Viaggio all’interno del motore: cilindri e canne

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I pistoni scorrono, con minimo gioco diametrale, all’interno delle canne dei cilindri, che possono essere integrali, ossia ricavate direttamente nel materiale dello stesso blocco cilindri, o riportate. In questo secondo caso possono essere lambite direttamente dal liquido di raffreddamento (canne umide) oppure essere “secche”, cioè a contatto soltanto con il materiale del blocco cilindri. La struttura di quest’ultimo viene detta open deck se la sommità delle canne non è collegata alle pareti laterali del blocco stesso e closed deck se invece tale collegamento esiste e quindi c’è un vero piano di appoggio per la testa, interrotto solo dove ci sono i passaggi per l’acqua di raffreddamento. La tenuta tra i pistoni e i cilindri è affidata ai segmenti, anelli di ghisa o di acciaio che premono contro le pareti delle canne impedendo quasi completamente il passaggio dei gas e dell’olio.
Un problema con il quale i tecnici hanno avuto a lungo a che fare è quello dell’ usura da sfregamento (e, in misura assai minore, di quella di tipo abrasivo) delle canne stesse. Determinante è il fatto che la lubrificazione del primo segmento è tutt’altro che copiosa, in particolare in prossimità del punto morto superiore. Nei motori automobilistici il blocco cilindri usualmente è incorporato nella struttura del basamento. Nel settore motociclistico invece nella maggioranza dei casi è amovibile. Molto diffusi, in campo auto, sono tuttora i blocchi in ghisa, e in tal caso di norma le canne sono integrali. I blocchi cilindri in lega di alluminio, impiegati universalmente nei motori per moto, stanno diventando sempre più diffusi sulle auto, principalmente in quanto consentono di ottenere una apprezzabile riduzione del peso; vantaggiosa è anche l’elevata conduttività termica. La loro adozione però comporta la necessità di impiegare canne riportate in un materiale diverso (a differenza della ghisa, l’alluminio non ha caratteristiche meccaniche e tribologiche adeguate) o di fare ricorso ad adatti riporti superficiali.

Perdite meccaniche
La maggior parte delle perdite meccaniche che hanno luogo all’interno del motore è dovuta proprio al gruppo pistone-segmenti. Le stime variano, ma mediamente si parla di oltre il 40 % del totale. Per diminuire l’entità di queste perdite sono stati sviluppati nel corso degli anni segmenti con minore carico radiale e con minore altezza. Inoltre di recente hanno fatto la loro comparsa riporti superficiali di nuova generazione con coefficiente di attrito molto ridotto. Pure l’estensione del mantello dei pistoni è diminuita.

Canne in umido e a secco
Le canne riportate in umido possono essere appoggiate in basso, il che agevola notevolmente il lavoro della fonderia, in quanto la struttura del gruppo basamento-blocco cilindri risulta nettamente più semplice. In tal caso però le canne devono avere pareti di notevole spessore in quanto, in seguito al serraggio delle viti di fissaggio della testa, vengono sottoposte a una notevole compressione, cosa che può causare distorsioni di entità non trascurabile. Oggi questa soluzione non trova molte applicazioni e, quando si adottano canne umide, in genere si preferisce impiegare quelle del tipo con bordino di appoggio superiore; in tal caso quando si stringono le viti della testa solo quest’ultimo viene serrato (mentre la canna non subisce sollecitazioni). Con tale soluzione inoltre il blocco cilindri ha una struttura più rigida. Le canne di questo tipo hanno una discreta diffusione in campo auto, sono utilizzate di rado sui motori motociclistici ma trovano numerose applicazioni in quelli dei veicoli industriali pesanti. Il materiale impiegato per queste canne in genere è la ghisa, ma non mancano alcuni esempi nei quali si impiega la lega di alluminio con riporto superficiale al nichel-carburo di silicio.
Le canne riportate a secco possono essere installate con interferenza nel blocco cilindri o possono essere prese di fusione. Nel primo caso le pareti esterne hanno una finitura molto elevata; per inserirle nell’alloggiamento si fa spesso ricorso al metodo termico. Raffreddando vigorosamente la canna (ad esempio mediante azoto liquido) il suo diametro esterno diminuisce, mentre riscaldando il blocco cilindri il diametro degli alloggiamenti aumenta; in entrambi i casi l’installazione può essere effettuata con la massima facilità. L’alternativa, se l’interferenza non è elevata, è costituita dal montaggio alla pressa. Un intimo contatto tra le pareti dei due componenti è essenziale ai fini dello scambio termico (e quindi di un efficace raffreddamento della canna stessa).
Nei motori automobilistici e in quelli motociclistici oggi sembra essere più impiegata la soluzione che prevede canne in ghisa incorporate nel blocco cilindri in lega di alluminio all’atto della fusione di quest’ultimo. In questo caso, per migliorare l’ancoraggio e per aumentare la superficie di scambio termico, le canne sono generalmente dotate di una serie di solchi o di altre irregolarità sulla superficie esterna. Le ghise impiegate per le canne dei cilindri dei motori a ciclo Otto hanno generalmente una durezza dell’ordine di 220 – 300 punti Brinell. È interessante segnalare che di recente sono state proposte anche canne in lega di alluminio, con opportuno rivestimento superficiale, destinate ad essere incorporate di fusione.

Basamenti
I basamenti in ghisa (incorporanti il blocco cilindri) sono quasi sempre dotati di canne integrali. Da diversi anni a questa parte hanno una buona diffusione anche i basamenti in lega di alluminio con canne integrali munite di un sottile riporto di adatto materiale sulle pareti interne. Questa soluzione è da tempo standardizzata sulle moto di elevate prestazioni e si sta diffondendo in misura crescente in campo auto. I vantaggi sono costituiti da un minor peso, una maggiore compattezza e un più agevole smaltimento del calore.
Alcuni costruttori tedeschi impiegano basamenti in lega di alluminio a elevato tenore di silicio, senza alcun riporto (che invece viene applicato sui pistoni), ma si tratta di una soluzione impegnativa dal punto di vista fusorio e delle lavorazioni. La lega impiegata è la Al Si17 Cu4 Mg. In questo caso i blocchi vengono prodotti con la tecnologia della colata in conchiglia a bassa pressione. Una volta finiti, questi cilindri presentano sulle pareti interne una serie di cristalli di silicio primario, che formano la superficie portante, separati da un reticolo di solchi che assicurano la ritenzione e la distribuzione dell’olio. Di recente la Yamaha ha messo a punto una tecnologia analoga, utilizzando una lega al 20% di silicio. Per realizzare il basamento con canne integrali, in alcuni motori diesel non si impiega l’usuale ghisa grigia, ma una ghisa con grafite a struttura vermicolare, dotata di migliori caratteristiche meccaniche.
Nelle leghe di alluminio utilizzate per i blocchi cilindri con canne riportate o con rivestimento superficiale in genere il contenuto di silicio va dal 6 al 13 %. I procedimenti fusori più frequentemente utilizzati sono la colata in conchiglia (che consente l’impiego di anime in sabbia, e quindi la realizzazione di strutture “closed deck”) e la pressofusione. Quest’ultima permette solo la produzione di strutture “open deck”, in quanto non consente la realizzazione di cavità interne e di sottosquadri. Se si impiegassero delle anime, verrebbero distrutte dall’arrivo del metallo liquido ad alta velocità e sotto elevata pressione. Minore utilizzazione ha la colata in sabbia, che peraltro è l’unica tecnologia impiegata per i blocchi in ghisa.

 

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