1 Funzionamento e manutenzione di motori marini diesel 4 tempi

L’albero a manovelle per un motore 4 tempi medioveloce è costruito da un unico pezzo fucinato. Dapprima il cilindro di acciaio al carbonio al 4% viene posto nella fornace e poi nelle presse di forgiatura. L'albero motore è localmente riscaldato e viene quindi compresso assialmente per formare l'inizio dei colli. Successivamente le presse vengono settate per formare le manovelle. Questo sistema fa in modo che la pressa nel forgiare l’albero non crei zone deboli e a rischio di rottura, i grani interni del materiale con cui si forgia l’albero saranno continui lungo le flange e le manovelle, seguiranno tutte le curve senza mai avere interruzione.

MOTORE DIESEL 4 TEMPI - INVERSIONE DELLE CAMME

Sui motori più grandi si è soliti fabbricare alberi a camme e camme in modo separato. Le camme con trattamento nitruraIe sono quindi realizzate in acciaio legato e poi con forge idrauliche. La maggior parte dei motori medioveloci non sono reversibili (ruotano in un senso solo), vengono utilizzati come motori primi di un alternatore o motori di propulsione con elica a passo variabile. In un motore reversibile invece trovano posto due alberi a camme, una per ogni senso di marcia. In altri motori reversibili invece attraverso un circuito idraulico (con pressione dell’olio di lubrificazione) viene spostato l’albero a camme in un lato o in un altro in modo da scambiare le camme ed il loro lavoro.

In un cilindro viene iniettato del combustibile e grazie alla compressione dell’aria trasformiamo energia chimica in energia meccanica. Il tutto però gestito nel nostro caso da valvole e da camme che ne comandano apertura e chiusura.

Nelle diapositive successive parleremo appunto di camme (cams) ed elementi ad esse collegate (followers).

La camma può essere del tipo sempre a contatto (Point contact) o a contatto in linea (Line contact). In ambedue i casi hanno la coppia più alta e ruotano a velocità uniforme tramite l’albero.

Questo tipo di camme le troviamo anche nei macchinari di officina tipo il tornio (macchinario rotante) e la sega alternativa (movimento oscillante o reciproco)

Le camme si dividono in due tipi:

Camme radiali (camme a disco)

Camme cilindriche (a tamburo)

Con la camma radiale il cedente segue il suo profilo in modo alternativo secondo un asse ortogonale a quello della camma.

Con la camma cilindrica il cedente segue un movimento oscillante per via di un inserto nel cilindro stesso e si muove su un asse parallelo a quello della camma cilindrica.

IL PISTONE ROTANTE

Il pistone rotante è montato sul motore Sulzer ZA40. Invece di un cuscinetto e di uno spinotto convenzionale, la parte superiore è formata da un cuscinetto sferico in due metà (spherical bearing). All’interno delle due estremità sferiche ci sono due nottolini (pawl) caricati a molla. Questi nottolini impegnano con un anello a cricchetto (ratchet ring) che è collegato al pistone. L’anello a cricchetto ha un numero di denti dispari. Ad ogni corsa del pistone, i nottolini impegnano alternativamente i denti dell’anello a cricchetto facendolo ruotare. Vantaggi di questo sistema:

    •Ad ogni corsa il mantello del pistone si trova a toccare una zona diversa del cilindro

      •Le fasce non si trovano mai nella stessa posizione e quindi hanno un consumo omogeneo

  Poiché il carico sul cuscinetto sferico è simmetrico (senza foro per spinotto), il pistone può essere costruito con un lasco minore eliminando in questo modo l’effetto dondolo del pistone durante la corsa.

COSTRUZIONE DEL PISTONE

Il pistone nasce da una barra di alluminio lunga 3 metri.

L’alluminio è perfetto perché è leggero, è resistente alla ruggine ed è facile da tagliare.

Una sega rotante divide la barra in segmenti la cui lunghezza può variare regolando gli intervalli di taglio della macchina.

La pressa meccanica e la trafila vengono preriscaldate a 450 °C, temperatura necessaria per lavorare i segmenti che vengono portati alla stessa temperatura in un forno. La pressa applica una forza di circa 2000 tonnellate per dare la forma iniziale al pistone, poi uno su dieci viene immerso in acqua per individuare eventuali difetti. Per facilitare la forgiatura si prelubrificano i pezzi prima di scaldarli, ecco perché i segmenti diventano incandescenti quando la pressa li colpisce. La pressa impiega solo 2 secondi per fare il suo lavoro, ma i segmenti sono così caldi che serve almeno un’ora prima che si raffreddino.

I pistoni vengono scaldati altre due volte, la prima ad altissima temperatura per temprare il metallo, la seconda a temperatura inferiore per stabilizzarlo.

Si inserisce ogni segmento in un tornio per dargli la forma corretta.

I forellini permettono all’olio di scorrere lubrificando il pistone quando è in funzione.

Un altro tornio riduce il diametro di tre millimetri e la stessa macchina incide anche tre solchi: due per gli anelli di compressione e uno per il controllo dell’olio che agevolano il movimento del pistone dandogli una tenuta stagna.

Questo foro serve per la biella che collegherà il pistone all’albero motore.

Una fresatrice taglia via fino a due centimetri di metallo dai due lati del pistone per ridurre il peso complessivo.

Un’altra fresatrice elimina la calotta, in questo modo le altre parti restano pulite quando il pistone si muove dentro il cilindro. 

Il pistone devono avere misure e dimensioni precise

Un tornio taglia un sottile strato di metallo dall’esterno per permettere al pistone di espandersi liberamente quando il calore nel cilindro aumenterà. 

Un trapano automatizzato pratica due fori incrociati per il drenaggio dell’olio per favorire la lubrificazione della biella.

In ultimo vengono rimosse le irregolarità dovute alle operazioni precedenti, viene levigata la superficie in modo da togliere gli spigoli vivi che danneggerebbero il cilindro. Verrà praticato un foro affinchè la biella penetri all’interno. Una volta effettuate le rifiniture i pistoni vengono spruzzati con acqua bollente deionizzata ad alta pressione per rimuovere ogni traccia di olio. Dopo l’asciugatura ad aria compressa i pistoni sono pronti per essere montati.

SMONTAGGIO DEL PISTONE

Nel video che segue la sequenza di smontaggio di un pistone di un motore diesel 4 T MAN con rimozione dello spinotto e della biella. Ovviamente la MAN prevede quest’operazione per lo smontaggio che sarà diversa per una tipologia diversa di motori. La procedura comunque è simile a tutti i motori diesel: occorre dapprima disaccoppiare la coda di biella dall’albero a manovelle, smontare e sollevare la testata, sfilare il pistone con l’attrezzatura prevista.

SOSTITUZIONE FASCE ELASTICHE

Una volta sfilato il pistone si provvede con l’apposita attrezzatura nella sostituzione degli anelli elastici e raschiaolio.

LA CAVITAZIONE DELLA CAMICIA

LE VALVOLE DI ASPIRAZIONE E SCARICO

Le valvole lavorano in condizioni molto più dure di qualsiasi altra parte del motore; ciò è vero in particolare per le valvole di scarico. Le valvole si aprono e si chiudono in poco meno di un giro. Le valvole devono essere a tenuta stagna e devono essere in grado di sopportare delle pressioni che vanno fino a 35 Kg/cm (500 libbre/pollice). A pieno carico la valvola di scarico è sottoposta a delle temperature cosi elevate che la riscaldano fino a farla divenire incandescente. La temperatura delle valvole può salire fino a 650°C (1200°F) o più.

La valvola di aspirazione è raffreddata dalla miscela aspirata (aria + combustibile); la valvola di scarico è invece esposta ai gas roventi che le passano attorno mentre escono dal cilindro. E' molto difficile raffreddare la testa delle valvole di scarico. La testa del cilindro, il cilindro e il cielo del pistone sono esposti alle stesse temperature, ma sono raffreddati dall'olio e dall'aria proveniente dalla ventola che è incorporata nel volano. Per la fabbricazione delle valvole di scarico è utilizzato un acciaio molto speciale, che deve resistere all'azione corrosiva dei caldissimi gas di scarico. Di norma le valvole montate per ogni testata cilindro sono 4, 2 di aspirazione e due di scarico. Minore è il numero delle valvole, più queste sono importanti.

In un motore monocilindrico una sola valvola difettosa provocherà una importante perdita di potenza o persino l'arresto del motore. In un motore policilindrico, quando una valvola è difettosa è compromessa solo 1/4, 1/6 o 1/8 della potenza complessiva, perchè il "cilindro" difettoso viene trascinato dagli altri. 

Allora se le valvole sono cosi importanti come si procede per riparare un guasto in modo corretto ? Prima di tutto è necessario possedere una buona attrezzatura. Una attrezzatura per smerigliare le valvole e le sedi è fondamentale. Dopo avere smontato le valvole, pulitele accuratamente usando una spazzola metallica per togliere i depositi di scorie. Può sembrare più semplice togliere il deposito carbonioso smerigliando le valvole anzichè toglierlo, ma invece deve essere assolutamente rimosso. Pulire bene anche le guide delle valvole. Dopo avere pulito tutto è necessario controllarle visualmente. Come è stato detto in precedenza, quando una valvola è difettosa in un motore policindrico, il "cilindro" che non funziona viene trascinato dagli altri. Ciò può causare gravi danni alla valvola e alla sede della stessa. Le valvole possono bruciare fino ad un certo punto, ma è molto raro che una sede o la faccia di una valvola sia bruciata in modo irreparabile. Inoltre, non succede quasi mai che una valvola si perfori o venga strozzata allo stelo. La bruciatura delle sedi di solito è provocata da un accumulo di carbone, di piombo, oppure ad un insufficiente gioco delle punterie. Questi depositi sulla valvola impediscono alla stessa di chiudersi bene, cosa che permette ai gas roventi di corrodere la faccia della valvola e la sede. Una valvola perforata è una valvola che ha la testa scavata. La causa di ciò è una temperatura troppo elevata insieme ad una molla troppo potente; la testa può venire erosa anche da un combustibile  ad alta percentuale di piombo. In una valvola strozzata lo stelo è stato corroso o "stirato" dal calore proprio sotto la testa della valvola. 

Il comando delle valvole di aspirazione e scarico, come pure delle pompe di iniezione, è ottenuto mediante l’albero a camme, rulli, punterie e bilancieri.

Tale albero è formato da tanti tronchetti, quanti sono i cilindri ed ogni tronchetto reca le camme di aspirazione, scarico ed iniezione.

Le camme possono essere a fianchi rettilinei, con cerchio di testa concentrico per le valvole di aspirazione e scarico ed eccentrico per la pompa di iniezione.

E’ ovvio che nei motori con disposizione dei cilindri a V si hanno 2 alberi a camme uguali.

IL POLVERIZZATORE

Il combustibile con le pompe combustibili viene iniettato nelle camere di combustione con i polverizzatori o iniettori. Il combustibile deve essere bruciato nel tempo previsto, viene suddiviso in goccioline con un processo noto come atomizzazione del combustibile. Queste goccioline di combustibile devono penetrare lontano dallo spazio di combustione in modo che possono mescolarsi con l’ossigeno. La temperatura delle goccioline sale rapidamente assorbendo l’energia termica contenuta nell’aria calda del cilindro e si incendia prima che possano colpire le superfici del pistone e della camicia. Gli iniettori riescono a compiere questo lavoro perché utilizzano una valvola a spillo tenuta chiusa a forza da una molla. Il combustibile in pressione per via della pompa combustibile percorre tutto il corpo dell’iniettore fino alla camera tenuta chiusa dallo spillo. La pressione del combustibile però aumenta di pressione a causa dell’azione pompante della pompa combustibile e riesce a vincere l’azione della molla per cui lo spillo si alza permettendo il passaggio di una piccola quantità di combustibile che però fa cadere la pressione internamente al corpo facendo chiudere di colpo lo spillo il che provoca la fuoriuscita del combustibile intrappolato attraverso piccoli fori e quindi si atomizza. 

Il motore Wartsila 64 utilizza una pompa iniezione con due pistoni e due cilindri con aspirazione e scarico in comune. Lo stantuffo per controllare l'inizio dell'iniezione (temporizzazione) ha un elica nella parte superiore dello stantuffo, mentre per controllare la fine dell'iniezione (metering) è un convenzionale stantuffo pompante alternativo. In pratica con uno si regola l’anticipo dell’iniezione (Timing) e con l’altro la quantità (Metering) di combustibile da iniettare.

Il motore MAN B & W 32/40 ha un albero a camme separato per le pompe di iniezione che può essere avanzato o ritardato con il motore in moto.

Il sistema è mosso idraulicamente che sposta il sistema in avanti e indietro facendo ruotare una camma che a sua volta comanda una pompa di iniezione. Normalmente il sistema prende il moto attraverso ingranaggi dall’albero motore, l’olio provvederà a spostare assialmente il sistema.