Ormai è da alcuni anni che, per via di questa magnifica scuola, nasce la mia passione per il disegno CAD.

Ho passato davvero molto tempo ad esercitarmi disegnando qualunque cosa fosse presente nella mia stanza.

Ma per una tesina serviva qualcosa di audace, qualcosa di complicato e significativo da disegnare, ed ecco che mi è venuta l'idea di disegnare un motore Diesel e di animarlo.

Prima di tutto mi sono dovuto documentare su questo motore sia da vari libri ma soprattutto a scuola.

All'inizio ho dovuto affrontare varie difficoltà, sia nel disegnare i componenti sia nell'animazione, ma con l'impegno ed alcuni aiuti indispensabili sono riuscito superare queste complicazioni.

Mi sono voluto dedicare agli aspetti fondamentali inerenti il motore Diesel, perché per affrontarlo in modo completo occorrerebbe molto più tempo a disposizione e molte più risorse. 2

Il motore Diesel

Il 23 febbraio del 1892 l’ingegner Rudolf Diesel depositava all’ufficio brevetti di Berlino il progetto di un singolare motore. Un progetto, come descritto nella domanda per il brevetto, relativo a “... un processo lavorativo per macchine motrici a combustione interna, caratterizzato dal fatto che in un cilindro l’aria viene compressa dal pistone di lavoro con una forza tale che la temperatura risultante è di gran lunga superiore a quella d’accensione del carburante da impiegare...”

Con questa semplice quanto efficace descrizione nasceva, giusto 122 anni fa, il cosiddetto motore “ad accensione per compressione” in contrapposizione al già esistente motore a ciclo Otto o semplicemente a benzina, che veniva e viene tuttora comunemente definito “ad accensione per scintilla”. 3

Il motore Diesel

Indice

1. La storia

1.1 Le origini del motore Diesel: Rudolf Diesel ..........6

1.2 L’avvento del motore Diesel ..................................12

2. Organi e caratteristiche costruttive

2.1 Schema costruttivo generale..................................17

2.2 La testata ...............................................................20

2.3 Il basamento...........................................................22

2.4 Il pistone.................................................................23

2.5 Segmenti, bielle e albero motore...........................24

2.6 Le canne dei cilindri...............................................27

2.7 Gli organi della distribuzione..................................28

2.8 Gli iniettori..............................................................31

2.9 Il turbocompressore...............................................33

3. Iniezione diretta e iniezione indiretta

3.3 Il Diesel a iniezione diretta.....................................35

3.4 Il Diesel a iniezione indiretta..................................36

4. Ciclo teorico e reale

4.1 Funzionamento del ciclo a quattro tempi................38

4.2 Grafico del ciclo e relativa descrizione....................39

4.3 Rendimenti..............................................................44 4

Il motore Diesel

5. Animazione motore Diesel

5.1 L'animazione...........................................................46

5.2 Le chiavi animazione...............................................47

6. Conclusione................................................48

7. Ringraziamenti..............................................49

8. Bibliografia e sitografia

8.1 Bibliografia...............................................................50

8.2 Sitografia.................................................................50 5

Il motore Diesel

1. La storia

Trattore Bubba UT3 con motore testa calda del 1926 6

Il motore Diesel

1.1 Le origini del motore Diesel: Rudolf Diesel

Un uomo, un mistificatore, un affarista. Per i suoi contemporanei fu l’una o l’altra cosa. Inventore di un motore assolutamente rivoluzionario, poi legato indissolubilmente al suo nome, sarebbe pervenuto quasi per caso alla scoperta che lo rese famoso. Rudolf Christian Karl Diesel nacque a Parigi da genitori bavaresi il 18 marzo 1858.

Già a dodici anni il piccolo Rudolf frequentava assiduamente il “Conservatoire des Arte set Métiers” dove abbozzava diligentemente in un quaderno le forme delle macchine che vi erano ordinate. Nel 1870 sarebbe dovuto entrare all’Ecole Primarie Supérieure e quasi certamente sarebbe divenuto cittadino francese ma lo scoppio della guerra franco-prussiana mutò il suo destino.

Sebbene la famiglia non fu oggetto di persecuzioni dovette lasciare la Francia in gran fretta.

I Diesel si rifugiarono così a Londra, dove Rudolf frequentò una scuola inglese e, come a Parigi, la sua meta preferita furono i musei di tecnica.

Nei giorni successivi la città inglese venne accerchiata dai tedeschi così che la famiglia, per permettere al figlio di studiare, fu costretta a mandarlo all’estero.

Rudolf lasciò così Londra il 1° novembre 1870 diretto ad Augusta in Baviera, dove sarebbe stato accolto in casa del prof. Cristoph Barnickel e sua moglie, che si offrirono di fargli da genitori adottivi e di seguirlo negli studi. 7

Il motore Diesel

Restò in questa cittadina per cinque anni, ebbe così la possibilità di seguire la regia scuola commerciale segnalandosi subito per la serietà e la passione profusa negli studi. Al termine del corso fu il primo della graduatoria.

Intendeva proseguire gli studi per conseguire la laurea in ingegneria ma desiderava che i suoi genitori, che non vedeva da tre anni, e che erano rientrati a Parigi, approvassero la sua scelta.

Decise pertanto di trascorrere le vacanze nella capitale francese sottoponendosi ad un nuovo, faticoso viaggio. Purtroppo le condizioni familiari erano notevolmente degenerate a causa della morte della sorella, unico sostegno economico della famiglia, così Rudolf preferì rifiutare il peso delle responsabilità che inevitabilmente avrebbe dovuto addossarsi.

La certezza di essere ormai in grado di assicurarsi da solo un domani migliore e il convincimento di non poter mai più contare sui genitori lo indussero a rientrare ben presto ad Augusta dove, nell’ottobre del 1873 si iscrisse alla scuola industriale frequentando il corso di tecnica e meccanica.

Risale a questo periodo il primo contatto di Rudolf con l’acciarino che si vuole fosse alla base delle sue scoperte future. Ne fece conoscenza presso la scuola.

Si trattava sostanzialmente di una versione dimostrativa dell’antico acciarino cinese. Funzionava come una pompa per pneumatici da bicicletta: uno stoppaccio infiammabile veniva inserito nella parte opposta a quella in cui era ancorato lo stantuffo.

Con un rapido rinculo si poteva osservare lo stoppaccio prendere fuoco per effetto del calore generato dalla compressione. Ormai Rudolf doveva contare esclusivamente sulle sue forze.

Iscrittosi al Politecnico di Monaco tirò avanti con borse di studio e con il ricavato di piccole lezioni private.

Era tale la voglia di apprendere da spingerlo a dedicare pochissime ore al sonno.

Nel gennaio del 1877, divenuto cittadino tedesco, si presentò al servizio militare ma venne riformato per insufficienza toracica. In questi anni i genitori di Rudolf si trasferirono a Monaco e la famiglia Diesel tornò nuovamente a riunirsi sotto un unico tetto; questo fatto però fu più un motivo di preoccupazione che di gioia per il giovane studioso. 8

Il motore Diesel

Al Politecnico di Monaco Rudolf ebbe la prima grande occasione della vita. Vi insegnava il prof. Karl Linde, un’autorità nel campo della termodinamica, fondatore e presidente di una società per impianti frigoriferi.

Linde non aveva dubbi sull’intelligenza e la fattività di Rudolf Diesel.

Dapprima lo invitò in Svizzera, presso la Sulzer per un periodo di praticantato poi, dopo aver completato gli studi al Politecnico, gli offrì di assumere la direzione di una fabbrica di ghiaccio che Linde stava progettando che sarebbe sorta a Parigi.

Egli dunque tornò nella capitale francese ed ebbe successo in questo suo primo lavoro, ma ne era insoddisfatto.

Vagheggiava un motore economico particolarmente adatto per la piccola industria, capace di rivaleggiare con quello a vapore.

Pervaso da una sorta di frenesia e misticismo, Diesel ne fece anche una questione sociale. Il motore ch’egli aveva in mente doveva servire in primo luogo ad affrancare l’operaio dalle operazioni più gravose.

Forte delle sue esperienze nel campo delle bassissime temperature partì dall’idea di sfruttare l’ammoniaca come fluido per un motore a vapore a ciclo chiuso.

L’obiettivo era di aumentare il rendimento rispetto a un motore a vapore convenzionale.

Pensava di riuscirvi elevando sensibilmente la temperatura durante la fase di espansione del ciclo.

Sebbene vi dedicasse ogni minuto del tempo libero e tutte le proprie risorse finanziarie non ebbe successo, ma le cognizioni acquisite in questa fallimentare esperienza costituirono la genesi del nuovo motore.

Nel 1892 in un manoscritto Diesel affermò che quale fosse il vapore (acqua o ammoniaca) era imperativo aumentarne la temperatura onde ottenere l’accensione spontanea del combustibile. Quando gettò le basi del suo motore Rudolf Diesel viveva a Berlino. 9

Il motore Diesel

Il primo brevetto Diesel è del 28 febbraio 1892. Reca il n. 67.207 e il titolo “Progetto e funzionamento di un motore a gas povero”.

L’inventore si preoccupò subito di trovare il modo di farlo costruire, ma il primo tentativo con la tedesca MAN andò male. Le difficoltà di esecuzione, cioè la mancanza di tecnologie di lavorazione adatte allo scopo non consentirono di passare alla fase pratica.

Temendo che il tempo volgesse a suo sfavore, Diesel raccolse in un libro, apparso nel 1893, le sue teorie esprimendo fra l’altro l’avviso che il suo motore fosse in grado di funzionare con qualsiasi combustibile, anche solido come il carbone, oltre che con i combustibili liquidi come gli oli minerali o vegetali, gassosi come l’acetilene o il gas di città o illuminante.

Il libro servì a chiarire molti dei dubbi che esistevano sull’invenzione di Diesel e a convincere la MAN che valeva la pena di affrontare la costruzione di quel motore, ma quando esso venne realizzato sollevò le critiche di alcuni scienziati fra i quali il francese Capitaine che accusò Diesel di aver fatto costruire un motore a petrolio e non uno a polvere di carbone, e che comunque non era riuscito a dimostrare nulla di nuovo.

Diesel si difese replicando che nel suo libro aveva espresso solo delle teorie.

Modifiche e correzioni erano, dunque, più che normali. La decisione della MAN e della Krupp, consorziatesi allo scopo, fu un primo passo di grande importanza, ma la gioia di Rudolf Diesel fu di breve durata. L’atto pratico della costruzione del primo motore (era alto tre metri e pesava più di due tonnellate) fu piena di contrattempi e di battute d’arresto.

Non era dotato, in effetti, di alcun sistema di raffreddamento. A mettere in moto il meccanismo provvedeva un motore a vapore posto di fianco. Le pressioni volute non poterono mai essere raggiunte a causa della precaria tenuta del pistone.

Si procedette così a singhiozzo facendo e disfacendo. Completato nel luglio del 1893, il primo motore, in pratica, non riuscì mai a funzionare o per pochissimo, in ogni caso con l’ausilio di una cinghia che faceva ruotare il grosso volano. 10

Il motore Diesel

L’enorme quantità di problemi, tuttavia, non intaccarono il principio su cui si fondava il motore di Diesel e cioè che una certa quantità di combustibile, iniettata alla fine della fase di compressione, poteva essere innescata dal calore generato dalla compressione.

L’insoddisfacente funzionamento del primo motore che provocò, tra l’altro, una violenta esplosione, non fece nascere alcun tentennamento nel geniale inventore il quale non si perse d’animo e pensò subito al modo di brevettarlo all’estero.

Ecco rappresentato l’enorme motore realizzato da Diesel nel 1893

Se i diritti di sfruttamento per la Germania erano stati ceduti alla MAN e alla Krupp, il resto del mondo gli apparteneva. Diesel raddoppiò i suoi sforzi, viaggiò da un capo all’altro dell’Europa, tenne conferenze, ebbe abboccamenti con industriali e governanti, ma a prezzo di un grande dispendio fisico. 11

Il motore Diesel

La prosecuzione dei test con il primo motore fu davvero frustrante, finché nel febbraio del 1894 si riuscì a farlo funzionare per un minuto intero a 88 giri/min. La potenza che se ne ricavò fu di 13,2 CV.

Nel 1896 venne posto allo studio un motore completamente nuovo; e l’anno seguente si ottennero dei risultati talmente soddisfacenti (potenza 17,8 CV a 154 g/min, rendimento del 26,2%) per cui venne deciso di fare una prova dimostrativa davanti a un osservatore neutrale. Ciò servì a confermare che Rudolf Diesel aveva concepito il più efficiente motore termico esistente, il cui rendimento era circa doppio rispetto a un motore a olio pesante del tempo (30%).

L’eco della raggiunta affidabilità ed efficienza del motore aveva varcato i confini e per Diesel iniziò un periodo di continue vendite di licenze a fabbriche motoristiche di tutto il mondo, dalla Deutz tedesca alla Watson & Varyan scozzese, fino agli Stati Uniti d’America ed il Canada con la Diesel Motor Company of America.