Motore a Testacalda

Il motore a "testa calda" è un motore endotermico ad iniezione, nel quale l'accensione del combustibile è ottenuta mediante l'utilizzo di una superficie rovente, e che funziona secondo il ciclo misto di Sabathé: in parte a volume costante e in parte a pressione costante. Da un punto di vista tecnico, i motori a combustione interna, si possono dividere in due grandi famiglie a seconda del sistema di accensione, che può essere provocata da una scintilla, oppure verificarsi in modo spontaneo. Nei primi la miscela di aria e combustibile viene accesa da una scintilla elettrica (motori a gas e a benzina); nei secondi l'accensione è provocata dall'alta temperatura ottenuta dalla compressione dell'aria all'interno del cilindro (ciclo Diesel), oppure dall'alta temperatura a cui è mantenuta una parte della camera di combustione (testa calda e semi diesel). Nel testacalda l'accensione della miscela aria - combustibile si ottiene per l'azione combinata di tre fattori: pressione volumetrica (da 5 a 8 Kg/cm2), temperatura della camera di scoppio e iniezione del combustibile finemente polverizzato che avviene con un anticipo molto forte (120,140 e talvolta anche 180 gradi). Il motore a testa calda nasce intorno al 1890 a 4 tempi, per passare dopo pochi anni a 2 tempi (il ciclo a 2 tempi viene ideato nel 1879 dall'inglese Dugaid Clerk) in primo luogo perché l'insieme risulta più semplice da costruire, più facile da gestire e più affidabile; poi perché minori sono le variazioni di temperatura della calotta durante il ciclo, con il vantaggio di un funzionamento più omogeneo e traumi meccanici ridotti al minimo. I gas combusti vengono espulsi dalla corrente di aria che viene compressa nella camera del manovellismo. Il sistema di iniezione di tipo meccanico è semplicissimo; non presenta particolari difficoltà di progetto ne richiede speciali cure di fabbricazione. La pressione di iniezione si aggira intorno ai 50 Kg per cm2. La superficie rovente è costituita da una parte più o meno vasta della testata del cilindro che viene definita dalla Landini e dalla Orsi "calotta"; dalla Bubba e dalla Breda "vaporizzatore"; "palla di accensione" o "testa incandescente" dal Garuffa. I francesi la chiamano "boule d'allumage" (SFV) o "tete d'allumage" (Percheron); i tedeschi "Zundkopf" (Lanz). La calotta viene riscaldata mediante una lampada a petrolio o a benzina (oggigiorno da un bruciatore a gas liquido) sino ad assumere un colore "rosso cupo" (istruzioni Super Landini) che equivale ad una temperatura che a seconda del materiale impiegato varia da 400 a 700 gradi centigradi. La temperatura di esercizio di una calotta moderna in acciaio al nickel cromo è di circa 500 gradi, e comunque deve in tutti i casi mantenere una temperatura superiore a quella di accensione del combustibile usato. I motori che adottano questo sistema di accensione vengono definiti in italiano "a testa calda", in francese "a boule chaude", in tedesco "Gluhkopf e "hot bulb" in inglese.


Come funziona
II motore a testa calda impiegato in agricoltura sia come trattore, come locomobile o come impianto fisso, è generalmente monocilindrico orizzontale a 2 tempi. Ci sono ovviamente delle eccezioni: cicli a 4 tempi (locomobili e impianti fissi Britannie a petrolio, Rushton, National e Bleakstone a nafta); motori pluricilindrici a 2 tempi anche verticali (Swidersky, Bolinder, Mietz e Weiss); trattori con motore a 2 cilindri verticali (Avance, Lanz, Muntkell,BolinderMuntkell) oppure orizzontali (Bubba UT5) e addirittura contrapposti (Bubba UTC5). Se le case costruttrici di trattori a testa calda individuate sino ad oggi sono 32, i costruttori di soli motori superano probabilmente il centinaio, ma non è mai stata fatta una ricerca relativa alla tipologia di questo propulsore. Ritornando al motore testa calda del trattore convenzionale, abbiamo questo schema di funzionamento. Nella testa del cilindro avviene la combustione grazie alla quale il pistone arretra comprimendo l'aria nel basamento; alla fine della sua corsa il pistone scopre la luce di scarico attraverso la quale fuoriescono i gas di scarico spinti dall'aria compressa che giunge dal basamento attraverso l'apposita luce; ha inizio la compressione dell'aria fresca mentre con un anticipo di 120180 gradi rispetto al punto morto superiore, viene iniettato il combustibile indirizzandolo sulla calotta incandescente; la combustione viene agevolata dalla combinazione tra il calore della testa e la compressione dell'aria.

Il ciclo
Secondo la teoria della termodinamica, il funzionamento di un motore endotermico viene classificato in base a dei cicli termici ideali che vengono definiti"a volume costante", "a pressione costante" e ciclo "misto". Il ciclo di combustione a volume costante viene realizzato in un motore a 4 tempi, brevettato e presentato nel 1878 alla esposizione mondiale di Parigi dal tedesco Nicolaus Otto e prende il nome di "ciclo Otto", anche se storicamente il francese Alphonse Beau de Rochas ha già teorizzato questo ciclo nel 1860-62. Al ciclo a pressione costante viene attribuito il nome di "ciclo Diesel", anche se lo scienziato franco-tedesco ha seguito in pratica la teoria enunciata molti anni prima dal francese Nicolas Leonard Sadi Carnot. Per quanto riguarda il ciclo misto, nel quale la combustione avviene in parte a volume costante e in parte a pressione costante, si è concordi nel definirlo "ciclo Sabathé", dal nome dello scienziato francese che probabilmente per primo ha realizzato questo tipo di motore (Société des moteurs Sabathé, La Chaléassiére - Saint Etienne) anche se l'idea sembra sia stata teorizzata in precedenza da Leon Létombe.

Funzionamento motore testacalda

Primo tempo: I volani fanno girare l'albero motore nel senso indicato dalla freccia, il pistone si sposta in avanti ed aspira aria fresca nel carter attraverso le feritoie delle valvole. Avanzando ancora, il pistone chiude prima l'apertura di aspirazione e poco dopo quella di scarico, quindi l'aria contenuta nel cilindro viene compressa e mandata nella camera che si trova davanti alla testa del cilindro. In questo istante viene iniettato nella camera olio combustibile il quale evapora immediatamente, ma non può bruciare perché si trova a contato con i gas combusti. Bisogna attendere che il pistone, continuando nella sua corsa verso sinistra, mandi dell'aria fresca nella camera, dove questa si mescola al combustibile evaporato ed ha inizio la combustione. L'alta temperatura sviluppata dalla combustione porta i gas ad un'alta pressione che agendo sul pistone lo fa scorrere all'indietro.

Secondo tempo: Durante il secondo tempo, la pressione dei gas sprigionatisi dalla combustione, spinge il pistone indietro comprimendo così l'aria nel carter. Nella sua corsa il pistone scopre prima la luce di scarico poi quella di aspirazione il cui getto d'aria che si è compressa nel carter aiuta la fuoriuscita dei gas combusti. Arrivato in fondo, si ricomincia.

La lampada
Per la messa in moto del motore si impiega la lampada di preriscaldamento detta anche "lampada svedese"per via della diffusione che ebbero i motori scandinavi a testa calda all'inizio del secolo. Essa si usa in questo modo: si toglie il tappo di sicurezza e si riempie il serbatoio di petrolio a tre quarti della sua capacità; si versa del petrolio nella vaschetta applicandovi del materiale assorbente tipo un batuffolo di cotone e lo si accende. La fiamma riscalda il tubo evaporatore; prima che la fiamma si spenga, si da un po' di pressione alla pompa; con ciò si manda dei petrolio nel tubo evaporatore ove esso evapora ed esce per l'ugello. Se la fiamma si è spenta bisogna riaccendere il gas uscente e aumentare la pressione. Dopo qualche minuto il tubo evaporatore sarà abbastanza caldo e si potrà ancora dare pressione sino a quando la pompa non sarà troppo dura. Quando la fiamma ha raggiunto un bei colore azzurro, la si pone sotto la calotta a circa 7-8 centimetri di distanza e dopo una ventina di minuti la testa calda dovrebbe aver raggiunto la giusta temperatura sufficiente per la messa in marcia del motore. A mano a mano che la pressione nel serbatoio diminuisce, si provvede a ristabilirla con la pompa senza mai forzare. Per spegnere la lampada si apre lentamente la vite di sfogo. È pericoloso esporre il serbatoio alle alte temperature.

Tratto da Collezione Piacentini