Il motore

 

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IL MOTORE

 

1° CAPITOLO: LE PARTI PRINCIPALI

Il motore è costituito da tre parti principali: monoblocco, testata, coppa dell’olio, albero motore, volano, pistoni, fasce elastiche, bronzine e valvole.
Il monoblocco, è la parte centrale del motore dove sono ricavati i cilindri dove si muovono all’interno con un movimento di salita e discesa i pistoni.
La testata, serve a chiudere la parte superiore dei cilindri e porta delle nicchie chiamate camere di combustione e dei fori per le valvole e a seconda se il motore è a scoppio o diesel porta dei fori centrali per le candele o iniettori.
La coppa dell’olio, contiene il lubrificante per oliare tutti gli organi del motore in movimento, in particolare le bronzine che sono poco resistenti all’attrito in caso di scarsa lubrificazione e quindi facilmente si possono bruciare.
L’albero motore, è posizionato alla base del monoblocco tramite dei ganci chiamati banchi rivestiti di una fascia di bronzina per una perfetta tenuta, e serve a trasformate il movimento alternato dei pistoni in moto rotatorio da trasmettere poi alle ruote motrici.
Il volano, è un grosso disco situato vicino all’albero motore è serve ad accumulare energia meccanica in fase attiva del motore per scaricarla nelle fasi passive, inoltre fa da appoggio per il disco della frizione e di innesto del motorino di avviamento.
I pistoni, scorrono all’interno dei cilindri e sono collegati all’albero motore tramite le bielle. Con il loro movimento alternato permettono di effettuare le fasi del motore, il loro punto più alto si chiama punto morto superiore, mentre quello più basso si chiama punto morto inferiore.
Le fasce elastiche, sono situate vicino al pistone per permettere allo stesso una buona tenuta all’interno del cilindro. Infatti, i pistoni rispetto ai cilindri sono leggermente più piccoli anche in previsione di una dilatazione termica che sono soggetti, quindi le fasce permettono di scivolare senza che si creino giochi. Abbiamo 2 tipi di fasce, quelle elastiche che servono appunto per la tenuta all’interno del cilindro e quella raschiaolio che permette all’olio presente nel cilindro di non salire sulla testa del pistone altrimenti il motore brucerebbe olio con la conseguenza di un fumo molto intenso do colore bianco che esce dal tubo di scarico, oltre ad una perdita di compressione che porterebbe il motore a non rendere oppure a spegnersi.
Le bronzine, sono situate tra la biella e l’albero motore (quelle chiamate di biella) e tra l’albero motore ed il monoblocco (quelle chiamate di banco), anch’esse  servono per la tenuta, altrimenti bruciandosi per effetto di una scarsa lubrificazione, il motore si potrebbe sbiellare e di conseguenza va fuori fase.
Le valvole, sono situate in ogni cilindro almeno 2 una di aspirazione ed una di scarico sono rivestite di una molla per il ritorno di chiusura.

2° CAPITOLO: LE FASI DEL MOTORE
In un motore a Scoppio le fasi sono: aspirazione, compressione, scoppio e scarico dove la fase attiva è quella di scoppio. Il motore a scoppio aspira e comprime una miscela di aria e benzina preparata dal carburatore. La miscela viene bruciata da una scintilla elettrica provocata da una candela.
Il motore Diesel le fasi sono: aspirazione, compressione, combustione e scarico dove la fase attiva è quella di combustione. Il motore diesel aspira e comprime solo aria. Il gasolio  viene bruciato tramite la forte compressione dell’aria che raggiunta una certa temperatura brucia il gasolio.

3° CAPITOLO: LA DISTRIBUZIONE
La distribuzione sono gli organi che permettono l’apertura delle valvole. Esistono due tipi di distribuzione quella classica con albero a camme posto nel basamento, e quella in testa con albero a camme posto in testa.
Nella distribuzione classica gli organi sono: cinghia di distribuzione, albero a camme, aste, bilanciere e valvole.
Nella distribuzione in testa gli organi sono: cinghia di distribuzione, albero a camme e valvole.
La cinghia di distribuzione serve a collegare l’albero a camme all’albero motore per girare trasmettendo poi il moto agli altri organi per far aprire le valvole che si richiudono con il ritorno delle molle.
Il gioco delle punterie è lo spazio che si lascia tra le valvole e l’albero a camme nella distribuzione in testa e tra le valvole ed il bilanciere nella distribuzione classica. Tale gioco serve per evitare che con il forte calore dilatandosi le valvole non si attacchino al bilanciere o albero a camme altrimenti le valvole rimarrebbero sempre aperte ed il motore perde di compressione.

4° CAPITOLO: IL RAFFREDDAMENTO
L’impianto di raffreddamento serve a mantenere il motore a temperatura costante, evitando il surriscaldamento. Quando l’acqua all’interno del motore raggiunge una certa temperatura ( circa 90 gradi ) si apre la valvola termostatica che permette di passare l’acqua dal motore al radiatore, dove tramite la ventola e l’aria esterna si raffredda e ritorna al motore tutto grazie alla pompa dell’acqua.
Nel caso non funzioni l’impianto di raffreddamento, l’alta temperatura fa bruciare la guarnizione della testata e nel caso più grave provoca il grippaggio dei pistoni, cioè che il pistone si ingrossa tanto da bloccarsi nel cilindro.

5° CAPITOLO: LA LUBRIFICAZIONE
La lubrificazione consiste nell’oliare tutti gli organi del motore in movimento per evitare forti attriti tra le parti del motore, in quanto gli organi stessi potrebbero bruciarsi e creare quindi seri rischi al motore. Maggiormente al rischio sono le bronzine in quanto sono meno resistenti al calore creando uno sbiellamento del motore stesso.
L’olio contenuto nella coppa viene pescato da una pompa, passo attraverso un filtro che lo purifica dalle impurità e poi attraverso gli intercapedini va ad oliare gli organi in movimento quali l’albero motore, bronzine, albero a camme, i cilindri e tutti gli organi della testata, ritornando infine nella coppa. La presenza di una valvola regolatrice di pressione permette di mantenere costante la pressione dell’olio indipendentemente dalla velocità del motore.

6° CAPITOLO: IMPIANTO ELETTRICO, ACCENSIONE A SPINTEROGENO
La batteria viene continuamente ricaricata dall’alternatore, fornendo corrente a bassa tensione, tramite la bobina la stessa viene trasformata in alta tensione, che poi tramite allo spinterogeno viene distribuita alle candele. Le candele sono costituite da due elettrodi che provocano una scintilla che permettere di accendere la miscela.

7° CAPITOLO: IL MOTORE DIESEL
Esistono due motori diesel: iniezione diretta, ed iniezione indiretta.
Il motore diesel ad iniezione diretta, l’iniettore spruzza il gasolio direttamente sulla testa del pistone, che è leggermente concava per ricavare la camera di combustione. Essendo un motore ad elevata compressione, l’aria viene subito riscaldata tramite la fase di compressione e il gasolio viene subito bruciato.
Il motore ad iniezione indiretta, l’iniettore spruzza il gasolio prima in una precamera dove all’interno è posta una candeletta che riscalda l’aria e poi viene spruzzato sul pistone che invece si presenta nel modo classico. Essendo un motore a bassa compressione, l’aria non raggiunge subito la temperatura ideale durante la fase di compressione e quindi la candeletta permette di portare l’aria a temperatura ideale per bruciare il gasolio.
L’iniettore è un corpo costituito da una molla tarata e da uno spillo a punta conica. Il gasolio tramite la pompa di iniezione entra nell’iniettore, la forte pressione dello stesso fa alzare lo spillo che libera i polverizzatori posti in basso, finita la pressione la spinta della molla fa scendere lo spillo che chiude i polverizzatori. Il gasolio che rimane nell’iniettore non nebulizzato viene riportato nel serbatoio tramite in tubo di recupero.
L’iniettore porta più polverizzatori se il motore è ad iniezione diretta, mentre porta un solo foro se ad iniezione indiretta.
Nel caso in cui l’iniettore non riesce a polverizzare bene il gasolio ( molla starata oppure lo spillo che non chiude bene ) si dice che gocciola provocando una in combustione del gasolio che determina la fuoriuscita dal tubo di scarico di fumo scuro.
8° CAPITOLO: POMPA DI INIEZIONE
La pompa di iniezione serve a mandare il gasolio a forte pressione agli iniettori.
Tramite una polpetta a/c il gasolio viene aspirato dal serbatoio e mandato ad un filtro il quale lo purifica dalle impurità ed entra nella pompa in un tubo chiamato pozzetto.
Premendo il pedale dell’acceleratore si comanda l’asta a cremagliera che fa ruotare i pompanti presenti nella pompa. Tramite un alberino a camme posto in basso, il pompante viene spinto e quindi si comprime il gasolio agli iniettori.
Nella pompa sono presenti tanti pompanti quando sono gli iniettori. Il pompante quindi grazie ai suoi due movimenti, rotazione dato dall’asta a cremagliera e di salita dato dall’alberino a camme permette il funzionamento della pompa di iniezione.
I pompanti sono costituiti da un pistoncino dentro ad un cilindretto, alla sua estremità porta due scanalature, una elicoidale che permette durante la fase di accelerazione di far passare il gasolio; ed uno verticale che quando si spegne il motore permette di chiudere il flusso di gasolio.
Alle due estremità della pompa sono situati due organi molto importanti: Autoregolatore di giri, Anticipo automatico.
L’autoregolatore di giri permette di regolare i giri del motore sia in fase di accelerazione per non farlo andare fuori giri, che in fase di decelerazione per non farlo spegnere.
Esso e composto da due masse centrifughe e da quattro molle, due per il massimo e due per il minimo. Quando si accelera, con l’aumentare dei giri le masse dell’autoregolatore si aprono grazie alla forza centrifuga che si crea, le molle permettono di spingere un po’ indietro l’asta a cremagliera per permettere di evitare che il motore vada fuori giri; durante la fase di decelerazione, le masse dell’autoregolatore si chiudono le molle spingono un po’ avanti l’asta a cremagliera permettendo al motore di inviare gasolio a sufficienza per non farlo spegnere.
L’anticipo automatico, serve invece ad anticipare la mandata di gasolio agli iniettori durante la fase di accelerazione in modo da garantire lo spruzzo del gasolio sempre quando il pistone si trova alla fine della fase di compressione. Questo perché quando si accelera, i pistoni vanno più veloci, la durata delle fasi si anticipa e quindi il gasolio deve essere mandato prima agli iniettori.
Esso è formato da due masse centrifughe, che quando si accelera si allargano, i perni dell’albero a camme scorrono nelle asole dei manicotti a traversino permettendo all’albero a camme stesso di girare prima e quindi di battere prima sotto ai pompanti e mandare prima il gasolio agli iniettori.
9° CAPITOLO: LE SOSPENSIONI
Le sospensioni servono ad assorbire gli urti dovuti al fondo stradale, ed assicurare una migliore aderenza dei pneumatici sul fondo stradale.
Esistono vari tipi di sospensioni: Balestra, molle elicoidali ed aria compressa ( pneumatiche ).
Le balestre sono formate da tante foglie metalliche poste una sull’altra collegate al telaio tramite dei perni flessibili chiamati biscottini. Su di esse sono posti degli ammortizzatori, che permettono di smorzare le sollecitazioni facendole gravare sulla balestra che allungandosi la scaricano a terra, grazie alle molle poste intorno all’ammortizzatore, esse ritornano e si bloccano permettendo di mantenere la tenuta di strada.
Quelle a molle elicoidali, sono poste prevalentemente per i veicoli leggeri ed hanno per sommi capi un funzionamento simile a quelle a balestra.
Per i mezzi pesanti di recente costruzione sono poste quelle ad aria compressa.
Sono formate da due livellatori collegati al telaio e con varie molle ( elipless ) che permettono di mantenere il telaio sempre parallelo al fondo stradale.
10° CAPITOLO: ORGANI DI DIREZIONE
Gli organi di direzione sono gli organi comandati dal conducente tramite il volante per dare la direzionalità al veicolo.
Quello classico è di tipo meccanico, dove tramite il volante si gira un piantone che è collegata alla scatola dello sterzo. Dentro di esso vi è una vite dentata che tramite un settore dentato trasmette il moto a dei fuselli che a loro volta permettono di girare le ruote anteriori.
Per agevolare la sterzata oggi è usato un sistema idraulico chiamato SERVOSTERZO.
Esso è composto da un serbatoio contenente olio, una pompa, un distributore posto sotto lo sterzo, ed un cilindro operatore.
Girando il volante, la pompa prende olio dal serbatoio e lo manda al distributore. Dal distributore l’olio passa nel cilindro operatore che a seconda della sterzata va o nella camera inferiore o superiore, l’olio che entra spinge lo stantuffo presente nel cilindro operatore il quale comprime olio presente nell’altra camera che ritorna al distributore e così facendo alleggerisce la sterzata.
11° CAPITOLO: ORGANI DI TRASMISSIONE
Gli organi di trasmissione permettono di trasmettere il moto dell’albero motore alle ruote motrici.
Essi sono: Frizione, cambio, 1° giunto, albero di trasmissione, 2° giunto, coppia conica, differenziale, semiassi.
La frizione si appoggia al volano e prende i giri dall’albero motore e li porta al cambio.
Il cambio serve a rapportare i giri dell’albero motore e l’albero di trasmissione. L’albero motore compie più giri rispetto all’albero di trasmissione; mettendo le marce più alte, il rapporto incomincia a diminuire fino a quando inserendo l’ultima marcia si dice che c’è la presa diretta cioè che l’albero motore e quello di trasmissione compiono gli stessi giri.
Il cambio è formato da 4 alberi: primario collegato all’albero motore, secondario collegato all’albero di trasmissione, ausiliario posto sotto e collegato all’albero primario, e alberino della retromarcia.
I giunti servono a dare elasticità all’albero di trasmissione in modo che non sia troppo rigido altrimenti si potrebbe spezzare, mentre l’albero di trasmissione trasmette i giri del motore alle ruote motrici.
La coppia conica sono due ingranaggi sempre in presa: pignone, corona.
Serve a rapportare i giri tra albero di trasmissione e le ruote motrici. Il rapporto di riduzione è in genere di 1:4, cioè che il pignone è di 4 volte più piccola della corona e quindi servono 4 giri del pignone per un giro di corona. Pertanto se si marcia a 4000 giri , le ruote motrici ne fanno solo 1000.
Il differenziale, serve invece a differire i giri delle ruote motrici nelle svolte, dove la ruota esterna rispetto a quella interna compie più giri per effetto di uno spazio di percorrenza maggiore. Esso è formato da due planetari posti alle estremità dei semiassi e da due satelliti posti sopra.
Il bloccaggio del differenziale consiste tramite ad un comando ad unire i due semiassi permettendo alle ruota motrici di compiere gli stessi giri. Ciò si rende necessario per dare al veicolo una maggiore aderenza soprattutto su fondi stradali sconnessi.
12° CAPITOLO: IMPIANTO FRENANTE
Su un autoveicolo vi sono tre sistemi frenanti: Freno di servizio, freno di soccorso, freno stazionamento.
Il freno di servizio è quello a pedale ed in genere su i mezzi pesanti è ad aria compressa;
Il freno di soccorso è sempre quello a pedale tramite la presenza nell’impianto di una valvola di protezione che permette di limitare la frenata solo su un asse isolando quello in avaria.
Il freno di stazionamento è invece quello a mano che tramite una leva si comandano dei tiranti che agendo su dei puntali allarga le ganasce dell’asse posteriore.
Il freno di servizio, come dicevamo è ad aria compressa. Esso è costituito da un compressore, un gruppo di regolazione e controllo, un serbatoio, un distributore ed elementi frenanti.
Il compressore serve a prendere aria dall’esterno tramite un filtro ed a comprimerlo al gruppo di regolazione e controllo. Esso è costituito da un filtro per la condensa e da tre valvole, una di ritenuta che serve a mandare l’aria nel serbatoio e non la fa uscire, una di scarico che serve a scaricare l’aria in eccesso che manda il compressore quando il serbatoio si è riempito, mentre la valvola di sicurezza entra in funzione solo se si dovesse rompere quella di scarico.
Quando si preme il pedale del freno si aziona il distributore che facendo scendere uno stantuffo apre una valvola di immissione che permette l’aria di arrivare agli elementi frenanti che tramite un soffietto, braccetti e perno ad oliva allarga le ganasce. Quando si solleva il pedale del freno, si chiude la valvola di immissione e si apre la valvola di scarico che permette di scaricare l’aria dagli elementi frenanti e tramite le molle le ganasce si richiudono.
Il freno misto Aria – olio è un sistema utilizzato su autoveicoli di media grandezza, esso è composto come quello ad aria compressa, con l’unica differenza che agendo sul pedale del freno, l’aria che esce dal serbatoio va a comprimere delle pompe d’olio che tramite dei pistoncini allarga le ganasce.
All’interno dell’impianto frenante sia per la motrice che per il rimorchio è presente un modulatore di frenata, che permette di regolare la pressione dell’aria da inviare agli elementi frenanti in base all’entità del carico posto sul veicolo stesso.
13° CAPITOLO: IMPIANTO FRENANTE RIMORCHI ( PER CAT. E )
Tramite un giunto di accoppiamento, si collegano i tubi dell’aria dalla motrice al rimorchio, uno Automatico, ed uno Moderabile. Questi tubi vanno nel Servo-Auto distributore, posto nel rimorchio composto da due camere, una Auto, dove va il tubo automatico che manda aria per riempire il serbatoio del rimorchio, una Servo, dove va quello moderabile che manda aria quando si frena.
Quando si preme il pedale del freno dalla motrice, attraverso il tubo moderabile arriva aria nella camera del servo, la pressione abbassa lo stantuffo del servo che apre una valvola di immissione che permette all’aria del serbatoio del rimorchio di arrivare agli elementi frenanti che tramite un soffietto, braccetti e perno ad oliva allarga le ganasce.
Se stacchiamo il rimorchio ( accidentalmente oppure voluto ), il rimorchio si blocca subito in quanto l’aria presente nella camera dell’auto si scarica, lo stantuffo dell’auto viene spinto dalla pressione dell’aria del serbatoio e quindi scende, a sua volta spinge lo stantuffo del servo che apre la valvola di immissione e succede quello detto precedentemente.
Per poter sfrenare il rimorchio è presente una rotella che girata permette di aprire una valvola di scarico e tramite le molle le ganasce si richiudono.
Quando il rimorchio viene staccato dalla motrice, deve essere stazionato tramite un freno di stazionamento meccanico, comandato da un ruotino posto dietro, che permette tramite dei tiranti di agire su due puntali che permette di allargare le ganasce posteriori, ed mettere sotto ogni ruota dei cunei.
14° CAPITOLO: RALLENTATORI – ABS
Per evitare il surriscaldamento dei freni per uso prolungato, esistono dei rallentatori da utilizzare in tutti quei casi dove non necessita l’arresto del veicolo, ma solo di rallentarlo ( es. discese, etc. ).
Esistono tre tipi di rallentatori: Freno Motore; Rallentatore Elettromagnetico; Rallentatore Idraulico.
Il Freno Motore, è composto da un comando posto nell’abitacolo, che azionato permette di chiudere una valvola a farfalla posta nel collettore di scarico permettendo ai gas di tornare indietro e di soffocare i pistoni, allo stesso tempo azionando l’asta a cremagliera la pompa di iniezione và a mandata nulla. Questo rallentatore va utilizzato non ripetutamente in quanto l’eccessiva pressione dei gas di scarico sui pistoni permetterebbe un eccessivo riscaldamento dei pistoni stessi e di tutti gli organi del motore.
Il Rallentatore Elettromagnetico, è composto da uno Statore posto vicino al telaio e da un Rotore mobile che gira insieme all’albero di trasmissione.
Azionando il comando presente nell’abitacolo si immette corrente nelle bobine elettriche presenti nello statore il quale eccitandosi provocano un campo elettromagnetico che permette di rallentare il rotore e quindi l’albero di trasmissione. A differenza del freno motore questo rallentatore può essere usato anche per più tempo in quanto non va a surriscaldare il motore.
Il Rallentatore Idraulico, è un dispositivo posto tra il cambio e l’albero di trasmissione. All’interno di esso vi sono due ventole una chiamata Rotore e l’altra chiamata Statore.
Il Rotore gira solidale all’albero di trasmissione, mentre lo Statore è fissato alla scatola del rallentatore. Azionando un comando presente nella cabina di guida, si spinge olio nella scatola dove il rotore girando proietta l’olio verso lo statore che essendo fermo esercita una azione frenante sul rotore stesso e di conseguenza sull’albero di trasmissione. La quantità di olio che viene mandato all’interno del rallentatore determina la spinta frenante.

ABS è un dispositivo che permette in caso di frenata di evitare il bloccaggio delle ruote, il quale hanno un graduale rallentamento fino a fermarsi completamente. Il vantaggio dell’abs è quello di garantire una maggiore tenuta di strada del veicolo in tutte le fasi in cui si frena.
Esso è composto da sensori posti su ogni ruota che quando avvertono che la ruota si sta per bloccare, mandano un impulso ad una centralina elettromagnetica che a sua volta agendo sulla pompa dei freni permette di ridurre la spinta frenante.

Fonte:http://web.tiscali.it/autoscuolapastena1/IL%20MOTORE.doc

 

 

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I motori

Prof. G. Pergher

Introduzione

 

Lavoro meccanico e potenza meccanica

La potenza di un motore è data dal lavoro prodotto nell'unità di tempo. Si compie lavoro (meccanico) (L, in Joule o J) quando una forza (F, in Newton o N) si sposta lungo la sua retta d'azione, compiendo un percorso s (in metri o m):

Ad esempio, il lavoro necessario per sollevare un peso di 30 kg (= 30 · 9,81 = 294 N) di 50 cm (= 0,5 m) è pari a 2940,5 = 147 N·m = 147 J.
La potenza (W, in Watt o W) è, come detto prima, il lavoro fatto nell'unità di tempo (t, in secondi o s):

Questa relazione equivale anche a:

dove v, m/s = velocità (di spostamento della forza).

Ad esempio, per trainare alla velocità di 5 km/h (= 5/3,6 = 1,39 m s-1) un aratro richiedente una forza di trazione di 15.000 N occorre una potenza W= 1,39 · 15.000 = 20.833 W = 20,8 kW.
Nel caso del moto rotatorio, occorre conoscere anche la di­stanza della forza dall'asse di ro­tazione, detta braccio (b, m) della forza. In una rotazione, la forza compie un percorso s (m):

Il tempo impiegato (t, s) è l'inverso del regi­me di rotazione (n, in giri/s o s-1):

Per cui la potenza risulta:

Il prodotto F·b si indica con M (in N·m) e si definisce momento (o coppia) della forza. Per cui:

Ad esempio, per azionare un'operatrice ri­chiedente una coppia motrice di 500 Nm al regime di rotazione di 540 giri/min (= 9 s-1), occorre una potenza = 2 · · 500 · 9 = 28.274 W = 28,3 kW.
Si ricorda che tutte le grandezze vanno espresse in unità di misura del S.I. (sistema inter­nazionale delle unità di misura). In qualche caso, può essere conveniente o inevitabile usare unità di misura tradizionali (ad esempio, chilogrammi peso o kgp invece dei Newton o N per esprimere una forza; km/h invece di m/s per una velocità; chilo­grammetri o kgm, ossia chilogrammi peso per me­tro, per una coppia); ma è sempre necessario tra­sformarle in unità di misura del S.I. prima di ese­guire i calcoli.
Per controllare il risultato, è opportuno ricor­dare che le stesse operazioni matematiche eseguite sulle misure delle grandezze fisiche in gioco (ossia sui numeri che le esprimono) valgono anche per le unità di misura. Ad esempio, nell'ultima equazione vista:

è anche vero che:
1 W = 1 N · m · s-1
Se M fosse espressa in kgm e n in giri/min, il risultato non sarebbe valido perché:
1 kgm · min-1  1 N
ma occorrerebbe prima fare le opportune tra­sformazioni per esprimere M in Nm e n in    s-1.

 

Energia, macchine e motori

Lo sviluppo della tecnica, e anche della tecnica agrico­la, è stato possibile grazie alla accresciuta dispo­nibilità di energia motrice, o meglio alla possibilità  di sfruttare le fonti energetiche naturali  per sco­pi produttivi.
Secondo la Fisica, l'energia è presente in natura sotto varie forme: muscolare, eolica, idraulica, elettrica, atomica, termica. Un tipo particolare è l'energia cinetica, posseduta da corpi in movimento.
La Fisica definisce inoltre una macchina co­me un dispositivo in grado di compiere un lavoro quando su di esso agiscono oppor­tune forze mo­trici, in grado di vincere le forze resistenti che si oppongono al funzionamento della macchina stes­sa.
In altre parole, l'azionamento di una macchi­na richiede energia, ma non solo: l'energia deve essere disponibile sotto forma di energia mecca­nica.
L'utilizzazione delle fonti energetiche pre­senti in natura presuppone quindi la disponibilità di macchine che trasformino l'energia naturale in energia meccanica; queste macchine si chia­mano motori, e prendono il nome dell'energia originaria (es. mo­tori termici, motori elettrici ecc.).
Si definisce rendimento di un motore il rapporto:

dove: Em = energia meccanica resa di­sponibile; E0 =  energia originaria utilizzata.

 

I motori endotermici

 

Generalità

E' noto dalla termodinamica che il calore può essere trasfor­mato in lavoro e viceversa, secondo la relazione che definisce l'equivalente meccanico del calore:
1 kcal = 4187 J
(o anche: 1 kWh = 860 kcal)
I motori termici sono costituiti da uno o più cilindri (Figura 1), al cui interno un fluido viene fatto riscal­dare e quindi espandere, provocando lo sposta­mento di un pistone e compiendo così  un la­voro meccanico. L'energia termica è fornita dalla com­bustione di opportune sostanze combustibili. Nei motori endotermici, che han­no soppiantato i motori esotermici (macchina a vapore), la combu­stione avviene all'interno del cilindro.

Caratteristico di un combustibile è il potere calorifico Hi, ossia la quantità di ca­lore che si sviluppa dalla combustione di 1 kg della sostanza. A seconda del ciclo di funzionamento, si di­stingue tra motori a ciclo Otto (o a scoppio)  e motori Diesel. Il motore a ciclo Otto utilizza benzina (Hi  44 MJ/kg; massa specifica = 0,72 ÷ 0,78 kg/l) che viene miscelata con l'aria nel carburatore; la mi­scela, introdotta nel cilindro, viene accesa median­te una scintilla provocata da una candela. Il motore diesel utilizza invece gasolio (Hi  43 MJ/kg; = 0,82-0,86 kg/l), che viene iniettato nel cilindro, accendendosi spontaneamente per effetto dell'alta temperatura e pressione dell'aria aspirata e compressa dal pistone.
Il ciclo di funzionamento dei motori endo­termici si compie in quattro fasi: aspirazione, com­pressione, espansione, scarico (Figura 2). L'accensione del combustibile avviene verso la fine della fase di compressione. Il ciclo si compie in due giri di ma­novella nei mo­tori a quattro tempi, e in un solo giro nei motori a due tempi (di impiego piuttosto limitato).

 

Rendimento di un motore endotermico

Un motore termico non è mai in grado di tra­sformare tutta l'energia termica in energia mecca­nica, in quanto si hanno perdi­te  di vario tipo. In un motore diesel, circa metà  delle perdite si verifi­ca attraverso i gas di scarico, che hanno elevata tempe­ratura e contengono sempre una certa frazio­ne di particelle in­combuste. Poiché il motore deve essere raffreddato, per non supe­rare certe tempera­ture e provocare il degrado dei materiali con cui è costruito, altra energia va inoltre persa con l'aria o ac­qua di raffreddamento (Figura 3).

 Si definisce rendimento termodinamico i il rapporto:

tra l'energia meccanica prodotta Ei e la quantità di calore prodotta dalla combustione Q0. In un diesel, i = 0,36 ÷ 0,40, in un motore a scoppio i = 0,28 ÷ 0,35.
­Una parte di Ei  viene a sua volta spesa negli attriti  fra le parti in movimento del motore, e per l'azionamento di organi accessori (impianto di raf­freddamento, lubrificazione, distribu­zione).
Si definisce rendimento meccanico del mo­tore m il rap­porto:

dove Em è l'energia disponibile all'albero motore.
In un mo­tore termico, m = 0,8 circa.
Il rendimento totale del motore tè dato al­lora da:

e vale in un diesel circa t = 0,28 ÷ 0,36.
Generalmente, il rendimento del motore è definito indiretta­mente attraverso il consumo specifico di combustibile (Cs, g/kWh), misurabile in prove al banco in base al rapporto:

dove: C, g/h = consumo orario di combustibile du­rante un certo periodo (t, h) di funzionamento; Wm, kW = potenza meccanica sviluppata dal motore.
Dalla definizione prima data di rendimento totale, si ricava ora:

da cui:

dove k è  una costante che vale k = 3600 (= 3,6 MJ/kWh ·1000 g/kg) se Cs è  espresso in g/kWh e Hi in MJ/kg.
Ad esempio, un motore diesel con un tdel 35 % ha un Cs pari a 3600/0,35/43 = 239 g/kWh.
Il motore diesel è preferito in agricoltura principalmente per il migliore rendimento. Inoltre, il gasolio costa meno ed è più facile da conservare, perché meno volatile, della benzina. Il motore a scoppio è invece preferito nella motorizzazione privata, tra l'altro, anche per il minore rapporto peso/potenza.
Nella Tabella 1 sono riportati i consumi speci­fici, i rendimen­ti ed il rapporto peso/potenza per alcuni tipi di motore.

Potenza di un motore endotermico

Si può dimostrare che la potenza di un motore endotermico è data da:

dove V è la cilindrata in m3, pme la pressione media effettiva all’interno del pistone in Pa, n il numero di giri in s-1.
L'equazione dice in sostanza che la potenza di un motore può  essere aumentata:
- aumentando la cilindrata (cilindri più grandi, più cilin­dri);
- aumentando la pressione media effettiva (aumento del rap­porto di compressione, migliore riempimento del cilindro, sovra­limentazione);
- aumentando il numero di giri.
Ad esempio, si abbia un motore diesel aspira­to con pme = 7 bar (= 700.000 Pa), V = 2500 cm3 (= 0,0025 m3), regime massimo n = 2400 n/min (= 40 s-1); la potenza massima sarà Wm = 700.000 · 0,0025 · 40 / 2 = 35.000 W = 35 kW.
Lo stesso motore sovralimentato (pme = 9 bar = 900.000 Pa) avrà invece potenza massima = 900.000 · 0,0025 · 40 / 2 = 45 kW.
La potenza specifica Wm/V risulta inoltre ri­spettivamente di 35/2,5 = 14 kW/l e 45/2,5 = 18 kW/l.
Nel motore diesel, si può agire invece solo limitatamente sul numero di giri, il cui valore massimo è limitato dal ritardo all'accensione e dal funzionamento della pompa di iniezione, in pratica a circa 2500 giri (nei motori a iniezione diretta).

 

Il motore diesel

 

Funzionamento

A causa dell'importanza del motore diesel in agricoltura, conviene esaminarne il funzionamento abbastanza dettagliatamente, accennando anche alle differenze principali rispetto al motore a scoppio.
Si è  detto che il gasolio viene iniettato all'in­terno della camera di combustione; per ottenerne l'accensione spontanea, occorre che l'aria all'in­terno del cilindro sia molto calda, il che si ottiene comprimendola fino a una pressione (alla fine della fase di com­pressione) di 30-35 bar. Nei diesel, il rapporto di compressione (rapporto fra il volume totale del cilindro, ossia cilindrata più camera di combustione, e il volume della camera di combu­stione stessa) è molto elevato (14-22, contro 6-11 nel motore a scoppio). Perché il gaso­lio si accenda e bruci completamente, occorre anche garantire una buona miscelazione con l'aria, distribuendolo il più possibile nella camera di combustione. Nonostante tutti gli accorgimenti, inizialmente il gasolio si accumula senza accendersi; quando si è abbastanza riscaldato, si accende quindi rapida­mente determinando un brusco salto di pressione (fino a 65-100 bar); perciò la pres­sione di funzio­namento degli iniettori deve essere molto elevata (100-500 bar). A causa di questo ritardo all'ac­censione, l'inie­zione viene regolata in anticipo sul punto morto superiore (PMS), in modo che il picco di pressione avvenga non dopo il PMS (ciò cause­rebbe un abbassamento del rendimento).

 

 

 

Per bruciare 1 kg di gasolio o di benzina oc­corrono circa 15 kg di aria; questo rapporto ste­chiometrico viene rispettato nel ciclo Otto, mentre nel ciclo diesel vi deve sempre essere un ec­cesso d'aria di almeno il 10 % per garantire una combu­stione com­pleta. La massa d'aria aspirata per giro del motore è costante, per cui ai bassi regimi (bassa iniezione) vi è sempre un forte eccesso d'aria e vi­ceversa; ai regimi elevati si può avere incom­pleta combustione (fumo nero e abbassamento del ren­dimento) se la quantità d'aria è insufficiente.

Se l'aria in aspirazione viene compressa (a 1,5 bar per le trattrici), è  possibile inviarne ai ci­lindri una maggiore quan­tità, e quindi inviare an­che più  gasolio aumentando la potenza specifica (kW/l di cilindrata; Tabella 2).
Questo procedimento è detto sovralimentazione e richiede una turbina per la compressio­ne dell'aria, azionata dai gas di sca­rico E' possibile sovrali­mentare ulteriormente il motore raffreddando l'aria con un radia­tore (intercooler) ed aumentandone così  la massa spe­cifica.
Il funzionamento teorico del ciclo Diesel può essere rappresentato in un diagramma pressione - volume (Figura 5).

 

In realtà, l'apertura e la chiusura delle valvole non sono istantanee. Pertanto, l'aspirazione avviene in leggera depressione, e così lo scarico avviene in leggera sovrapressione; in queste due fasi il motore compie un lavoro negativo (lavoro di pompaggio), corrispondente all'effetto di freno motore (Figura 4).

 

Naturalmente ciò comporta anche una diminuzione del rendimento, perché  non viene aspirata tutta l'aria che potrebbe entrare nel cilindro a pressione atmosferica: si definisce rendimento volumetrico v il rapporto fra il peso dell'aria aspirata e quella contenuta nel cilindro a pressione ambiente. Il rendimento diminuisce anche perché:
- con lo scarico, si elimina aria ancora molto calda (quindi carica di energia), e contenente una certa frazione di particelle incombuste;
- l'inizio dell'iniezione (o lo scoccare della scintilla) vengono regolati in modo che il picco di pressione prodotto dalla combustione si verifichi leggermente dopo il PMI, per evitare che si verifi­chi prima (con possibili contraccolpi sul motore): cioè si sposta volutamente il picco nella fase di espansione, ma in tal modo la curva risulta più bassa, e così pure il rendimento.

 

Tipi e caratteristiche

I motori dei trattori agricoli, nella quasi totalità, sono diesel veloci a 4 tempi, aspirati o sovralimentati (turbocompressi), ad iniezione diretta. In essi, cioè, il combustibile viene iniettato direttamente nel cilindro, al centro della camera di combustione ricavata sullo stantuffo (Figura 6).

Un motore a iniezione diretta consente importanti vantaggi:
- ridotti consumi specifici (motore più compatto con riduzione delle perdite di calore);
- migliore partenza a freddo;
- maggiore semplicità costruttiva
- minor costo.
I motori ad iniezione diretta impiegati per la trazione agricola presentano, di massima, in relazione soprattutto ad un campo di potenze comprese tra 30 e 130 kW, caratteristiche simili (Tabella 3).
Fra i motori diesel (a cilindri in linea) più tipicamente usati per la trazione agricola figurano quelli:
- a 3 cilindri;
- a 4 cilindri (Figura 7);
- a 4 cilindri turbo;

• a 6 cilindri turbo (Figura 8).

I motori vengono prodotti per famiglie secondo utilizzando elementi con la stessa cilindrata. Di seguito è riportata una classica famiglia di motori.

Famiglia	I/3			I/4				I/6
Modello	I.1	I.2	I.3	II.1	II.2	II.3	II.4	III.1	III.2	III.3	III.4
Turbo/ Intercooler	-	-	T	-	T	T	TI	T	T	TI	TI

Per i casi in tabella, assumendo un’unica cilindrata di 1,2 l e un regime di rotazione dell’ordine dei 2300 – 2500 gir/min, si realizzeranno macchine che passeranno da una potenza minima del modello I.1 di 40 kW a una massima del modello III.4 di 220 kW.
La cilindrata del motore è funzione del diametro del cilindro e della corsa dello stantuffo: il rapporto corsa/diametro diventa così un importante dato di progetto del motore.

Dati validi per motori aspirati. Motori sovralimentati: (1) 14- 17 : 1; (2) 15 - 25; (3) 10 - 18; (4) 3 - 8; (5) 195 - 230

 

I motori quadri (con rapporto corsa/diametro circa 1) presentano tutta una serie di vantaggi. Per le loro caratteristiche costruttive, i motori quadri sono più leggeri, generano meno vibrazioni, presentano minore usura delle pareti del cilindro, richiedono maggiori spazi per le valvole in testa al cilindro e, anche se raggiungono maggiori regimi di rotazione, hanno comunque un minor consumo specifico (motore più compatto e meno perdite termiche). L'attuale tendenza costruttiva di un motore diesel per la trazione agricola è di avere un regime di potenza massima intorno a 2500 giri/min (3000 giri/min solo per motori di piccola potenza spesso monocilindrici).
L'ottimale combustione della carica richiede sempre elevati quantitativi d'aria (ossigeno) nei cilindri ed una buona miscelazione aria/gasolio; per questo, la tendenza attuale è orientata:
- alla costruzione di condotti di aspirazione e camere di combustione in grado di assicurare elevata turbolenza dell'aria per una buona miscelazione del getto di gasolio;
- all'impiego di sistemi d'iniezione con un grado di polverizzazione idoneo;
- all'utilizzo della turbocompressione (che assicura i migliori eccessi d'aria) non solo per le alte potenze, ma anche nelle medie.
La ricerca attuale dei motori per autotrazione privilegia la messa a punto di motori ecologici caratterizzati da bassi consumi specifici, basse emissioni inquinanti e riduzione del rumore e delle vibrazioni.

Il motore è costituito da vari organi componenti:

• componenti interni:

-  basamento, testata e coppa dell'olio;
- stantuffi, bielle, albero a gomiti;
- organi della distribuzione;
- dispositivi equilibratori e smorzatori delle vibrazioni;
b) componenti esterni:
- sistema di alimentazione;
- sistema di lubrificazione;
- sistema di raffreddamento;
- sistema di avviamento.

 

Componenti interni

 

Basamento, testata, coppa dell'olio

Il basamento motore, in ghisa, costituisce il supporto nel quale sono sistemate le canne dei cilindri. Queste possono essere a secco o in umido, nel secondo caso separate da intercapedini nelle quali circola l'acqua di raffreddamento. Il basamento è chiuso superiormente dalla testata, anch'essa in ghisa, nella quale sono sistemati gli iniettori e le valvole di aspirazione e di scarico con i relativi bilancieri di comando. Nel caso di motori fino a quattro cilindri la testata è unica, mentre è quasi sempre doppia nei motori a sei cilindri (si ha cioè una testa ogni tre cilindri); tra di essa ed il gruppo cilindri è interposta una guarnizione di tenuta (ad evitare il passaggio dei gas prodotti dalla combustione, del liquido refrigerante e dell'olio lubrificante). Alla testata sono collegati i collettori di aspirazione dell'aria e di scarico dei gas, nonché il condotto di collegamento al radiatore dell'acqua. La coppa dell'olio, sempre di ghisa, chiude inferiormente il basamento e costituisce il serbatoio dell'olio di lubrificazione.

 

Stantuffi, bielle e albero a gomiti

Lo stantuffo (Figura 9), in lega d'alluminio, ha nella parte superiore, chiamata comunemente testa, la camera di combustione e nella parte inferiore, detta mantello, il foro per il perno di biella e le sedi per gli anelli elastici di tenuta e raschiaolio.
Normalmente si hanno, dall'alto verso il basso:
- uno o due anelli di tenuta;
- un anello a gradino, di tenuta e raschiaolio;
- un anello raschiaolio a feritoie.
La biella (Figura 9), di acciaio stampato, ha nella parte alta, detta piede, una o due boccole per l'articolazione con il perno dello stantuffo e nella base, detta testa e dotata di cappello per ragioni di montaggio, un cuscinetto a guscio sottile per l'articolazione con il perno di biella dell'albero motore; il fusto della biella ha sovente un foro longitudinale di lubrificazione del perno e dello stantuffo.

L'albero motore (Figura 10), di acciaio stampato, è sostenuto dai supporti di banco, il numero dei quali è in genere pari al numero dei cilindri più uno (si realizzano, però, motori a 4 e 6 cilindri anche con un numero inferiore di supporti di banco).

I perni dell'albero motore sono induriti superficialmente e levigati e ruotano su cuscinetti a strisciamento, costituiti da un guscio di acciaio ricoperto di una lega antifrizione dello spessore di qualche decimo di millimetro.

 

Organi della distribuzione

All'estremità posteriore dell'albero motore è montato il volano con la corona dentata per il motore elettrico di avviamento ed all'estremità anteriore sono applicati: l'ingranaggio per il comando della distribuzione, della pompa dell'olio e dell'eventuale equilibratore a masse controrotanti; la puleggia per l'azionamento, tramite una o due cinghie trapezoidali, della pompa acqua con ventilatore e del generatore elettrico.
Ogni motore, indipendentemente dal tipo di carburante, dal numero dei cilindri o dalla presenza del turbocompressore, presenta un grafico della distribuzione (Figura 11) ed ha una serie di ingranaggi, che interessano la distribuzione, marcati con i riferimenti necessari per la messa in fase (Figura 11).

L'albero della distribuzione, situato nel basamento, è di acciaio (o ghisa speciale) con le camme (eccentrici) indurite superficialmente per migliorarne la resistenza all'usura. Gli eccentrici azionano le valvole, tramite aste e bilancieri.
Le valvole hanno il fungo di diametro diverso per migliorare la combustione. Il diametro della valvola di uscita è più piccolo per ridurre la trasmissione del calore dai gas combusti alla valvola; quello della valvola d'ingresso è più grande per facilitare il riempimento del cilindro con l'aria: strozzatura minore presente nel circuito di aspirazione. La valvola di aspirazione è talvolta munita di un deflettore od opportunamente sagomata, con lo scopo di migliorare la turbolenza (Figura 13) dell'aria aspirata e quindi la combustione.

La tenuta tra valvola e sede è molto importante per il buon funzionamento del motore; quando questa viene meno si effettua la smerigliatura (rettifica delle valvole e delle sedi); queste ultime sono, talvolta, riportate (anello di ghisa). Quando le sedi valvole risultano eccessivamente consumate in seguito alle smerigliature, è possibile sostituirle con appositi anelli di ghisa.

 

Dispositivi equilibratori

L'albero motore, come qualsiasi organo in moto di rotazione, deve essere equilibrato staticamente e dinamicamente per non essere soggetto a sollecitazioni periodiche  che possono innescare vibrazioni dannose per la resistenza strutturale degli organi e per il comfort dell'operatore.
Nei motori a quattro cilindri in linea, le sollecitazioni centrifughe sono equilibrabili mediante un dispositivo a masse controrotanti  aventi velocità doppia di quella dell'albero motore (dispositivo equilibratore di Lanchester). Il dispositivo equilibratore a masse controrotanti è fissato alla parte inferiore del basamento motore.
Nel caso dei motori a 6 cilindri in linea non sussistono problemi di equilibratura alle forze e coppie d'inerzia, ma per il più lungo albero motore sono maggiormente temibili le vibrazioni torsionali  che, se in fase rispetto alle altre forze sollecitanti, possono portare alla rottura, per fatica, dell'albero motore. Le vibrazioni torsionali dell'albero nei motori a sei cilindri in linea sono controllate con un volano elastico smorzatore montato a livello della puleggia anteriore.

 

Componenti esterni

 

Sistema di alimentazione dell'aria

Il sistema di alimentazione dell'aria deve garantire un ottimale riempimento dei cilindri ad ogni regime e nello stesso tempo l'eliminazione della polvere, che può compromettere il funzionamento e la durata del motore; a questo scopo vengono installati i filtri.
Il filtro dell'aria deve possedere alcune caratteristiche primarie:
-   elevato rendimento nell'abbattimento delle polveri (l'aspirazione di polveri abrasive deteriora la tenuta del pistone in tempi molto rapidi);
-   bassa resistenza al passaggio dell'aria (per non diminuire il grado di riempimento dei cilindri);
-   sufficiente durata;
-   facilità di manutenzione.
Il filtro dell'aria può essere a bagno d'olio (Figura 14) o a secco (Figura 15) con cartucce rimpiazzabili e per aumentarne la durata è sempre previsto un prefiltro centrifugo a monte che può essere dotato di valvola per lo scarico automatico della polvere.

Lo scopo del prefiltro (Figura 16) è quello di eliminare le parti più grossolane, che altrimenti intaserebbero rapidamente il filtro vero e proprio. L'aria all'ingresso del prefiltro acquista un moto vorticoso e le particelle di polvere più pesanti sono centrifugate verso la parete esterna e lì intrappolate.Il prefiltro in genere viene montato il più possibile in alto ove sono presenti meno polveri. Di fondamentale importanza per la durata del motore (cilindri e anelli di tenuta) risulta l'accurata manutenzione del filtro e della tenuta dell'aria dei vari elementi costituenti il condotto di aspirazione (una tenuta difettosa consentirebbe al motore di aspirare aria non filtrata).
In base al diverso tipo di alimentazione dell'aria, i motori vengono suddivisi in due tipologie:
- motori aspirati;
- motori sovralimentati.
In questi ultimi viene utilizzato un compressore a turbina per incrementare il flusso dell'aria inviata alla combustione e, di conseguenza, le prestazioni del motore.
La necessità della sovralimentazione nei motori a pistoni (cioè l'incremento della quantità d'aria inviata nei cilindri) si è posta inizialmente soprattutto nei motori d'aereo per recuperare le perdite di potenza dovute alla quota.
Inizialmente i motori venivano sovralimentati con l'uso di compressori d'aria comandati direttamente dall'albero motore (cioè con mezzi meccanici) ma a partire dagli anni '50 è stata quasi esclusivamente adottata la sovralimentazione tramite turbina (cioè con compressore comandato da una turbina azionata dai gas di scarico del motore); questa evoluzione è stata permessa dalla messa a punto di materiali resistenti alle alte temperature (per le palette della turbina) e dal miglioramento degli olii lubrificanti (la velocità di rotazione dell'albero di un turbocompressore è nell'ordine dei 80/100 mila giri/min).

Il turbocompressore (Figura 17) è un gruppo meccanico costituito da due giranti, una per la turbina (azionata dai gas di scarico) e l'altra per il compressore (che aspira l'aria dal filtro  e la invia, in pressione, ai cilindri), calettate sullo stesso albero; il gruppo viene lubrificato e raffreddato dall'olio del motore circolante nella scatola centrale del supporto dei cuscinetti dell'albero delle due giranti. I gas di scarico generati dal motore azionano la prima girante e vengono, quindi, convogliati verso il silenziatore; la prima girante trasmette il suo moto rotatorio alla seconda girante che aspira l'aria proveniente dal filtro e la invia ai cilindri.
Maggiore è il regime di rotazione, maggiore è il volume dei gas di scarico prodotti, maggiore è il volume d'aria aspirato dal turbocompressore: per questo motivo sulla turbina, o sulla pompa di iniezione, è presente una valvola limitatrice che si apre qualora la pressione dell'aria aspirata sia troppo alta.
La velocità di rotazione della turbina, e quindi la pressione dell'aria nella mandata del compressore, è grosso modo proporzionale alla velocità del motore ed al corrispondente consumo orario.

Per compressione l'aria aumenta anche la sua temperatura e ciò fa sì che la quantità d'aria introdotta nei cilindri aumenta in minor proporzione rispetto all'aumento della pressione; per questo, in alcuni casi, l'aria all'uscita del compressore viene raffreddata con un opportuno scambiatore di calore (intercooler, Figura 18) prima di essere inviata ai cilindri.
Si definisce come rapporto di sovralimentazione il rapporto tra la pressione dell'aria fornita dal compressore e la pressione dell'aria ambiente proveniente dal collettore di aspirazione.
Come dati caratteristici di funzionamento dei turbocompressori installati sui trattori agricoli si possono indicare:
- velocità massima: 80 mila giri/min circa;
- rapporto di sovralimentazione massima: circa 1,8;
- temperatura massima dei gas di scarico all'entrata della turbina: 650 ºC circa;
- incremento di potenza rispetto alla versione a semplice aspirazione: 20-30%.

 

Sistema di alimentazione del combustibile

L'impianto di alimentazione (Figura 19) è caratteristico del motore die­sel ed è costituito da:
- serbatoio;
- pompa di alimentazione;
- filtri del combustibile;
- pompa di iniezione;
- valvole di mandata;
- regolatori;
- iniettori;
- portapolverizzatore.

La pompa di alimentazione aspira il gasolio dal serbatoio con una pressione di 1- 2 bar.Può essere a stantuffo (azionato dall'albero a camme della pompa di iniezione) oppure a membrana (azionata dall'albero della distribuzione): in entrambi i casi è dotata di dispositivo manuale per l'adescamento della pompa di iniezione.
Il filtro del combustibile (Figura 20), è essenziale per eliminare le impurità e l'acqua presenti nel carburante che possono compromettere il buon funzionamento del sistema di iniezione e del motore.
Le cartucce filtranti possono essere di tessuto o di carta: le prime lavabili, le seconde da sostituire periodicamente; taluni filtri doppi hanno il contenitore della prima cartuccia dotato di vaschetta trasparente che consente il controllo visivo del livello raggiunto dall'acqua e la sua rapida eliminazione. Ai fini della maggior durata della pompa di iniezione e degli iniettori, è di fondamentale importanza l'accurata manutenzione del filtro combustibile.
Per i motori diesel impiegati attualmente sui trattori la pompa d'iniezione può essere:
- in linea, ad elementi pompanti singoli, tanti quanti sono i cilindri del motore;

- rotativa, ad elemento pompante singolo e con distributore rotante per l'alimentazione dei vari cilindri del motore.
Più  diffusa è  la pompa di iniezione ad ele­menti in linea, costituiti da pistoncini a portata variabile, uno per cilindro (Figura 21). Essi sono azionati da eccentrici ed ingranano sull'asta di rego­lazione, mossa dal pedale dell'acceleratore. La portata della pompa viene variata facendo ruotare i pistoncini.

Nella pompa di iniezione rotativa, più semplice costruttivamente e meno costosa, vi è  invece un unico elemento pompante, con un distributore ro­tante che invia il gasolio attraverso apposite luci (una per ci­lindro; Figura 22).
Sulla pompa è montato anche il regolatore del numero di giri, di tipo pneumatico  (sensibile alla depressione nel condotto di aspirazione dell'aria) o a masse centrifughe (sensibili all'acce­lerazione centrifuga), che varia la quantità di ga­solio iniettato per evitare che il regime del motore scenda sotto un minimo o salga sopra un massimo definiti dal costruttore: il primo per il funziona­mento a vuoto, il secondo per impedire eccessive solleci­tazioni meccaniche. Inoltre è presente un variatore automatico dell'anticipo di iniezione, anch'esso del tipo a  masse centrifughe o idraulico.

Il gasolio giunge nel cilindro attraverso gli iniettori (Figura 24), che lo spruzzano finemente all'interno della camera di combustione.
Questa è  quasi sem­pre, nelle trattrici agricole, a iniezione di­retta, ca­ratterizzata rispetto al sistema ad iniezione indi­retta da:
-  camera molto raccolta, più o meno emisferi­ca; la dispersio­ne di calore è limitata ed il rendi­mento più alto;
-  è  necessaria però una pressione di iniezione elevata (150-  250 bar) e iniettori a più fori per mescolare adeguatamente il gasolio con l'aria;
-  la miscelazione è comunque meno efficace, per cui il salto di pressione è più forte ed il funzio­namento è più ruvido.
L'iniezione indiretta consente un migliore rimescolamento della miscela aria -  gasolio grazie al flusso d'aria tra la preca­mera e la camera di combustione (nei tipi a precamera), o grazie alla turbolenza dell'aria (nei tipi a camera di turbo­lenza), per cui la pressione di iniezione è anche più bassa. La combustione è più graduale e il funzio­namento è più dolce, il che la rende a­datta in campo automobilistico: tra l'altro, i tipi a turbo­lenza possono raggiungere regimi di rotazione molto elevati (fino a 4000 n/min) e quindi maggio­re potenza specifica. In ogni caso, il rendimento inferiore e la necessità di candelette per l'av­via­mento a freddo rende l'iniezione indiretta meno valida per ap­plicazioni industriali e agricole.

 

Impianto di raffreddamento

Durante la combustione, nel cilindro si rag­giungono, sia pure istantaneamente, temperature dell'ordine dei 2000 °C. I cilindri in ghisa possono sopportare fino a 350 °C, in quanto  a tempera­ture più  alte si deformano e si usurano: perciò  è  ne­cessario il raffreddamento del motore.
Figura 25 -  Impianto di raffreddamento ad aria.

Il raffreddamento ad aria (Figura 25) si ottiene applican­do una apposita alettatura  alle pareti dei cilindri, che cede calore all'aria mossa da una ventola (la velocità dell'aria deve essere almeno 50- 70 km/h). Costruttivamente semplice e poco soggetto a guasti, il raffreddamento ad aria consente un più rapido riscaldamento del motore all'avviamento ma è piut­tosto rumoroso.
Il raffreddamento ad acqua (Figura 26) si basa su un ra­diatore, all'in­terno del quale l'acqua viene raffred­data dal passaggio dell'a­ria, e da una pompa che la invia vicino ai cilindri.
Figura 26 -  Impianto di raffreddamento ad acqua

E' il sistema più diffuso, soprattutto per i motori di alta potenza, in quanto consente un più uniforme controllo della temperatura del motore (soprattutto nei motori in linea a più cilindri), una minore potenza assorbita dal sistema di raffreddamento, una minore sensibilità del sistema di raffreddamento alle condizioni ambientali. Il liquido refrigerante può essere costituito da acqua dolce, ma è preferibile utilizzare liquidi permanenti, che sono anticongelanti, antiossidanti, anticorrosivi e sono adatti per tutte le stagioni (e che vanno sostituiti come indicato dal costruttore).
Nei moderni trattori, l'impianto di raffreddamento a circolazione forzata è sotto pressione: il radiatore è, infatti, chiuso superiormente da un tappo dotato di una valvola di compressione e di una valvola di depressione. La valvola di compressione consente all'impianto di superare la pressione atmosferica (in genere di 0,5 bar): questo permette il funzionamento dell'impianto a temperature superiori a 100 °C senza che si abbia l'ebollizione del liquido di raffreddamento; la valvola di depressione, con il raffreddarsi del liquido ed il diminuire della tensione di vapore, consente l'entrata di aria nel circuito in modo da annullare la depressione interna.
Raffreddandosi il motore, il liquido rientra, attraverso la valvola di depressione, nel radiatore, che è così sempre pieno e privo di aria o vapore al suo interno; per permettere un immediato controllo del livello del liquido di raffreddamento, il vaso di espansione è costruito con materiali trasparenti.
Il radiatore è costituito da più file di tubetti verticali inseriti in una struttura di alette di raffreddamento orizzontali (che costituiscono la superficie radiante) e collegati alle vaschette superiore ed inferiore, che sono dotate di condotti di entrata ed uscita dell'acqua; alla vaschetta inferiore è, inoltre, applicato il rubinetto di scarico.
La pompa di circolazione dell'acqua è di tipo centrifugo e sul suo albero è montato il ventilatore  (aspirante, a quattro o sei pale disposte tra loro in modo asimmetrico per ridurne la rumorosità); sia la pompa che il ventilatore sono azionati dall'albero motore tramite cinghie trapezoidali. Recentemente sono commercializzati dei ventilatori con azionamento a giunto viscoso che variano la loro velocità di rotazione in funzione delle effettive necessità di raffreddamento del motore; il corpo del ventilatore comprende al suo interno una camera di lavoro ed una camera di alimentazione del fluido viscoso (silicone) che comunicano tramite un foro di ingresso a controllo termostatico e dei fori di uscita periferici; all'interno della camera di lavoro è presente un disco conduttore che, in funzione della quantità di fluido viscoso presente, trascina la ventola a velocità diverse.
Il termostato è montato sulla testa o a lato della stessa, sulla mandata della pompa dell'acqua e funziona automaticamente (la sua valvola si apre quando il liquido raggiunge i 75-85 °C e si chiude quando il liquido raggiunge i 85-95 °C).

 

Impianto di lubrificazione

La lubrificazione  ha lo scopo di ri­durre l'usura e il riscaldamento delle parti in mo­vimento a contatto (cuscinetti, perni, pistoni e cilindri ecc.). L'olio non può superare di norma i 70- 110 °C; il raffreddamento dell'olio è sufficiente se la cop­pa dell'olio è abbastanza grande, altri­menti occorre un radia­tore supplementare. Inoltre l'olio deve essere filtrato per eli­minare particelle che usurerebbero il motore (filtri in carta so­stitui­bili).
L'olio è caratterizzato dalla viscosità, espressa dalla gradazione SAE (Society of Automotive Engineers) basata sulla viscosità. Gli oli multigradi variano poco la loro viscosità al variare della temperatura, per cui possono essere usati tutto l'anno. Si distin­guono:
-  oli da motore, resistenti alle alte temperatu­re, hanno a­zione protettiva contro la corrosione e devono bruciare senza la­sciare residui; SAE 5 - 20 W (inverno) o 20 - 50 W (estate) o 20/40 W (multigrade, adatti cioè a funzionare in un campo esteso di temperature);
-  oli da cambio, che devono soprattutto sop­portare le forti pressioni che si sviluppano tra gli ingranaggi; SAE da 75 W a 250 W.
Sono sempre presenti additivi: detergenti, di­sperdenti,  an­tiossidanti, anticorrosivi, antiruggine, estrema pressione ecc.
Attualmente, per i motori di media e grande potenza la lubrificazione è sempre forzata, mediante pompa di alimentazione a ingranaggi; la pressione di lubrificazione è 3-4 bar ed è regolata da una valvola, talvolta incorporata nella pompa dell'olio, ed indicata da un manometro la cui scala evidenzia il valore minimo, sotto il quale il motore non deve funzionare (in luogo del manometro vi può essere una spia luminosa che si accende quando la pressione dell'olio scende sotto il suddetto valore minimo): il livello dell'olio motore è controllabile per mezzo di un'asta sulla quale sono indicati i livelli minimo e massimo prescritti.
La pompa ad ingranaggi è azionata dall'albero motore o dall'albero della distribuzione; quando la forma della coppa lo richiede, è, inoltre, prevista una pompa olio ad ingranaggi (detta di recupero), che travasa il lubrificante in corrispondenza della pompa olio quando il trattore lavora su forte pendenza (la pompa di lubrificazione vera e propria e quella di recupero possono essere riunite in un unico corpo o separate, ma sono entrambe munite di filtro a rete sull'aspirazione).
In alcuni casi  il circuito di lubrificazione può prevedere uno scambiatore di calore che permette di raffreddare l'olio sfruttando l'acqua derivata dal circuito di raffreddamento del motore.
Un filtro a cartuccia ricambiabile (o un filtro a doppia filtrazione) è inserito in serie al circuito in modo da filtrare tutto l'olio erogato dalla pompa prima che questo arrivi agli organi da lubrificare; sul filtro è inserita una valvola di sovrappressione che lo esclude quando questo, intasato dalle impurità, offre una resistenza eccessiva al passaggio dell'olio: in tal modo il motore risulta egualmente lubrificato sia pure con olio non filtrato.

 

Avviamento

Il motore elettrico di avviamento del motore diesel è generalmente flangiato alla scatola della frizione ed il suo pignone, scorrendo assialmente, ingrana con una corona dentata fissata al volano. Si possono avere due tipi di motori elettrici d'avviamento:
- ad indotto succhiato (Figura 27);
- a comando elettromagnetico dell'innesto.

Il comando del motore di avviamento è, generalmente, controllato dalla chiave e, talvolta, è anche previsto un dispositivo di sicurezza che impedisce l'avviamento del motore diesel se il cambio di velocità non si trova in posizione di "folle".
Per i climi rigidi sono previsti dei dispositivi ausiliari da applicare al motore per facilitarne l'avviamento a freddo; fra questi, i più diffusi sono:
- il termoavviatore (thermostart);
- la candela di preriscaldamento;
- il polverizzatore a bombola (start-pilot).

Nel primo tipo (Figura 28) il combustibile proveniente da un piccolo serbatoio giunge ad una candeletta elettrica (applicata al collettore di aspirazione) che lo vaporizza ed incendia, riscaldando l'aria aspirata e facilitando così l'avviamento del motore diesel; il secondo tipo consiste in una resistenza elettrica, applicata all'interno del collettore di aspirazione, atta a riscaldare l'aria contenuta nel collettore stesso; nel terzo tipo, una bombola di combustibile ad elevata volatilità alimenta un polverizzatore applicato al collettore d'aspirazione: il combustibile nebulizzato viene aspirato dai cilindri, ove brucia agevolando l'avviamento del motore.

Curve caratteristiche del motore

Le curve caratteristiche del motore descrivo­no l'andamento della potenza W (kW), della coppia M (Nm) e del consumo specifico Cs(g/kWh) in funzione del regime di rotazione n (generalmente e­spresso in giri al minuto o min- 1).
Vengono rilevate con apposite prove al banco, svolte secondo specifiche normative ufficiali (SAE, americane; DIN, tedesche; BS, inglesi; IGM/CUNA, italiane), che peraltro prevedono condizioni di prova diverse (Tabella 4), soprattutto per quanto riguarda la presenza o meno di determinati accessori. In pratica, per quanto riguarda la potenza massima (o la potenza nominale) del motore si possono ad esempio avere valori differenti anche del 15% fra la potenza DIN (più bassa) e la potenza SAE (più alta).
Tabella 4 - Condizioni di prova dei motori per alcune normative internazionali.

NORME DI PROVA	ventilatore e radiatore	filtro aria	scarico	temperatura °C	Pressione mm Hg	altitudine m s.l.m.
DIN70020	sì	sì	sì	20	760	0
DIN6270	sì	no	no	20	736	150
IGM/CUNA	sì	sì	sì	15	760	0
BS	no	sì	sì	29.4	736	150
SAE: net	sì	sì	sì	29.4	736	150
SAE: gross	no	a richiesta	no	29.4	736	150

Durante la prova, si applica all'albero motore una coppia resistente median­te freni dinamome­trici; si tratta solitamente di una dinamo fun­zio­nante al contrario, cioè si applica una differenza di poten­ziale che crea un momento resistente al moto del rotore. Si rile­va quindi il regime di rotazione del motore per tutto il campo di variazione della coppia. Si rileva inoltre il consumo orario di com­bustibile C (g/h). La prova viene fatta di solito solo a piena regolazione, ossia regolando al massimo l'iniezione. La potenza viene calcolata con la rela­zione:

oppure, se n è espresso in min- 1:

Il consumo specifico si calcola dividendo il consumo orario per la potenza:

In Figura 29 si osserva come n vari da nmin (minimo) a nmax (massimo) determinati dal regola­tore del numero di giri. M ha andamento dapprima crescente, poi discendente. La potenza Wm cresce costantemente, ma con andamento meno pronun­ciato via via che la coppia si abbassa. Per tale mo­tivo, in alcuni motori si può avere che la potenza massima  Wmax e la potenza a regime massimo Wnmax non coincidano, la ma prima si verifica per un regime leggermente inferiore al massimo.

Per n > nMmax, il motore è in grado di sop­portare una coppia resistente variabile, variando in senso inverso il proprio regime; in questo campo si dice che il motore è elastico. Per n < nMmax, ciò non si verifica e il motore tende a spegnersi se sot­toposto a una coppia resi­stente crescente.
L'elasticità del motore è un requisito molto importante sia per l'avanzamento (variazione della resistenza all'avanzamento o della pendenza), sia per l'azionamento di operatrici (variabilità della coppia resistente ad esempio in una trinciatrice, in un a­ratro ecc.). L'elasticità si esprime di solito co­me riserva di coppia :

e si considera accettabile se 15 %. Questa caratteristica è ri­cercata in agricoltura, il che si ottiene limitando il diametro dei condotti di aspi­razione in modo che il rendimento diminuisca agli alti regimi. Ciò comporta però un abbassamento della Wmax a parità di cilindrata, ossia maggiori costi costruttivi.
Il regime di minimo Cs, ossia anche di mas­simo rendimento, è di poco superiore al nMmax. Questa è la condizione ottimale di funzionamento se la coppia resistente è poco variabile, oppure se non è richiesta tutta la potenza del motore (in ge­nerale, per l'azionamento di tutte le operatrici che non richiedono molta potenza). Se invece la coppia resistente è variabile (aratura, trinciatura ecc.) conviene lavorare vicino a nWmax per disporre di sufficiente elasticità. Va notato, peraltro, che in tutte le operazioni che richiedono molta potenza (appunto l'aratura, la trinciatura ecc.) è comunque inevitabile lavorare a regime massimo, per poter sfruttare tutta la potenza del motore.

Il funzionamento di un motore varia in funzione del carico applicato ed in base alle sue curve caratteristiche.

Con motore a tutta manetta e carico relativamente basso, ad esempio in discesa (Figura 30), la coppia è minima, la potenza è al di sotto del massimo ed i consumi sono elevati (il motore non va "su di giri" perché l'alimentazione è "tagliata" dal regolatore).
Con motore a tutta manetta, alla prima resistenza, ad esempio al termine della discesa (Figura 31), il carico aumenta ed il regime di rotazione del motore cala e scende al regime di potenza massima (2.500 giri/min); la pressione all'interno dei cilindri, invece, aumenta rapidamente per il maggior carico (maggiore resistenza) da vincere e per la maggiore introduzione automatica di combustibile dovuta al regolatore a masse centrifughe inglobato nella pompa di iniezione: la coppia motrice erogata dall'albero a gomiti si porta così a valori più elevati (fino a 230 Nm).
Superato il punto di potenza massima i successivi aumenti di coppia, in risposta alla progressiva resistenza incontrata (in salita, Figura 32; in forte salita, Figura 33), non sono più in grado di compensare la riduzione del regime e la potenza lentamente decresce.

Superato il regime di coppia massima (1.500 giri/min), il motore non è più in grado di far fronte alla grande resistenza e tende ad arrestarsi: prima di questo punto occorre cambiare marcia,  altrimenti il motore si spegne.
Un motore elastico ha un buon incremento di coppia (oltre il 20%) ed un elevato campo di utilizzo (oltre 800 giri/min) che consentono di affrontare resistenze improvvise, anche di una certa entità, senza dover cambiare marcia.
Va rilevato ancora che la condizione di im­piego a piena regolazione è teorica, perché in real­tà si lavora quasi sempre a regolazione parziale. Mentre il Cs varia poco, a piena regolazione, in funzione di n, esso varia molto di più in funzione del grado di carico del motore, ossia del rapporto W / Wmax, ri­sultando partico­larmente elevato nei lavori a basso n e bassa M (tipicamente, i trasporti o operazioni colturali leggere). Si veda, a questo proposito, in (Figura 34), che riporta le curve di isoconsumo a carico variabile. Le curve in grassetto rappresentano le curve della coppia: a piena regolazione, quella su­periore; al minimo; quella inferiore; fra le due curve, si potrebbero disegnare infinite altre curve di coppia a regolazione parziale (non rappresen­tate).

Se ne deduce che, considerando l'intero campo di funzionamento del motore, indipenden­temente dal carico:
-  il massimo rendimento si verifica in un punto molto vicino a quello precedentemente indi­viduato sulla curva di piena regolazione, ma non coincide con esso anzi si verifica per un grado di carico dell'ordine del 75 %;
-  il rendimento si mantiene elevato a quasi tutti i regimi, purché la coppia sia elevata (almeno il 70 % di Mmax);
-  il consumo specifico è molto alto per coppie basse e regimi elevati (lavori leggeri ad alta veloci­tà, tipicamente i trasferimenti).

 

Evoluzione nei paesi sviluppati

Incremento considerevole della potenza

4 cilindri dominati fino agli anni ‘70

I motori turbocompressi diventano molto importanti in quanto consentono maggiori potenze specifiche, minori emissioni, e migliori perstazioni alle alte altitudini

Il regime di rotazione si è innalzato fino agli anni ’70 per realizzari motori a maggiore potenza specifica, ma da allora non ha più avuto grossi incrementi (restando attori ai 2000-2500 giri/min) per limitare la rumorosità e contenere i consumi

Il consumo specifico minimo è sceso. I migliori modelli hanno Cs > 200 g/kWh

Il riscaldamento della cabina è realizzato utilizzando le perdite di calore del motore

I motori con un’elevata riserva di coppia sono diventati popolari

La munutenzione è stata semplificata

La vita utile si è innalzata per le macchine professionali a circa 6000 ore per il 90% della popolazione di motori

I motori a raffreddamento ad acqua hanno preso sempre più fette di mercato, anche grazie all’innalzamento della potenza

I controlli elettronici della iniezione e un innalzamento della pressione fino sopra i 100 Mpa sono stati conseguiti a partire dagli anni ‘90

Il controllo delle emissioni è diventato molto importante

 

 

Fonte: http://amaltea.vete.unimi.it/docenti/lazzari/MecAgr/motrici/Motore.doc

 

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