8 AUTOTRAZIONE - mcurie.edu.it

8

AUTOTRAZIONE

8.1.1 Introduzione

Principio di funzionamentoUn motore termico è una macchina che effettua la

conversione di energia termica (calore) in energia mec-canica (lavoro) seguendo una trasformazione ciclica,ovvero descrivendo un ciclo termodinamico. Il rendi-mento h�L�Q del motore termico, rapporto tra lavoroprodotto L e calore fornito Q, risulta piuttosto basso: peresempio, nel caso di una turbina a gas per generazionedi energia elettrica, il rendimento può aggirarsi attornoal 34%; l’energia inutilizzata è pertanto pari al 66%, cioèquasi il doppio del lavoro prodotto; inoltre tale energiaviene dispersa nell’ambiente, mentre andrebbe recupe-rata, sia per motivi di risparmio energetico, sia per ragio-ni di salvaguardia ecologica.

Si ricorda, al riguardo, che il secondo principio del-la termodinamica pone come limite del rendimento diun motore termico il rendimento del ciclo di Carnothmax�1�Ti�Ts (due isoterme e due adiabatiche isen-tropiche; Ts è la temperatura superiore cui viene fornitoil calore, Ti è la temperatura inferiore cui viene ceduto ilcalore; entrambe le temperature sono espresse in kelvin);ciò significa che un motore termico non può comunqueconvertire in lavoro tutta l’energia termica che gli è statafornita. Si aggiunga che, a differenza di quanto avvieneper il ciclo di Carnot che è un ciclo ideale chiuso (cioè,descritto sempre dallo stesso fluido), in un motore a com-bustione interna il fluido in evoluzione, dopo una seriedi trasformazioni, viene restituito all’ambiente sottoforma di gas di scarico risultanti dalla combustione dellamiscela aria – combustibile; si parla in tal caso di cicloreale aperto.

Il motore alternativo a combustione interna, in par-ticolare, è un motore termico a combustione interna chefornisce lavoro a un albero attraverso la combustionediscontinua del combustibile in una camera di lavoro(cilindro), il cui volume viene fatto variare per mezzo

del moto di uno stantuffo, o pistone; il pistone scorreall’interno di un cilindro chiuso superiormente da unatestata, o testa; l’energia liberata dalla combustione delfluido di lavoro, consistente in aria a cui viene aggiuntoil combustibile, viene ceduta al pistone, il cui moto alter-nativo viene convertito, attraverso il meccanismo biel-la-manovella (fig. 1), nel moto rotatorio dell’albero moto-re, che è l’organo da cui viene prelevato il lavoro pro-dotto. La combustione avviene all’interno del fluidomotore e quindi il fluido, una volta combusto, deve veni-re rinnovato attraverso un apparato di distribuzione (val-vole e/o luci) capace di ricambiare periodicamente il flui-do motore.

A seconda di come viene innescata la combustioneallorché il pistone è prossimo alla testa del cilindro, siparla di motori ad accensione comandata e di motori ad

673VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ

8.1

Motori alternativia combustione interna

l

c

r

sp

Vc

V

PMS

PMI

PMS

PMI

c�2r

D

q

fig. 1. Manovellismo ordinario centrato.

accensione per compressione: nei motori ad accensionecomandata l’accensione della carica aria-combustibileavviene grazie a una scintilla che, all’istante voluto, vienefatta scoccare fra due elettrodi; invece nei motori adaccensione per compressione si raggiungono nel cilin-dro pressioni e temperature talmente elevate da renderepossibile l’accensione spontanea del combustibile iniet-tato nella camera di combustione. Solitamente i motoriad accensione comandata aspirano all’interno del cilin-dro aria e combustibile, già miscelati fra loro, mentre neimotori ad accensione per compressione il combustibileviene iniettato nel cilindro pochi istanti prima che avven-ga la combustione. Un’altra differenza sostanziale fra idue tipi di motori è insita nella soluzione adottata per laregolazione della potenza del motore: mentre nei moto-ri ad accensione per compressione la potenza all’alberoviene fatta variare agendo sulla quantità di combustibi-le iniettato, nei motori ad accensione comandata, doveil rapporto fra aria e combustibile rimane praticamentecostante, esiste, nel condotto di aspirazione, una valvo-la (valvola a farfalla) a chiusura graduale che parzializ-za la miscela dando luogo a un minor riempimento deicilindri e quindi a un minor lavoro.

Il fatto che la combustione si realizzi all’interno delcilindro porta da una parte a semplificazioni dovute all’as-senza di scambiatori di calore, con il vantaggio di mino-ri fonti di perdite, e dall’altra a limitazioni nella sceltadei combustibili, che non possono essere solidi e devo-no avere requisiti tali da realizzare la combustione neimodi e nei tempi voluti: i combustibili generalmente uti-lizzati sono la benzina nei motori ad accensione coman-data e il gasolio in quelli ad accensione per compres-sione; non mancano inoltre complicazioni legate allanecessità di rinnovo del fluido di lavoro. Tuttavia neimotori alternativi la combustione può avvenire a tem-perature molto alte, perché di breve durata e perché lepareti del cilindro vengono raffreddate, oltre che da unapposito circuito (v. par. 8.1.2), dal nuovo fluido entra-to; pertanto, quelle che potrebbero sembrare esigenzeestremamente severe rappresentano al contrario le con-dizioni indispensabili perché questo tipo di macchinapossa raggiungere rendimenti estremamente elevati, eciò è tanto più rilevante se si pensa che questi rendimentipossono essere raggiunti anche da motori aventi poten-ze modeste.

Parametri geometrici e cinematiciVengono riportati anzitutto i parametri che caratte-

rizzano la geometria di un motore alternativo (v. anco-ra fig.1).

Punto Morto Superiore (PMS). Punto in cui il pisto-ne si trova più vicino alla testa del cilindro.

Punto Morto Inferiore (PMI). Punto in cui il pistonesi trova più lontano dalla testata che chiude superior-mente il cilindro.

Alesaggio D. Diametro interno del cilindro in cuiscorre il pistone.

Corsa c. Distanza percorsa dal pistone tra le posi-zioni di PMS e PMI; la corsa è uguale al doppio del rag-gio r della manovella c�2r.

Rapporto fra corsa c del pistone e alesaggio D delcilindro c/D (oppure il reciproco D/c). Valori tipici delrapporto D�c variano da 0,25 per i grandi motori marinilenti, a circa 1 per i motori di dimensioni piccole e medie,fino a 1,4 nei motori più piccoli per motocicli.

Rapporto L. Rapporto fra raggio della manovella elunghezza della biella (L�r�l); oppure il suo reciprocol�r). Valori tipici del rapporto l�r variano da 3-4 nei moto-ri di dimensioni piccole e medie fino a 6-9 nei grandimotori marini lenti.

Cilindrata unitaria V. Volume individuato dal pisto-ne durante la corsa all’interno del cilindro; la cilindrataunitaria è uguale al prodotto della sezione trasversale delcilindro Ap�(pD2)�4 per la corsa c:

pD2V �ApC �144244 c

4

Cilindrata totale Vt. Cilindrata unitaria moltiplicataper il numero z di cilindri del motore Vt�zV; nel casodi un motore monocilindrico, la cilindrata unitaria coin-cide con la cilindrata totale. La cilindrata totale, o piùsemplicemente cilindrata, viene indicata con V allorchénon esiste la possibilità di confonderla con la cilindrataunitaria.

Rapporto di compressione e. Rapporto tra il valoremassimo del volume del cilindro (pistone al PMI) e ilvalore minimo del volume del cilindro (pistone al PMS),detto volume di spazio morto Vc. Valori tipici del rap-porto di compressione sono compresi tra 8 e 12 per moto-ri ad accensione comandata, tra 16 e 22 per motori adaccensione per compressione:

e �(V �Vc)�Vc�1�V�Vc

Vengono di seguito riportati i parametri che caratte-rizzano la cinematica di un motore alternativo.

Velocità di rotazione w dell’albero motore. Velocitàproporzionale al numero di giri n compiuti nell’unità ditempo, secondo la: w�2pn.

Angolo di manovella ÿ. Angolo descritto dalla rota-zione della manovella a partire dalla posizione di PMS;è funzione della velocità angolare w e del tempo t:w�2pn; ÿ�wt�2pnt

Frequenza di ciclo. Parametro che tiene conto, median-te un fattore K, del fatto che il ciclo di lavoro si può com-piere in uno o più giri dell’albero motore; K è uguale a1 per i motori a due tempi (un tempo equivale a una corsadel pistone) che compiono un ciclo utile in un solo girodell’albero motore ed è uguale a 2 per motori a quattrotempi che richiedono due giri dell’albero motore percompletare il ciclo: frequenza di ciclo�n�K.

674 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI

AUTOTRAZIONE

Spostamento del pistone sp. Spazio percorso a parti-re dalla posizione di PMS; può essere espresso in fun-zione della corsa c, del rapporto L e dell’angolo di mano-vella ÿ:

11413133

sp� (l�r) �(rcos��l2�r2sen2�) �

1111333c 1 1�23 �1�23�cos��23 �1�L2sen2��2 L L

Velocità media del pistone vm. Velocità media delpistone in un giro completo di albero motore, durante ilquale il pistone stesso percorre uno spazio pari a duevolte la corsa c; dalla velocità dipendono diversi feno-meni che caratterizzano il comportamento del motore:le perdite fluidodinamiche nel processo di sostituzionedel fluido motore nel cilindro, le forze di inerzia agentisulle diverse parti del motore, le perdite di energia lega-te al flusso di calore verso il sistema di raffreddamento;il valore di vm è compreso tra 7 m/s (motori marini lenti)e 18 m�s (motori ad accensione comandata per vetture);si ha, vm�2cn.

PrestazioniLe prestazioni di un motore vengono misurate mon-

tandolo in un apposito banco e collegandolo a un frenodinamometrico in grado di assorbire e dissipare l’ener-gia meccanica prodotta, simulando il comportamentodell’utilizzatore, che può essere un mezzo di trasporto,un generatore elettrico, una macchina operatrice, ecc. Ilfreno misura il momento torcente o coppia motrice effet-tiva M resa disponibile all’albero in uscita dal motore.La potenza effettiva (utile) P del motore è data dal pro-dotto della coppia M per la velocità angolare w rilevatanelle condizioni di prova: P�wM�2pnM.

Di particolare interesse è il valore della densità di poten-za, rapporto tra potenza utile P e cilindrata V, che è aumen-tato con l’evoluzione dei motori alternativi (downsizing)verso valori più elevati, favorendo al tempo stesso la ridu-zione del consumo di combustibile e delle emissioni.

Parallelamente alle misure di coppia e potenza effet-tuate al banco, si possono rilevare i valori della pressio-ne p del gas nel cilindro, mediante un trasduttore di pres-sione affacciato sulla parete della camera di combustio-ne, e il corrispondente volume istantaneo V disponibilenel cilindro per il fluido di lavoro funzione dell’angolodi manovella ÿ e dei parametri geometrici r e L (cfr. larelazione che definisce lo spostamento del pistone sp).Si ottiene in questo modo il ciclo indicato (fig. 2), dettocosì perché i primi dispositivi per rilevarlo erano chia-mati ‘indicatori’ dello stato del fluido nel cilindro. Inte-grando lungo la curva p-V si ottiene l’area racchiusa dalciclo indicato, che rappresenta il lavoro indicato per ciclo,scambiato tra fluido di lavoro e pistone nei successiviprocessi di aspirazione dell’aria, compressione e com-bustione del combustibile miscelato con l’aria aspirata,oppure iniettato nel cilindro sul finire della corsa di com-pressione, espansione, scarico dei gas combusti. L’areaè positiva se il ciclo è percorso in senso orario (il lavo-ro viene svolto dal fluido sul pistone), negativa se il cicloè percorso in senso antiorario (il pistone esercita un lavo-ro sul sistema fluido). Nei diagrammi di fig. 2 sono ripor-tati i cicli indicati di un motore a 4 tempi ad aspirazio-ne naturale (fig. 2 A), e di un motore a 2 tempi (fig. 2B). Il motore a 4 tempi richiede due giri dell’albero moto-re per effettuare un ciclo utile: un giro in cui descrivel’area superiore percorsa in senso orario e quindi posi-tiva (ciclo motore: compressione-combustione-espan-sione) e un giro in cui descrive l’area più piccola in bassoin senso antiorario e quindi negativa (ciclo di sostitu-zione del fluido nel motore a quattro tempi aspirato conespulsione dei gas di scarico e introduzione della nuovacarica). Si osservi comunque che nel caso di motore aquattro tempi sovralimentato, anche il ciclo di sostitu-zione del fluido di lavoro dà normalmente un contribu-to positivo al lavoro indicato, perché la pressione di sca-rico è generalmente più bassa di quella di mandata delcompressore. Il motore a 2 tempi compie un ciclo utile


MOTORI ALTERNATIVI A COMBUSTIONE INTERNA

p

A B

patm

Vm Vd

p

patm

Vm Vd

fig. 2. Cicli indicati di motori aspirati (non sovralimentati): A, motore a 4 tempi; B, motore a 2 tempi.

in un solo giro dell’albero motore e i gas stessi vengo-no scambiati alla fine dell’espansione e all’inizio dellacorsa di compressione.

Il ciclo ideale del motore ad accensione comandataè il ciclo Otto, mentre quello del motore ad accensioneper compressione è il ciclo Diesel. Come vedremo nelseguito, l’evoluzione tecnologica porta verso una con-vergenza tra i due modi con cui inizia la combustione edè quindi opportuno basare ogni considerazione sul cicloreale del motore, che è il ciclo indicato misurato al banco,piuttosto che sul ciclo ideale. Si passa dalle grandezze(lavoro, potenza, coppia, ecc.) indicate, rilevate sulla basedel ciclo indicato, alle grandezze effettive, tenendo contoche una parte della potenza ceduta dal fluido di lavoroal pistone viene spesa per vincere l’attrito tra i principaliaccoppiamenti cinematici del motore (cuscinetti, pisto-ne, ecc.) e per trascinare tutti gli accessori indispensa-bili al suo funzionamento. Il rapporto tra la potenza effet-tiva P del motore, cioè quella misurata al banco freno, ela potenza indicata Pi è il rendimento organico ho

(ho�P�Pi). Questo rendimento diminuisce al cresceredella velocità media del pistone e al ridursi del carico;valori tipici per un motore automobilistico funzionantea piena farfalla si aggirano attorno a 0,94 a velocità di1.800-2.400 giri�min, diminuendo fino a 0,80 alla mas-sima velocità di rotazione.

Durante le prove del motore al banco vengono mi-surate anche la portata in massa di aria aspirata �ma ela portata di combustibile �mf , utilizzata per produrre lapotenza effettiva P del motore. Il rapporto aria-combu-stibile A�F� �ma � �mf caratterizza la combustione del moto-re in una determinata condizione di funzionamento edipende, oltre che dal tipo di motore, dal tipo di com-bustibile, da come viene regolata la potenza e dal siste-ma di miscelazione aria-combustibile. Esso può assu-mere valori piuttosto diversi al variare delle condizionidi funzionamento del motore; può, per esempio, averevalori relativamente bassi di 13-14 nei motori ad accen-sione comandata e raggiungere valori fino a 70 e oltrenei motori ad accensione per compressione funzionantia carico ridotto.

Le oscillazioni del rapporto aria-combustibile ven-gono rese più intuitive, confrontando il valore effettivoA�F con il rapporto stechiometrico (A�F)st con cui si rea-lizza l’ossidazione completa del combustibile a biossidodi carbonio (CO2) e acqua (H2O); posto l�(A�F)�(A�F)st,si osserva per l un valore inferiore a 1 nel caso di misce-le ricche di combustibile e un valore superiore a 1 permiscele povere di combustibile; preso, per esempio, unrapporto stechiometrico (A�F)st di 14,7, valore tipico perbenzina e gasolio, l�0,90 corrisponde a una miscelaricca con A�F�13,3, mentre l�5,0 corrisponde a unamiscela povera con A�F�74.

Il consumo specifico di combustibile csf ��mf �P,

rapporto tra la portata di combustibile �mf e la potenza

effettiva P, è un indice dell’efficienza con cui il motoreutilizza il combustibile per produrre energia meccanica.Anziché alla portata, si può fare riferimento all’energiaconvogliata dal combustibile moltiplicandone la porta-ta per il suo potere calorifico inferiore Hi; il rapportocse�

�mfHi �P diviene allora il consumo specifico di ener-gia per produrre l’unità di lavoro utile, mentre il suo reci-proco h�1�cse�P� �mf Hi costituisce il rendimento globa-le con cui il motore converte l’energia contenuta nel com-bustibile nel lavoro meccanico disponibile all’albero. Lapotenza del motore espressa in funzione del rendimen-to e della portata di combustibile diviene così P�h �mf Hi.Il rendimento di un motore ad accensione comandataoscilla tra 0,30 e 0,40, mentre il rendimento di un moto-re ad accensione per compressione per trazione pesantepuò superare 0,50.

La quantità di aria fresca effettivamente aspirata inun ciclo dal motore, è diversa da quella che teoricamen-te dovrebbe riempire un volume pari alla cilindrata. Diquesto tiene conto il rendimento volumetrico hn, rap-porto tra la massa di aria fresca ma che viene effettiva-mente introdotta nei cilindri a ogni ciclo e la massa teo-rica di aria che dovrebbe riempire un volume V pari allacilindrata totale del motore ma,teorica�raV (ra è la massavolumica dell’aria alle condizioni di pressione e tempe-ratura esistenti all’aspirazione); dalla definizione di ren-dimento volumetrico è possibile ricavare la portata d’a-ria che effettivamente alimenta il motore �ma�hnraV(n�K)(si ricorda che K�1 per motori a 2 tempi e che K�2 permotori a 4 tempi). Moltiplicando e dividendo la poten-za effettiva (P�h �mf Hi) per la portata d’aria ma, e tenen-do poi conto del rapporto aria-combustibile (A�F) � �ma � �mf

e dell’espressione della portata d’aria, si può adesso espri-mere la potenza funzione del rapporto aria-combustibi-le A/F, della cilindrata V e del numero di giri nell’unitàdi tempo n:

Hi nP �hhvra

11V1A�F K

Le prestazioni di un motore sono riassunte dalle curvecaratteristiche (fig. 3) che forniscono l’andamento dellapotenza utile P, della coppia motrice M e del consumospecifico cs, in funzione della velocità angolare dell’al-bero motore.

I valori di P e di M e cs dipendono dalla posizionedell’organo di regolazione che modifica il grado di riem-pimento del cilindro nel caso del motore a ciclo Ottooppure la quantità di combustibile iniettato nel caso delmotore Diesel; generalmente le curve caratteristiche sonoquelle corrispondenti al carico massimo (prestazionelimite fornita dal motore).

In un motore ad accensione comandata (fig. 3 A),la curva di potenza si presenta sempre crescente fino aun massimo (6.500 giri/min nel caso in figura); la cop-pia e il consumo specifico di combustibile presentano


AUTOTRAZIONE

rispettivamente un punto di massimo (3.500 giri/min)e un punto di minimo (3.000 giri/min), a una velocitàdi rotazione del motore situata attorno alla metà dellavelocità di rotazione in corrispondenza della quale vienesviluppata la massima potenza; essendo la potenza Pdata dal prodotto della coppia M per la velocità ango-lare w, si passa dalla curva di coppia a quella di poten-za moltiplicando le ordinate della prima per le rispetti-ve ascisse. Pertanto l’andamento dapprima rapidamen-te crescente e poi decrescente della curva di coppiaspiega la forma della curva di potenza: inizialmente lacoppia sale rapidamente e quindi la curva di potenzarisulta molto inclinata; superato il valore di massimacoppia, la potenza sale più lentamente fino al suo valo-re massimo in quanto la coppia inizia a diminuire men-tre la velocità angolare del motore continua a cresce-re; dal punto di massima potenza in avanti la diminu-zione della coppia è tale da non poter essere piùcompensata dall’aumento della velocità del motore. Ilfunzionamento del motore è di regola compreso tra unregime minimo e uno massimo: al di sotto di una velo-cità di rotazione minima l’alimentazione del motorediviene irregolare, la curva di coppia instabile e la lubri-ficazione idrodinamica degli accoppiamenti cinema-tici inefficace; al di sopra del regime massimo di uti-lizzo del motore, che cade normalmente in corrispon-denza di quello di massima potenza, non si ottienealcun guadagno dal punto di vista energetico poichéla potenza sviluppata in queste condizioni può essereottenuta anche a velocità angolare più bassa con mino-ri sollecitazioni meccaniche degli organi e un minor con-sumo specifico di combustibile.

Un andamento analogo a quello visto per il moto-re ad accensione comandata si ottiene nel caso di unmotore ad accensione per compressione (f ig. 3 B),anche se il regime di massima potenza (4.000 giri/min),è meno elevato soprattutto a causa delle maggiorimasse degli organi in moto alternativo e l’intervallotra la velocità di rotazione minima e quella massima,

ossia il campo di impiego del motore, risulta menoampio.

8.1.2 Architettura

ConfigurazioniLa struttura elementare è costituita dalla testa cilin-

dro e dal cilindro con il pistone all’interno collegatoall’albero del moto tramite la biella. La disposizione deicilindri di un motore a più cilindri definisce la configu-razione del motore; nel motore in linea i cilindri sonodisposti su di un singolo piano, nel motore a V i cilindrisono disposti su due piani a forma di V, nel motore stel-lare i cilindri sono collocati in direzione radiale su unoo più piani, e infine nel motore piatto i cilindri sono con-trapposti.

L’ordine di accensione definisce la successione concui inizia la combustione nei vari cilindri e viene attua-to tramite l’opportuno posizionamento e sfasamentoangolare, per ogni singolo cilindro, delle manovelle del-l’albero a gomiti e delle camme del comando valvoledell’albero a camme. La scelta dell’ordine di accensio-ne è determinata dalla configurazione motore, dalla neces-sità di uniformità degli intervalli di accensione, dalle sol-lecitazioni e problematiche di lavorazione dell’albero agomiti.

Forze di inerzia e azioni dei gasIl sistema manovella-biella-pistone genera forze e

coppie sia centrifughe sia alternative di inerzia. Le forzecentrifughe sono dovute alla rotazione delle masse dellemanovelle dell’albero motore e della parte delle bielleche a esse sono collegate: la frequenza è quella corri-spondente alla rotazione dell’albero e vengono equili-brate mediante l’applicazione di contrappesi oppure, inmotori a più cilindri, mediante un’adeguata disposizio-ne delle manovelle. Un albero è equilibrato quando il suobaricentro cade sull’asse di rotazione e, per un numero di



A B

0

10

1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000

20

30

40

50

60po

tenz

a (k

W)

200

100

0

300

400

200

100

0

300

400

cons

umo

spci

fico

(g/k

Wh)

copp

ia (

N. m

)

consumo specifico

potenza

coppia

giri motore (rpm)

0

10

1.000 2.000 3.000 4.000 5.000

20

30

40

50

60

pote

nza

(kW

)

cons

umo

spci

fico

(g/k

Wh)

copp

ia (

N. m

)

consumo specifico

potenza

coppia

giri motore (rpm)

fig. 3. Curve caratteristiche: A, motore ad accensione comandata; B, motore ad accensione per compressione.

manovelle maggiore di due, quando ammette un pianodi simmetria perpendicolare all’asse di rotazione, rispet-to al quale le manovelle risultino simmetriche in nume-ro, forma e posizione.

Le forze alternative di inerzia sono causate dal movi-mento alternativo dei pistoni nei cilindri e di quella partedella massa delle bielle a essi collegata e si manifestanoanche alle frequenze multiple di quella fondamentale, cor-rispondente alla rotazione motore. Accanto a tali forzeviene a generarsi anche una coppia alternativa che si sommaa quella dovuta alle combustioni. Le forze alternative diinerzia, in motori a più cilindri, si compongono in fun-zione dell’architettura e possono originare un momentoin direzione perpendicolare all’asse dell’albero motore.

L’azione dei gas consiste in una forza sul pistonegenerata dalla combustione della miscela all’interno delcilindro; tale forza agisce sul manovellismo generandola coppia motrice. A causa della variazione della pres-sione all’interno dei cilindri la coppia erogata varia infunzione della posizione dell’albero motore; in fig. 4 èriportato l’andamento della coppia dovuta alle azioni delgas e delle forze alternative di inerzia in un monocilin-dro. L’impiego di più cilindri ha la funzione di ridurre levariazioni della coppia; le fluttuazioni di coppia si mani-festano con una fondamentale pari alla frequenza deicicli del motore e con le armoniche successive. In unmonocilindro a quattro tempi la fondamentale risulta parialla metà della frequenza di rotazione (uno scoppio ognidue giri), mentre in un quattro cilindri la fondamentaleè pari al doppio della frequenza di rotazione (uno scop-pio ogni mezzo giro).

Le variazioni di velocità angolare corrispondentialle variazioni di coppia, e le conseguenti azioni sullatrasmissione, vengono limitate sfruttando l’inerzia delvolano motore e applicando un elemento di filtraggiocostituito dal parastrappi (molla torsionale accoppiataalla frizione).

Caratteristiche di equilibraturadelle varie disposizioni dei cilindri

Si prendono in esame le principali configurazioni dimotore a più cilindri.

Motore 4 cilindri in linea. L’albero a gomiti è collo-cato su un solo piano con ordine di accensione 1-3-4-2oppure 1-2-4-3. Non sono equilibrate le forze alternati-ve del 2° ordine, che possono essere equilibrate con duealberi controrotanti al doppio della velocità motore: glialberi sono collocati alla stessa altezza sul piano verti-cale dei cilindri e a uguale distanza da essi. Per un migliorcomfort veicolo vengono generalmente equilibrati i moto-ri a cilindrata uguale o superiore a 2.000 cm3 che sonocaratterizzati da forze di inerzia elevate.

Motore 4 cilindri piatto/boxer. È presente solamen-te una coppia non equilibrata del 2° ordine sul piano deicilindri (coppia di imbardata). Altro innegabile pregio diquesto motore è il modesto ingombro in altezza che con-sente bassi baricentri del veicolo; il maggiore svantag-gio risiede invece nella complessità del progetto di aspi-razione, di scarico e della relativa installazione a causadella elevata distanza tra le due teste motore e della ridot-ta distanza da terra.

Motore 5 cilindri in linea. Non sono equilibrate lecoppie alternative del 1° e 2°ordine giacenti sul pianodei cilindri (coppie di beccheggio). L’equilibratura dellacoppia di beccheggio del 1° ordine può essere garanti-ta da un albero controrotante in posizione libera, men-tre la componente rotante della stessa coppia viene equi-librata sull’albero a gomiti congiuntamente alla coppiadovuta alle forze centrifughe. Generalmente si tralascial’equilibratura della coppia del 2° ordine, anche se siriscontra essere molto elevata nella disposizione mano-velle corrispondente all’ordine di accensione 1-2-4-5-3,mentre più modesta con l’ordine 1-5-4-3-2: in questaultima configurazione è tuttavia molto più elevata quel-la del 1° ordine.


AUTOTRAZIONE

aspirazione compressione combustione/espansione scarico

copp

ia m

otri

ce

coppia media erogata

fig. 4. Andamento della coppia erogata da un motoremonocilindrico.

Motore 6 cilindri in linea. L’albero a gomiti è dispo-sto su 3 piani con sei manovelle sfalsate di 60° che garan-tiscono l’uniformità degli scoppi ogni 120° (1-5-3-6-2-4o 1-2-4-6-5-3): il motore è perfettamente equilibrato; lalunghezza dell’albero a gomiti rende difficile l’installa-zione su vettura e critico il dimensionamento dell’albe-ro alle sollecitazioni flessionali per potenze elevate.

Motore a 6 cilindri a V. L’albero a gomiti con 6 mano-velle, sfalsate di 60°, consente la regolarità degli scop-pi ogni 120° (1-5-3-6-2-4 o 1-2-4-6-5-3): la coppia libe-ra del 1° ordine è equilibrabile tramite i contrappesidell’albero a gomiti, mentre quella del 2° ordine, dientità non trascurabile, può essere equilibrata con albe-ro controrotante posizionato nella V motore. La pre-senza di un braccio intermedio tra i perni di manovel-la di una stessa V, necessaria per consentire lo sfasa-mento di 60°, richiede una maggiore distanza tra icilindri, con conseguente maggior ingombro longitu-dinale del motore.

Motore 6 cilindri a V 90°-30° crank offset. L’alberoa gomiti con sei manovelle (quelle di una stessa V sonosfalsate di 30°) consente la regolarità degli scoppi ogni120°; lo sfalsamento di soli 30° tra le manovelle per-mette l’eliminazione della maschetta tra i perni di unastessa V, con adeguato dimensionamento dei perni, equindi un minor ingombro longitudinale del motore; delledue coppie libere del 1° e 2° ordine viene generalmen-te equilibrata la prima con albero rotante.

Motore 8 cilindri a V di 90°. L’albero a gomiti, dispo-sto su due piani con 4 manovelle, una per entrambi i cilin-dri della stessa V, consente la regolarità degli scoppi ogni90° (1-6-3-5-4-7-2-8 o 1-5-4-8-3-7-2): la coppia liberadel 1° ordine, di notevole entità, può essere equilibratacon l’applicazione di contrappesi alle estremità dell’al-bero a gomiti. La perfetta equilibratura ottenibile ne pri-vilegia l’applicazione per vetture di prestigio.

Motore 8 cilindri a V - albero piatto. L’albero a gomi-ti è disposto su di un piano con schema corrispondentea quello dei 4 cilindri in linea; dinamicamente è divisi-bile in due motori 4 cilindri e quindi le forze alternati-ve del 1° ordine e quelle centrifughe sono equilibrate,mentre le forze alternative del 2° ordine generate dalledue bancate si sommano (con radice di 2) con risultan-te alternativa sul piano orizzontale. La ridotta contrap-pesatura, la semplicità costruttiva dell’albero (anche sepiù critico torsionalmente), le favorevoli condizioni flui-dodinamiche (aspirazione e scarico tipo 4 cilindri) neprivilegiano l’utilizzo per motori economici o ad ele-vate prestazioni.

Struttura

BasamentoIl basamento del motore (fig. 5) comprende il bloc-

co e la base. Il blocco è costituito da due ‘piastre’, una

superiore e una inferiore, che formano un corpo unicocon le parti esterne e le canne cilindro. La base è com-posta dalla ‘gonna’, che costituisce la parte esterna dellecartelle, le quali formano, con la gonna stessa, una strut-tura inscatolata aperta; sulle cartelle vengono fissati icappelli di banco. Per garantire una maggiore rigiditàstrutturale la parte inferiore viene estesa oltre l’asse del-l’albero (gonna lunga) oppure si configura una struttu-ra inferiore, con taglio sull’asse, che include i cappelliinferiori (sottobasamento, bedplate/ladder frame).

Il basamento assolve alle seguenti funzioni: a) sop-porta il trasferimento di forze dalla testa cilindri all’al-bero motore; b) contiene il complesso dell’albero a gomi-ti; c) incorpora le canne cilindri entro cui scorrono i pisto-ni; d ) include le camere per la circolazione del fluido diraffreddamento, le camere a tenuta del lubrificante e icanali per l’alimentazione degli accoppiamenti a stri-sciamento; e) sopporta gli accessori motore tramite staf-fe di collegamento.

Le canne cilindro possono essere di due tipi. Sonointegrali quando sono ricavate nella struttura; nel casodi basamento in alluminio richiedono un trattamentosuperficiale per migliorarne la resistenza all’usura. Sonoriportate quando vengono inserite nel basamento in allu-minio: sono generalmente in ghisa speciale oppure inalluminio per le applicazioni sportive; le canne in ghisariportate possono essere ‘a secco’ (non lambite dal liqui-do) e posizionate durante la fusione del basamento o coninserimento forzato all’interno del cilindro precedente-mente lavorato; oppure ‘umide’ quando la canna è lam-bita direttamente dal fluido refrigerante e la tenuta ègarantita da anelli di gomma speciale (o-ring).

I materiali utilizzati per il basamento sono ghisa sfe-roidale o lamellare con contenuti di fosforo, mangane-se, cromo, nichel e silicio, oppure leghe primarie di allu-minio con silicio del tipo AlSi9. Il basamento viene rea-lizzato per fusione, in terra o in conchiglia per la ghisae, generalmente, ad alta pressione per l’alluminio. Lalavorazione meccanica del basamento comprende, in par-ticolare, le seguenti operazioni: tornitura interna dei cilin-dri o delle sedi per l’alloggiamento delle canne; spiana-tura dei piani di interfacciamento con testa e coppa e perle superfici di appoggio di organi vari (pompe, coper-chi, staffe); foratura e maschiatura per le sedi dei pri-gionieri di fissaggio testa al basamento; barenatura dellesedi dei cuscinetti di banco. Viene effettuato un tratta-mento superficiale delle canne integrali dei basamentiin alluminio con tecnica di codeposizione di un riportometallico, a base di nickel, che ingloba materiale finis-simo di elevata durezza e resistenza all’usura (carburodi silicio), oppure con tecnica di trattamento laser perl’indurimento superficiale in configurazioni complesseo dove è richiesta una grande precisione.

Le sollecitazioni in funzionamento sono generate daiseguenti fenomeni:



• i carichi dinamici provenienti dal manovellismo pro-vocano sollecitazioni di fatica nella struttura, in par-ticolare nei supporti di banco;

• i carichi dinamici provenienti da eventuali contral-beri di equilibratura provocano sollecitazioni di fati-ca, in particolare nei supporti dei contralberi;

• la spinta laterale sul pistone provoca fenomeni di usura;• il serraggio delle viti di collegamento con la testa

cilindro, tenuto conto dell’escursione dovuta allavariazione di temperatura, provoca la distorsione dellecanne cilindro (con conseguenti usure e consumo olioanomali) e condiziona la distribuzione della pres-sione sulla guarnizione testa/basamento (con conse-guenti fughe di gas e di liquido);

• il carico termico a regime e in transitorio dà luogoalla distorsione delle canne cilindri, a sovratensionidovute a forti gradienti di temperatura, a decadimentodelle proprietà meccaniche delle leghe leggere; èdeterminante, per contenere tali effetti, l’efficientecircolazione del liquido di raffreddamento.

Testa motoreLa testa motore (v. ancora fig. 5) è una struttura molto

complessa, all’interno della quale sono presenti i con-dotti di alimentazione dell’aria e di scarico dei gas, i mec-canismi di comando delle valvole, i dispositivi di ali-mentazione del combustibile e quelli per l’accensionedella miscela, i condotti e le camere per la circolazionedel liquido refrigerante e dell’olio lubrificante.

Il collegamento con il basamento viene realizzatocon viti o prigionieri, il cui posizionamento determinale sollecitazioni meccaniche. La tenuta tra testa e basa-mento è garantita da una guarnizione che ha il compitodi evitare fughe di gas dalla camera di combustione versoi circuiti dell’acqua e dell’olio e viceversa e di evitareperdite di acqua e di olio verso l’esterno. La guarnizio-ne, di spessore inferiore a 1,5 mm, viene realizzata inmateriali fibrosi che includono una sottile matrice a strut-tura metallica per garantire una rigidezza sufficiente; ilmateriale fibroso è stato negli ultimi anni sostituito dastrati metallici (da 1 a 4), preformati per conferire un’a-


AUTOTRAZIONE

albero a camme

collettore di scarico

turbocompressore

cinghia distribuzione

pompa olio

pistone

compressorecondizionamento

alternatore

coppa olio

albero motore

basamento

collettoreaspirazione

testa

coperchio testa

fig. 5. Esploso di motore a 5 cilindri in linea turbodiesel; in evidenza basamento, albero, testa e sovratesta, gruppo turbocompressore e sistema di comando accessori (per cortesia di Fiat).

deguata elasticità: la guarnizione deve infatti resistere aelevate temperature e pressioni e all’azione corrosiva digas, acqua e olio e deve inoltre garantire il recupero delledilatazioni termiche e delle deformazioni dovute allepressioni di scoppio.

Riassumendo, la testa motore assolve le seguenti fun-zioni: a) sigillare la parte superiore del basamento e quin-di dei cilindri, tramite l’interposizione di un’opportunaguarnizione; b) definire e contenere, con la parte supe-riore del pistone, la camera di combustione; c) incorpo-rare i condotti e le valvole per lo scambio dei fluidi conil cilindro, gli iniettori del combustibile e le candele diaccensione o le candelette di preriscaldamento; d) inclu-dere il sistema di comando delle valvole.

La testa viene realizzata per fusione in sabbia o inconchiglia. Il materiale utilizzato è una lega primaria dialluminio (AlSi9Mg) con eccellenti caratteristiche dicolabilità e anticorrosione; in talune applicazioni è uti-lizzata la ghisa sferoidale. La lega di alluminio vieneassoggettata a un trattamento di bonifica che garantisceun ottimo equilibrio tra caratteristiche di durezza e tena-cia. La lavorazione meccanica della testa comprende, inparticolare: spianatura dei piani di interfacciamento conil basamento (inferiore) e con il coperchio di chiusura ol’eventuale sovratesta (superiore); foratura per gli allog-giamenti delle valvole e delle sedi relative; foratura perla sede di iniettori, candele, ecc.; barenatura delle sedidi alloggiamento degli alberi a camme.

Le sollecitazioni durante il funzionamento sono gene-rate dai seguenti fenomeni:• i carichi dovuti alla pressione in camera di combu-

stione provocano sollecitazioni di fatica nella struttu-ra, in particolare nelle calotte delle camere di combu-stione affacciate verso il liquido di raffreddamento;

• i carichi dinamici causati dalla distribuzione provo-cano sollecitazioni di fatica, in particolare nei sup-porti dell’albero a camme;

• il serraggio delle viti di collegamento con il basa-mento provoca variazioni di distribuzione della pres-sione sulla guarnizione testa/basamento;

• i carichi statici dovuti all’interferenza di assemblag-gio delle sedi e delle guide delle valvole danno luogoa distorsioni delle sedi stesse e a usure anomale;

• il carico termico a regime e in transitorio comportasovratensioni dovute a forti gradienti di temperaturae decadimento delle proprietà meccaniche delle legheleggere, determinanti per la circolazione del liquidorefrigerante.

Albero motoreL’albero motore svolge una molteplicità di funzioni

e presenta determinate proprietà per assicurare la tra-smissione della coppia motrice: a) conversione della forzadovuta alla pressione generata dalla combustione dei gas(scoppio) in coppia motrice, grazie alla conversione

del moto alternativo del pistone in moto rotatorio del-l’albero stesso; b) resistenza meccanica alle sollecita-zioni del manovellismo; c) interfacciamento con i cusci-netti; d ) sigillatura del carter per il contenimento del-l’olio lubrificante; e) azionamento degli organi ausiliari;f ) rotazione con bassa dissipazione di energia; g) gene-razione di un campo di pressione idoneo alla sostenta-zione idrodinamica con scorrimento a basso attrito incondizioni di spessore di meato molto ridotto (uno stra-to molto piccolo di lubrificante); h) accoppiamento confrizione e cambio.

Gli alberi motore vengono ottenuti per stampaggio(da 2 a 4 passate, a seconda della configurazione e delladimensione). Dato l’elevato e complesso livello di sol-lecitazione (v. oltre), i materiali utilizzati debbono pre-sentare elevate caratteristiche di resistenza, modulo ela-stico, tenacità e durezza; in genere vengono utilizzatiacciai da nitrurazione (cromo-molibdeno-vanadio,40CDV12), acciai da bonifica (cromo-molibdeno, nichel-cromo-molibdeno, 40NiCrMo4), ghisa sferoidale nelleapplicazioni meno sollecitate, e comunque con adegua-to dimensionamento. Con riferimento a trattamenti elavorazioni si ricordano in particolare: trattamento dinormalizzazione per garantire l’omogeneità della strut-tura cristallina; trattamento di ricottura per una buonalavorabilità; fresatura laterale dei contrappesi; tornituradei perni e foratura dei passaggi olio; tempra e rinveni-mento (cementazione per gli acciai al carbonio); rettifi-ca dei perni; rullatura delle zone di raccordo tra perni espalle; equilibratura.

Le sollecitazioni durante il funzionamento sono gene-rate dai seguenti fenomeni:• i carichi dinamici provenienti dal manovellismo, dovu-

ti cioè ai moti primari, sollecitano a fatica l’albero,in particolare i raggi di raccordo in corrispondenzadei perni di banco e di biella e delle forature neces-sarie all’adduzione di lubrificante verso i cuscinettidi banco e di biella;

• i carichi dinamici provenienti dai moti secondari, cau-sati cioè dai giochi di funzionamento (albero-biella,albero-basamento), generano urti, vibrazioni, sovra-tensioni locali, usure anomale;

• l’elasticità degli elementi (albero, biella, supporti dibanco), in presenza di carichi dinamici, provoca sovra-tensioni dovute a fenomeni di risonanza, a vibrazio-ni, a deformazione dei perni con possibile collassodel meato di lubrificante.Si ricorda che il carico dinamico sull’albero risulta

dalla combinazione delle forze dei gas e delle forze diinerzia. Al PMS, in fase di scoppio, la forza risultanteverso l’albero è data dalla differenza tra la forza sul pisto-ne dovuta allo scoppio e la forza di inerzia diretta in sensoopposto, verso la testa motore; invece in fase di incro-cio (fine scarico e inizio aspirazione), è presente soloquesta ultima forza. Al PMI la forza di inerzia è diretta



verso l’albero motore. Per motori veloci la condizionepiù gravosa è in genere quella di fuori-giri, in cui il valo-re del carico oscilla tra quelli delle due forze di inerziaal PMS e al PMI, dirette in senso opposto. Sulla singo-la campata si sommano quindi momenti torcenti e flet-tenti che possono sollecitare in modo critico i raccordidei perni di banco e di biella in prossimità della mano-vella, la mezzeria del perno di biella, la sezione criticadi manovella.

BiellaLa biella è assimilabile a un’asta che trasmette il moto

tra pistone e albero motore: le sue due estremità sonorispettivamente dotate di moto alternativo (spinotto opiede di biella) e di moto rotatorio (bottone di manovel-la o testa di biella). La forma più comunemente adotta-ta per il fusto è quella ad H con l’anima sul piano cen-trale di simmetria della biella, ortogonale agli assi deicuscinetti; la biella va progettata riducendo il più possi-bile la massa (minime forze alterne e centrifughe) e lalunghezza (minime forze alterne del 2° ordine e forzatrasversale sul cilindro con conseguente riduzione degliattriti).

Il piede di biella è accoppiato al pistone tramite lospinotto, con l’interposizione di una boccola montatacon interferenza, e alla cui lubrificazione provvede unforo che raccoglie parte dell’olio spruzzato sul cielo delpistone. La biella, una volta collegata al pistone, vieneinfilata nella canna dalla parte alta del basamento; latesta di biella viene quindi chiusa sul perno di manovel-la tramite un cappello, la cui chiusura avviene con viti obulloni. Il serraggio deve essere sufficiente a contrasta-re il massimo carico di trazione della biella e deve inol-tre essere adeguato a distribuire omogeneamente la pres-sione sui cuscinetti.

I materiali utilizzati per la biella sono la ghisa sfe-roidale o malleabile (con processo di fusione) nelle appli-cazioni meno sollecitate, e l’acciaio (processo di stam-paggio); in tal caso si utilizzano in particolare acciai dabonifica o altamente legati. Le principali fasi del ciclodi lavorazione di una biella in acciaio comprendono:stampaggio in stampo preriscaldato; sbavatura; tratta-mento termico di normalizzazione e ricottura; sabbia-tura o pallinatura per elevare la resistenza a fatica delmateriale; fresatura, tornitura e foratura; trattamento ter-mico di bonifica; rettifica delle superfici a bassa rugo-sità. Sempre più utilizzata è la tecnica della ‘biella frat-turata’ che, tramite speciale attrezzatura e adeguatoacciaio, consente di separare mediante frattura il fustodella biella dal cappello, forgiati inizialmente come ununico pezzo; la successiva ricomposizione all’assem-blaggio, tramite l’unione delle scabrosità delle zone difrattura, garantisce una maggiore precisione di cen-traggio del cappello prima della chiusura e di circola-rità della sede del cuscinetto.

Le più elevate sollecitazioni sono concentrate sugliocchi di biella e manovella e nella parte di fusto che vi siraccorda. La sollecitazione è sostanzialmente di fatica evaria tra la massima compressione (pressione dei gas alPMS a bassi giri, quando la forza di inerzia da sottrarreè modesta) e la massima trazione (forza di inerzia ad altigiri al PMS in fase di ricambio carica). Le sollecitazionitermiche e quelle dovute alle vibrazioni sono irrilevanti.

PistoneIl pistone assolve a varie funzioni:

• trasmissione al manovellismo della forza dovuta allapressione dei gas; le conseguenti sollecitazioni, ter-miche e meccaniche, sono molto complesse e con-dizionano l’altezza del pistone rispetto all’asse dellospinotto e la geometria della camera di combustionequando ricavata nel pistone stesso;

• trasmissione alla parete del cilindro della spinta late-rale dovuta all’inclinazione della biella; tale funzio-ne è critica anche tenuto conto dell’ambiente di lavo-ro; le deformazioni meccaniche e termiche di pisto-ne e canna cilindro, tra loro differenziate, e laprecarietà della lubrificazione, dovuta al moto alter-nativo e alla necessità di evitare il passaggio di olioverso la camera di combustione, rendono infatti l’ac-coppiamento molto critico e responsabile di una note-vole perdita di lavoro per attrito;

• tenuta dei gas, delegata agli anelli di tenuta, e resaparticolarmente difficile dalle condizioni ambienta-li alle quali gli anelli si trovano a lavorare e dalledeformazioni della canna cilindri; il problema è esal-tato dalla necessità di limitare le dimensioni deglianelli stessi, in particolare l’altezza;

• definizione della camera di combustione, che in alcu-ni tipi di motore (in particolare, nella totalità dei moto-ri Diesel a iniezione diretta), è ricavata nel cielo delpistone; il disegno della camera di combustione è inquesti casi sempre un compromesso tra le esigenzedel processo di combustione e quelle termostruttu-rali e di massa del pistone stesso;

• smaltimento del calore; un criterio di valutazione tra-dizionale del carico termico (e anche meccanico), cuiè sottoposto il pistone, è legato al valore della poten-za per unità di superficie, indipendentemente dal fattoche sulla potenza incida maggiormente il carico o lavelocità angolare del motore; poiché la trasmissionedi calore alle pareti ha luogo principalmente per con-vezione, particolarmente importante risulta il campodelle velocità del gas che si trova nella camera dicombustione in prossimità della parete del pistone:condizioni particolarmente gravose, dal punto di vistatermico, si realizzano in effetti nelle zone sottopostea forte velocità dei gas, come, per esempio, al bordodella camera di combustione nel motore diesel a inie-zione diretta.


AUTOTRAZIONE

Il disegno del pistone dipende da fattori termici e dafattori meccanici. Il raffreddamento avviene grazie allacessione di calore alla canna dei cilindri; il flusso ter-mico è localizzato negli anelli, soprattutto nel primo, enella superficie del mantello del pistone in contatto conla canna del cilindro; l’elevata variazione di temperatu-ra riscontrabile nel mantello al variare dell’altezza è unodei fattori da cui dipende il disegno del profilo; è neces-sario assicurare, in condizioni di regime termico, il con-tenimento del gioco lungo tutto il mantello per garanti-re una corretta guida del pistone, un movimento il piùpossibile privo di urti e un corretto funzionamento deglianelli di tenuta; il mantello viene di conseguenza ad assu-mere una forma conica. Il corretto funzionamento delpistone impone quindi che il mantello sia lavorato conuna ovalità tale che il diametro maggiore sia nel pianoortogonale all’asse dello spinotto, dove un gioco estre-mamente controllato deve garantire la guida corretta delpistone, riducendone al minimo i movimenti di serpeg-giamento e rotazione. Il gioco maggiore nel piano dellospinotto consente le elevate dilatazioni che si verifica-no nella direzione di tale piano, ma deve comunque garan-tire una sufficiente guida del mantello in presenza digrandi variazioni di dimensioni e forma, che pistone ecanna cilindro, spesso in modo differenziato, subiscononei transitori termici e al variare di carico e regime moto-re. La messa a punto del profilo del mantello richiede indefinitiva l’effettuazione di prove ad hoc, spesso reite-rate più volte per definire, in base all’aspetto con cui sipresenta il pistone dopo l’esecuzione di ogni prova, gliinterventi da eseguire sui parametri della forma e sullecaratteristiche della segmentatura.

Il materiale del pistone deve presentare elevata resi-stenza statica e a fatica, particolarmente alle alte tem-perature, basso coefficiente di dilatazione termica, ele-vata conducibilità termica, elevate caratteristiche reolo-giche, in particolare in accoppiamento con il materialedella canna dei cilindri, ed elevata resistenza all’usura.Generalmente vengono utilizzate leghe di alluminio con-tenenti silicio, rame, magnesio (Al-Si-Mg e Al-Cu-Mg-Si). La ghisa viene utilizzata solo per motori Diesel indu-striali, dove la velocità di rotazione è molto modesta. Siutilizzano la fusione in conchiglia per le applicazioni digrande serie, per la maggiore economia, e lo stampag-gio per le applicazioni con prestazioni molto elevate(maggiore resistenza dovuta ad assenza di porosità). Lelavorazioni sono molto complesse (rettifica, diamanta-tura) per la grande precisione richiesta.

Le sollecitazioni durante il funzionamento consisto-no in: a) carichi dinamici provenienti dal manovellismoche sollecitano a fatica il pistone, in particolare i supportidello spinotto; b) carichi dovuti alla pressione in cameradi combustione che sollecitano a fatica tutta la struttura;c) carichi dinamici dovuti ai moti secondari consentiti daigiochi di funzionamento (pistone-canna, piston slap), che

generano urti, vibrazioni, sovratensioni locali, usure ano-male; d) carico termico a regime e in transitorio che gene-ra sovratensioni, dovute a forti gradienti di temperatura,decadimento delle proprietà meccaniche delle leghe leg-gere, distorsioni circonferenziali e assiali.

DistribuzioneLa distribuzione, ovvero il comando delle valvole,

ha il compito di consentire e di regolare il ricambio deigas nel motore a combustione. Essa comprende le val-vole di aspirazione e scarico, le molle che ne garanti-scono la chiusura, i bicchierini o punterie, le aste e i bilan-cieri con adeguate soluzioni per la registrazione del giocoo per il recupero automatico, l’albero a camme (nel basa-mento o in testa) azionato dall’albero motore, il sistemadi trasmissione.

La legge della distribuzione per l’ingresso della misce-la o dell’aria comburente e l’uscita dal cilindro dei gasdi scarico è caratterizzata da: a) alzata massima dellavalvola (da 8 a 11 mm), generalmente differenziata traaspirazione e scarico; b) angolo di apertura della valvo-la (�180° di rotazione del motore); c) legge di aperturae chiusura (andamento per raggiungere l’alzata massi-ma e successivamente per azionare la chiusura); d) fasa-tura (anticipo) di inizio apertura, per la valvola di aspi-razione rispetto al PMS, per quella di scarico rispetto alPMI. La fasatura (ritardo) di chiusura è determinata dal-l’angolo di apertura della valvola.

La legge del moto della valvola è caratterizzata daelevate accelerazioni in fase di apertura e di chiusura.

Sistemi ausiliari

Circuito di raffreddamentoIl compito fondamentale di questo circuito è il raf-

freddamento dei materiali in prossimità del processo dicombustione con trasferimento del calore sottratto al cir-cuito esterno al motore, garantendo un livello di tempe-ratura dei materiali inferiore al limite strutturale e il piùpossibile costante al variare di carico e velocità angola-re del motore.

Il circuito comprende la pompa del liquido refrigeran-te, il circuito vero e proprio, interno alla struttura del moto-re (testa e basamento), ricavato generalmente per fusio-ne, e il termostato per la regolazione della temperatura.

All’interno del motore il circuito può essere caratte-rizzato da una configurazione in serie o in parallelo. Nelcircuito in serie il flusso principale attraversa longitudi-nalmente prima il basamento motore e successivamen-te in senso opposto la testa dei cilindri; l’ingresso del-l’acqua proveniente dalla pompa è possibile sia a livel-lo del basamento sia a livello della testa dei cilindri; unflusso secondario ha luogo in senso verticale, a fiancodi ciascun cilindro, con passaggio di fluido dal basa-mento alla testa dei cilindri, se la pompa dell’acqua è a



livello del basamento, o viceversa, se questa è a livellodella testa dei cilindri; l’ingresso e l’uscita dell’acquadal motore sono disposti dallo stesso lato del motore.Nel circuito in parallelo il flusso principale attraversa ilmotore longitudinalmente, sdoppiato fra la testa dei cilin-dri e il basamento del motore; il flusso principale vieneintegrato da un flusso secondario verticale che dal basa-mento del motore sale alla testa dei cilindri; l’ingressoe l’uscita dell’acqua sono da parti opposte del motore.

Circuito di lubrificazioneLe principali funzioni del circuito sono quelle di lubri-

ficare e contribuire al raffreddamento dei componentidel motore, garantire una sufficiente portanza oleodina-mica negli accoppiamenti in moto relativo, rimuovere leimpurità, smorzare le vibrazioni.

Il circuito è composto da: pompa e filtro dell’olio;circuito di distribuzione ai vari accoppiamenti fra cui haluogo attrito e ai componenti ad attuazione idraulica;eventuale radiatore di raffreddamento dell’olio e valvo-la termostatica.

Si ha lubrificazione per sbattimento negli accoppia-menti meno critici e lubrificazione forzata negli altri,dove la pompa dell’olio aspira olio dalla coppa e lo distri-buisce in pressione tramite opportuno circuito. Nellalubrificazione forzata a recupero, o a coppa secca, illubrificante è contenuto in un serbatoio da cui viene aspi-rato dalla pompa di mandata, mentre una o più pompeprovvedono al recupero dalla coppa, che rimane asciut-ta, per inviarlo al serbatoio; la soluzione viene utilizza-ta in veicoli che hanno un impiego che rende difficilegarantire il pescaggio dalla coppa in ogni condizione dimarcia: veicoli fuoristrada per terreni scoscesi o veico-li sportivi ad alte prestazioni e quindi con elevate acce-lerazioni longitudinali e trasversali.

Impianto di ventilazione interna (blow by)Questo impianto ha la funzione di trasferire all’a-

spirazione del motore i gas trafilati dalla camera di com-bustione attraverso gli anelli di tenuta del pistone, sepa-randone il contenuto di lubrificante. È sostanzialmentecomposto da un circuito interno al motore con separa-tore di olio all’interno (labirinto) o all’esterno (ciclone)e da eventuali valvole di controllo e regolazione.

Non si fa qui cenno a progetto e funzione del circui-to del radiatore, perché considerato parte esterna al moto-re, in quanto installato sul veicolo.

8.1.3 Combustione, emissioni e sistema di controllo

GeneralitàLa combustione è il processo con il quale l’energia

chimica del combustibile è convertita in energia termica

e successivamente in lavoro meccanico all’albero moto-re. La combustione è una reazione chimica molto com-plessa tra l’aria e il combustibile, che è costituito da uninsieme di idrocarburi con strutture diverse e con per-centuali molto variabili. Si può semplificare la reazionedi combustione rappresentandola come segue:

CxHy�O2�N2�� CO2�H2O�CO�HC�NOx

La combustione degli idrocarburi genera una catenadi reazioni nella quale ogni sostanza passa attraverso unnumero intermedio di stati prima di raggiungere la con-dizione finale. Se tutti gli idrocarburi del combustibilevenissero bruciati, il prodotto finale sarebbe soltantodiossido di carbonio (CO2) e vapor d’acqua (H2O). Poi-ché è impossibile ottenere una combustione completa al100%, i gas allo scarico contengono anche una varietàdi altri prodotti, alcuni dei quali sono considerati inqui-nanti quali l’ossido, o monossido di carbonio (CO), gliidrocarburi incombusti (HC), gli ossidi di azoto (NOx)e il particolato (PM, Particulate Matter).

Il monossido di carbonio è il prodotto di una com-bustione incompleta del carbonio contenuto negli idro-carburi del combustibile. In teoria, in presenza di ossi-geno sufficiente alla combustione completa, l è mag-giore di 1 (miscela magra) e il monossido di carboniodovrebbe essere completamente ossidato a diossido dicarbonio e quindi assente nei gas di scarico. In pratica,invece, l’esperienza ha dimostrato che il monossido dicarbonio si presenta nei gas di scarico con una concen-trazione dell’ordine dell’1% in volume con miscela ste-chiometrica (l�1), inferiore ma ancora rilevabile conmiscele molto magre (l�1).

La maggior parte degli idrocarburi incombusti rila-sciati nell’atmosfera dal veicolo proviene dal processodi combustione, il resto dall’evaporazione del combu-stibile e di altri componenti. La teoria più condivisa neattribuisce la produzione a una incompleta propagazio-ne della fiamma, causa lo spegnimento in corrispondenzadelle pareti più fredde della camera di combustione (wallquenching) e delle zone più remote dal punto di inizioaccensione quali gli spazi tra pistone e pareti del cilin-dro (crevices), ecc. Una buona parte di idrocarburi incom-busti è anche generata da una combustione resa diffici-le dalla diluizione della carica fresca con gas residui oda un ciclo termodinamico a bassa temperatura, comeavviene con la parzializzazione della carica (per la rego-lazione della potenza) nei motori a combustione peraccensione e con l’elevata diluizione della carica da EGR(Exhaust Gas Recirculation) nei motori Diesel. I gas discarico dei motori a benzina e Diesel contengono diver-se centinaia di composti idrocarburici con atomi di car-bonio da 1 a 9, e anche più. Alcuni di questi provengo-no invariati dal combustibile; nella maggior parte deicasi sono tuttavia prodotti di combustione, ognuno conuna sua specifica temperatura di formazione.


AUTOTRAZIONE

Per quanto riguarda gli ossidi di azoto, a temperatu-re molto elevate le molecole di azoto e ossigeno si dis-sociano nei relativi atomi e si combinano parzialmenteformando monossido di azoto (NO). Il grado di disso-ciazione dipende dai valori di temperatura e pressioneed è accompagnato da un elevato consumo di energia.La concentrazione di NO allo scarico del motore a com-bustione interna è principalmente funzione della tem-peratura massima di combustione, del rapporto di misce-la e del tempo disponibile per la reazione. Il monossidodi azoto viene continuamente ossidato nelle fasi di espan-sione e scarico, trasformandosi in ossidi di azoto vari(NO2, N2O, N2O3, N2O4, ecc.). Successivamente il monos-sido di azoto raffreddandosi in atmosfera si trasformarapidamente in NO2.

Per quanto riguarda il particolato, le condizioni dicombustione eterogenea, tipiche del motore Diesel (pre-senza contemporanea di miscela di gas, di vapori e dicombustibile liquido), comportano una reazione chi-mica incompleta, che produce particelle solide e idro-carburi incombusti nei gas di scarico. Il fumo nero alloscarico è costituito da un aggregazione di particellecon un nucleo costituito da carbonio su cui sono adsor-biti composti organici solubili (SOF, Soluble OrganicFraction) provenienti dal combustibile e dal lubrifi-cante motore. Le dimensioni di queste particelle spa-ziano in un ampio intervallo. Il limite superiore è nor-malmente considerato 10 mm ed è questo il significa-to che sta dietro al termine PM10; solo poche particellehanno infatti dimensioni maggiori. Le più piccole hannodimensioni di pochi nanometri, mentre il 90% delleparticelle ha dimensioni comprese tra 100 e 200 nm.La produzione di particolato, oltre che dai parametridi combustione, dipende ovviamente dal rapporto car-bonio/idrogeno del combustibile e dal suo intervallo didistillazione.

Data la sostanziale differenza tra la combustione delmotore ad accensione comandata (ciclo Otto) e quelload accensione per compressione (ciclo Diesel), i relati-vi sistemi di controllo motore (v. oltre) vengono trattatiseparatamente.

Motore ad accensione comandata

Formazione miscela, accensione, combustioneIl processo di combustione è determinato dalla massa

di aria intrappolata nei cilindri all’istante di chiusuradelle valvole di aspirazione, dalla massa di combustibi-le presente allo stesso istante e dal momento in cui lascintilla, prodotta dalla candela, inizia l’accensione dellamiscela di aria e combustibile.

Con la terminologia sistema di controllo motore (en-gine control or management system) si intende l’insiemedi quei dispositivi a cui è assegnata la gestione dei para-metri che governano il processo di combustione e quindi

l’erogazione di potenza, il consumo di combustibile e leemissioni allo scarico. La funzione primaria del siste-ma di gestione motore è quindi di: rilevare la massa d’a-ria richiamata dal comando pedale acceleratore-valvo-la a farfalla come ‘richiesta di coppia’ da parte dell’u-tente; calcolare e rendere disponibile la massa dicombustibile per un adeguato rapporto di miscela; indi-viduare l’angolo del motore al quale attuare l’accensio-ne della miscela.

La formazione della miscela aria-combustibile puòaver luogo all’esterno della camera di combustione oall’interno della stessa. Nel primo caso l’introduzionedel combustibile viene effettuata nel condotto di aspira-zione del motore; dispositivi tipici sono l’ormai supera-to carburatore e l’iniettore di benzina a monte della val-vola di aspirazione (PFI, Port Fuel Injection). Nel secon-do invece il combustibile viene iniettato all’interno dellacamera di combustione (GDI, Gasoline Direct Injection)e quindi la preparazione della miscela è delegata ai motiinterni al cilindro, generati dalla geometria del condot-to in corrispondenza del seggio valvola di aspirazione edal movimento del pistone.

Il rapporto di miscela aria/benzina A�F teorico percompletare una combustione ideale è pari, in massa, a14,7, sono cioè necessari 14,7 kg di aria per bruciare 1kg di combustibile; il rapporto A�F ha un impatto deter-minante sull’erogazione di potenza, sui consumi speci-fici, sulle emissioni allo scarico. A titolo di esempio infig. 6 sono riportati gli andamenti qualitativi delle pre-stazioni di un motore (potenza e consumo di combusti-bile) e degli inquinanti allo scarico (CO, HC e NOx) alvariare del rapporto l: in piena ammissione (fig. 6 A),la potenza presenta un massimo per miscela tendenzial-mente ricca (l1) mentre il consumo specifico presen-ta un minimo per miscele magre (l�1); in fig. 6 B siosserva che le emissioni di NOx sono massime per unamiscela magra, per la quale le emissioni di HC (e di con-sumo specifico) sono minime.

L’obiettivo dei motori moderni è di operare in con-dizioni stechiometriche nel campo più ampio possibile;tale condizione è richiesta per ottimizzare i consumi spe-cifici e soprattutto per garantire la massima efficienza(�98%) dei più recenti sistemi catalitici per l’abbatti-mento delle emissioni allo scarico. In pratica però l’ot-timizzazione globale del funzionamento del motore richie-de una miscela più ricca del valore teorico all’avviamentoa freddo, nella zona di potenza massima e durante i tran-sitori termici e dinamici. L’elevato grado di sofistica-zione e di ottimizzazione dei motori moderni impone alsistema di formazione aria-benzina elevata precisionedella quantità di combustibile introdotta, elevata ato-mizzazione dello stesso ed elevata omogeneizzazionedella miscela.

Il sistema di accensione è responsabile, nell’istan-te definito, dell’accensione della miscela aria-benzina



compressa; l’accensione è costituita da un breve arco tragli elettrodi della candela e di fatto determina l’inizio delprocesso di combustione. La qualità della combustione ècondizionata dalla fasatura di accensione, cioè dall’an-golo di rotazione della manovella rispetto al PMS: unascadente accensione produce gas solo parzialmente com-busti che completano la combustione nel catalizzatore conla possibilità di danneggiarlo, causa l’eccesso di caloreprodotto localmente. La fasatura di accensione è un para-metro fondamentale per la gestione del motore, in quan-to condiziona prestazioni, consumi ed emissioni. La fasa-tura ottimale varia in funzione del progetto del motore,della sua cilindrata, degli obiettivi di progetto e, soprat-tutto, del punto di funzionamento del motore; la fasaturadeve pertanto essere definita in modo da soddisfare lamassima erogazione di potenza, i minimi consumi speci-fici, le minime emissioni di gas incombusti, e da preve-nire fenomeni di detonazione. Si ricorda che la detona-zione consiste nella combustione incontrollata e violentadi parte della miscela prima di essere raggiunta dal fron-te di fiamma innescato dalla candela; la detonazione puòessere interpretata come un processo di autocombustio-ne generato dall’onda di pressione che anticipa il frontedi fiamma nelle zone più lontane dalla candela e produ-ce incrementi locali di temperatura, con possibili preac-censioni, e incrementi locali di pressione, che si sovrap-pongono a quelli della combustione normale. Ad alti girie carichi elevati la detonazione è difficilmente udibile epuò portare rapidamente alla distruzione del motore pereccesso di sollecitazione termica e meccanica dei mate-riali, in particolare di pistone e guarnizione della testa. Perquesto motivo in piena potenza la fasatura dell’accensio-ne deve essere attuata con alta precisione.

Il sistema di gestione del motore è costituito dall’in-sieme dei dispositivi che forniscono il combustibile perla formazione della miscela e innescano l’accensione dellastessa, garantendo una corretta operatività nell’ampiocampo di funzionamento del motore termico. Si riporta-no di seguito gli elementi essenziali del sistema elemen-tare originale (carburatore, bobina e spinterogeno) e delsistema attuale, piuttosto complesso, che, integrando tutte

le funzioni, utilizza la tecnologia elettronica e continueràa utilizzarne la naturale evoluzione. Si tralascia la descri-zione delle molteplici soluzioni intermedie che, nell’ar-co di circa 30 anni, sono passate attraverso l’elettronicaanalogica per pervenire a quella digitale.

Sistema di gestione originaleIl carburatore elementare è un dispositivo molto sem-

plice composto da: a) una vaschetta, dove il combusti-bile è mantenuto a livello costante, in ogni condizionedi funzionamento, da una valvola comandata da un gal-leggiante; b) un diffusore, che ha il compito di genera-re, in corrispondenza dello spruzzatore, la depressionenecessaria all’aspirazione del combustibile; c) uno spruz-zatore per l’erogazione del combustibile, costituito daun getto calibrato; d ) una valvola a farfalla, comandatadal pedale acceleratore e posta a valle del diffusore, conil compito di regolare la quantità di miscela da introdurrenei cilindri e quindi la potenza erogata.

Le portate Q di aria (o di combustibile) che attra-versano il carburatore sono funzioni della sezione S deldiffusore (o calibrata) e della differenza di pressione Dpsecondo la relazione:

11

2DpQ �K �S �u�K �S�11r

dove r è la massa volumica dell’aria (o del combustibi-le) e K è il coefficiente di efflusso; al variare del salto dipressione il coefficiente di efflusso è praticamente costan-te per l’aria mentre è crescente per il combustibile, causauna legge di efflusso molto complessa dovuta alle mode-ste dimensioni del getto calibrato, dell’ordine di qual-che millesimo di millimetro e quindi del tutto assimila-bile a un capillare. La diversa variazione del coefficien-te di efflusso tra aria e combustibile comportal’impossibilità a mantenere un rapporto di miscela costan-te in un ampio campo di Dp e quindi di portate.

Il carburatore reale ha progressivamente raggiuntouna complessità maggiore con l’aggiunta di circuiti edispositivi separati per la gestione delle basse portate dimiscela, per l’avviamento a freddo e per i transitori in


AUTOTRAZIONE

A B

potenzaCO

HC

NOx

consumo specifico

consumospecifico

0,6 0,8 1 1,2 1,40,6 0,8 1 1,2 1,4

λ λ

fig. 6. Andamenti qualitativial variare del rapportolambda. A, prestazioni del motore (potenza e consumo di combustibile); B, inquinanti allo scarico(CO, HC e NOx).

fase di accelerazione; ciononostante la precisione di ero-gazione e la flessibilità di controllo si sono dimostrateinsufficienti a inseguire i continui inseverimenti dellanormativa sulle emissioni e a consentire l’ottimizzazio-ne dei consumi di combustibile.

Il sistema di accensione elementare è costituito dallacandela, dalla bobina e dal distributore di accensione.Nella candela l’elevata tensione genera un arco elettricotra gli elettrodi che accende la miscela compressa; la can-dela è composta da un isolatore ceramico che contienegli elettrodi conduttori (centrale e di massa). La bobinaopera sia come accumulatore di energia sia come tra-sformatore di tensione; l’alimentazione del circuito pri-mario in corrente continua, da batteria o da alternatore,genera infatti un campo magnetico e l’interruzione pro-vocata dal ruttore del distributore dell’alimentazione sul-l’avvolgimento primario all’istante di accensione inducenell’avvolgimento secondario il livello necessario di altatensione, che viene trasmesso alla candela attraverso ildistributore stesso. Il distributore distribuisce quindi gliimpulsi di tensione alle candele dei vari cilindri secondouna successione stabilita; provvede inoltre a gestire l’i-stante di accensione mediante il regolatore.

Sistema attualeIl sistema a controllo elettronico dell’ultima genera-

zione integra le funzioni di gestione del combustibile edi accensione: è costituito da sensori che rilevano i para-metri motore, da attuatori che comandano l’introduzio-

ne del combustibile e l’accensione della miscela e dallacentralina di controllo (fig. 7).

I sensori rilevano una grandezza motoristica (posi-zione del pedale, carico motore, temperatura, posizionee velocità angolare dell’albero, rapporto aria/combusti-bile, eventuale detonazione) e la trasformano in un segna-le elettrico (tensione, corrente, resistenza, ecc.). La posi-zione del pedale dell’acceleratore viene interpretata dalsistema come richiesta di coppia da parte del conducen-te e quindi è convertita in segnale elettrico di ingressoalla centralina di controllo tramite un potenziometro. Ilcarico del motore (coppia effettivamente attuata) vienerilevato a partire dalla quantità di aria introdotta in ognisingolo cilindro; i due diversi criteri impiegati sono lamisurazione diretta della massa di aria che attraversa ilcollettore di aspirazione tramite un dispositivo (debi-metro) basato sul principio dell’anemometro a filo caldo,oppure quella indiretta tramite il calcolo della portata inbase ad algoritmi che utilizzano la misura della pressio-ne nel collettore di aspirazione. Per la misura della tem-peratura del fluido di raffreddamento del motore e del-l’aria all’interno del collettore di aspirazione vengonoutilizzati resistori del tipo NTC (Negative TemperatureCoefficent). Il rilievo della posizione del pistone in ognisingolo cilindro serve ad attuare, con la corretta fasatu-ra, i comandi di iniezione e di accensione: essendo ilpistone, tramite la biella, connesso all’albero motore, unsensore di posizione angolare di quest’ultimo forniscel’informazione richiesta; lo stesso sensore, rilevando la



pompa altapressione

filtro a carboneattivo

valvola rigenerazionefiltro a carbone attivo

aspirazione

misuratore portata ariacon sensore temperatura

dispositivo controlloregime minimo

sensore dipressione

assolutacollettore valvola

EGR

centralinacontrollo

iniezione eaccensione

ECU

connettore perdiagnosi EOBD

spia diagnosi EOBD

funzione antifurto serbatoiobenzina

modulo di alimentazionecon pompa benzina immersa

sensore didetonazione

sensorevelocitàmotore

sensoredi temp.

bobina diaccensione

sensoredi fase

iniettore pedaleacceleratore

sensoreossigeno

sensoreossigeno

pre-catalizzatore

catalizzatoreNOx

sensoretemperaturagas di scarico

valvola controllo pressione

accumulatorecarburante

fig. 7. Schema completo del sistema di controllo di un motore ad accensione comandata che integra l’iniezione e l’accensione; in evidenza sensori e attuatori. EOBD, European On Board Diagnosis; ECU, Electronic Control Unit (per cortesia di Bosch).

variazione nel tempo della posizione angolare dell’al-bero fornisce la misura della velocità di rotazione del-l’albero motore. Per il rilievo viene utilizzato un senso-re induttivo che si affaccia su una ruota calettata sul-l’albero motore, con 60 denti meno 2: la variazione dicampo magnetico, dovuta al passaggio della ruota den-tata di fronte al sensore, genera una tensione alternata lacui ampiezza è funzione della velocità di rotazione del-l’albero motore, mentre i due denti mancanti induconouna discontinuità nel segnale, indicando così la posizio-ne dell’albero per il cilindro n. 1; un sensore a effettoHall, infine, identifica la posizione dell’albero a camme,che ruota a velocità pari a metà di quella dell’alberomotore, indispensabile per riconoscere la corsa di com-pressione/accensione da quella di scarico, non distin-guibile dalla sola posizione dell’albero motore. Per ilrilievo del rapporto aria/combustibile, si utilizza un sen-sore di ossigeno collocato nel collettore di scarico e lam-bito dai gas di scarico. Il sensore (sonda lambda) è costi-tuito da un corpo di ceramica (ossido di zirconio), sullecui superfici interna (a contatto con l’atmosfera) ed ester-na (a contatto con i gas di scarico) vengono depositatielettrodi di platino permeabili ai gas: la tensione gene-rata è proporzionale al rapporto tra le pressioni parzialidi ossigeno all’interno del sensore (ossigeno atmosferi-co) e all’esterno (ossigeno contenuto nei gas di scarico);la caratteristica essenziale di questo sensore è di pre-sentare una forte discontinuità del segnale in tensione inpresenza di valori di ossigeno corrispondenti a una misce-la stechiometrica (l�1, da cui deriva le denominazionedel sensore). L’eventuale detonazione viene rilevata daun sensore di accelerazione fissato alla struttura del moto-re, che mette in evidenza il forte incremento di pressio-ne locale all’interno del cilindro, e quindi la sollecita-zione sulla struttura esterna, generato dalla combustio-ne anomala di una parte della carica; il posizionamentosulla struttura motore deve consentire di discriminarecorrettamente le sollecitazioni indotte dalla detonazio-ne da quelle di altra origine e di individuare anche il sin-golo cilindro coinvolto dal fenomeno; per questi moti-vi, motori pluricilindro o caratterizzati da elevate pre-stazioni dispongono di due o più sensori.

Gli attuatori del sistema comprendono l’iniettore perl’erogazione della quantità di combustibile definita all’i-stante voluto, la bobina di accensione per far scoccarela scintilla alla candela all’istante voluto e, infine, ildispositivo che agisce sulla valvola a farfalla. L’inietto-re provvede a immettere il combustibile in quantità moltoprecisa per soddisfare il corretto rapporto lambda con lamassa di aria racchiusa nei cilindri e per immetterlo all’i-stante ritenuto ottimale, specialmente per contenere leemissioni di incombusti; l’iniettore a comando elettro-magnetico è costituito da un solenoide che avvolge unpistoncino con un ago all’estremità inferiore e in gradodi muoversi con elevata precisione sotto l’impulso di

corrente; in posizione di riposo l’ago mantiene chiusa lasede di efflusso del combustibile sotto l’azione di unamolla di contrasto; l’eccitazione del solenoide solleva ilpistone-ago di circa 100 mm scoprendo i fori di efflussocalibrati; la quantità di combustibile introdotta è defini-ta dal tempo di apertura dell’iniettore, che è quindi lavariabile gestita dal sistema di controllo, dalla sezionedi efflusso e dal salto di pressione sull’iniettore. Il saltodi pressione viene mantenuto costante da un regolatoredi pressione a membrana installato su un collettore dicombustibile per la distribuzione ai cilindri; un’elettro-pompa provvede a fornire una portata fino a oltre 50cm3/s a una pressione dell’ordine di 2,5-3,5 bar; una partedi questa portata viene riciclata all’interno del serbatoioper effetto della regolazione di pressione e per il raf-freddamento del combustibile. Il sistema ad alta tensio-ne per l’innesco dell’accensione include sempre la bobi-na che alimenta la candela; la bobina è concettualmen-te inalterata rispetto a quella del sistema originale, ma èindustrialmente molto evoluta, con interruzione del pri-mario e distribuzione della tensione attuati per via com-pletamente elettronica; una moderna bobina è costituitada un singolo nucleo ferromagnetico, opportunamenteconfigurato a circuito chiuso, e da un contenitore di mate-riale plastico; il circuito primario è direttamente avvol-to sul nucleo e il secondario, opportunamente isolato, sitrova all’esterno di questo. L’interruzione del primarioviene pilotata da un circuito con transistor di potenza,che sostituisce il ruttore dello spinterogeno tradiziona-le; la distribuzione elettronica della tensione alle cande-le dei cilindri viene semplificata nei sistemi modernidalla miniaturizzazione della bobina, che consente lasoluzione di una bobina per cilindro, collocata diretta-mente sopra alla candela. L’attuatore della valvola a far-falla consiste in un motore elettrico in corrente continuache, tramite riduttore, agisce sul piattello della farfallastessa. La ‘farfalla motorizzata’ disaccoppia quindi ilmovimento della farfalla di regolazione della potenza daquello del pedale dell’acceleratore: il conducente, agen-do sul pedale, fa intervenire un potenziometro il cuisegnale perviene alla centralina; quest’ultima regola lapotenza inviando un comando al motore elettrico di azio-namento della farfalla.

In fig. 8 sono riportati i componenti del sistema dicontrollo del motore: il gruppo di iniettori con l’accu-mulatore (rail) di collegamento; il gruppo di bobine diaccensione e di candele; il gruppo con pompa di ali-mentazione installato nel serbatoio combustibile; il fil-tro combustibile; la centralina elettronica; il misuratoredi portata d’aria (debimetro); il pedale per il comandodell’acceleratore con potenziometro incorporato; la val-vola a farfalla motorizzata per la regolazione della poten-za; i sensori di temperatura, fase e velocità angolare del-l’albero motore e detonazione; le sonde lambda, il com-pressore elettrico.


AUTOTRAZIONE

La centralina (ECU, Electronic Control Unit) è il cen-tro di calcolo e di controllo del sistema di gestione del moto-re; tramite algoritmi e software specifici elabora i segnaliin entrata, provenienti dai sensori, e invia in uscita i segna-li che comandano gli attuatori; all’interno vengono memo-rizzati sia programmi vari, sia dati di calibrazione specifi-ci per l’accoppiamento motore-veicolo. La centralina è uncontenitore metallico che incorpora una serie di circuitistampati: un connettore a terminali multipli (fino a 88 eoltre) provvede al collegamento tra centralina e sensori,attuatori e alimentazione elettrica; amplificatori e stadi dipotenza sono concentrati in una zona specifica, il cui pro-getto consente un adeguato smaltimento di calore.

La centralina, utilizzando i segnali dei sensori deiparametri del motore, calcola in tempo reale (qualchemillesimo di secondo) la coppia richiesta, la corrispon-dente carica di aria fresca da introdurre nei cilindri, laconseguente quantità di combustibile, il corretto ango-lo di accensione. Oltre a queste funzioni base sono neces-sarie altre funzioni, molte delle quali a circuito chiuso,per far fronte alle ampie condizioni di impiego del moto-re e per ridurre le emissioni dei gas di scarico; tra le prin-cipali si ricordano:• la gestione dell’avviamento del motore nelle varie

condizioni ambientali, di temperatura e pressione;una quantità maggiore di combustibile è infatti neces-saria per formare una pellicola (film) di combusti-bile sulle pareti fredde di condotti e cilindri; nellestesse condizioni la fasatura di accensione deve esse-re ottimizzata a causa del modesto riempimento deicilindri;

• il controllo delle fasi di accelerazione e decelerazio-ne quando le variazioni di pressione nel collettore di

aspirazione sono molto rapide e quindi anche lo spes-sore del film di combustibile sulle pareti è molto varia-bile; l’introduzione viene incrementata in accelerazio-ne per evitare una miscela troppo magra, mentre vieneinterrotta in decelerazione per contenere le emissioniallo scarico e aumentare l’effetto del freno motore;

• il controllo del regime di minimo con l’obiettivo dimantenere costante il regime stesso al variare dellatemperatura del motore e della potenza assorbita dagliausiliari;

• il controllo a circuito chiuso del valore di l, che vienemantenuto nell’intorno di 1 (rapporto stechiometri-co) per garantire la massima efficienza di conver-sione del catalizzatore a 3 vie per l’abbattimento delleemissioni allo scarico;

• il controllo del sistema di riduzione delle emissioniper evaporazione del combustibile, tramite il lavag-gio della trappola di carbone attivo che provvedeall’assorbimento;

• il controllo a circuito chiuso della detonazione in con-dizioni di piena potenza.Sui motori più sofisticati vengono inoltre inserite

altre funzioni supplementari per:• il controllo del o dei variatori della fase di distribu-

zione per l’ottimizzazione di potenza, consumi edemissioni;

• il controllo di dispositivi a lunghezza variabile neicollettori di aspirazione per l’ottimizzazione dellacoppia in un più ampio campo di giri;

• il controllo della sovralimentazione effettuata trami-te turbocompressore;

• il controllo del ricircolo dei gas di scarico (EGR, v. ol-tre) per la riduzione delle emissioni di ossidi di azoto;



gruppo bobinedi accensione

e candele

gruppo pompaalimentazione

iniettorie rail

sondelambda

misuratoreportata aria

sensori

centralinapedaleacceleratore

corpofarfallato

filtrocarburante

fig. 8. Componenti del sistema di controllo di un motore ad accensione comandata(per cortesia di Bosch).

• il controllo dell’iniezione di aria secondaria allo sca-rico per la riduzione delle emissioni di idrocarburiincombusti nella fase di riscaldamento motore.La centralina di controllo del motore può anche comu-

nicare con altri sistemi di controllo elettronico delle fun-zioni del veicolo per le quali è richiesta una regolazio-ne del motore (gestione della trasmissione, controllo dellatrazione, ecc.). Inoltre la legislazione europea sulle emis-sioni (EOBD, European On Board Diagnosis) richiedela diagnosi a bordo del veicolo di ogni eventuale ano-malia di componenti e sistemi che possono alterare leemissioni; il microprocessore controlla quindi sistema-ticamente la funzionalità dei componenti e con strategieparticolari anche l’efficienza del catalizzatore, segna-lando al conducente i malfunzionamenti tramite l’ac-censione di una spia specifica.

Motore ad accensione per compressione (ciclo Diesel)

La regolazione della potenza del motore Diesel sieffettua variando la quantità di combustibile introdottonei cilindri, mentre la quantità di aria è sostanzialmenteindipendente dal carico del motore. Il sistema di intro-duzione del combustibile ha pertanto un’influenza deter-minante sulla formazione della miscela e sul processodi combustione e di conseguenza su consumi, emissio-ni allo scarico e rumorosità del motore.

Il sistema di controllo del motore, meccanico o elet-tronico, deve soddisfare diverse esigenze:• fornire con elevata precisione la quantità di combu-

stibile richiesta da ogni cilindro in ogni ciclo in fun-zione del carico e della velocità angolare del moto-re (dosatura);

• garantire che l’introduzione inizi con un definitoangolo di anticipo rispetto al PMS ( fasatura); taleparametro condiziona la formazione della miscela edetermina l’angolo di rotazione del motore al qualeinizia la combustione: le migliori condizioni per emis-sioni e consumi si verificano per inizio di combu-stione in prossimità del PMS;

• gestire la durata di introduzione del combustibile; taledurata (angolo di rotazione del motore durante il qualel’iniettore rimane aperto) ha una notevole influenzasul processo di combustione; per ottimizzare emis-sioni e consumi la durata dell’iniezione varia in fun-zione delle condizioni di funzionamento del motore.

Sistema di iniezioneIl sistema di controllo semplificato è costituito dalla

pompa di iniezione, dall’iniettore-polverizzatore e dalsistema di regolazione che, originariamente integrato conla pompa a controllo meccanico, si identifica attualmentecon una centralina elettronica.

La pompa di iniezione in linea è composta da ele-menti pompanti (uno per ogni cilindro): ogni elemento

pompante è formato da un cilindretto e da un pistonci-no, comandato da un eccentrico che ne determina la leggedel moto; i vari eccentrici sono calettati su un albero azio-nato dal motore; il pistoncino, oltre al moto alternativo,può ruotare grazie a una coppia ruota-asta dentata. Quan-do il pistoncino è al PMI i fori di alimentazione scoper-ti dal pistoncino stesso alimentano il cilindretto con com-bustibile a bassa pressione, inviato dal circuito dellapompa; successivamente, in fase di salita, chiuse le lucidi alimentazione, il pistoncino prima comprime il com-bustibile e poi dà luogo alla mandata verso l’iniettore,aprendo una valvola specifica; la mandata cessa quan-do un tratto dell’elica di regolazione, che si trova sullasuperficie del pistoncino, ha superato e quindi scopertoil foro di alimentazione, per cui il combustibile può reflui-re verso l’aspirazione attraverso una scanalatura verti-cale del pistoncino stesso. La regolazione della quantitàdi combustibile è pertanto comandata dalla posizioneangolare del pistoncino rispetto al cilindretto da cui dipen-dono la corsa utile e, quindi, il volume spostato prima discoprire la luce di alimentazione e riflusso; l’asta den-tata per la rotazione degli elementi pompanti è quindil’organo di regolazione della mandata di combustibilee, di conseguenza, della potenza del motore. Un regola-tore centrifugo originariamente, e un sistema elettroni-co attualmente, esercitano azioni addizionali ma neces-sarie quali la limitazione della velocità angolare massi-ma, la variazione dell’introduzione in funzione dellavelocità angolare e della pressione atmosferica e anchela gestione dell’avviamento; per esercitare queste azio-ni il regolatore agisce sulla posizione iniziale dell’astadentata. La fasatura di introduzione del combustibileviene gestita da un correttore di anticipo centrifugo inse-rito nella catena di trasmissione tra motore e pompa: l’al-bero a camme della pompa viene ruotato al crescere deigiri da masse centrifughe in senso opposto all’albero dicomando.

La pompa di iniezione in linea ha avuto largo impie-go sui motori commerciali di elevata cilindrata ed ele-vato numero di cilindri.

Prima dell’avvento del common rail (v. oltre), sumotori per autovetture o per veicoli commerciali leg-geri, nella fase di sviluppo del motore Diesel, è stataampiamente utilizzata la pompa rotativa; questo tipo dipompa è caratterizzato da un solo elemento pompanteper tutti i cilindri, e l’alimentazione a bassa pressioneha luogo grazie a una pompa a palette. L’elemento pom-pante sposta la quantità di combustibile durante la suacorsa assiale e contemporaneamente ruota per distri-buirlo ai vari cilindri; quindi durante un ciclo l’elementopompante esegue un numero di corse pari al numero deicilindri che deve alimentare; la realizzazione meccani-ca è molto complessa e si basa sull’azionamento, daparte dell’albero della pompa, di un disco a camme cuiè solidale l’elemento pompante. Le azioni addizionali


AUTOTRAZIONE

sono svolte da un regolatore meccanico, la fasatura daun regolatore idraulico.

L’iniettore è composto dal polverizzatore e dal corpoche lo contiene; il corpo ha anche la funzione di ingres-so e contenimento del combustibile e, nella parte inter-media, di limitazione dell’alzata e di alloggiamento dellamolla di contrasto dell’ago del polverizzatore; nella parteinferiore il polverizzatore è formato dal corpo e dall’a-go che scorre nella guida del corpo con gioco molto ridot-to. La molla precaricata preme sull’ago, garantendo latenuta tra la sua estremità e la sede conica del corpo.L’ago si solleva quando il precarico della molla vienecontrastato dalla forza, dovuta alla pressione del com-bustibile, sulla superficie della sede dell’ago stesso: l’e-nergia di pressione del combustibile viene trasformatain energia cinetica di un getto finemente nebulizzato.L’ago chiude nuovamente quando la forza dovuta allapressione è sovrastata da quella della molla. Esistonodiverse forme di sistema ago-polverizzatore con sostan-ziali variazioni sulle caratteristiche del getto (forma,penetrazione, orientamento e numero dei fori di efflus-so); si passa da quello originario a pintle (pernetto), incui l’ago, di forma cilindrica o conica, si estende all’in-terno dell’orifizio e la sezione di efflusso è quindi unacorona circolare, a quello a sac hole (pozzetto), in cuil’ago termina in una camera molto piccola che contiene

i fori di efflusso, ottenuti per lavorazione meccanica o,più recentemente, per elettroerosione.

In veicoli commerciali e in alcune autovetture è adot-tato l’iniettore pompa (unit injector), con iniettore epompa formanti un unico corpo; in tal caso, nella testamotore, in corrispondenza a ogni cilindro deve essereinstallato un iniettore pompa: gli iniettori vengono coman-dati dall’albero a camme del motore, direttamente o tra-mite un bilanciere. La pressione di iniezione, fino a 2.000bar nei sistemi moderni, viene generata al momento diogni iniezione in ogni iniettore ed è funzione del nume-ro di giri; il controllo elettronico, con l’aggiunta di unavalvola solenoide, permette di aumentare la precisionee la flessibilità del sistema.

Nel sistema di iniezione ad accumulo, common rail(fig. 9), la generazione della pressione e l’iniezione avven-gono separatamente: la pressione di iniezione viene gene-rata indipendentemente dal regime del motore e dallaquantità di combustibile da iniettare; nell’accumulatoread alta pressione (rail) il combustibile è sempre dispo-nibile per l’iniezione, a una pressione variabile, a secon-da delle condizioni di funzionamento, da un minimo aun massimo che può raggiungere 1.800-2.000 bar neisistemi più evoluti. La quantità di combustibile da iniet-tare viene elaborata dalla centralina di controllo, trami-te adeguate strategie software, in funzione della posi-



pompa altapressione

sensorepressione

valvolaregolazionepressione

iniettori

serbatoio

pompa alimentazionebassa pressione

jet-pump

altri sensori,attuatori e linee

di comunicazione

ECU

filtro gasolio con:- separatore acqua - riscaldamento gasolio- sensore temperatura- valvola controllo- sensore livello acqua

linea a bassa pressionelinea ad alta pressione

accumulatore

fig. 9. Sistema di iniezione common rail in un motore ad accensione per compressione.

zione del pedale dell’acceleratore e del valore dei para-metri di funzionamento del motore, rilevati dai sensori;la centralina trasmette l’opportuno comando alle valvo-le elettromagnetiche degli elettroiniettori, uno per ognicilindro del motore. L’alta pressione viene generata dauna pompa a pistoni, indipendente dal gruppo di inie-zione, e azionata dal motore con rapporto di trasmissio-ne fisso. Gli elettroiniettori, collegati all’accumulatore(rail) mediante tubazioni molto resistenti, sono costitui-ti essenzialmente da un polverizzatore e da una valvolaelettromagnetica (fig. 10). La centralina di comando ali-menta elettricamente le valvole elettromagnetiche e l’i-niezione termina con l’interruzione dell’alimentazionestessa; la quantità di combustibile iniettata è proporzio-nale alla pressione del combustibile nel rail e alla dura-ta di alimentazione della valvola elettromagnetica ed èindipendente dal regime del motore o della pompa; i brevitempi di commutazione necessari sono realizzati trami-te un adeguato circuito HW e SW che attua tensioni ecorrenti elevate. L’istante di inizio dell’iniezione in uncilindro viene sempre stabilito dalla centralina che rico-nosce il cilindro, e la relativa posizione del pistone, gra-zie ai segnali dei sensori delle posizioni dell’albero moto-re e dell’albero a camme. L’elevata precisione di inie-zione e i rapidi tempi di attuazione consentono l’iniezionedi quantità di combustibile molto piccole, per cui neisistemi più evoluti si arriva a frazionare la quantità dicombustibile necessaria al singolo cilindro in 3 e anche5 iniezioni successive per lo stesso ciclo di combustio-ne: pre-iniezione, iniezione principale e post-iniezione(iniezioni multiple - brevetto Fiat Multijet).

La piccola quantità della pre-iniezione (pochi mm3)ha l’effetto di preparare la camera di combustione gra-duando quindi l’aumento di pressione e riducendo il ritar-do di accensione dell’iniezione principale. Il beneficiosi manifesta in una sostanziale riduzione del rumore dicombustione e, a seconda dei regimi di funzionamento,anche in una riduzione dei consumi e delle emissioni.Con motore freddo due pre-iniezioni successive sono piùefficaci per la riduzione del rumore. L’iniezione princi-

pale fornisce l’energia chimica da trasformare in lavoromeccanico sul pistone e quindi in coppia motrice. Il siste-ma common rail presenta il vantaggio di mantenerecostante il valore di pressione a monte dell’iniettoredurante tutta la fase di iniezione. La post-iniezione, sem-pre in quantità molto modeste, viene utilizzata per l’in-cremento di temperatura necessario ai vari sistemi di fil-trazione durante la fase di rigenerazione (combustionedel particolato, v. oltre): il combustibile non viene infat-ti bruciato ma evaporato dal calore residuo dei gas discarico e quindi bruciato nella parte catalitica del siste-ma di scarico.

Il sistema common rail prevede anche un regolatoredella pressione nell’accumulatore e un misuratore dellaportata dell’aria in ingresso al motore (debimetro) peruna più accurata regolazione della miscela ai carichi par-ziali e, quindi, per la riduzione delle emissioni. Un cir-cuito combustibile a bassa pressione, composto da ser-batoio, pompa, prefiltro, tubazioni e filtro principale,alimenta l’ingresso della pompa che genera l’alta pres-sione. Il sistema common rail, introdotto sul mercato perla prima volta nel 1997, ha contribuito ad aumentare lapresenza del motore Diesel a iniezione diretta sulle auto-vetture grazie proprio alla capacità di ridurre sostan-zialmente rumore ed emissioni allo scarico. Il sistema èstato concepito dal Gruppo Fiat che nel 1994 ha vendu-to i brevetti alla società Bosch per lo sviluppo finale el’industrializzazione.

Controllo delle emissioni

Motori ad accensione comandataDal primo regolamento applicato in Europa nel 1971

fino a prima dell’aggiornamento del reg. 15/04/1993, ilimiti di emissione sono stati ridotti tramite interventiinterni al motore: il più efficace, anche per il notevolebeneficio sui consumi, è stato quello consistente nell’u-tilizzazione di miscele magre, da valori di l�0,8-0,9 del-l’inizio degli anni Settanta a valori di l�1,05-1,15 deiprimi anni Novanta. La gestione di miscele magre è stata


AUTOTRAZIONE

ritorno

connessioneelettrica

gasolio

pistone

camera di comando idraulico

polverizzatore

fig. 10. Iniettore del common rail con le tre parti principali: la valvola elettromagnetica,il sistema di comandoservoidraulico e il polverizzatore con i fori di iniezione.

resa possibile dalle ottimizzazioni della camera di com-bustione e della relativa fluidodinamica ma soprattutto,come già detto, dalla progressiva evoluzione dei sistemielettronici di controllo del motore, che hanno garantitola precisione e la flessibilità necessarie. Attraverso que-sto tipo di interventi si sono raggiunte sul ciclo ECE(Economic Commission for Europe) emissioni dell’or-dine di 6,0-8,0 g/km per CO, di 1,0-2,0 g/km per HC, di1,5-2,5 g/km per NOx.

Il ciclo ECE di riferimento è un profilo velocità-tempo che rappresenta un percorso medio tipico dellecondizioni di traffico urbano europeo; il percorso vienerealizzato con vettura su un banco a rulli adeguato a misu-rare, con attrezzature sofisticate, la quantità di emissio-ni allo scarico; il consumo di combustibile viene calco-lato in base ai valori di emissione rilevati.

La necessità di ridurre ulteriormente emissioni e con-sumi ha portato allo sviluppo di tecnologie esterne almotore che sono utilizzate in varie combinazioni a secon-da della severità dei limiti da rispettare; tali tecnologiesono di seguito riassunte.

L’introduzione di aria secondaria all’interno del col-lettore di scarico, specie durante il transitorio di riscal-damento del motore, quando la miscela è povera di ossi-geno, favorisce l’ossidazione di CO e HC contenuti neigas di scarico, aumentandone la temperatura come con-seguenza della reazione esotermica. L’intervento è utileper soddisfare i limiti molto severi di HC su vetture dota-te di catalizzatore trivalente, in quanto ne abbrevia iltempo necessario al riscaldamento; la necessità di azio-nare una pompa per l’aria da introdurre comporta tutta-via una riduzione dei consumi tra 1 e 3%.

Con il ricircolo dei gas di scarico (EGR, ExhaustGas Recirculation), una parte dei gas di scarico è intro-dotta in camera di combustione per ridurne il picco ditemperatura da cui dipendono le emissioni di NOx. Unaccurato impiego di EGR può diminuire anche i consu-mi di combustibile, riducendo il lavoro di aspirazionedella miscela fresca a carico parziale. L’EGR può esse-re attuato o con una valvola specifica esterna al motoreo con adeguato utilizzo della fase di incrocio durante la

distribuzione (valvole di aspirazione e scarico aperte con-temporaneamente).

Il convertitore catalitico (fig. 11) è composto da unsubstrato monolitico, ceramico o metallico, impregnatodi materiale catalitico (metalli nobili quali Pt, Rh e Pd),all’interno di un contenitore metallico inserito sulla lineadi scarico del motore. L’efficienza di conversione, oltreche dalla formula chimica e dalla massa dei metalli nobi-li, è funzione della temperatura: fino a 200-250 °C è pra-ticamente nulla; la temperatura ottimale di funziona-mento, per conversione superiore al 95% e affidabilitànel tempo, è compresa tra 400 e 800 °C. Il catalizzatoreè rapidamente avvelenato dal piombo, per cui il combu-stibile deve esserne assolutamente esente. L’installazio-ne del convertitore in prossimità del motore ne riduce iltempo necessario al riscaldamento a partire dall’avvia-mento del motore, e ne anticipa quindi l’efficacia. Lamassima temperatura sopportabile senza danni è del-l’ordine di 1.000 °C, per cui occorre predisporre il pro-getto e prevenire ogni malfunzionamento del controllomotore che porti ad anomali incrementi della tempera-tura interna del catalizzatore. Un catalizzatore ossidan-te in eccesso d’aria converte le emissioni di CO e HC,mentre un catalizzatore riducente in difetto d’aria ridu-ce le emissioni di NOx.

Il catalizzatore trivalente (3-way catalyst), con con-trollo a circuito chiuso pilotato dalla sonda lambda, è lasoluzione più efficace di post-trattamento dei gas di sca-rico per abbattere definitivamente tutti gli inquinanti:CO, HC e NOx; affinché il catalizzatore possa svolgerecontemporaneamente le due funzioni antitetiche di ossi-dazione di CO e HC e riduzione di NOx, deve operare inuna finestra molto stretta di rapporto aria-combustibile(l�10,005), come indicato in fig. 12. Utilizzando talitecnologie, le emissioni allo scarico dei veicoli leggerisono state ridotte a livelli molto modesti: inferiori a 1g/km di CO e a 0,1 g/km per HC e NOx. Le emissionidei veicoli dell’inizio del 21° secolo sono mediamentevalutate pari al 2% di quelle dei veicoli della fine deglianni Sessanta, quando era ancora assente ogni regola-mentazione. Un livello così modesto non concede molto



guscio metallico superficie trattataad alta porosità

catalizzatori ametalli preziosi

parete porosa delsupporto ceramico

supporto ceramico

materassino fig. 11. Convertitorecatalitico di un motore ad accensione comandata:contenitore in acciaiosezionato per evidenziare il supporto ceramico con superficie a elevataporosità per la deposizionedell’elemento nobilecatalizzante (per cortesia di Corning).

spazio a ulteriori riduzioni: con motore e catalizzatoretermicamente a regime, le emissioni sono prossime allozero e di difficile misurazione; lo sforzo tecnologico èquindi concentrato sulla fase di riscaldamento, dopo l’av-viamento, per ridurre le emissioni di base dal motore eaccelerare la messa in efficienza del catalizzatore.

A tale fine l’iniezione diretta di benzina, in lenta maprogressiva introduzione sui motori, fornisce un contri-buto sia per il migliore controllo del combustibile iniet-tato, sia per la possibilità di effettuare, durante il riscal-damento, post-iniezioni minime in fase di scarico che,bruciando nel catalizzatore, ne anticipano il raggiungi-mento della piena efficienza.

Motori ad accensione per compressioneUna maggiore attenzione della regolamentazione in

Europa sulle emissioni dei motori Diesel è iniziata piùtardi, per la modesta percentuale di vetture circolanti eper favorirne la diffusione. Nel 1992 le emissioni degliautoveicoli Diesel erano comunque inferiori a 0,97 g/kmper HC�NOx, a 2,72 g/km per CO e a 0,14 g/km per ilparticolato (PM). Il regolamento Euro 4, applicato neglianni 2005-06, ha fissato tali livelli rispettivamente a 0,30,0,50 e 0,025 g/km, con una limitazione per i soli NOx a0,25 g/km. Il rapido aumento del parco Diesel europeo,concentrato a fine anni Novanta con l’industrializzazio-ne del common rail, ha indotto i legislatori a richiederesforzi per un sostanziale allineamento con i limiti emis-sioni dei motori ad accensione comandata; infatti l’o-biettivo futuro, da raggiungere progressivamente conpassi intermedi per consentire un adeguato sviluppo dellatecnologia necessaria, è stato definito con valori del-l’ordine di 0,05 g/km per HC, 0,08 g/km per NOx, 0,5g/km per CO e 0,0025 g/km per il particolato.

Il processo di combustione di un motore Diesel è persua natura critico nei confronti delle emissioni di NOx edi particolato e, a causa dell’eccesso d’aria, non si puòutilizzare un catalizzatore trivalente; pertanto la chiaveper la riduzione delle emissioni è all’interno del motore

e risiede nella ottimizzazione della formazione dellamiscela aria-combustibile e del processo di combustio-ne. Quest’ultimo è determinato da parametri che sonofissi durante il funzionamento e da altri che sono varia-bili. I parametri fissi sono quelli costruttivi quali il rap-porto di compressione, la cilindrata unitaria, la formadella camera di combustione, la posizione dell’iniettoree la geometria dell’iniettore (diametro e numero degliugelli). I parametri variabili sono quelli che variano perla regolazione della potenza e l’ottimizzazione di emis-sioni e consumi quali il campo di moto dell’aria, il gradodi sovralimentazione, la pressione di iniezione, la fasa-tura e la durata dell’iniezione, ecc. La maggior parte diquesti parametri è gestita dal sistema di controllo delmotore in funzione delle condizioni operative.

Anche per il motore Diesel sono utilizzate tecnologieesterne al motore per l’abbattimento degli inquinanti, chesono ormai parte integrante del sistema di controllo delleemissioni; tali tecnologie sono di seguito riassunti.

Il sistema EGR è il mezzo più efficace per abbatte-re le emissioni di NOx. L’effetto della diluizione dell’a-ria fresca con i gas di scarico è, come per i motori adaccensione comandata, quello di ridurre la temperaturamassima di combustione, da cui dipende la produzionedegli NOx. A carichi parziali il notevole eccesso di arianella miscela consente diluizioni molto elevate con per-centuali del 50-60%: tuttavia una percentuale di EGRtroppo elevata produce incrementi di CO, HC e partico-lato a causa di una carenza di aria per la combustionedel combustibile.

Il catalizzatore ossidante, ampiamente utilizzato gra-zie al naturale eccesso d’aria che favorisce l’ossidazionedi CO e HC allo scarico, presenta anche il vantaggio diossidare i composti idrocarburici associati al particolato.

L’eccesso di aria allo scarico rende complessa la ridu-zione degli ossidi di azoto, per cui sono in fase di svi-luppo, con qualche parziale applicazione, soluzioni moltosofisticate del catalizzatore per NOx basate su due lineeprincipali: reazione selettiva (SCR, Selective CatalyticReduction) e trappola per NOx (NOx trap or storage). Ilcatalizzatore SCR utilizza come agente riducente l’am-moniaca (NH3) per ridurre gli ossidi di azoto a CO2 eH2O. Data la difficoltà di utilizzazione dell’ammoniacasulle applicazioni mobili, un nuovo processo (Si-NOx) èstato sviluppato da Siemens per produrre l’ammoniacasul veicolo partendo dall’urea. La complicazione è insi-ta nelle necessità di disporre di un sistema di dosaggioa bordo del veicolo, di evitare fughe di ammoniaca inatmosfera e di disporre di una rete di distribuzione del-l’urea. La trappola di NOx si basa su un principio comu-ne a quello sviluppato per i motori ad accensione coman-data a miscela magra. L’ossido di azoto, in condizio-ni normali di funzionamento con eccesso d’aria, vieneinizialmente immagazzinato dal catalizzatore, a base diplatino e di ossidi e solfati di bario, e successivamente


AUTOTRAZIONE

0

20

40

60

80

100%

0,90 0,92 0,94 0,96 0,98 1,00 1,02 1,04 1,081,06 1,10

HC

CO

NOx

λ

fig. 12. Efficienza di conversione di un catalizzatore a tre vie al variare del rapporto lambda.

trasformato in nitrati. Tramite un processo di rigenerazio-ne, pilotato dal sistema di controllo del motore, si arric-chisce (l1) per un tempo discreto la miscela, in modoche i nitrati vengano convertiti in azoto e vapor d’acqua.Questa è la soluzione con il maggior potenziale per imezzi mobili, anche se ulteriori sviluppi sono necessa-ri per ampliare il campo di temperature per la conver-sione e migliorare quest’ultima in durata. Il catalizzato-re è avvelenato dallo zolfo presente nel combustibile,che deve pertanto essere eliminato.

La trappola di particolato basa il suo funzionamen-to sul trattenimento meccanico delle particelle in un fil-tro a matrice porosa. Il continuo accumulo di particelletrattenute dal filtro produce un incremento della contro-pressione allo scarico, con forti penalizzazioni dei con-sumi e delle prestazioni del motore; è quindi necessario,prima che l’accumulo sia eccessivo, procedere a rigene-rare la trappola bruciando le particelle accumulate; sitende a rigenerare quando il particolato è pari a circa 1g. La combustione omogenea di queste particelle richie-derebbe una temperatura troppo elevata, superiore a 600°C; questa temperatura viene quindi ridotta a 350 °C tra-mite additivi nel combustibile, quali ferrocene o ossididi cerio ( fuel additive filter), o a 450 °C circa con un ele-mento catalitico costituito da metalli nobili inseriti nellamatrice del filtro (catalyzed soot filter). La rigenerazio-ne viene gestita dal sistema di controllo del motore conadeguate e sofisticate strategie per programmarne l’av-vio e per attuarla con brevi post-iniezioni dopo il PMS,al fine di sfruttarne la reazione esotermica in fase di sca-rico dei gas combusti. L’efficacia della trappola di parti-colato è molto elevata, superiore al 90%, anche nei con-fronti del particolato sottile; rimane il problema del suocosto elevato, data la complessità della soluzione.

8.1.4 Evoluzione

Motore ad accessione comandataDopo più di un secolo di evoluzione, il motore ad

accensione comandata ha raggiunto un alto livello tec-nologico: la densità di potenza è ormai elevatissima poi-ché è utilizzato al massimo il potenziale del combusti-bile; le emissioni allo scarico, che agli inizi degli anniSettanta ne avevano messo in dubbio la durata, sonoormai quasi nulle grazie al catalizzatore trivalente e all’e-strema precisione del controllo del rapporto di miscela.

Il punto debole rimane tuttavia il basso rendimento;sono quindi elevati i consumi di combustibile nelle con-dizioni di impiego parzializzato, lontane cioè dalla mas-sima potenza erogabile, specie se confrontati con quel-li del motore Diesel; tale differenza, dell’ordine del 15%in massa di combustibile, è principalmente dovuta allaparzializzazione della carica, come elemento di regola-zione del carico del motore; la parzializzazione provo-cata dalla valvola a farfalla all’ingresso della linea diaspirazione costringe infatti il motore a compiere un lavo-ro negativo per immettere aria fresca all’interno dei cilin-dri; riduzione dei consumi significa inoltre riduzionedelle emissioni di biossido di carbonio, che contribuisceall’effetto serra e che quindi ha un impatto energetico eambientale.

Esistono tuttavia ancora per questo tipo di motorepossibili sviluppi tecnologici dei quali si elencano diseguito le linee principali:• utilizzazione delle valvole di aspirazione per la rego-

lazione del carico, con eliminazione della farfalla(fig. 13 A); per il comando delle valvole si posso-no adottare soluzioni meccaniche, idrauliche, elet-tromeccaniche o una opportuna combinazione di



A B

fig. 13. Prospettive dell’iniezione di benzina nei motori a benzina: A, iniezione nel condotto di aspirazione con eliminazionedella valvola a farfalla; B, iniezione diretta all’interno della camera di combustione (per cortesia di Bosch).

queste; le varie soluzioni possono essere a diversolivello di complessità a seconda dei gradi di libertàrichiesti, fino alla eliminazione degli alberi a cammecome nel caso di attuazioni completamente idrauli-che o elettromeccaniche;

• diluizione della miscela tramite aria o EGR, o uninsieme delle due; nel primo caso si realizza unamiscela magra mentre nel secondo il rapporto dimiscela rimane stechiometrico; in entrambi i casi l’e-levata diluizione riduce il grado di parzializzazionea parità di coppia all’albero motore e quindi il lavo-ro negativo per immettere la carica fresca; per garan-tire una sufficiente stabilità di combustione è neces-sario campo fluidodinamico adeguato all’interno delcilindro, in modo da concentrare attorno alla cande-la una quota parte della carica con maggior conte-nuto di combustibile (carica stratificata); la soluzio-ne con miscela magra richiede l’utilizzazione di tec-nologie catalitiche più complesse (trappola per NOx),data l’impossibilità di utilizzare il catalizzatore tri-valente per l’eccesso di contenuto di ossigeno nelloscarico;

• tecnica del downsizing, con riduzione della cilindra-ta per accoppiamento del motore con un turbocom-pressore: ai bassi carichi (percorsi urbani), il minorconsumo è dovuto al minor grado di parzializzazio-ne della cilindrata, mentre l’aumento di densità dellamiscela dovuto al turbocompressore fornisce poten-ze superiori quando necessarie;

• iniezione diretta di benzina all’interno del cilindro(fig. 13 B), con sistemi a pressione nell’intorno dei100 bar: sui motori di elevata cilindrata si può ope-rare con miscela stratificata adeguando il moto dellacarica in ingresso e la geometria del pistone; datoanche il beneficio sul controllo delle emissioni (siriducono le superfici esposte al combustibile) e sulladetonazione (la vaporizzazione nel cilindro riduce latemperatura della carica), avrà un’ampia diffusionefino a sostituire progressivamente l’attuale iniezio-ne indiretta nel condotto di aspirazione;

• sistemi automatici di start-stop, che consentono l’an-nullamento del consumo arrestando il motore nellefasi di sosta dei percorsi urbani al regime minimo eriavviandolo con l’azionamento del pedale dell’ac-celeratore;

• cambi automatici evoluti, che possono realizzare stra-tegie di utilizzazione delle marce orientate alla mini-mizzazione dei consumi.La competitività sempre più accentuata tra i costrut-

tori porterà a indirizzi differenziati tramite l’impiego didiverse combinazioni delle tecnologie indicate anche infunzione della tipologia del prodotto; tuttavia l’introdu-zione massiccia sul mercato di una nuova tecnologia potràavvenire solo quando il valore per il cliente compenseràl’aumento di costo.

Un elemento comune di ulteriore sviluppo, già avvia-to, è inoltre la sostanziale riduzione degli attriti internidel motore; le linee principali di sviluppo in tale dire-zione consistono in nuovi materiali e trattamenti dellesuperfici di accoppiamento, contenute dimensioni del-le stesse e lubrificanti a tribologia evoluta.

Motore ad accensione per compressioneÈ stato abbandonato da tempo per l’elevato consumo

di combustibile e le modeste prestazioni il motore Die-sel a iniezione indiretta in una precamera; è stato invecerealizzato, grazie ai sistemi di iniezione a controllo elet-tronico, un progresso notevole nel controllo della com-bustione dei motori Diesel a iniezione diretta (v. par.8.1.3); tale controllo ha permesso non solo di ridurre gliinquinanti allo scarico, ma anche di aumentare la den-sità di potenza con un sostanziale aumento delle presta-zioni e, in particolare, dei tempi di accelerazione del vei-colo. Si deve soprattutto a quest’ultimo fattore, oltre cheal ridotto consumo, la crescente penetrazione nel mer-cato di vetture con motore Diesel a iniezione diretta che,in alcuni paesi europei, ha superato quella delle vetturecon motore ad accensione comandata.

Al contrario di quanto avviene per il motore ad accen-sione comandata, il cui problema principale consiste nelridurre il consumo di combustibile senza compromettereil livello estremamente contenuto delle emissioni, nel casodel motore Diesel il primo obiettivo è quello di ridurre leemissioni mantenendo un rendimento molto elevato. Leemissioni più critiche del motore Diesel sono rappresen-tate dal particolato e dagli ossidi di azoto; gli interventi sulmotore vanno pertanto esaminati alla luce della relazioneche lega tra loro tali inquinanti; al diminuire infatti dell’u-no quasi sempre aumenta l’altro e solo il passaggio da uncerto livello tecnologico a un altro più evoluto consente lariduzione contemporanea di NOx e particolato. Le tecno-logie più efficaci nel ridurre le emissioni, senza penaliz-zare il consumo di combustibile, sono rappresentate da:• interrefrigerazione, in grado di realizzare una diffe-

renza di temperatura tra l’aria che alimenta il motore el’aria esterna di soli 20 °C contro i 40 °C del passato;

• sovralimentazione, realizzata con una turbina a geo-metria variabile (fig. 14), integrata mediante ununico controllo elettronico nel sistema di iniezio-ne del combustibile, in grado di garantire un’ele-vata efficienza facendo variare l’angolo della palet-tatura del distributore in funzione della portata deigas di scarico;

• sistema di iniezione common rail (v. par. 8.1.3) che,al contrario di quanto avveniva con la pompa multi-pla oppure con l’iniettore pompa, è in grado di disac-coppiare la generazione della pressione di iniezionedalla velocità di rotazione del motore; la pressio-ne di iniezione arriva fino a 2.000 bar ed è possibi-le regolare la durata e il profilo dell’iniezione con


AUTOTRAZIONE

iniezioni multiple, comprese le post-iniezioni neces-sarie per sostenere il post-trattamento dei gas di sca-rico mediante catalizzatori;

• variazione dell’apertura delle valvole, già citata peril motore ad accensione comandata e applicata soprat-tutto nel motore Diesel per autovettura, che consen-te, insieme al controllo della quantità di combustibi-le, di gestire istante per istante e cilindro per cilin-dro il rapporto aria-combustibile A�F;

• testa cilindri a quattro valvole, che permette un note-vole aumento del rendimento volumetrico (dal 10 al20% a seconda della velocità di rotazione del moto-re), la riduzione del lavoro di pompaggio (fino al 50%

alle alte velocità di rotazione) e l’adozione di un siste-ma di combustione ‘centrale’ per posizione dell’i-niettore e della camera di combustione: il getto dicombustibile, che risulta ancor più finemente suddi-viso attraverso il maggior numero di fori del polve-rizzatore (fino a 8 nei motori per autovettura e 12 neimotori per autocarro) e il minor diametro (fino a 0,12mm e fino a 0,06 mm con foratura laser) del polve-rizzatore, penetra uniformemente nella massa d’ariacontenuta nel cilindro, migliorando l’utilizzazionedell’aria a tutte le velocità;

• disegno appropriato delle coppie a strisciamento per li-mitare il consumo di olio lubrificante, fonte anch’esso



A B

fig. 14. Turbina a geometria variabile per sovralimentazione di un motore Diesel. A, a carichi e velocitàangolare del motoremodesti le palette sono posizionate in mododa ridurre la sezione di passaggio; B, a carichi e velocitàangolare del motore elevati le palette vengonoprogressivamente orientatenella direzionedell’aumento della sezionedi passaggio (per cortesia di Volvo).

di particolato; il consumo di olio tende a essere pariallo 0,06% del consumo di combustibile;

• uso di quantità elevate di EGR, preventivamente raf-freddato, che sono tollerate dal motore a iniezionediretta;

• il motore turbocomposito (turbocompound ), appli-cato ai motori Diesel per autocarro, consente un’ul-teriore riduzione delle emissioni e del consumo dicombustibile in quanto, a pari valore di emissioni edi consumo della soluzione senza turbina di poten-za, l’aumento della potenza utile del motore si tra-duce in una riduzione dei corrispondenti valori spe-cifici di emissioni e di consumo di combustibile.I sistemi di post-trattamento (v. par. 8.1.3), consen-

tono, mediante la trappola del particolato (DPF, DieselParticulate Filter), di azzerare il particolato allo scaricosia nel motore Diesel per autovettura sia in quello perautocarro; l’evoluzione di questo sistema è verso DPFclose coupled, situati cioè nel vano motore in modo dacontenere tempo e consumo di combustibile necessariper la rigenerazione.

Rimane problematico, soprattutto al fine di garan-tirne una durata confrontabile con la vita del motore, ilraggiungimento di bassi livelli di ossidi di azoto median-te l’impiego dei catalizzatori per NOx. Nel caso dei moto-ri Diesel per autocarro la tecnologia è quella della ridu-zione catalitica selettiva basata sull’ammoniaca ottenu-ta per decomposizione dell’urea; nel caso dei motoriDiesel per autovettura la tecnologia è invece quella delcatalizzatore ad adsorbimento degli ossidi di azoto incondizioni povere (l�1) e rilascio/riduzione in condi-zioni stechiometriche o ricche (l1). È possibile anchel’integrazione dei due sistemi di abbattimento degli ossi-di di azoto e del particolato in un unico sistema.

Bibliografia generale

Automative handbook (2000), Stuttgart, Bosh. Bernard L. et al. (2003) Fuel economy improvement potential

of UNIAIR throttles technology, «Associazione Tecnicadell’Automobile», 56, 40-77.

Cornetti G. (1989) Macchine idrauliche, Torino, Il Capitello.Cornetti G. (1989) Macchine termiche, Torino, Il Capitello.Fraidl G. et al. (2003) The potential of next generation gasoline

direct injection technology, «Associazione Tecnicadell’Automobile», 56, 5-17.

Garro A. (1992) Progettazione strutturale del motore, Torino,Levrotto & Bella.

Hammer J. et al. (2004) The evolution of common railtechnology, in: The NOX and the PM emissions challenge.Proceedings of the international symposium on dieselengine, Monopoli (Bari, Italy), October, AssociazioneTecnica dell’Automobile, ATA Papers.

Imarisio R. et al. (2004) Diesel strategies towards fuel neutralEuropean Emission Standards, in: The NOX and the PMemissions challenge. Proceedings of the internationalsymposium on diesel engine, Monopoli (Bari, Italy), October,Associazione Tecnica dell’Automobile, ATA Papers.

Lake T. et al. (2004) Turbocharging concept for downsizedDI gasoline engines, Society of Automative Engineers,SAE Technical Papers 2004-01-0036.

Sanguedolce A. et al. (2004) FGP development of exhaustsystem with cathalised particulate filter for diesel passengercar application, in: The NOX and the PM emissionschallenge. Proceedings of the international symposium ondiesel engine, Monopoli (Bari, Italy), October, AssociazioneTecnica dell’Automobile, ATA Papers.

Alessandro PicconeGiorgio Cornetti

Centro Ricerche FIATOrbassano, Torino, Italia


AUTOTRAZIONE

Documents

8 AUTOTRAZIONE - mcurie.edu.it