La rivoluzione del pistone

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. 

 

 

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. 

 

 

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. 

 

 

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. 

 

 

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…