by

Perché i camion hanno solo motori diesel?

Perché i veicoli pesanti utilizzano motori diesel?

Esiste un unico vero motivo per cui nei veicoli pesanti si utilizza il motore diesel ma la maggior parte delle persone lo ignora.

Ciò che serve ad un veicolo pesante, non è tanto la potenza ma la coppia.

La coppia che è l’attitudine di una forza a imprimere una rotazione ad un corpo rigido, si esprime come l’energia in [Newton . m] generando un lavoro, così come l’energia è l’effetto dalla forza applicata per uno spostamento.

L’unità di misura dell’energia, come sappiamo, è il Joule che esprime proprio la quantità di forza applicata [Newton] (o impropriamente chilogrammi forza) per uno spostamento in metri lineari [m].

[Joule]= [Newton] . [m]

La potenza invece è espressa in Watt ottenibili dividendo l’energia in Joule per i secondi utilizzati per compiere un determinato lavoro [W]=[Joule]/[sec]

Cosa significa in pratica?

Vi siete mai chiesti come sia possibile che un sistema meccanico a manovella come il martinetto o il cosidetto cric riesca a sollevare la vostra auto di quasi una tonnellata o più con la semplice forza del vostro braccio quando dovete cambiare una gomma?

Ciò che rende possibile questa operazione è la coppia non la potenza.

La discriminante tra i due parametri è il tempo.

Per generare coppia — ovvero energia o lavoro — il tempo necessario per compiere lavoro è ininfluente, per generare potenza, invece, il tempo è fondamentale.

Se per sollevare 1000 chili di un metro (più propriamente 9810 Newton che equivalgono a ciò che chiamiamo comunemente “tonnellata”) serve una certa energia, questa energia necessaria non cambia se questo peso lo solleviamo in un secondo o in un giorno. Cambiando il tempo in cui compio questo lavoro, cambio unicamente la potenza che applico.

Ciò che cambia in questo caso è la potenza che sarà proporzionalmente maggiore tanto più diminuirà il tempo necessario per compiere questo lavoro, cioè il sollevamento di questa tonnellata di un metro in altezza.

La potenza generata da un motore a combustione interna, quindi, è “scaricabile” a terra tramite le ruote motrici sotto due forme che generano effetti differenti: potenza o coppia che genera lavoro.

Dato che come abbiamo detto, la potenza è una certa quantità di energia (lavoro) in un tempo ben definito secondo la relazione:

P= E/t [Watt]= [Joule]/[sec]

Va da sé che per ottenere grandi energie che ci permetterebbero di compiere un lavoro enorme — quindi uno spostamento di enormi pesi — indipendentemente dal tempo impiegato per compierlo, sarà necessario trasformare la potenza prodotta dal motore in energia utile aumentando il parametro “tempo”.

Se nella formula P= E/t (potenza = energia/tempo) abbiamo un parametro di potenza noto generato dal motore termico, per ottenere una più alta energia e quindi lavoro utile, siamo costretti ad aumentare il parametro “tempo” così come:

15 = 150/10

Fermo restando il valore di 15 generato dal motore termico, per ottenere un valore maggiore al numeratore della relazione, diventa necessario aumentare anche il valore al denominatore, infatti la relazione non cambia se la scriviamo sotto quest’altra forma:

15 = 150000/10000

Questo tipo di operazione viene compiuta meccanicamente dagli ingranaggi moltiplicatori inseriti nel cosidetto “cambio” o “marcia”.

Ecco che, magicamente, la nostra automobile che ha una erogazione di potenza ben precisa, in prima marcia riesce — più lentamente — a compiere un lavoro, spostando una tonnellata del proprio peso in avanti su una ripida salita — cosa che sarebbe stata impossibile in quinta marcia — il tutto a discapito del tempo, cioè della velocità in cui questo lavoro viene compiuto.

IL DIESEL NEI VEICOLI PESANTI

Le differenze tra un motore diesel e un corrispondente propulsore a benzina non consistono nel solo carburante impiegato, ma si spingono oltre, sfociando nella “termodinamica”. Infatti, i motori diesel, o meglio, a ciclo diesel si dicono propulsori ad “accensione per compressione” (AC) perché all’interno dei cilindri il carburante s’infiamma per l’aumento della temperatura dell’aria. Tale incremento è generato dalla compressione, cui è soggetta la miscela combustibile-comburente per azione del pistone, che si muove verso la testa del cilindro.

Nei motori a benzina (ciclo Otto), detti ad accensione comandata (AS), l’accensione avviene non per compressione, ma grazie alla presenza di un impianto elettrico ad alta tensione in grado di fa scoccare nel cilindro, per mezzo di un dispositivo detto “candela”, una scintilla che da l’avvio alla combustione all’interno della camera.

Quindi emerge la prima, ovvia, differenza tra un diesel e un benzina: il rapporto di compressione. In un propulsore AS (benzina) il rapporto di compressione è inferiore a 12:1 (per evitare l’accensione spontanea e irregolare del carburante). In un motore AC (diesel) il rapporto di compressione arriva anche 23:1.

• Considerazione numero uno: la termodinamica ci dice, in soldoni, che il rendimento di un motore a scoppio aumenta con l’aumentare del rapporto di compressione. Da ciò deduciamo che un motore a gasolio consuma meno di un benzina di pari cilindrata e “rende” di più, in altre parole ha più coppia. Con un solo esempio abbiamo capito dove nascono i pregi e le qualità dei diesel.

Ora però, vediamo il risvolto della medaglia. La combustione del gasolio è lenta. Proprio grazie a questa caratteristica, questo combustibile è stato utilizzato nei diesel che, per informazione, originariamente bruciava una polvere finissima di carbon-fossile.

Combustione lenta significa che il motore diesel ha un limitatore di giri naturale. Infatti oltre i 5000 giri/min il rendimento dei propulsori AC scende vistosamente non essendo più possibile la completa accensione della miscela con conseguente calo delle prestazioni.

• Considerazione numero due: più lentamente gira il motore, migliore è la combustione. Ecco perché i motori a gasolio hanno molta coppia ai bassi regimi. A differenza di un ciclo Otto, infatti, nei diesel la miscela aria – carburante si forma all’interno della camera di combustione. Ciò permette ai diesel di avere un riempimento sempre ottimale ed elimina i problemi di coppia ai bassi regimi. In un benzina, invece, la miscela stechiometrica si forma nel collettore di aspirazione. Ciò comporta una combustione poco redditizia ai bassi regimi, perché l’aria aspirata non si distribuisce nel modo migliore all’interno della camera, come avviene ai regimi più elevati. Quindi, in un benzina, più alto è il regime di rotazione, migliore è il riempimento e la distribuzione del carburante (entro determinati limiti). Il contrario di ciò che avviene in un diesel in cui, inoltre, la potenza massima che, lo ricordiamo è sempre legata non solo alla coppia ma anche al regime (velocità) di rotazione*, è limitata essendo limitato quest’ultimo (al contrario di un propulsore AS).
• * La potenza è infatti esprimibile, come detto, con il rapporto tra energia e tempo ma anche come prodotto di forza per velocità
• P = E/t = F.v
• che dimensionalmente risulta essere:
• [Watt] = [Joule]/[sec] = [Newton . m] / sec = [Newton] . [ m/sec ]

Abbiamo detto prima che i motori AC hanno un rapporto di compressione elevatissimo. Dal valore del rapporto di compressione deriva la “ferocia” della combustione (indipendentemente dalla velocità con cui s’infiamma il combustibile). Una combustione violenta equivale ad una “sonora” e brutale martellata sui pistoni [forza] , sulle pareti dei cilindri e sulla testa.

• Considerazione numero tre: i diesel sono mediamente più pesanti dei motori AS perché devono resistere a ripetute esplosioni nei cilindri (molto più “crudeli” rispetto a quelle di un ciclo Otto), quindi tutti i componenti in movimento devo essere adeguatamente dimensionati.
• Considerazione numero quattro: dalla veemenza della combustione dovuta all’eccezionale compressione deriva la tipica rumorosità dei propulsori a gasolio.

Ricapitolando: a fronte di un migliore rendimento, il diesel paga il gap di un regime limitato a 5000 giri che ne limita la potenza massima (anche se poco importa, vista l’ampia disponibilità di coppia), di una maggior sollecitazione degli organi meccanici e di una rumorosità poco piacevole.

Il motore Diesel si presta ad un lavoro dove è necessaria una erogazione di coppia molto alta anche a basso regime di giri del motore, infatti nei veicoli pesanti con richiesta di altissimi valori di forza disponibile per spostare enormi pesi (navi, treni, autocarri, macchine per il trasporto terra etc…) il Diesel si rivela il motore ideale.