La rivoluzione del pistone

7 febbraio 2016
Tecnologia
Arrivano da un’azienda italiana nuovi pistoni in acciaio, in grado di rispondere meglio di quelli in alluminio ai progressi dei motori di ultima generazione.
UN COMPITO INFERNALE - Di tutti gli organi in moto alternativo o rotativo che costituiscono il motore, a ciclo Otto o Diesel, il pistone è certamente quello sottoposto ai carichi più stressanti, sia meccanici che termici. La ricerca metallurgica ha portato alla definizione di leghe di alluminio sempre più adeguate a questo gravoso compito in termini di resistenza meccanica e stabilità sotto carico termico; senza dimenticare il fondamentale contributo assicurato dalla formidabile evoluzione dei lubrificanti, veri garanti della vita dei nostri motori. Nel caso del pistone, il lubrificante non solo azzera (o quasi) l’usura meccanica derivante dall’attrito con le pareti del cilindro, ma provvede anche al raffreddamento del suo cielo: l’adozione di provvidenziali getti di olio ha significato un fondamentale controllo della temperatura del pistone. 
 
NELLA FOTO - Due pistoni di un grosso motore turbodiesel, a sinistra in alluminio, a destra in acciaio: la superiore compattezza del secondo è visibile e la posizione elevatissima del “segmento di fuoco” limita grandemente le infiltrazioni dei gas roventi dalla camera di combustione giù fra pistone e cilindro, con conseguente formazione di depositi carboniosi che danneggiano il pistone e i segmenti. La maggiore compattezza consente di utilizzare bielle più lunghe
 
ALLUMINIO? SÌ, MA… - Nonostante questi rilevantissimi progressi, è la stessa costruzione in alluminio a rappresentare l’anello debole, per i limiti termo-meccanici di questo metallo. Per rendersene conto basta analizzare le modalità di utilizzo di questo materiale in campo aeronautico. In ingegneria aerospaziale l’alluminio non si salda mai perché, lungo il cordone di saldatura e per una larghezza che varia in base al metodo di saldatura e al tempo necessario per completare il lavoro, il materiale perde il 40 per cento della sua resistenza meccanica. Per questo, nelle costruzioni aeronautiche la giunzione dei vari elementi si realizza utilizzando collanti hi-tech e assicurando il tutto con rivetti ugualmente hi-tech (l’unica casa automobilistica a seguire questo prezioso esempio è Jaguar-Land Rover). Inoltre, l’alluminio comunque soffre di “decadimento a fatica”. Continuando nel nostro riferimento all’industria aerospaziale, ricordiamo il caso drammatico del deHavilland Comet, il primo aereo commerciale a getto ad entrare in servizio sulle rotte intercontinentali per esserne ritirato pochi mesi dopo: tre Comet si disintegrarono in volo (e allora non erano stati attentati). Semplicemente, la struttura delle fusoliera aveva ceduto lungo la linea dei finestrini, aprendosi come una baguette: il cedimento era avvenuto a seguito dello stress generato dalla sequenza dei cicli di decollo-volo ad alta quota-atterraggio con la cabina pressurizzata al livello del mare. La fluttuazione della differenza di pressione fra l’interno e l’esterno della carlinga (zero a terra, parecchi bar alla quota di crociera) aveva generato uno stress di cui i progettisti non avevano tenuto conto, perchè nessuno aveva mai volato a oltre 10.000 metri di quota con un velivolo passeggeri. L’ingegneria aeronautica emanò allora nuove norme relative al calcolo delle strutture e dei relativi parametri di sicurezza, perchè qualsiasi costruzione in alluminio ha una data di scadenza, come lo yogurt. 
 
NELLA FOTO - Pistone PistAl Racing in acciaio per motore di alte prestazioni, molto sottile e con mantello compatto, leggero ma resistentissimo. 
 
IN ACCIAIO (E MADE IN ITALY) - Come nel caso degli aerei, l’esigenza di includere corretti margini di sicurezza nella progettazione vale anche per i pistoni di alluminio, e in ogni dettaglio costruttivo. Ne consegue che i pistoni sono relativamente pesanti e, soprattutto, più massicci di quanto sarebbe ideale per l’ottimizzazione della geometria interna del motore. Così una azienda di Asti, la PistAl Racing, specializzata nella produzione di pistoni di altissima tecnologia, anche per motori “classici”, ha iniziato la sperimentazione di pistoni in acciaio e i risultati sono stati a dir poco sorprendenti. In primo luogo i pistoni in acciaio sono risultati più leggeri di quelli in alluminio di pari alesaggio. Ma, soprattutto, sono nettamente più compatti: la resistenza meccanica e termica dell’acciaio è talmente superiore da consentire una costruzione con spessori marcatamente più sottili, in ogni settore. Un fattore molto critico per l’affidabilità del pistone è rappresentato dalle cave degli anelli di tenuta, i segmenti: nei pistoni di alluminio, la cava che ospita il segmento superiore, noto come segmento di fuoco, va ricavata a vari millimetri dal bordo del cielo del pistone, perché altrimenti si potrebbero innescare cedimenti di questo stesso bordo con conseguente, progressivo collasso del pistone. Nel pistone di acciaio tale “distanza di sicurezza” può essere ridotta di almeno tre volte, e tale differenziale cresce significativamente con l’aumentare dell’alesaggio e nei pistoni per motori turbodiesel. Questo significa che il pistone in acciaio è più “basso” di quello in alluminio, per cui la sua minore altezza può essere positivamente impiegata per allungare la biella: “pratica” molto salutare perché riduce i carichi laterali del pistone sulla parete della canna del cilindro (e di conseguenza gli attriti), e anche gli squilibri di secondo ordine, con relativo incremento dell’efficienza organica del motore. 
 
NELLA FOTO - Questo pistone è realizzato per sinterizzazione di polvere di lega di acciaio ad altissima resistenza: il materiale è compattissimo e le lavorazioni perfette.
 
GIOIELLI D’OFFICINA - Per realizzare i suoi pistoni sperimentali in acciaio, la PistAl Racing ha fatto ricorso a due tecnologie molto raffinate: la microfusione sotto vuoto e lo stampaggio per sinterizzazione di acciaio in polvere. In ambedue i casi il risultato è ammirevole: i pistoni sono magnifici pezzi di meccanica hi-tech, frutto di una progettazione estremamente raffinata fin nei minimi dettagli, come ad esempio le canalizzazioni ricavate sotto cielo e nelle portate dello spinotto per ottenere massima efficacia del circuito di lubrificazione che va dal segmento raschia-olio al complesso biella-spinotto. A questo punto c’è da chiedersi perché il pistone di acciaio non abbia già preso il posto del collega in alluminio, visti i netti vantaggi che presenta. In primo luogo perché tutto il suo ciclo di produzione è più costoso. Costano di più gli attrezzamenti relativi agli stampi e agli utensili per le lavorazioni meccaniche. Inoltre questi ultimi sono sottoposti a un’usura più rapida, e quindi richiedono revisioni più frequenti. I pistoni in acciaio non sono compatibili con i cilindri in alluminio con canne rivestite in Nikasil o altri trattamenti indurenti e anti-attrito, che evidentemente non sono sufficientemente… indurenti. È quindi indispensabile utilizzare cilindri con canne in ghisa o in acciaio. Ma non è certo un problema: l’acciaio, sia del pistone che della canna, è in grado di “trattenere” i trattamenti anti-attrito di tutti i tipi, dalla cromatura al Nikasil al Cermetal, molto meglio e con maggiore affidabilità nel tempo di quanto faccia l’alluminio, per cui in effetti l’accoppiamento è assolutamente ottimale e si possono ottenere coefficienti di scorrevolezza altrettanto ottimali. 
 
NELLA FOTO - Le portate dello spinotto sono solidamente controventate per una massima stabilità, nonostante lo spinotto sia molto piccolo.
 
MA ANCHE L’OLIO VUOLE LA SUA PARTE - E ora il problema vero. L’acciaio trattiene il calore molto più dell’alluminio, e ovviamente non accusa il maggior carico termico, anzi la possibilità di operare con una temperatura più elevata in camera di combustione innalza il rendimento adiabatico del propulsore: cioè, più potenza e meno consumo. Ma quel calore in più ha un effetto deleterio sull’olio che, avendo anche una funzione refrigerante, si fa carico di asportare temperature che vanno oltre la capacità di coesione delle sue molecole. Come se l’olio diventasse acqua: niente più capacità lubrificante e collasso di bronzine e di tutto il resto. Bisognerà trovare il modo di asportare più rapidamente il calore dal cielo del pistone, necessariamente incrementando la portata e la velocità di recupero dell’olio proiettato dai getti nel basamento, in modo da non consentire che il cielo del pistone arrivi a temperature proibitive, e da permettere all’olio di circolare così rapidamente da arrivare agli scambiatori di calore prima di giungere al sovraccarico termico e al conseguente cedimento molecolare. Ma, forse, anche un lubrificante sintetico di derivazione aerospaziale potrebbe rappresentare la soluzione al problema. Vale la pena di provare a trovarla…
 
NELLA FOTO - Un complesso biella-pistone in acciaio per motore turbodiesel.
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Ritratto di maxstilo
7 febbraio 2016 - 18:15
Redazione, vi devo fare i complimenti per l'articolo, descrivete in ogni particolare pregi e difetti, questi articoli sulle varie parti del motore sono sempre interessanti li cerco spesso in internet per lavoro. Tanti in bocca al lupo all'azienda di Asti per i propri test e spero che si espandi commercialmente con questo o altri prodotti. Leggere di aziende Italiane che sperimentano e realizzano prodotti nuovi e performanti rende sempre orgogliosi di appartenere a questo paese, nello stesso tempo leggere di aziende che sono costrette a chiudere per colpa della tassazione assurda raggiunta crea la voglia di delocalizzare le aziende all'estero. Comunque ancora complimenti a voi e all'azienda.
Ritratto di fabiods4
7 febbraio 2016 - 18:21
Complimenti per l'articolo, fatto veramente bene. Brava redazione!
Ritratto di Trekk
7 febbraio 2016 - 19:05
Ottimo articolo, completo e semplice da capire anche per un semplice appassionato di motori. Complimenti e in bocca al lupo per l'azienda italiana che sta sperimentando questi materiali e pistoni.
Ritratto di ROSII
7 febbraio 2016 - 19:27
grande Italia
Ritratto di xtom
7 febbraio 2016 - 19:41
Molto interessante, mi chiedo se venga fatta da questa azienda anche ricerca su motori turbo metano ad alto rapporto di compressione.
Ritratto di Bizzuffa
7 febbraio 2016 - 20:40
Per la redazione, potrebbe essere interessante conoscere i motori che attualmente montano i pistoni in acciaio, mi pare che il 1.5 cdi di derivazione Renault montato sulle Mercedes adotti questa soluzione. Comunque ottimo è interessante articolo.
Ritratto di maxstilo
7 febbraio 2016 - 21:20
in rete ho trovato la notizia del 1.5dci e 1.6 dci della renault kadjar sembra che abbiano i pistoni in acciaio (sicuramente anche altri modelli renault e mercedes che montano lo stesso motore) come pure la Mercedes e350 bluetec con il 3000 v6. Poi qualcuno che ne sà di più può confermare o smentire. La prima notizia è di elaborare la seconda di 4R.
Ritratto di Lanzasams
7 febbraio 2016 - 21:52
Peccato non averlo scoperto prima, con l'avvento dell'elettrico avranno forse vita breve..
Ritratto di Clementina Milingo
8 febbraio 2016 - 09:08
i due problemi sono semplicissimi da risolvere: basta realizzare i pistoni con la stampa 3D in Berillio e produrre le canne dei cilindri in Inconel™, ogni canna/pistone costerebbe 50.000€ ma il motore durerebbe 10 volte tanto e consumerebbe la metà. Tutto si può provare ma poche cose hanno senso, pistoni in acciaio compresi.
Ritratto di hulk74
8 febbraio 2016 - 10:52
Li usava Mercedes-Benz in F1 anni fa, ma li hanno vietati per l'alta tossicità in caso di rottura
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