Dove nascono i cavalli

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Tra i vari componenti del motore la testa, che svolge una funzione assolutamente vitale, è con tutta probabilità quello più difficile da realizzare.  Al suo interno infatti sono ricavati i condotti di aspirazione e di scarico e sono alloggiati gli organi della distribuzione (valvole, molle, punterie, alberi a camme), che controllano la respirazione del motore stesso e, quindi, sono determinanti ai fini delle prestazioni ottenibili. Inoltre, nella testa sono praticate le intercapedini all’interno delle quali passa il liquido di raffreddamento (le loro dimensioni e la loro disposizione sono critiche e pertanto sono oggetto di particolare cura in fase di progetto). Nei motori a ciclo Otto le camere di combustione di norma sono ricavate nella parte inferiore della testa (nei diesel sono ricavate invece nel cielo dei pistoni). Superiormente, invece, vi sono i supporti degli alberi a camme e quelli dei bilancieri o gli alloggiamenti delle punterie.

Nei motori moderni le condizioni di lavoro della testa sono assai gravose. Nei diesel turbo di ultima generazione il picco di pressione all’interno di ogni cilindro supera nettamente i 160 bar (e in qualche caso può addirittura essere dell’ordine di 200 bar!) ed è raggiunto in tempi brevissimi. Questo significa che sulle pareti delle camere di combustione si scaricano degli autentici colpi di maglio, i quali si susseguono di continuo. Con un alesaggio di 86 mm la forza che agisce sulla testa in corrispondenza di ogni camera all’atto della combustione è di oltre nove tonnellate. Nei motori per autocarro gli alesaggi sono dell’ordine di 125-135 mm e, di conseguenza, le sollecitazioni di questo tipo sono ancora più elevate. Pure per quanto riguarda gli stress di natura termica la situazione è assai gravosa. I gas cedono alla testa una quantità imponente di calore, buona parte del quale è «assorbito» dalle pareti dei condotti di scarico, direttamente lambiti dai gas ad altissima temperatura. Di conseguenza, la testa tende ad avere un lato caldo (quello di scarico, appunto) e un lato freddo (quello di aspirazione). Per evitare che si possano verificare deformazioni di sensibile entità e che in seno alla struttura possano insorgere tensioni cospicue è necessario rendere il più possibile uniforme la distribuzione delle temperature. Questo si ottiene con una ben studiata disposizione, un dimensionamento ottimale dei passaggi acqua e con l’impiego di un materiale dotato di una elevata conduttività termica, oltre che con un accurato calcolo delle sezioni delle pareti metalliche e della geometria della struttura. Le tensioni che si creano in seno al metallo sono legate al gradiente termico: è pertanto essenziale che non ci siano grandi differenze di temperatura in zone a ridotta distanza una dall’altra. Dove è più caldo, il metallo tende a dilatarsi in misura maggiore, e in ciò risulta contrastato da quello delle zone vicine, se esse sono a temperatura notevolmente più bassa.  Occorre anche tenere in considerazione il fatto che tra la parte inferiore, direttamente lambita dai gas, e quella superiore della testa tende a esserci una elevata differenza di temperatura. Di conseguenza la parte bassa tende a dilatarsi in misura maggiore di quella alta (in questo, è ostacolata in buona misura dai vari elementi di fissaggio e di posizionamento). Le tensioni e gli allontanamenti dalla geometria ideale che si creano devono essere ridotti al minimo.

Materiali
Le teste dei motori a ciclo Otto destinati alle auto e alle moto sono invariabilmente in lega di alluminio, materiale che abbina a una ridotta densità (circa 2,7 kg/dm3, contro i 7,7 della ghisa) un’ elevata conduttività termica. Negli ultimi decenni anche per quanto riguarda le teste dei diesel automobilistici le leghe di alluminio hanno via via preso il posto della ghisa, al punto che l’impiego di quest’ultimo materiale è oramai decisamente raro. Le leghe utilizzate sono quelle con un tenore di silicio che, nella grande maggioranza dei casi, è compreso tra il 6 e il 10%. La presenza di questo elemento assicura buone caratteristiche meccaniche, riduce il coefficiente di dilatazione termica ed è vantaggiosa ai fini della colabilità. Sono inoltre presenti minori quantità di magnesio e/o di rame. In seno a questo gruppo di leghe vi possono essere differenze anche sensibili a livello di conduttività termica e di caratteristiche meccaniche (nonché di costo!). Solo in alcuni motori fortemente sovralimentati si adottano talvolta leghe di alluminio senza silicio, ma con un notevole tenore di rame e minori quantità di elementi come nichel, cobalto e zirconio.

Procedimenti produttivi
Per le teste si utilizzano quasi tutte le principali tecniche fusorie disponibili. Tra le poche eccezioni spicca in particolare la pressofusione. Quest’ultima, infatti, non consente di realizzare sottosquadri e cavità interne, come le intercapedini per il passaggio del liquido di raffreddamento. Inoltre, determina una elevata porosità in seno materiale, che non consente di sottoporre i pezzi al trattamento di bonifica. Le teste destinate a prototipi, motori da competizione o sportivi realizzati in numeri non elevati sono in genere ottenute per colata in sabbia. Una interessante versione di questo procedimento fusorio è il processo Cosworth, a bassa pressione e con metallo liquido che entra dal basso. La grande maggioranza delle teste per motori automobilistici è realizzata per fusione in conchiglia (per gravità o a bassa pressione). Va segnalata una variante denominata Rotacast, la quale è impiegata da alcuni costruttori. Di grande interesse è l’adozione del procedimento «lost foam», con modello a perdere in polistirene, da parte di varie aziende americane e di una casa europea come BMW, che lo utilizza ampiamente nella sua modernissima fonderia di Landshut.

Organi riportati
Nella testa sono installate le valvole, componenti mobili di importanza vitale in quanto preposti al controllo del flusso dei gas che entrano ed escono dai cilindri. Le leghe di alluminio non hanno caratteristiche meccaniche tali da consentire la realizzazione di adeguate superfici di tenuta per il fungo delle valvole e di scorrimento per i loro steli (che lavorano in condizioni di lubrificazione tutt’altro che ideali!). Per questa ragione le teste dei motori auto e motociclistici sono dotate di sedi e guide delle valvole riportate. Si tratta di inserti in materiale adatto (anelli nel caso delle sedi e lunghe bussole cilindriche in quello delle guide) che vengono installati con forzamento in alloggiamenti appositamente praticati nella testa. L’interferenza di montaggio delle guide (realizzate in ghisa o, meno frequentemente, in bronzo) è dell’ordine di qualche centesimo di millimetro. Valori sensibilmente più elevati si adottano per le sedi, destinate a lavorare a temperature notevolmente più alte, specialmente dal lato dello scarico. L’installazione si effettua spesso facendo ricorso al metodo termico, ovvero riscaldando la testa o raffreddando vigorosamente gli anelli-sede (per esempio mediante azoto liquido).

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