Il Funzionamento dell'Escavatore Idraulico Cingolato
Se il motore diesel rappresenta il cuore dell’escavatore, l’impianto idraulico ne è in tutti i sensi il sistema nervoso. Quest’ultimo è infatti il punto dove potenza del motore, affidabilità delle pompe, gestione elettronica e servocomandi, unitamente alle caratteristiche strutturali della macchina, confluiscono dando origine alle prestazioni finali dell’escavatore. Centro nevralgico dell’escavatore cingolato e artefice delle sue prestazioni, l’impianto idraulico è frutto di un complesso equilibrio di componenti e architetture circuitali, la cui corretta calibrazione incide in misura determinante sul comportamento sul campo della macchina.
Componenti dell'Impianto Idraulico
Dal punto di vista funzionale l’impianto idraulico è costituito da quattro componenti: pompe, distributori, sistema di controllo e attuatori.
Pompe Idrauliche
Dando ormai per acquisita la generalizzata adozione di pompe a portata variabile, le due tipologie principali sono quella delle pompe a pistoni assiali a portata variabile per inclinazione del blocco cilindri e quella delle pompe a pistoni assiali a portata variabile per inclinazione del piattello di distribuzione. Le prime sono generalmente adottate in combinazione a distributori convenzionali, le seconde sono più frequentemente adottate in accoppiata a distributori load sensing e per l'azionamento della rotazione in circuito chiuso. Entrambe le tipologie offrono in ogni caso un’elevata affidabilità e un altrettanto positivo rendimento. Nel caso delle pompe idrauliche specificatamente concepite per l'alimentazione di distributori idraulici del tipo load sensing, la cilindrata delle pompe si adegua automaticamente alla pressione in impianto, e partendo da un valore sostanzialmente nullo si porta al valore massimo al raggiungimento della pressione di inizio regolazione. II risultato energetico complessivo si concretizza in una drastica riduzione dei consumi.
I livelli di potenza idraulica erogata dalle pompe possono essere programmati e gestiti dal computer di bordo; questi, definiti comunemente modalità di lavoro, vengono calibrati in funzione degli utilizzi tipici dell’escavatore.
Accanto a tali funzioni principali la logica di controllo dell’idraulica è in grado di gestire ulteriori funzionalità. Per citarne solo alcune, il cosiddetto cut off, grazie al quale, al raggiungimento della pressione massima in impianto, è possibile ridurre quasi a zero la cilindrata minima delle pompe; o ancora, sempre in tema di regolazione della cilindrata delle pompe idrauliche, il ritorno automatico in cilindrata minima in assenza di pressione di pilotaggio.
Distributori Idraulici
Passando al gruppo distributore, sono due le tecnologie oggi maggiormente diffuse, quella convenzionale e quella load sensing. La principale differenza fra le due soluzioni consiste essenzialmente nel fatto che la seconda è in grado, attraverso i compensatori, di riequilibrare automaticamente le differenze di pressione tra la pompa e i diversi attuatori in modo tale che la portata di olio inviata a ciascuno di essi sia esattamente proporzionale all’apertura della relativa spola del distributore. Un secondo importante vantaggio consiste nel fatto che i rapporti di velocità tra i singoli attuatori si mantengono costanti anche quando la somma delle singole portate richieste dall'operatore è superiore alla portata massima erogata dalla pompa; in parole semplici, anche in caso di contemporaneo utilizzo di tutti gli azionamenti, almeno in teoria, la macchina non accusa rallentamenti.
Naturalmente nulla obbliga all’adozione di un’unica pompa idraulica sulla macchina; al contrario, spesso e volentieri, già a partire dalle macchine del segmento medio è prassi non sporadica l’utilizzo di una doppia pompa idraulica, naturalmente con la relativa maggiore complessità circuitale che questo comporta.
Proseguendo nell’analisi dell’impianto idraulico dell’escavatore, con particolare riguardo al gruppo distributori, va segnalato come negli azionamenti singoli nei distributori convenzionali il raddoppio delle portate per i movimenti di sollevamento e di chiusura dell'avambraccio è una soluzione ormai largamente adottata, mentre nei sistemi load sensing la somma delle portate delle pompe è in funzione della portata massima che ogni singola spola è in grado di gestire, portata massima che in genere risulta inferiore alla massima portata complessivamente erogata dalle pompe.
Per quanto riguarda la disposizione degli azionamenti, nel caso dei sistemi load sensing è pressoché sempre in parallelo, anche se questo non rappresenta una regola inviolabile; alcune disposizioni circuitali serie/parallelo, tipiche dei distributori convenzionali, gestiscono alla perfezione le contemporaneità di utilizzi che hanno un reale impatto sul comportamento e la produttività dell’escavatore, complice il fatto che la costante evoluzione e miglioramento dei sistemi di pilotaggio delle spole consente di raggiungere un grado di sensibilità e precisione di controllo di livello davvero eccellente. Naturalmente anche i sistemi load sensing sono in grado di garantire apprezzabili prestazioni in rapporto a tali due aspetti, ma per raggiungere questo obiettivo devono essere affiancati da ulteriori componenti; fra questi, in particolare, valvole di unloading e regolatori di flusso compensati del comando load sensing per stabilizzare le eventuali oscillazioni delle pompe conseguenti al doppio impulso di pilotaggio load sensing/potenza costante.
Sistema di Controllo
Per quanto riguarda la logica di controllo dell’impianto idraulico e il suo coordinamento funzionale complessivo, questo compito è oggi affidato al computer di bordo, normalmente alloggiato in cabina.
Servocomandi
Quanto ai sistemi di pilotaggio, fatta salva la fondamentale e già ricordata importanza della sensibilità e precisione dei servocomandi, va innanzitutto osservato che il circuito idraulico dei servocomandi dispone in genere di una pompa dedicata, di un filtro in linea che garantisce una adeguata pulizia dell'olio in circolo, aspetto indispensabile per garantire la costanza della sensibilità di azionamento, e di un sistema ad accumulo di energia che consente la messa in sicurezza dell’escavatore anche a motore spento.
Pur se comune, l’adozione di una pompa dedicata al circuito dei servocomandi non rappresenta una soluzione vincolante; in alternativa possono infatti essere utilizzati sistemi di pilotaggio che prelevano l’olio idraulico direttamente dal circuito primario, conservando il sopra citato dispositivo ad accumulo di energia.
Il Motore Diesel: Cuore dell'Escavatore
Potenza, erogazione di coppia, efficienza nei consumi di carburante, bassa rumorosità, emissioni ridotte. Sono questi i temi intorno a cui ruota l’evoluzione tecnologica dei propulsori per macchine operatrici, vero cuore pulsante dell’escavatore. II motore diesel rappresenta idealmente il cuore dell’escavatore e non a caso, complici anche le normative sempre più stringenti in materia di emissioni inquinanti, è uno dei componenti su cui si è maggiormente concentrata l’evoluzione tecnologica in questi ultimi anni.
Disposizione dei cilindri in linea, ciclo a quattro tempi, iniezione diretta, raffreddamento ad acqua sono oggi caratteristiche comuni a pressoché tutti i propulsori, così come il loro frazionamento in termini di rapporto potenza/peso e numero dei cilindri - quattro sulle macchine fino a 18/20 tonnellate, sei su quelle di classe superiore - e l’adozione di turbocompressori inter e post refrigerati, scelta questa che conferisce al motore anche una maggiore compattezza (e di conseguenza una superiore facilità di installazione) nonché una migliore efficienza in termini di consumi.
Importante è il contributo di tale soluzione anche sotto il profilo della rumorosità generata dal motore, risultato cui concorrono anche altri dettagli costruttivi come ad esempio la conformazione del silenziatore, la tipologia dei tamponi elastici, la conformazione della ventola, la struttura della cabina e le soluzioni insonorizzanti per vano motore e cabina.
Alla valutazione delle prestazioni di un motore, accanto alla pura potenza erogata, concorrono naturalmente svariati parametri. Primo fra questi è l’erogazione di coppia, che deve risultare il più possibile piatta e praticamente costante a partire dai 1.500 giri, caratteristica essenziale per un propulsore che è chiamato ad azionare anche un gruppo pompe. La potenza deve crescere linearmente in rapporto al numero di giri; con un andamento lineare della potenza, infatti, il computer di bordo gestisce al meglio la variazione di portata delle pompe idrauliche e risponde alle punte di carico con migliore prontezza ed elasticità.
La ventola di raffreddamento, cui è affidato il compito di garantire la portata d'aria ottimale alla batteria dei radiatori, deve essere efficiente e silenziosa, risultato quest’ultimo ottenibile grazie a una studiata conformazione delle pale, tale da evitare turbolenze.
La gestione dei livelli di potenza erogata è un altro aspetto decisivo ai fini dell’operatività dell’escavatore, oltre che di quelli energetici. Generalmente la variazione del regime massimo di giri del motore diesel viene gestita nell'ambito della programmazione dei modi di lavoro dell'impianto idraulico; un’ulteriore opzione è quella di modificare automaticamente il regime di giri indipendentemente dalle modalità di lavoro e in funzione del livello di pressione massima degli azionamenti. In genere, grazie a questo sistema, il regime di giri viene momentaneamente elevato quando i sensori del circuito idraulico rilevano condizioni operative particolarmente gravose, per poi tornare al valore precedente quando queste cessano. Evidenti i vantaggi in termini di efficienza dei consumi, in quanto il motore viene sfruttato ad elevati regimi di rotazione solo ed esclusivamente in caso di reale necessità.
Legata alla questione dei consumi è quella dei rifornimenti. In linea generale, la capacità del serbatoio del combustibile deve garantire una prolungata autonomia di lavoro - almeno otto ore - e deve quindi essere opportunamente dimensionata in funzione del consumo orario di combustibile. Per quanto riguarda i rifornimenti di olio idraulico, l'evoluzione della tecnologia idraulica e la crescente efficienza degli scambiatori di calore hanno determinato una diminuzione dei volumi di olio in circolo nell'impianto idraulico.
Fondamentale è invece la pulizia dell'olio presente nell’impianto, che incide in misura importante sull’affidabilità dei componenti e la regolarità di funzionamento degli impianti. Per questo motivo, particolarmente curato in questi ultimi anni è stato il tema del filtraggio, con l'adozione di elementi filtranti sempre più sofisticati.
Evoluzione Tecnologica e Riduzione delle Emissioni
Accanto alle caratteristiche e prestazioni “tradizionali” del motore - potenza, coppia, consumi - ormai da alcuni anni è in atto una complessa partita tecnologica che ha un obiettivo ben preciso: la costante riduzione delle emissioni inquinanti. Una partita che ha avuto inizio nel 1996 su impulso dell’agenzia statunitense per la protezione dell’ambiente (Epa) e dell’Unione Europea, secondo un programma articolato in step contrassegnati da sigle e acronimi - Stage e Tier - oggi familiari, che tappa dopo tappa ha consentito di ridurre del 60% gli inquinanti più critici, NOx e PM.
Oggi, centrato questo risultato con l’entrata in vigore delle normative Stage IIIB/Tier 4 Interim, i costruttori affrontano già la prossima scadenza: con il 2014, infatti, anno del passaggio allo StageIV/Tier IV, l’obiettivo è ancora più ambizioso, la riduzione delle emissioni inquinanti sino al 90% rispetto allo stadio di partenza.
Studi e sperimentazioni hanno portato i costruttori a concentrarsi sullo sviluppo di due differenti strategie per il raggiungimento di questo obiettivo: l’adozione di sistemi di ricircolo dei gas di scarico comunemente noti come EGR, eventualmente in accoppiata con un filtro antiparticolato DPF o FAP, e i sistemi di catalizzazione a urea, meglio noti come SCR.
Sistemi EGR
L’EGR, acronimo di Exhaust Gas Recirculation, interviene con una riduzione del tasso di NOx prodotti dalla combustione attraverso una reimmissione di parte dei gas di scarico stessi nella camera di combustione; questi ultimi, in quanto privi di ossigeno, determinano un calo di temperatura all’interno dei cilindri, riducendo di conseguenza le emissioni. All’atto pratico, l’EGR convoglia parte dei gas combusti dal collettore di scarico a quello di aspirazione attraverso un condotto pilotato da una valvola gestita elettronicamente; ciò consente di variare con precisione la quantità di gas esausto reimmesso nella camera di combustione in funzione del carico e dei parametri di esercizio del motore.
Poiché il sistema EGR agisce solo sugli NOx, questo è affiancato da un filtro DPF cui invece è affidato il compito di abbattere il particolato. Il principio di funzionamento è simile a quello degli equivalenti sistemi adottati sulle autovetture: il filtro trattiene il particolato, che viene quindi eliminato attraverso un processo di ossidazione ad alta temperatura.
Sistemi SCR
L’SCR - Selective Catalytic Reduction agisce invece sugli NOx intervenendo direttamente sui gas combusti a valle del propulsore. L’approccio in questo caso prevede un’ottimizzazione della combustione, mantenendone alta la temperatura in modo da ridurre il più possibile la produzione di particolato, e il loro smaltimento attraverso l’SCR. In particolare, i gas di scarico provenienti dal motore attraversano un catalizzatore all’interno del quale viene nebulizzata una soluzione a base di urea al 32% più acqua, nota con il nome commerciale Ad-Blue; questa, mescolandosi con i gas di scarico, innesca una reazione chimica di idrolisi che abbatte il livello di NOx nei gas di scarico. I risultati di questa combinazione sono azoto e acqua, elementi non inquinanti.
Nella sua configurazione più semplice il sistema SCR è composto da un serbatoio per la soluzione di urea, un catalizzatore, una pompa che porta la soluzione al catalizzatore e un’unità di dosaggio per iniettare l’urea a monte del catalizzatore.
Il Futuro
Entrambe le tecnologie oggi utilizzate hanno i loro pro e contro, e la decisione dei costruttori per l’una o l’altra soluzione è anche influenzata da considerazioni di mercato. Chi opera sul mercato americano, ad esempio, deve fare i conti con la scarsa diffusione dell’Ad-Blue, e difficilmente può rinunciare all’impiego dei filtri antiparticolato; per converso i sistemi EGR sviluppano temperature molto elevate che richiedono un sovradimensionamento dei sistemi di raffreddamento, cosa che può avere un certo impatto sulla progettazione della macchina.
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