Sviluppi straordinari per il contenimento di Co2

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materiali sinterizzato per sedi valvola
Per i motori più sollecitati sono state sviluppate sedi delle valvole sinterizzate.

Negli ultimi anni la tecnica motoristica ha compiuto grandi passi in avanti, che hanno consentito di soddisfare esigenze sempre più gravose in fatto di contenimento delle emissioni. In particolare, riuscire a rientrare nei limiti di legge per quanto riguarda la produzione di CO2 risulta particolarmente impegnativo. Questo gas infatti è un normale prodotto della combustione e per ridurne l’emissione occorre che le auto consumino di meno. Di conseguenza i costruttori sono impegnati in questa direzione e stanno lavorando sia a livello di veicolo che a livello motoristico. La strada che porta alla realizzazione di vetture di peso ridotto e con motori piccoli, ma dalla elevata potenza specifica, ottenuta grazie alla sovralimentazione, si è rivelata vantaggiosa ed è stata intrapresa praticamente da tutte le case. I motori, sia diesel che a ciclo Otto, sono sempre più spinti e questo grazie a pressioni di alimentazione via via più elevate.

 Sollecitazioni termiche e meccaniche
Le sollecitazioni termiche e meccaniche con le quali i componenti del manovellismo, le teste e le valvole hanno a che fare sono impressionanti, come risulta evidente da un esame delle potenze specifiche, delle pressioni medie effettive (PME) e di quelle massime raggiunte all’interno dei cilindri. Queste ultime determinano le forze che vanno ad agire sui pistoni, le bielle e le bronzine. Nei motori a ciclo Otto sovralimentati di prestazioni più elevate si raggiungono potenze specifiche dell’ordine di 95-125 CV/litro, con PME che vanno da 16 a ben 22 bar. Nei diesel turbo più spinti le PME (alle quali sono fortemente legati i carichi termici) sono analoghe e le potenze specifiche risultano comprese tra 90 e poco più di 100 CV/litro. I picchi di pressione per i motori a benzina sovralimentati ormai sono dell’ordine di 120-130 bar mentre quelli per i diesel turbo addirittura risultano prossimi ai 200 bar. Questi valori sono destinati ad aumentare nei prossimi anni. In conseguenza di questa situazione sono notevolmente cresciuti i carichi termici che interessano i pistoni e la testa e sono aumentati gli stress meccanici che i pistoni stessi, le bielle, l’albero e le bronzine devono sopportare.

Glyco IROX flanged bearings
Per le bronzine dei motori sovralimentati sono stati sviluppati nuovi materiali antifrizione con elevata capacità di carico.

Innovazione nelle teste…
Per quanto riguarda le teste, le attenzioni dei tecnici si sono puntate su leghe di alluminio dotate di migliori caratteristiche meccaniche alle alte temperature, di una più elevata conduttività termica e di una superiore resistenza alla fatica termica. Questi materiali erano già disponibili in precedenza, ma non venivano impiegati per ragioni di costo. Hanno quindi cominciato ad essere utilizzate leghe come la Al Si7 Mg Cu (la cui conduttività è del 30% superiore, rispetto alla classica Al Si9 Cu3) e, nel caso di sollecitazioni termiche particolarmente elevate, la RR 350, nella quale sono presenti il 5% di rame più quantità minori di cobalto, antimonio e zirconio.La sovralimentazione ha comportato un aumento della temperatura dei gas di scarico, che oramai nei motori a ciclo Otto supera i 1000 °C all’entrata della turbina. In tali condizioni le attuali ghise austenitiche non sembrano più in grado di poter essere impiegate soddisfacentemente per la “chiocciola” (ossia il carter all’interno del quale ruota la girante della turbina). Pertanto per questo componente hanno iniziato ad essere impiegati acciai ad alto tenore di nichel e cromo, con struttura austenitica. Il processo produttivo generalmente impiegato è la fusione a cera persa di precisione.

… nelle valvole
Pure le condizioni di lavoro delle valvole di scarico sono diventate più gravose (anche in questo caso parliamo di motori a benzina, dato che nei diesel le temperature sono minori). Le valvole al sodio stanno conoscendo una notevole diffusione, dato che consentono, grazie alla migliore asportazione di calore, un abbassamento di temperatura, rispetto a quelle tradizionali, che può anche risultare di oltre 100 °C. Per quanto riguarda i materiali, per le applicazioni più gravose si sono imposte le superleghe a base di nichel, in precedenza riservate quasi esclusivamente ai motori da competizione.Grandi passi in avanti sono stati compiuti nel campo dei materiali per le sedi delle valvole, che devono abbinare una grande resistenza all’usura a una ottima conduttività termica. I produttori specializzati in questo settore propongono, nel caso di sollecitazioni particolarmente elevate, sedi a base di particelle dure, lubrificanti solidi e con una notevole quantità di rame (metallo che conduce il calore in maniera eccellente), ottenute per sinterizzazione.

… nei pistoni
Un settore nel quale si è lavorato molto intensamente è quello dei pistoni, tanto per i motori a benzina quanto per i diesel. In questo secondo caso l’alto grado di sovralimentazione (al quale corrisponde una pressione media effettiva essa pure elevata) determina un carico termico impressionante e le temperature a livello del bordo della camera di combustione raggiungono oramai valori dell’ordine di 400 °C. Per superare il problema sono state messe a punto tecnologie particolarmente sofisticate. Una prevede che nella lega di alluminio vengano incorporate fibre corte in materiale ceramico, mentre un’altra comporta la rifusione localizzata del materiale, seguita da un rapidissimo raffreddamento, che determina un cambiamento della struttura, con formazione di una grana cristallina particolarmente fine. Oltre un certo grado di sollecitazione le leghe di alluminio non sono comunque più all’altezza della situazione. Per questa ragione per alcuni diesel turbo di elevata potenza specifica sono già disponibili pistoni in acciaio. Fondamentale si rivela in ogni caso l’impiego di una canalizzazione anulare nella parte più alta del pistone, nella quale viene fatto circolare olio. La soluzione consente l’asportazione di una notevole quantità di calore; l’abbassamento di temperatura che si può ottenere è dell’ordine di 50-70 °C. Le elevate pressioni che agiscono sul cielo dei pistoni, unitamente alle alte temperature in gioco (che determinano un considerevole peggioramento delle caratteristiche meccaniche della lega di alluminio), rendono talvolta necessario l’impiego di bussole in bronzo nei mozzetti per lo spinotto.
Le considerevoli pressioni di sovralimentazione hanno determinato un aumento delle sollecitazioni alle quali sono sottoposti i pistoni pure nei motori a ciclo Otto (anche se i picchi di pressione sono notevolmente inferiori, rispetto a quelli che vengono raggiunti nei diesel). I fabbricanti di questi componenti ne hanno già realizzati alcuni tipi dotati di canalizzazione per il raffreddamento con circolazione d’olio.

… e nella biella
Per le bronzine di banco e di biella le condizioni di lavoro sono diventate più gravose in quanto, sempre per via della sovralimentazione, sono aumentati i carichi che devono sopportare. Il recente trend verso la adozione di alberi a gomiti più “snelli”, con perni di diametro minore, apparso con l’obiettivo di fornire un contributo alla riduzione dei consumi, ha poi peggiorato le cose. Se infatti si sono leggermente ridotte le perdite per attrito, è diminuita anche la superficie sulla quale si ripartisce la forza che ogni biella trasmette all’albero. I produttori hanno sviluppato nuovi materiali antifrizione e messo a punto anche procedimenti costruttivi innovativi, come lo sputtering. Oggi sono disponibili bronzine di biella con capacità di carico (sull’area proiettata) dell’ordine di oltre 1000 bar, il che costituisce un risultato impensabile fino a pochi anni fa. Anche in questo caso sono state le sempre maggiori esigenze delle case automobilistiche, tese a realizzare turbodiesel sempre più performanti, a spingere le ditte specializzate nel settore specifico alla ricerca di tecnologie più evolute e alla messa in produzione materiali innovativi.

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Rifusione della lega di alluminio in corrispondenza del bordo della camera di combustione in un pistone per diesel di alte prestazioni.

 

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