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Evoluzione dei sistemi di raffreddamento dei motori agricoli

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In un motore endotermico il continuo ripetersi delle combustioni che, all’atto dell’accensione arriva a 2000° circa, impone la necessità di un razionale sistema di smaltimento del calore prodotto internamente e che s’irraggia a tutta la struttura del propulsore.

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Immagine tratta da: Il trattore agricolo Edagricole

Senza di esso il motore non potrebbe che funzionare pochi minuti e poi sarebbe irrimediabilmente danneggiato.
In attesa di un motore adiabatico  i progettisti devono studiare un preciso modo di smaltimento del calore e valutare opportunamente il dimensionamento in modo da assicurare il corretto governo termico anche nelle condizioni più gravose ma altresì evitarne un eccessivo asporto che porrebbe il motore in condizioni d’uso non favorevoli.
Le parti più esposte al calore sono: le canne cilindri, le testate (specie se presenti le precamere), le valvole e le loro sedi, gli iniettori, i pistoni, eventualmente le turbosoffianti.
Normalmente nel bilancio termico di un motore ciclo Diesel la voce raffreddamento incide per il 25-30% del combustibile introdotto nella camera di combustione

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Immagine tratta da: Motori Endotermici, Dante Giacosa

e perciò si comprende la notevole quantità di calore che bisogna asportare durante il funzionamento.
Nei veicoli a circolazione terrestre l’unico modo per smaltire il calore è disperderlo nell’aria circostante e questo risultato può essere raggiunto fondamentalmente con due diversi sistemi: a circolazione d’aria e a circolazione di liquido; entrambi sono sistemi validi e perfettamente funzionali allo scopo, purché attentamente calibrati per l’utilizzo specifico.

 


RAFFREDDAMENTO AD ARIA

si tratta di un sistema concettualmente semplice e le parti interessate allo sviluppo del calore sono dotate di ampia alettatura

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Immagine tratta da: L’allievo meccanico motorista, Edagricole             Immagine tratta da: Il trattore agricolo Edagricole

per aumentarne la superficie disperdente; nei casi più semplici, come alcuni motori motociclistici, il flusso d’aria creato dal veicolo in movimento è sufficiente per l’asportazione del calore, mentre negli altri impieghi viene sempre attivata una corrente d’aria da un ventilatore elicoidale e, attraverso un convogliatore e deflettori, viene fatta circolare attorno ai cilindri e testata in modo da assicurare un flusso regolare ed il più omogeneo possibile

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Immagine tratta da: L’allievo meccanico motorista, Edagricole

E’ consuetudine che nei motori di piccola cilindrata il ventilatore sia incorporato nel volano motore e ciò a vantaggio della semplicità e sicurezza di funzionamento

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Immagine tratta da: Slanzi, pubblicistica

mentre nelle realizzazioni più complesse sono previsti ventilatori azionati da una o più cinghie e convogliatori a sezioni asportabili per favorire il controllo e pulizia delle alette teste e cilindri.

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Immagine tratta da: VM, pubblicistica


Generalmente, in questo tipo di raffreddamento anche l’olio lubrificante viene coinvolto nel processo, specialmente irrorando il mantello interno dei pistoni

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Immagine tratta da: Same, pubblicistica


perciò è spesso previsto un piccolo radiatore o una serpentina alettata posizionata all’interno del convogliatore aria

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Immagine tratta da Fendt, pubblicistica


oppure comunicante con esso e atto a spillare aria necessaria allo scopo.

Il motore raffreddato ad aria ha goduto, per diversi decenni, di ottima fama, superbe realizzazioni e discreta diffusione; con questo sistema sono stati costruiti dal piccolo motore per motoseghe da pochi c.c. agli enormi 28 cilindri su 4 stelle turbocompound (70.000 cc, 4500cv al decollo con iniezione di acqua e metanolo) di inaudita complessità destinati agli aeromobili degli anni immediatamente precedenti all’arrivo delle turbine.
Tra i pregi di questo sistema possiamo rilevare la relativa semplicità di realizzazione, minore ingombro ed esigenze di manutenzione, sicurezza di funzionamento anche a temperature torride e minore necessità di volume d’aria, poi va evidenziato  la minore formazione di composti chimici corrosivi (anidride solforosa) durante il transitorio periodo di riscaldamento, poiché il motore raffreddato ad aria  raggiunge in minor tempo la corretta temperatura di regime.
Nella quasi totalità di questi motori la regimazione termica è ottenuta mediante un esatto dimensionamento dell’impianto ma, soprattutto, dall’autoregolazione dovuta al salto di temperatura esistente tra le pareti del motore e la temperatura dell’aria

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Immagine trattta da: VM, pubblicistica

tuttavia in alcuni motori si è ritenuto opportuno parzializzare l’aria di raffreddamento attraverso un dispositivo che riduce la velocità della ventola in funzione del carico del motore

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Immagine tratta da: Deutz, pubblicistica

in questo caso un sensore posto nel collettore di scarico ne registra la temperatura e fornisce olio al giunto idraulico che trascinerà la ventola in funzione del riempimento dello stesso.
Tra i lati negativi segnaliamo la maggior rumorosità di funzionamento, maggior sollecitazione del lubrificante, minore omogeneità di raffreddamento  e inferiore effetto volano termico dell’aria rispetto all’acqua.
A causa di ciò questa tipologia di raffreddamento sarà destinata sempre più a nicchie di mercato, perlopiù per piccoli motori destinati a fare della semplicità il principale pregio.

RAFFREDDAMENTO AD OLIO

Raffreddamento ad olio , è in pratica un’evoluzione molto raffinata e curata dei raffreddati ad aria; essi sfruttano l’olio del circuito di lubrificazione facendolo circuitare attorno alle canne dei cilindri e sotto i pistoni asportandone il calore

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Immagine trattta da: VM, pubblicistica

mentre la testata si avvale del consueto passaggio d’aria, poi un ben dimensionato radiatore olio (e relativo termostato), posto nel convogliatore aria, s’incarica di regimare opportunamente il fluido lubrificante non oltre i 130°.
La VM ebbe il coraggio di proporre una piccola serie di motori a 2 e 3 cilindri di questa tipologia

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Immagine tratta da: L’allievo meccanico motorista, Edagricole

e la FIAT avviò una sperimentazione (fine anni 50) un motore ciclo Otto a 3 cilindri di circa 1150c.c. con testate raffreddate ad aria e cilindri ad olio, con la particolarità di avere le canne a contatto con l’olio una rigatura molto fitta ottenuta per filettatura e lo spessore dell’olio circolante di meno di 1 mm.; i prototipi di questo motore furono montati sull’autovettura prototipo tipo 123 e sul “servitore di fanteria” tipo 11

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Immagine tratta da:  I miei 40 di progettazione alla FIAT,    Dante Giacosa

convertito poi al più ortodosso motore 103 (Fiat 1100 e 211Rb, tanto per intenderci).


RAFFREDDAMENTO AD ACQUA

Raffeddamento ad acqua , si tratta del più diffuso e apprezzato sistema di smaltimento del calore e attualmente si sta sempre più diffondendo lasciando al raffreddamento ad aria solamente poche nicchie di settore.

 

Nel suo concetto più semplice il motore è costruito con delle intercapedini interne dove l’acqua (o il liquido apposito) circola lambendo le parti calde per poi venire sistematicamente allontanata e sostituita con altra fredda; questo sistema assai embrionale e poco, o troppo, efficiente venne sostituito ben presto da un circuito chiuso dove l’acqua veniva fatta transitare in un raffreddatore e quindi messa nuovamente in circuito, alcuni di questi dispositivi assai frugali erano costituiti da piccole cascate o docce dove l’acqua, transitandovi e venendo a contatto con l’atmosfera, subiva un sufficiente raffreddamento ma ciò bastava solo per modestissime potenze.
Sistema  ancora “francescano” è quello ad evaporazione o ebollizione, in questo caso il motore è conformato come inserito in una vasca d’acqua la quale, funzionando il motore, raggiunge costantemente  la temperatura d’ebollizione, in parte raffreddandosi e in parte evaporando viene sostituito da altra acqua fredda. Ovviamente è un sistema adatto per piccole potenze e generalmente per motori a cilindro orizzontale.

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Immagine tratta da: ESSO enciclopedia agricola

In un classico sistema di raffreddamento ad acqua con radiatore troviamo intercapedini attorno alle canne cilindri e nelle zone più sollecitate della testata atta a contenere e permettere la circolazione del liquido durante il funzionamento, seguono dei raccordi e tubazioni e, infine l’elemento principale, il radiatore che ha il compito di raffreddare l’acqua e renderla riutilizzabile.
Nell’espressione più semplice, detta a “termosifone”, di questo sistema

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Immagine tratta da: il trattore agricolo, Edagricole

il movimento dell’acqua è prodotto  dalla differenza di peso specifico tra quella riscaldata dal motore e quella refrigerata nel radiatore; questo sistema, non più usato, ha lo svantaggio di richiedere ampie intercapedini, grossi condotti, poche curve ed anse nelle tubazioni, sistemazione alta del radiatore e quantità notevoli d’acqua in circolo.
Il sistema più “maturo” ed efficiente finora adottato è quello con radiatore, pompa e termostato

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Immagine tratta da: Fiat trattori consigli agli utenti

con questa soluzione vi è una forzatura nella circolazione impressa da una pompa centrifuga mossa dal motore tramite una cinghia (raramente ad ingranaggi) posta sullo stesso asse della ventola che crea un forte passaggio d’aria rendendo più efficace il radiatore.
Per evitare che la pompa faccia transitare sempre l’acqua nel radiatore anche quando non servirebbe (a freddo e carichi parziali), è sempre inserito nel circuito una valvola strozzatrice termosensibile il cui compito è di tenere in ogni condizione la temperatura non di sotto agli 80-85°, infatti, il motore, per poter funzionare al meglio delle sue prestazioni complessive, deve raggiungere una temperatura di regime, sia ai fini di un miglior rendimento, durata nel tempo e ridurre temporalmente la tribolata fase del riscaldamento (dilatazioni termiche).
Per evitare che a termostato chiuso avvengano stratificazioni di temperatura, viene sempre adottato un corto-circuito (by-pass) nell’impianto, facendo transitare direttamente l’acqua nella pompa e rimessa in circolo senza transitare per il radiatore;

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Immagine tratta da: L’allievo meccanico motorista, Edagricole

inoltre sui termostati è sempre presente un piccolo foro o altro stratagemma per evitare che al riempimento del circuito rimangano sacche d’aria a termostato chiuso.

Nei motori più sollecitati, dove l’olio può essere coinvolto attivamente nello smaltimento di calore, generalmente è previsto un raffreddatore, che può essere un piccolo radiatore

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Immagine tratta da: Fiat Trattori libretto di uso e manutenzione Fiat 60 c


posto a ridosso di quello principale oppure avvalendosi di uno scambiatore di calore acqua-olio posto in parallelo al circuito principale e che ha anche il vantaggio di uniformare la temperatura dei due liquidi, in quanto l’olio è assai più restio a riscaldarsi specialmente a carichi parziali o climi rigidi

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Immagine tratta da: l'allievo meccanico motorista, Edagricole
Il radiatore è la parte più importante del circuito ed è costituito da due vaschette, superiore e inferiore, collegate tra loro da un grande numero di tubi verticali di piccolo diametro “abbracciati” da numerosi sottili lamierini orizzontali, i quali aumentano enormemente la superficie di scambio del calore; l’acqua entrando nella vaschetta superiore transita nei tubicini

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Immagine tratta da: manuale dell'auto, Mondadori

perdendo calore e si ritrova nella vaschetta inferiore destinata a ritornare nel motore.
Attualmente i radiatori sono costituiti con vaschette in materiale plastico e uniti per graffatura, costituiscono un monoblocco unico; mentre precedentemente erano tutti in rame con unioni attraverso saldatura a stagno (raramente avvitati) e in certe realizzazioni la massa radiante era divisa in settori escludibili asportabile o intercambiabili per una riparazione più agevole.

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Immagine tratta da: La patente Diesel, Tron

Nel circuito è sempre presente un bocchettone di riempimento chiuso da un tappo a bloccaggio a scatto e con al suo interno una valvola di chiusura a molla a doppio effetto; lo scopo è di mantenere all’interno del circuito una lieve sovrapressione nel corso del funzionamento e il ripristinare il valore atmosferico durante il raffreddamento a motore spento.

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Immagine tratta da: manuale dell'auto, Mondadori
Durante l’utilizzazione del motore e le conseguenti aperture delle valvole del tappo, avvengono sempre piccole fughe di acqua e la conseguenza di dover ripristinare periodicamente il livello; per evitare spiacevoli conseguenze e ridurre i tempi di manutenzione, è stato introdotto il serbatoio  d’espansione

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Immagine tratta da: Fiat: costituzione e funzionamento autoveicolo

che ha il compito di ricevere l’acqua in eccesso nel circuito e restituirla nella fase di raffreddamento. Se non vi sono perdite nel circuito, viene ridotta drasticamente la sorveglianza dell’utente, se non a controlli visivi essendo i serbatoi d’espansione trasparenti e con indicazione dei livelli esterni.
Fino ad ora si è accennato, in questa tipologia di raffreddamento, all’acqua che, infatti, era universalmente usata; tuttavia essa portava con se precisi inconvenienti che potevano causare anche la messa fuori uso del motore, in altre parole incrostazioni, depositi, calcare, corrosioni e, soprattutto, il grave pericolo di congelamento.
Per evitare questo ultimo nefasto evento, a parte svuotare l’impianto, si ovviava aggiungendo all’acqua dell’alcool (facilmente evaporabile) oppure della glicerina (acidifica velocemente); a partire dagli anni 50 furono resi disponibili dei liquidi antigelo “stagionali” che erano impiegati solo nella fase invernale, poiché le sostanze con cui erano composte rimanevano stabili per un periodo di tempo limitato, dopodichè diventavano aggressive nei confronti di alcuni materiali.
Successivamente furono resi disponibili liquidi anticongelanti permanenti (da sostituirsi comunque ogni due anni) principalmente composti da glicol etilene con l’aggiunta di speciali additivazioni inibitorie che rendono neutro il formulato, oltre ad  avere proprietà anticorrosive, antischiuma, anticavitazione.
Gli antigelo sono disponibili sia in formulazione pronta all’uso sia concentrati da diluire in funzione delle temperature minime da cui ci si deve difendere, generalmente al 50% per raggiungere i -35° .
Si consideri che la miscela anticongelante ha minori capacità di raffreddamento rispetto all’acqua e che l’antigelo puro (formulato da diluire) ha un punto di congelamento di soli -13°

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Immagine tratta da: Quattroruote

Nell’ambito del settore agricolo, le particolari esigenze indotte dalla gravità dell’impiego, hanno fatto sviluppare accorgimenti per ovviare agli inconvenienti dovuti alla presenza di molte impurità presenti nell’aria di raffreddamento, perciò troviamo sempre radiatori con maggior distanza tra le alette e griglie calandra-cofano atte a trattenere le impurità che altrimenti andrebbero ad intasare il radiatore.

 

Recentemente sono stati introdotti, a tale scopo, dispositivi tecnologici più ricercati, tra cui una tendina filtrante che viene posta in rotazione, dall’operatore, e che passando davanti ad un dispositivo a spazzola asporta lo sporco accumulatosi.

 

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Immagine tratta da: Same, pubblicistica


REVERSING FAN


Altro accorgimento è l’inversione del flusso d’aria provocato dalla ventola dotata di pale ad incidenza variabile 

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la ventola reversibile si attiva all'accensione per 15 secondi per verificare il buon funzionamento del sistema, anche se il comando è disattivato, tramite un comando sul cruscotto si può impostare il ciclo di lavoro della ventola in modalità reversibile (15 sec) che si ripeta automaticamente con un intervallo variabile da 6 a 60 minuti; in alcuni casi le posizioni delle pale assumono un valore (imposto da capsule in cera espansibile) adeguato alla temperatura del radiatore conseguente al carico motore e temperature aria ambiente.

 


MIETITREBBIE


Nel settore mietitrebbie sono stati adottati altri dispositivi ancora più efficaci, dapprima con delle  prese d’aria con grandi superfici filtranti sviluppatisi, in alcuni casi, fino ad un aspetto di camino uscente dalla carenatura della macchina;

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Immagine tratta da: Laverda, pubblicistica



in seguito si arrivò al più diffuso filtro rotante:

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Immagine tratta da: Laverda, pubblicistica

davanti al radiatore è posizionato un filtro conformato a cestello cilindrico che può ruotare su un’asse orizzontale; se questo è a bassa velocità la depurazione avviene per filtraggio e, ponendo uno schermo in una certa zona per eliminare la depressione, si ha il distacco delle impurità su tutta la superficie ad ogni giro.
In quelli ruotanti ad alta velocità la depurazione avviene per separazione centrifuga.

 

 

Ritornando ai trattori, nelle classiche realizzazioni, dove la ventola radiatore è coassiale alla pompa acqua, essa è sempre posta in rotazione proporzionalmente al regime motore anche quando non servirebbe o la sua azione risulterebbe sovrabbondante, per cui sono stati messi in pratica soluzioni atte ad ottimizzare anche questo dispositivo; si consideri che, mediamente, la ventola di raffreddamento assorbe il 3% della potenza erogata dal motore e che la sua esclusione in determinati periodi di funzionamento può portare a sensibili economie di funzionamento.
A questo scopo sono utilizzate diverse soluzioni:

 


GIUNTO ELETTROMAGNETICO

Ritornando ai trattori, nelle classiche realizzazioni, dove la ventola radiatore è coassiale alla pompa acqua, essa è sempre posta in rotazione proporzionalmente al regime motore anche quando non servirebbe o la sua azione risulterebbe sovrabbondante, per cui sono stati messi in pratica soluzioni atte ad ottimizzare anche questo dispositivo; si consideri che, mediamente, la ventola di raffreddamento assorbe il 3% della potenza erogata dal motore e che la sua esclusione in determinati periodi di funzionamento può portare a sensibili economie di funzionamento.
A questo scopo sono utilizzate diverse soluzioni:

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Immagine tratta da: Fiat: costituzione e funzionamento autoveicolo

L’elica è resa folle sull’albero pompa ed un elettromagnete, comandato da un interruttore termostatico posto nella vaschetta inferiore radiatore, la rende solidale ponendola in rotazione solo in caso di necessità.

GIUNTO VISCOSO

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Immagine tratta da: Iveco, pubblicistica

In questo caso le ventola è folle ma comunque mantiene una rotazione minima del 25% circa dovuta ad attriti interni, quando la temperatura dell’aria, uscente dal radiatore, supera i valori prefissati, dispositivi interni al mozzo, lamine bimetalliche, aprono delle camere e pongono in contatto un disco d’attrito interno con dell’olio siliconico (assai viscoso) che ha la forza di trascinare la ventola a circa il 90% dei giri compiuti dall’albero portante. Questi dispositivi sono molto utilizzati in ambito dell’autotrasporto e, ultimamente, si sono diffusi anche nel settore agricolo.


VARI-COOL

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Fonte: John Deere

Questo sistema interviene  sul controllo della velocità della ventola di raffreddamento tramite un preciso sistema di variatore a doppia puleggia a diametro variabile (simile a quello dei battitori delle mietitrebbie) a comando idraulico gestito (elettronicamente) da un sistema di rilevazione di temperatura del liquido di raffreddamento posto in testata per un immediato e preciso controllo delle temperature di esercizio del propulsore stesso.


E-PREMIUM (John Deere)

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Fonte: John Deere
Ulteriore raffinamento (o sofisticazione) del concetto di gestione e risparmio negli organi ausiliari, si tratta di un concetto totalmente svincolato dal movimento dell’albero motore, in quanto un generatore elettrico (posto in rotazione dal propulsore) alimenta un motore elettrico che a sua volta pone in rotazione pompa acqua, ventola e compressore aria condizionata solamente ed esclusivamente in funzione della richiesta e che la gestione elettronica razionalizza al massimo.
In questo caso la velocità degli organi interessati può assumere valori più elevati di quello che, in quel caso, una ventola più o meno automatica ma sempre collegata al motore, potrebbe assumere se il motore viaggiasse al minimo o valori di poco superiori.

 

 

Sempre nel solco della razionalizzazione e risparmio energetico nella serie 8030 sono state introdotte uscite aria calda dal cofano conformate a forma di branchie.

che orientano il filetti fluidi in modo da evitare di investire la cabina conducente e non venire convogliata verso il basso; lo scopo è di evitare il forte riscaldamento dei vetri e perciò richiedere maggior potenza del compressore dell’aria condizionata per “correggere” la temperatura interna, poi di non sollevare polveri o impurità del suolo che andrebbero inesorabilmente ad intasare l’impianto di raffreddamento del motore e del filtro aria.

 

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Fonte: John Deere


CONCLUSIONI

Per il futuro non è prevista nessuna novità importante ma solo affinamenti tecnologici e probabilmente vi sarà la diffusione di pompe acqua ad azionamento elettrico “on demand”, ovvero solo quando serve.

 

Recentemente è stato presentato un prototipo di motore pluricilindrico con raffreddamento ad evaporazione molto più raffinato e tecnologico, valso soprattutto ad aumentare il rendimento, poiché più è alta la temperatura del motore (entro certi limiti) maggiore è il rendimento.
In questo caso era previsto un condensatore per riportare allo stato liquido il vapore prodotto ed avere un circuito chiuso come quello classico; però la soluzione presentava non pochi svantaggi e perciò presto abbandonata.
Negli anni ’80 vennero iniziate prove con motori utilizzanti componenti in ceramica, poiché isolante dal calore, con eccezionale resistenza all’usura per abrasione, alla corrosione, amagnetica e leggera; ciò potrebbe consentire di realizzare parti interne di motore funzionanti a temperature più elevate di quelle attuali o addirittura privi di impianto di raffreddamento (adiabatico), con rilevanti riduzioni di consumo di combustibile.
Il materiale ceramico pone, però, problemi di fragilità, difficoltà di produzione in serie e lavorazione a causa della durezza, possibilità di porosità e impurità interne.


Articolo a cura di: Tiziano

 


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