Il motore Diesel è un tipo di motore alternativo a combustione interna, alimentato in origine a olio vegetale e oggi a gasolio, che sfrutta il principio della compressione per ottenere l'accensione del combustibile in maniera spontanea, quindi non tramite l'azione delle candele d'accensione, impiegate invece dal motore ad accensione comandata. È stato brevettato nel 1892 dal tedesco Rudolf Diesel, dal quale ha preso il nome.
Storia Il motore Diesel è stato usato inizialmente per i mezzi d'opera, esteso poi ai mezzi industriali e infine, a partire dalla fine del XX secolo, con la sua continua evoluzione, ha conosciuto una vasta diffusione anche nel mercato dell'automobile.
Cronistoria 1892: il 23 febbraio Rudolf Diesel deposita a Berlino il brevetto n° 67207 1893: Diesel pubblica il saggio "Teoria e costruzione di un motore termico razionale, destinato a soppiantare la macchina a vapore e le altre macchine a combustione finora conosciute" 1897: ad Augusta Diesel costruisce il prototipo funzionante 1898: la svizzera Sulzer Maschinenfabrik, per la quale Diesel aveva lavorato nel 1879, costruisce su licenza il suo primo motore, così come la tedesca Deutz che però ne inizierà la produzione in serie solo dopo la scadenza del brevetto nel 1907 1900: all'Esposizione mondiale di Parigi Diesel presenta il suo motore, alimentato da olio di arachidi 1902: la MAN (Maschinenfabrik Augsburg Nürnberg AG) inizia la produzione di motori stazionari per la centrale elettrica di Kiev, alcuni di questi motori sono rimasti in funzione fino al 1955 1903: prima applicazione su un'imbarcazione, il battello francese Petit Pierre, operante nel canale Marna-Reno 1904: il francese Aigrette è il primo sottomarino a utilizzare un motore Diesel per la navigazione di superficie ed elettrico in immersione 1909: l'ingegnere tedesco di origine libanese Prosper L'Orange, in forza alla Benz & Cie., brevetta la precamera di combustione (DPR 230517 del 14 marzo 1909) 1910: un motore ausiliario Diesel viene installato sul veliero Fram utilizzato per la spedizione Amundsen in Antartide 1910: vengono varate il cargo italiano MN Romagna con motore Sulzer, affondato nel 1911, e la nave cisterna olandese "Vulcanus" con motore Werkspoor, rimasta in servizio fino al 1932 1911: viene varata la MS Selandia, è la più grande nave transoceanica equipaggiata di motore Diesel fino ad allora, il suo viaggio inaugurale nel 1912 ha risonanza mondiale 1912: il primo treno a trazione con motore Diesel viene costruito in Germania 1913: muore Rudolf Diesel, scomparso in mare durante una traversata della Manica, in circostanze mai chiarite 1914: la Junkers realizza il prototipo di motore Diesel aeronautico, il 4 cilindri Mo3 1928: nel Michigan primo volo di un aereo con motore Diesel, lo Stinson SM-1DX "Detroiter" con motore Packard DR-980 1931: l'aereo Bellanca CH-300 "Pacemaker" con motore Packard DR-980 conquista il record in volo senza rifornimento in 84 ore e 32 minuti: il primato resterà imbattuto per 55 anni da qualunque tipo di aereo Febbraio 1936: viene presentata la Mercedes Benz 260 D, la prima autovettura con motore Diesel prodotta in grande serie Ottobre 1936: la Citroën installa su un furgoncino derivato dal modello Rosalie un motore Diesel di 1767 cc progettato dall'inglese Harry Ricardo. Anche se mai entrato in una reale produzione di serie è stato il primo autoveicolo leggero dotato di motore Diesel. 1953: la Fiat 1400 fu la prima vettura italiana ad adottare il motore Diesel, venendo pertanto battezzata 1400 Diesel. Montava un propulsore di cilindrata 1901 cm³ da 40 CV a 3.200 giri al minuto, con iniezione Spica ad alta pressione, lo stesso impiegato dall'autocarro 615 e dalla fuoristrada Campagnola.
Evoluzione tecnica La prima auto di serie spinta da un motore alimentato a gasolio fu la Mercedes-Benz 260D del 1936. Il motore Diesel era noto però già da molto tempo, perché applicato su vasta scala in marina e in impianti fissi ancor prima della prima guerra mondiale, e a partire dal 1927 su autocarri e autobus.
In prima fase si provvide (dato che la compressione del motore era limitata) al preriscaldamento del combustibile in modo che il combustibile preriscaldato riuscisse a incendiarsi anche con aria relativamente fredda. Il sistema a preriscaldamento si mostrò piuttosto complesso e inaffidabile, nonché eccessivamente legato alla temperatura esterna. L'attenzione si concentrò, quindi, nello sviluppo di sistemi in grado di ottenere le stesse condizioni di riscaldamento in modo sovrabbondante, e quindi sicuro, direttamente mediante la compressione preventiva dell'aria. La combustione è preceduta dalla vaporizzazione e innesco del combustibile immerso in aria arroventata.
Il riscaldamento dell'aria è ottenuto con l'aumento della sua pressione, riducendo il volume (cioè le dimensioni) della camera di combustione, in modo che lo spazio rimanente all'aria nel fine corsa superiore sia il minore possibile, e inoltre con l'adozione di motori "sottoquadri", cioè dove i pistoni avevano una corsa maggiore dell'alesaggio. L'elevato lavoro di compressione (doppio rispetto ai motori a benzina) rese più "ruvido" il funzionamento del motore e violentemente smorzata la rotazione dello stesso. Occorreva poi, nell'aria maggiormente compressa, giungere a iniettare Il gasolio. Le varie case motoristiche, nel tempo, hanno ideato sistemi diversi.
Il primo sostanziale risultato di rendere sufficientemente efficace e stabile (con progresso uniforme) la fiammata di combustione fu ottenuta dalla casa motoristica statunitense Continental che stava studiando il modo di utilizzare il motore Diesel sugli aerei. Il sistema consisteva nel creare una cavità nella testata dove veniva costretta l'aria, e in quello spazio avveniva una migliore miscelazione di combustibile e di aria e vi era alloggiata una candeletta per aiutare la combustione. Il sistema fu poi utilizzato soprattutto dalla Caterpillar, per i suoi mezzi da lavoro e per mezzi militari.
La Caterpillar, che produceva prevalentemente motori di grandi dimensioni, per avere una combustione sempre più regolare, ebbe l'idea di aumentare il numero degli iniettori (fino a tre) e quindi i punti di accensione, allo scopo di uniformare il procedere della combustione. La necessità di lasciare un adeguato spazio di miscelazione e di inizio della combustione per ogni iniettore ridusse il rapporto di compressione. Negli anni ottanta la casa tedesca Volkswagen sviluppò motori in cui, mediante compressori a elevata pressione, il gasolio veniva iniettato nel vano di testata.
Negli anni novanta si propose di eliminare le precamere e i vani di testata, creando invece un vano sulla testa del pistone. Furono poi utilizzate pompe di iniezione rotative della Bosch ad alta pressione, accoppiate con iniettori a getti multipli. Precedendo la FIAT, la Perkins Engines, mediante l'utilizzo di sistemi bilanciati fluidodinamici all'interno della camera di combustione, riuscì a ottenere un sistema maggiormente soddisfacente di combustione a diversi regimi, senza complicare il sistema con dispositivi elettronici.
Le pompe d'iniezione rotative però presentavano il problema di un'incostante pressione di iniezione, dato che erano legate al regime di rotazione del motore stesso. Tale incostanza riduceva il rendimento e aumentava gli inquinanti a causa di una combustione incompleta. Si arrivò così a un'idea semplice e molto efficace: immagazzinare in qualche modo il gasolio già in pressione all'interno di un "serbatoio" che costituisse un accumulo di combustibile compresso, riuscendo per la prima volta a sganciare il concetto di "pressione" da quello di "portata".
La Magneti Marelli brevettò nel 1988 un sistema denominato Unijet, sostanzialmente un tubo (detto "flauto") comune a tutti i cilindri del motore, al cui interno il gasolio era tenuto a pressione costante (ed elevatissima) e che alimentava tutti gli iniettori. Nacque così il common rail, inventato da Mario Ricco nel centro ricerche Fiat ed industrializzato e prodotto dopo il 1994 dalla Bosch, che nelle sue successive evoluzioni ha reso possibile la progressiva riduzione delle cilindrate, grazie a una perfetta gestione dei fenomeni di combustione, possibile in passato solo su motori con grandi cilindrate unitarie.
Bosch fu in grado di sviluppare anche le successive evoluzioni di tale sistema, rendendolo sempre competitivo sul mercato. Quasi contemporaneamente, la casa tedesca Volkswagen sviluppò un sistema di iniezione diretta denominato iniettore pompa (PDE), rimpicciolendo il sistema che all'epoca riscuoteva molto successo su motori a gasolio di grossa cilindrata usati su trattori per autotrazione (MAN e Mach che equipaggia i trattori del gruppo Renault). Tale sistema presenta il vantaggio di fornire altissime pressioni d'iniezione (oltre 2 000 bar), anche a regimi bassissimi, permettendo un'ottima nebulizzazione del gasolio, a tutto vantaggio di una combustione uniforme. Il fatto negativo più importante si presentò presto ed era intrinseco nella progettazione del motore stesso. Mentre il sistema common rail era direttamente applicabile a tutti i preesistenti motori a gasolio senza che questi dovessero subire una riprogettazione, il sistema iniettore-pompa richiedeva una modifica progettuale per le testate dei motori, per permettere loro di alloggiare gli iniettori-pompa, relativamente grossi, che dovevano essere singolarmente azionati meccanicamente da alberi motori, o da camme.
L'evoluzione finale del common-rail è il sistema a iniezioni multiple (o "stratificate"), tra i quali sono particolarmente celebri il Volkswagen TDI e il multi jet, inventato e brevettato da FIAT, che consiste semplicemente in un normale common rail il cui funzionamento è frazionato in tante piccole iniezioni, che possono variare nel numero a seconda delle condizioni di necessità (da 2 a 9 iniezioni per ciclo).
Le pluriniezioni sono rese necessarie dal fatto che il gasolio ha un alto potere calorifico e suddividono il quantitativo di gasolio necessario in sempre più piccole dosi iniettate a forti pressioni, facendo sì che la combustione sia quanto più rotonda possibile (è proprio dalle irregolarità nella combustione che deriva il caratteristico rumore ritmico e cadenzato prodotto dai motori Diesel). Le fasi sono suddivisibili in:
preiniezione: viene iniettata una piccola quantità di gasolio che fa da fiamma pilota per la combustione vera e propria. iniezione: si sviluppa in vari step successivi, più ve ne sono e meglio riesce la totale combustione. postiniezione: viene iniettata una piccola quantità di gasolio a combustione ormai avvenuta in piena fase di espansione. Tale iniezione è fondamentale per la rigenerazione dei filtri e quindi per l'abbattimento degli inquinanti da combustione, che nei motori a gasolio sono di particolare pericolosità e dannosità.
Funzionamento
Il concetto di base del funzionamento del motore Diesel è che quando un gas viene compresso si riscalda. In questo motore viene utilizzata tale proprietà comprimendo all'interno del cilindro la sola aria a valori elevati, tali per cui il combustibile, che viene iniettato quando il pistone si trova circa al punto morto superiore, si accende spontaneamente, in quanto la compressione ha portato l'aria nel cilindro ad una temperatura superiore alla temperatura di accensione del gasolio. Il motore Diesel vene pertanto definito motore ad accensione spontanea, in contrapposizione al motore ad accensione comandata, nel quale non viene compressa solamente l'aria ma una miscela di combustibile ed aria e l'accensione viene innescata dalle candele.