I motori diesel fanno muovere il mondo da oltre 100 anni. Sono economici nei consumi e duraturi. Questo articolo mostra come funziona un motore diesel e cosa ci riserva il futuro.
Come funziona un motore diesel?
Come il motore a benzina, anche il motore diesel è un motore a pistoni alterni. Il movimento verso l’alto e verso il basso dei pistoni nei cilindri viene convertito in un movimento rotatorio attraverso le bielle e l’albero motore. Quando i pistoni si muovono verso l’alto, l’aria nel cilindro viene fortemente compressa. La compressione riscalda l’aria a una temperatura compresa tra 700 e 900 gradi Celsius. Questa temperatura è sufficiente per accendere il carburante fornito.
La pressione dell’esplosione spinge il pistone verso il basso, facendo ruotare l’albero motore. Questo principio è chiamato accensione per compressione. I motori diesel non hanno bisogno di candele per accendere la miscela aria-carburante. Per questo motivo sono noti anche come motori ad accensione spontanea. I motori diesel sono prodotti sia a due che a quattro tempi. Tuttavia, praticamente solo i motori diesel a quattro tempi sono utilizzati nei veicoli a motore. Questi motori prendono il nome da Rudolf Diesel (1858 – 1913). Sebbene Rudolf Diesel non sia stato l’inventore del principio del motore diesel, è stato il primo a costruire un motore ad accensione spontanea funzionante.
Un motore diesel diventa mobile solo attraverso la pre-camera
I primi motori diesel utilizzavano un soffiatore per riempire i cilindri. Per questo motivo i motori erano molto grandi e pesanti, con un peso di circa 250 kg per CV. Non erano adatti all’uso nei veicoli.
In un motore a precamera, la camera di combustione è divisa in cilindro e precamera. La precamera è grande circa un terzo dell’intera camera di combustione. Il carburante viene iniettato in questa precamera. Quindi si mescola con l’aria di combustione grazie a un design speciale. Il carburante viene iniettato il più possibile in direzione del canale di collegamento tra il cilindro e la precamera. Solo una parte del carburante brucia nella precamera. A causa dell’espansione durante la combustione, la miscela viene distribuita nel cilindro attraverso il cosiddetto canale di iniezione. La maggior parte della combustione della miscela carburante-aria avviene quindi nel cilindro.
Fino alla fine degli anni ’80, questi tipi di motori erano predominanti nelle autovetture. Solo negli anni ’90 i motori diesel a iniezione diretta sono stati installati anche nelle autovetture, che oggi vengono utilizzate quasi esclusivamente. MAN ha sviluppato e prodotto in serie il primo motore diesel a iniezione diretta per autocarri nel 1924.
Motori diesel a iniezione diretta: più potenza e meno consumo di carburante
Nei motori diesel a iniezione diretta non esiste una precamera. Il carburante viene iniettato direttamente nella camera di combustione. La tecnologia Common Rail è la più conosciuta. I motori diesel common rail sono dotati di una pompa ad alta pressione che mantiene il carburante in un sistema di tubazioni ad alta pressione costante fino a 3.000 bar durante il funzionamento. Il sistema di tubazioni funge da accumulatore di pressione per compensare le fluttuazioni di pressione causate dalla pompa idraulica. Tutti gli iniettori sono collegati a questo sistema di tubi e quindi tra loro. La pressione è la stessa in tutto il sistema. L’alta pressione consente di iniettare il carburante direttamente nel cilindro e di distribuirlo finemente. Ciò riduce il consumo di carburante e le emissioni inquinanti.
Ancora più potenza grazie al turbocompressore
Le prestazioni di un motore diesel variano in base alla quantità di carburante iniettato. Pertanto, un motore diesel non necessita, in linea di principio, di valvole a farfalla che modifichino la quantità di aria. I moderni motori diesel sono comunque dotati di valvole a farfalla per consentire un controllo preciso del motore. La potenza di un diesel è limitata dalla quantità di aria presente nel cilindro. Ciò significa che è possibile bruciare solo tanto carburante quanto ossigeno è disponibile come compagno di reazione. Utilizzando un turbocompressore, è possibile aumentare la quantità di aria e quindi di ossigeno nel cilindro e iniettare più carburante per ottenere una maggiore potenza.
Meno CO2 ma più ossidi di azoto: vantaggi e svantaggi dei motori diesel
Un vantaggio del motore diesel rispetto al motore a benzina è la riduzione delle emissioni di CO2. Sebbene il carburante diesel abbia un contenuto di carbonio più elevato, le alte temperature di combustione fanno sì che le emissioni di CO2 di un motore diesel siano inferiori. D’altro canto, le temperature di combustione più elevate sono responsabili di maggiori emissioni di ossidi di azoto (NOx) rispetto a un motore a benzina. Gli ossidi di azoto irritano le vie respiratorie e sono considerati la causa di diverse migliaia di morti premature in Italia. Questo conflitto, ovvero l’aumento delle emissioni di NOx in presenza di basse emissioni di CO2, non può essere risolto con modifiche tecniche al motore. Per ridurre le emissioni di NOx, i gas di scarico di un motore diesel devono essere depurati.
Urea e convertitori catalitici ad accumulo per gas di scarico diesel puliti
I produttori utilizzano convertitori catalitici ad accumulo di NOx o tecnologia SCR, ad esempio, per la purificazione dei gas di scarico nei motori diesel. Con la tecnologia SCR, una soluzione di urea liquida nota come AdBlue viene iniettata nel flusso dei gas di scarico. La soluzione di urea lega gli ossidi di azoto contenuti nei gas di scarico e li converte in vapore acqueo e azoto innocuo. Grazie a questa tecnologia, i gas di scarico diesel sono relativamente puliti. A condizione che nessuno manipoli il sistema di depurazione dei gas di scarico.
Lo scandalo diesel: l’inizio della fine del motore diesel?
Lo scandalo del diesel o delle emissioni è stato innescato dalla scoperta di manipolazioni illegali dei sistemi di controllo delle emissioni dei motori diesel negli Stati Uniti nel 2015. Le manipolazioni sono state scoperte dall’Agenzia per la protezione dell’ambiente degli Stati Uniti. Si scoprì che i veicoli diesel della Volkswagen AG erano in grado di raggiungere i bassi valori di emissioni specificati dal produttore solo sul banco di prova. Quando i veicoli erano in circolazione, alcune emissioni di scarico erano fino a 30 volte superiori ai valori consentiti. Il motivo era la disattivazione illegale del sistema di depurazione dei gas di scarico.
Di conseguenza, anche numerosi altri produttori sono stati ritenuti colpevoli di manipolazione. Per Volkswagen questo scandalo è stato molto costoso e anche imbarazzante. VW aveva pubblicizzato e venduto i suoi motori diesel negli Stati Uniti come “clean diesels” particolarmente puliti. Il Dieselgate ha portato sempre più produttori di veicoli a pensare a carburanti alternativi per i loro motori diesel, al fine di prolungare la vita utile di questa tecnologia. Questi includono il biodiesel e i carburanti diesel sintetici.
Il biodiesel e il gasolio sintetico garantiranno il futuro del motore diesel?
Qualche anno fa, il biodiesel era visto come la soluzione ai problemi dei gas di scarico dei motori diesel. In linea di principio, il biodiesel è olio vegetale convertito. Un vantaggio è che durante la combustione viene rilasciata solo la quantità di CO2 che le piante hanno estratto dall’aria per produrre l’olio. Tuttavia, il biodiesel presenta un problema. C’è un conflitto tra il serbatoio e la piastra.
Il diesel sintetico viene prodotto a partire da idrogeno e CO2. L’idrogeno è disponibile in quantità illimitate, ma deve essere ottenuto tramite elettrolisi, ossia la scissione dell’acqua in idrogeno e ossigeno. Questo processo è molto dispendioso dal punto di vista energetico. La CO2 può essere filtrata dall’aria. La combustione del diesel sintetico rilascerebbe solo la quantità di CO2 che è stata precedentemente estratta dall’aria per la sua produzione. Il diesel sintetico sarebbe quindi neutro dal punto di vista della CO2. Tuttavia, il diesel sintetico è veramente neutro dal punto di vista delle emissioni di CO2 solo se l’elettricità necessaria per l’elettrolisi proviene da energie rinnovabili. Gli esperti ritengono che la produzione totale di elettricità da energie rinnovabili non sarà sufficiente a coprire la domanda di carburanti sintetici nemmeno in futuro.
Il diesel ha un futuro?
Probabilmente no. L’UE stabilisce che le emissioni inquinanti dei veicoli a motore devono essere ridotte del 100% entro il 2035. Ciò significa che solo i veicoli senza emissioni potranno essere autorizzati. A partire dal 2035, il Ministro dei Trasporti vuole autorizzare solo veicoli con motori a combustione che funzionano con carburanti sintetici. La maggior parte delle case automobilistiche ha annunciato quando l’ultimo veicolo con motore a combustione interna uscirà dalla linea di produzione.
Sempre più organizzazioni ambientaliste chiedono inoltre il divieto dei motori a combustione che richiedono combustibili fossili. Un piano concreto per un divieto generale dei motori a combustione è già stato concordato dalla ZEV Alliance (Zero Emission Vehicle) alla Conferenza delle Nazioni Unite sui cambiamenti climatici di Parigi del 2015. La ZEV Alliance comprende Norvegia, Paesi Bassi, Germania, Regno Unito e alcuni Stati degli USA. L’obiettivo è quello di bandire definitivamente i motori a combustione basati su combustibili fossili entro il 2050, riducendo così le emissioni globali di CO2 del 40% entro il 2050. Quindi il futuro del diesel non sembra esattamente roseo.
