Per quanto riguarda il mondo del motori a combustione interna, i principali combustibili che la fanno da padrone sono il Diesel e la benzina. Essendo due combustibili completamente diversi che hanno modalità di combustione differenti, anche i motori hanno criteri di progettazione completamente differenti. Iniziamo a definire un po’ di termini e di teoria prima di passare alla parte pratica. Un motore segue quello che chiamiamo ciclo motore. Essendo i moderni propulsori dei 4 tempi, vuol dire che il pistone completa un ciclo quando effettua due corse di salita e due di discesa e ogni corsa rappresenta un tempo: in ordine verranno svolte le fasi di aspirazione, compressione, espansione e scarico. Il ciclo seguito dai motori a benzina prende il nome di Ciclo Otto, mentre il Diesel prende il nome di Ciclo Diesel.
Per comprendere la differenza, però, dobbiamo capire le modalità di combustione dei due combustibili. Il motore a benzina è chiamato anche ad accensione comandata: c’è una candela che in un certo istante fa scoccare una scintilla e la miscela aria e combustibile, precedente miscelata, inizia a bruciare. Il motore Diesel è chiamato anche motore ad accensione per compressione e il motivo è presto detto: mentre dalle valvole di aspirazione di un motore benzina di solito viene introdotta una miscela di aria e combustibile (ad esclusione dei motori ad iniezione diretta di benzina), i motori Diesel sin dal primo giorno sono sempre stati realizzati esclusivamente con l’iniezione diretta. Quindi, dalle valvole di aspirazione entra solo aria, mentre il Diesel viene immesso attraverso un iniettore direttamente in camera di combustione. La combustione comincia con l’autoaccensione delle particelle di gasolio presenti che sono disperse in camera di combustione: quindi è come se ogni goccia di Diesel funzionasse da innesco per la combustione.
Differenza fra Diesel e Benzina (Gasoline)
Come già anticipato i due combustibili in questione sono completamente differenti: la benzina è un combustibile che ha un’elevata tendenza ad evaporare, motivo per il quale nel ciclo Otto, il processo di adduzione di calore (detto anche combustione), viene assimilato come un processo a volume costante. Quindi è talmente veloce che, nel ciclo ideale, il Ciclo Otto ipotizza una combustione istantanea che avviene in un tempo infinitesimo (molto piccolo). Nel ciclo Diesel, invece, il processo di combustione è più lento, in quanto è un combustibile molto meno evaporativo, e che al contrario si auto accende. Per questo motivo, il ciclo Diesel considera la fase di adduzione di calore come se fosse a pressione media costante (la combustione inizia con il pistone che sta salendo, motivo per il quale il volume si riduce e la pressione aumenta, poi in un secondo momento dopo aver raggiunto il punto morto superiore, il pistone inizia a scendere, il volume aumenta e la pressione inizia a diminuire poiché siamo nella fase di espansione, quindi mediamente viene presa costante). Definiamo punto morto superiore il punto più alto raggiunto dal pistone (lo chiameremo PMS). Il punto morto inferiore è il punto più basso raggiunto dal pistone (che chiamo PMI). Il volume spazzato dal pistone tra PMI e PMS è detta cilindrata.
Se il tutto non è ancora chiaro, è normale: serve del tempo per digerire questi concetti. In un motore a benzina, le quattro fasi di aspirazione, compressione, espansione e scarico funzionano in questo modo:
- Fase di aspirazione – il pistone parte dal punto morto superiore e arriva al punto morto inferiore, e il combustibile si è miscelato con l’aria nei condotti di aspirazione (una volta esisteva il carburatore che miscelava i due, ora esiste l’iniezione indiretta di combustibile che avviene nel condotto). Quindi dalla valvola di aspirazione entra aria e benzina;
- Fase di compressione: il pistone sale dal PMI al PMS, e la miscela di aria e benzina inizia la fase di compressione che prevede un lieve aumento delle temperature in gioco. Verso la fine della fase di compressione inizia la combustione, grazie ad una candela, che si protrae anche per una frazione di millisecondi nella corsa di espansione;
- Fase di espansione: il pistone passa dal PMS al PMI, la combustione è già cominciata nella fase di compressione, per cui la miscela continua a bruciare ma termina nel giro di poco in quanto le temperature poi decrescono notevolmente. Durante la combustione si superano abbondantemente i 1000 °C;
- Fase di scarico: il pistone viaggia dal PMI al PMS, e nel frattempo sono sono aperte le valvole di scarico per espellere i gas combusti attraversi i condotti di scarico.
Nel motore Diesel, le fasi hanno gli stessi nomi ma ci sono alcune differenze:
- Fase di aspirazione: la valvola di aspirazione si apre, entra solo aria, il pistone scende dal PMS al PMI;
- Fase di compressione: il pistone passa dal PMI al PMS, ma nel frattempo la temperatura raggiunge circa i 450-500 °C in quanto l’aria si comprime. Poco prima del PMS, il combustibile viene iniettato, e grazie alla frantumazione del combustibile in tante piccole gocce, è resa possibile l’autoaccensione della miscela, in questo caso non serve la candela;
- Fase di espansione: il pistone ritorna dal PMS al PMI, e nel frattempo si conclude il processo di combustione;
- Fase di scarico: il pistone torna dal PMI al PMS con la valvola di scarico già aperta, motivo per cui i gas combusti fuoriescono.
Come avevano già anticipato l’unica differenza è il modo di introdurre il combustibile e il processo di combustione in sé. Questa immagine qui sotto raffigura meglio le quattro fasi.
I motori diesel non hanno candele, come già anticipato. Sui moderni motori si usano degli accessori chiamati “candelette” che servono solo a scaldare il motore durante le fasi di avviamento a freddo. I Diesel hanno bisogno di rapporti di compressione elevati per generare le alte temperature richieste per l’autoaccensione del carburante (maggiore è il numero di cetano, migliore è l’accensione). Il numero di cetano è un parametro che identifica il tempo di ritardo all’autoaccensione. Questo tempo di ritardo non è altro che il tempo che intercorre tra l’inizio dell’iniezione del combustibile e l’inizio della combustione.
Il rapporto di compressione è molto più elevato con un motore Diesel (da 14:1 a 25:1) rispetto a un motore a benzina (da 8:1 a 12:1). I motori a benzina utilizzano rapporti di compressione inferiori per evitare il fenomeno dell’autoaccensione del carburante (che provoca il cosiddetto battito in testa del motore). Rapporti di compressione più elevati portano a maggiori efficienze termiche e migliori risparmi di carburante, ma al contempo si verifica il battito in testa che, se persistente per tempi prolungati, porta il motore alla rottura.
La fase di alimentazione dei motori a benzina e Diesel
Come anticipato, i motori a benzina prevedono più modalità di alimentazione del combustibile. In origine c’era il carburatore che, completamente meccanico, si occupava di realizzare la miscela aria e combustibile da inviare al motore. Si trattava di un meccanismo “rozzo” che presentava diversi problemi sul controllo della miscela, nonché a livello di emissioni evaporative. Quando si spegneva il motore, infatti, il combustibile caldo rimasto nel carburatore, tornava al serbatoio, riscaldava il resto della benzina ed evaporava senza essere stata usata nel motore e quindi senza averne ricavato potenza utile a muovere la vettura.
Successivamente è stata introdotta l’iniezione: cronologicamente prima quella indiretta, poi quella diretta. In entrambi i casi si usa un iniettore, ma cambia il posizionamento dell’elemento. Nell’iniezione indiretta, l’iniettore è posizionato nel condotto di aspirazione quindi prima di attraversare la valvola di aspirazione giunge già una miscela di aria e benzina. L’iniezione diretta, invece, prevede l’introduzione di sola aria attraverso le valvole di aspirazione perché la benzina viene iniettata direttamente in camera di combustione poco prima della fase della combustione. Queste soluzioni hanno vantaggi e svantaggi (e saranno analizzate in dettaglio in un prossimo articolo tecnico).
L’invenzione più recente in termini di alimentazione riguarda il motore a precamera, come quello adottato sulla Maserati MC20: l’iniettore è posizionato in una piccola camera posta prima della camera di combustione principale. L’aria viene introdotta sempre attraverso le valvole ma arriva nella camera principale. Durante la fase di compressione, si realizza una differenza di pressione per cui l’aria passa dalla camera principale alla precamera, all’interno della quale viene miscelata con la benzina iniettata, e successivamente sempre grazie ad una differenza di pressione, la miscela entra nella camera di combustione vera e propria. Questa soluzione consente di ridurre le emissioni in quanto è possibile smagrire maggiormente la miscela aumentando notevolmente la quantità di aria introdotta attraverso le valvole di aspirazione. È una delle tante soluzioni adoperate per rientrare nelle recenti normative europee antinquinamento.
Per il motore Diesel, invece, l’iniezione utilizzata è solo quella diretta: quindi un iniettore common rail, con gestione elettronica collegato alla sonda lambda (che misura l’ossigeno presente nei gas di scarico) per sapere ad ogni iniezione il quantitativo di combustibile da introdurre. Il funzionamento dell’iniettore diesel è precisamente identico a quello usato per la benzina: le differenze sono solo le temperature e le pressioni a cui devono resistere.
Come cambiano le prestazioni fra motori Diesel e benzina
Sei arrivato fin qui che hai compreso dei concetti di teoria che non sai come si traducono nella vita di tutti i giorni? Bene, è il momento di parlare di prestazioni. Quando vai a comprare un’auto o anche quando leggi una delle tante schede tecniche in rete, i primi valori che vengono messi in risalto sono la potenza (espressa in cavalli) e la coppia (espressa in Nm) che potremmo semplificare di molto sintetizzando il ragionamento così: la potenza è sinonimo di velocità massima, mentre la coppia indica le capacità di accelerazione di un veicolo.
Chiaramente sono discorsi molto semplificati perché l’accelerazione è influenzata anche dal peso del veicolo, dai rapporti della trasmissione e simili. Tuttavia considerando due veicoli perfettamente identici in tutto, l’approssimazione appena fatta va più che bene. Se il tuo veicolo ha molta potenza ma poca coppia, sarà lento ad accelerare.
Questo è il motivo per cui le auto sportive di solito hanno motori a benzina e i camion pesanti hanno tipicamente motori Diesel. Le auto sportive hanno bisogno della potenza extra offerta dalla benzina e i grandi camion hanno bisogno della coppia extra di un motore Diesel per spostare carichi pesanti.
La maggior coppia del diesel può essere utile per avere un maggior spunto, una maggior capacità di traino e, ad esempio, una guida più semplificata sulle strade di montagna. Tuttavia i motori a benzina nonostante abbiano coppie minori, garantiscono elevati valori su un arco di giri motore più elevato. Nei Diesel è più valore avere marce lunghe poiché la coppia maggiore più compensare.
Allo stesso modo, però, cambia il regime di rotazione: il Diesel può arrivare massimo ai 4500-5000 giri al minuto, motivo per il quale sono necessarie più marce (i pickup ne hanno anche dieci). I motori a benzina, invece, possono raggiungere regimi di rotazione dai 7 mila giri al minuto per le auto stradali, fino ai 15-20 mila giri al minuto delle vetture da competizione.
Consumi ed emissioni
Oltre alle differenze prestazionali, un’altra differenza tra motori diesel e benzina è l’efficienza. I motori diesel tendono a consumare meno rispetto ai motori a benzina. Questi numeri di maggiore efficienza sono principalmente dovuti al modo in cui funzionano i motori. Un motore a benzina deve assicurarsi di non raggiungere mai la temperatura di autoaccensione durante la fase di compressione poiché ciò potrebbe potenzialmente rovinare il motore. Di conseguenza, un motore a benzina deve mantenere un basso rapporto di compressione.
L’efficienza di un motore è proporzionale al rapporto di compressione: all’aumentare dell’uno, aumenta l’altro. Poiché un motore diesel non ha carburante nella miscela durante la fase di aspirazione, può comprimere maggiormente l’aria e avere un rapporto di compressione più elevato. Un rapporto di compressione più elevato equivale a una migliore efficienza del carburante.
Poiché i motori a benzina e diesel funzionano in modo diverso come abbiamo già visto, richiedono diversi tipi di carburante. Mentre sia la benzina che il diesel in origine sono petrolio grezzo estratto dalla terra, il processo di raffinazione li separa poi in vari tipi di combustibili. Il gasolio è più denso della benzina, il che significa che evapora più lentamente. Il gasolio ha anche una maggiore densità energetica.
Queste caratteristiche sono un altro motivo per cui i motori diesel tendono ad avere un risparmio di carburante maggiore rispetto ai motori a benzina. Poiché i motori diesel funzionano senza candele e l’impianto elettrico necessario per farle funzionare, hanno meno parti che possono funzionare male. Per la maggior parte, i motori Diesel possono fornire più chilometri e ore di funzionamento prima di aver bisogno di qualsiasi tipo di manutenzione. I motori diesel tendono anche ad avere costi di riparazione inferiori quando si verifica qualche malfunzionamento.
Emissioni Diesel Vs Benzina
Dal punto di vista delle emissioni, tra gli inquinanti di entrambi troviamo NOx, HC, CO e particolato. I motori Diesel emettono più ossidi di azoto (i cosiddetti NOx) perché lavorano con un maggior eccesso d’aria e la quantità di NOx emessa dipende proprio dalla quantità di ossigeno presente, oltre che dalle temperature raggiunte in camera di combustione. Emettono anche maggiori particelle di particolato, soprattutto quelle più fini che sono proprio le più pericolose per la nostra salute. I motori a benzina emettono, invece, maggiori HC (idrocarburi incombusti, “volgarmente” definiti come benzina non bruciata), e ossidi di carbonio. Il motivo è presto detto: i motori a benzina avendo elevati regimi di rotazione, danno meno tempo alla benzina per bruciare motivo per il quale aumentano le probabilità di trovarsi allo scarico del combustibile che non ha preso parte alla combustione e che dunque “by-passa” dall’aspirazione direttamente allo scarico. Per le maggiori emissioni di CO, i motori a benzina raggiungono temperature più elevate che favoriscono le reazioni di dissociazione della CO2 che ritorna ad essere sottoforma di CO aumentandone le concentrazioni allo scarico.