Componenti chiave nei motori a combustione interna: i pistoni

Nell’articolo precedente abbiamo analizzato attentamente la struttura delle camere di combustione. Ora affronteremo il tema dei pistoni, un componente svolge un ruolo fondamentale in un altro aspetto del funzionamento del motore.

Il pistone è un componente ampiamente riconosciuto dalla maggior parte delle persone, anche da coloro che non sono specialisti del settore automobilistico. Il suo ruolo non può essere sopravvalutato, poichè molti indicatori di prestazione del motore dipendono dal modo in cui il pistone si muove all’interno del blocco motore.

In questo articolo esamineremo alcuni degli aspetti progettuali, delle funzioni chiave e delle strutture dei pistoni utilizzati oggi.

Definizione

Il pistone è il primo elemento del sistema di azionamento. Nel processo di conversione dell’energia termica rilasciata durante la combustione del carburante in lavoro meccanico, il pistone non deve solo trasmettere potenza, ma anche garantire una guida fluida della biella nel cilindro.

Grazie agli anelli, il pistone assicura la tenuta tra la camera di combustione e il basamento ed è responsabile della dissipazione del calore verso il liquido di raffreddamento.

I requisiti imposti a un pistone possono variare a seconda della sua applicazione, pertanto la progettazione del pistone è un compito estremamente complesso. Tuttavia, si basa in gran parte su prove empiriche e misurazioni del mondo reale, sebbene le simulazioni stiano svolgendo un ruolo sempre più importante.

Vale la pena notare che il termine “motori a pistoni” non è limitato ai motori diesel e benzina a quattro tempi. Comprende anche strutture come motori a vapore a pistoni, motori a combustione interna a due tempi e il motore Stirling precedentemente discusso. Tuttavia, in questo articolo ci concentreremo sui motori a combustione interna.

Disegno e costruzione

La forma finale del pistone e il materiale utilizzato derivano generalmente dai parametri precedentemente definiti. Quando si progetta la struttura di un motore, lo spazio disponibile viene solitamente definito volume della corsa e influisce in modo significativo sulla disposizione e sul numero dei cilindri, nonché sul rapporto tra la lunghezza del cilindro e la corsa. Nel caso dei veicoli da corsa e sportivi, tutti gli aspetti delle prestazioni dell’auto sono subordinati ai parametri del sistema di propulsione, il che offre agli ingegneri una maggiore libertà di progettazione.

Il modo in cui verrà utilizzato il motore ha un impatto significativo sulla progettazione del pistone, come evidenziato nella seguente sezione sulle prestazioni del motore:

“Poiché le prestazioni del motore possono essere effettivamente migliorate aumentando la velocità del motore, una soluzione di compromesso promettente è quella di aumentare il rapporto alesaggio-corsa per aumentare il rapporto alesaggio-corsa. Questo, a sua volta, è un modo comprovato per aumentare la potenza dell’unità.

Tuttavia, la dimensione dell’alesaggio del cilindro non può essere illimitata: maggiore è questo valore, meno favorevole diventa la forma della camera di combustione, il che porta ad una combustione meno efficiente e alla tendenza alla cosiddetta combustione anomala.

Le prestazioni sono influenzate anche dal numero di cilindri: se più cilindri più piccoli garantiscono la stessa cilindrata, la compressione della miscela e la gestione del calore saranno più efficaci. Tuttavia, questa soluzione comporta perdite per attrito, che portano a un deterioramento sia delle prestazioni che delle caratteristiche di emissione”.

Una diretta conseguenza di quanto sopra è che nei motori sportivi troviamo cilindri con un’altezza di compressione del pistone molto bassa e un elevato rapporto alesaggio e la corsa, mentre, ad esempio, nel caso dei motori diesel degli autocarri si osserva esattamente il contrario.

Una maggiore altezza di compressione del pistone consente un controllo più efficace anche a regimi del motore più elevati, rendendo il pistone meno suscettibile alle vibrazioni all’interno del cilindro.

Selezione dei materiali, produzione

Per molti anni, il materiale utilizzato per realizzare i pistoni è stata la ghisa, principalmente per la sua durabilità. Tuttavia, con l’aumento della velocità massima del motore, divenne sempre più sensato produrre pistoni con materiali più leggeri, quindi l’industria passò alle leghe metalliche leggere. Dato che un numero significativo di blocchi motore sono ora realizzati in leghe di alluminio o magnesio, le differenze nei coefficienti di dilatazione termica non sono più un problema per i pistoni in metallo leggero.

Oggi, la pratica comune è quella di forgiare a caldo pistoni in metallo leggero, che producono un pistone resistente almeno quanto un pistone in ghisa, ma molto più leggero.

Poiché il pistone si muove su e giù e la biella si muove alternativamente, non possono essere collegati rigidamente. Questa limitazione viene superata dallo spinotto. Gran parte della forza trasmessa è concentrata attorno al perno, pertanto in questo punto durante la pianificazione è necessario prevedere un rinforzo speciale.

Spesso incontriamo tagli e fessure nella parte inferiore dell’alloggiamento del pistone. Hanno lo scopo di evitare l’adesione causata dalla dilatazione termica.

È difficile da vedere ad occhio nudo, ma la parte superiore del pistone ha solitamente un diametro inferiore a quello inferiore. La ragione di ciò è che la parte superiore del pistone è a contatto con molto più calore, quindi anche la sua dilatazione termica sarà maggiore durante il funzionamento.

Anello del pistone

Per adempiere alla funzione di tenuta menzionata, il pistone necessita di un elemento aggiuntivo, ovvero una fascia elastica. Nei motori odierni, il pistone è dotato di numerosi anelli di questo tipo. Uno di questi anelli è l’anello raschiaolio, utilizzato in tutti i tipi di motori dove esiste il rischio che si formi una pellicola d’olio sulla superficie interna del cilindro, ad eccezione dei motori a due tempi.

Il numero degli anelli e la loro disposizione dipendono principalmente dal fatto che si parli di un motore a benzina o diesel. Nei motori diesel il primo anello di compressione si trova solitamente più lontano dal cielo del pistone rispetto ai motori a benzina. I motori diesel solitamente hanno un numero maggiore di anelli, inclusi due anelli raschiaolio.

I motori diesel richiedono che le fasce elastiche siano dotate di una protezione più stretta, che protegga inoltre dall’accensione incontrollata. Pertanto, la distanza tra il pistone e la parete del cilindro è spesso ridotta al minimo, anche se deve sempre essere scelta per evitare il grippaggio degli anelli.

Per risolvere questo problema, una soluzione pratica è quella di utilizzare un profilo anulare simile ad una tenuta a labirinto. Questo profilo non solo impedisce la penetrazione della fiamma, ma riduce anche la probabilità di grippaggio dell’anello. In pratica tale profilo assume la forma della lettera “U” con base quadrata e l’estremità aperta rivolta verso la parete del cilindro.

Il futuro dei pistoni

Attualmente alcuni produttori producono motori i cui pistoni sono realizzati con stampanti 3D. Questa tecnologia ha già dimostrato il suo valore nella pratica, suggerendo che potrebbe diventare più comune in futuro, soprattutto nella fascia più bassa del mercato, poiché la produzione diventerà ancora più economica.