I pistoni: un concentrato di tecnologia in continua evoluzione

Il pistone è uno dei componenti più sollecitati in un motore alternativo a combustione interna. Ecco come si è evoluto

12 settembre 2012 - 16:45

Il pistone è uno dei componenti più sollecitati in un motore alternativo a combustione interna. Basti pensare alle elevatissime pressioni cui è sottoposto nella fase di espansione (oltre i 150 bar nei diesel), alle temperature raggiunte dalla combustione ed allo stress meccanico derivante dagli elevati regimi di rotazione attualmente ottenibili.

PREMESSA SUL FUNZIONAMENTO – Esso assolve ad alcune funzioni di fondamentale importanza ai fini dell'efficienza e delle prestazioni del motore. Anzitutto è il primo organo preposto alla trasmissione della potenza prodotta dalla combustione della miscela aria-carburante all'interno della camera di combustione. Nel contempo effettua il processo di pompaggio della miscela aspirata e dei gas combusti attraverso le fasi di aspirazione, compressione e scarico, assicurando una adeguata tenuta ai gas all'interno del cilindro, durante tutto il ciclo. La zona superiore del pistone investita direttamente dai gas combusti è definita cielo e può essere piana, concava, convessa, a tetto o variamente conformata in funzione del tipo di ciclo (Otto 4 tempi o 2 tempi, Diesel), del rapporto di compressione, del posizionamento e del numero delle valvole, della turbolenza prevista in sede di progetto. La spinta ricevuta dal pistone a seguito della espansione dei gas combusti, viene trasmessa all'albero motore tramite la biella, infulcrata all'interno del pistone dallo spinotto. La tenuta tra pistone e canna del cilindro è affidata a segmenti elastici in ghisa o acciaio (le cosiddette “fasce elastiche”), alloggiati in apposite cave ricavate nella parte superiore del pistone. Il mantello sottostante guida il pistone all'interno del cilindro nella sua corsa discendente e ascendente e scarica sul cilindro la spinta laterale derivante dall'inclinazione variabile che la biella assume durante la rotazione del motore. I pistoni non sono perfettamente cilindrici: il diametro della parte superiore è minore rispetto a quello della zona inferiore al fine di compensare le maggiori dilatazioni termiche a caldo, lo stesso concetto vale per il mantello laterale (sui lati delle portate dello spinotto, la dilatazione è maggiore).

LEGHE LEGGERE – Nei motori endotermici più vecchi i pistoni erano in ghisa o acciaio, poi, nelle applicazioni automobilistiche, questi materiali sono stati gradualmente abbandonati a favore delle leghe leggere di alluminio (sebbene negli anni '30-‘40 alcuni motori d'auto americani avessero ancora pistoni in acciaio). Negli ultimi anni alcuni costruttori sono tornati a sviluppare, con le moderne tecnologie, pistoni in ghisa o in acciaio per i motori diesel. I vantaggi principali del pistone in alluminio sono, a parità di diametro, la leggerezza (minore inerzia) e la migliore conduttività termica che consente un più rapido smaltimento del calore. La leggerezza degli organi sottoposti a moto alterno è fondamentale se si considera che le nocive forze d'inerzia crescono con il quadrato della velocità. Le leghe di Al più utilizzate per la fabbricazione dei pistoni, contengono silicio (Si) (che conferisce adeguata durezza e diminuisce il coefficiente di dilatazione termica dell'Al), in percentuale variabili dallo 0,2 ad oltre il 20% oltre a rame (Cu), nichel (Ni), magnesio (Mg), ferro (Fe), titanio (Ti). Fra le più apprezzate vi è senz'altro la lega 2618 con basso tenore di Si (0,2%), 2% di Cu, Mg, Ni e Fe in % minori. Anche la lega leggera 4032 con gli stessi componenti in % diversa e il 12 % di Si è molto diffusa. Le leghe leggere con più alta percentuale di Si (oltre il 13%) sono dette “ipereutettiche” e presentano maggiori difficoltà in fase di fusione e di lavorazione alle macchine utensili. Per i pistoni dei motori di F1 sono state anche utilizzate speciali leghe Al-Mg (Cosworth) o Al-Berillio (quest'ultimo vietato da alcuni anni). La maggior parte dei pistoni destinati alla produzione di serie è ottenuta per fusione in conchiglia. Il grezzo così ottenuto viene sottoposto a trattamento termico ad alta temperatura e successivamente a lavorazione e finitura alle macchine utensili al fine di ottenere adeguata precisione e le previste tolleranze di accoppiamento con i cilindri. I giochi di accoppiamento tra pistone e canna, nel corso degli ultimi decenni, si sono ridotti notevolmente, a tutto vantaggio della silenziosità del motore a freddo, della riduzione del consumo d'olio e della durata chilometrica. Attualmente, giochi canna-pistone di soli 2-3 centesimi di mm. sono la norma per motori di grande serie, mentre per i motori da competizione con elevate potenze specifiche ed alti regimi di rotazione, si adottano giochi più abbondanti per ridurre al minimo le perdite per attrito ed il rischio di grippaggi.

PISTONI FORGIATI PER LE ALTE PRESTAZIONI – Sui motori di alte prestazioni si è ormai generalizzato l'uso di pistoni realizzati per forgiatura ad elevata temperatura (circa 500 °C), poichè offrono caratteristiche metallurgiche e meccaniche superiori rispetto ai pistoni fusi. Il grezzo viene sottoposto, all'interno di uno stampo, all'azione di una pressa idraulica che, grazie all'alta temperatura, provoca l'adattamento plastico della lega di alluminio alla forma dello stampo.  Anche in questo caso, il grezzo ottenuto viene sottoposto a trattamento termico di indurimento e successiva lavorazione finale alle macchine utensili. I costi di produzione dei pistoni stampati sono più elevati rispetto a quelli dei pistoni ottenuti per fusione.

PISTONI SEMPRE PIÙ BASSI E LEGGERI – Nel corso dei decenni i pistoni per motori endotermici a ciclo Otto hanno subito una considerevole riduzione di peso ed una profonda evoluzione tecnologica. L'obiettivo è sempre quello di ottenere, a parità di diametro, la massima leggerezza e minori perdite per attrito. Si è passati progressivamente dai pistoni con rapporto altezza/ diametro superiore all'unità (quindi con mantello intero molto alto rispetto al diametro) adottati fino agli anni '40-50 a quelli con rapporto pari ad 1 con mantello intero. Intorno agli anni '60-70 si è generalizzata la riduzione di altezza del mantello (rapporti 0.9-0,8) e dello spessore delle pareti dello stesso, grazie ai progressi metallurgici e degli oli lubrificanti. Attualmente, per i motori d'auto a benzina di ultima generazione, si è giunti a rapporti di 0,6-0,7 mentre per i motori i F1 si arriva a 0,4-0,3 con il mantello ormai ridotto a due corti pattini nei lati di spinta. I segmenti di tenuta presentano, rispetto al passato, un carico radiale più basso ed uno spessore inferiore, con conseguenti minori perdite per attrito. Anche nella produzione di serie si sono diffusi dagli anni'70 ( ma già negli anni '50-60 vi erano validi esempi) , i pistoni “sfiancati” nelle zone del mantello non soggette alle spinte laterali, ovvero quelle corrispondenti alle portate dello spinotto, a sua volta più corto. Ciò allo scopo di ridurre ulteriormente il peso complessivo e l'attrito laterale con la canna del cilindro. Anche il numero dei segmenti di tenuta è diminuito: è scomparsa la fascia raschiaolio montata al di sotto dello spinotto fino agli anni '50-60 e lo standard attuale è costituito da 2 fasce elastiche di tenuta (la superiore cromata) più un anello raschiaolio. Nei pistoni per motori da competizione possiamo trovare 2 segmenti molto sottili ( al di sotto del mm) o addirittura uno soltanto (2 tempi da corsa).

TRATTAMENTI SUPERFICIALI – Da alcuni decenni i pistoni costruiti con maggiore accuratezza, vengono sottoposti a trattamenti superficiali anti-usura e anti-frizione. Molto diffuso il riporto di un sottile strato di stagno (1-2 micron), ottenuto con processo galvanico, oppure riporti in grafite (ottimo lubrificante solido) o al bisolfuro di molibdeno. In certi casi il riporto superficiale, che interessa soprattutto il mantello, può arrivare a circa 20 micron. In tempi più recenti sono stati introdotti rivestimenti ceramici ottenuti con l'anodizzazione profonda da 20 a 50 micron. Un altro procedimento è la “Thermal sprying” con la quale si “sparano” particelle ceramiche con la fiamma ossiacetilenica, sulle zone da trattare. Recentemente sono stati realizzati pistoni interamente in materiale ceramico sinterizzato ad alta temperatura, utilizzando carburo di silicio (SiC) o nitruro di Si (Si3N4). Si tratta di una tecnologia molto innovativa ancora costosa e da sviluppare. Nei giorni scorsi Federal-Mogul, uno dei principali produttori di pistoni per il settore auto, ha annunciato la messa in produzione di un nuovo tipo di pistone denominato “Advanced Elastoval II” , espressamente progettato per i nuovi motori a benzina ad iniezione diretta. Il componente equipaggerà, nel corso di quest'anno, una nuova vettura di un costruttore europeo. Il pistone Advanced Elastoval è più leggero del 20% rispetto al precedente ma è in grado di sopportare le pressioni più elevate che si generano nella fase di combustione dei motori downsized ad iniezione diretta altamente performanti. Lo spessore delle pareti del mantello è differenziato a secondo che si tratti di zone di spinta o meno. Lo spessore minimo è di appena 2,5 mm.

1 commento

antonio
15:40, 24 settembre 2012

Buon giorno io ho un problema alquanto serio, 10 giorno fà sulla A3, all'improvviso la macchina ha iniziato ad andare fortemente a tre.Chiamo il carro atrrezzi,trasporto l'auto dal meccanico.apriamo il coperchio della punteria,togliamo gli iniettori,misuriamo la compressione e risulta bassissima quella del cilindro n° 2.Apriamo la testata è troviamo un pistone bucato.Al pistone manca un pezzodi circa 2mm x 13mm, non dentro la sede di scoppio, ma esattamente a meta tra la sede di scoppio ed la circonferenza del pistone, non so come postare la foto,qualchuno puo suggerirmi la causa?Vi ringrazioidryPackthis

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