Tutto quello che avreste sempre voluto sapere sui pistoni – Funzionalità – Auto e autista

I proiettili di alluminio all'interno del tuo motore vivono in un inferno di fuoco. A tutto gas e a 6.000 giri al minuto, il pistone di un motore a benzina è sottoposto a quasi 10 tonnellate di forza ogni 0,02 secondi mentre esplosioni ripetute riscaldano il metallo a oltre 600 gradi Fahrenheit.

In questi giorni, l'Ade cilindrico è più caldo e intenso che mai, ed è probabile che la situazione peggiori solo per i pistoni. Mentre le case automobilistiche inseguono una maggiore efficienza, i produttori di pistoni si stanno preparando per un futuro in cui i più potenti motori a benzina aspirati produrranno 175 cavalli per litro, rispetto ai 130 di oggi. Con il turbocompressore e la maggiore potenza arrivano condizioni ancora più difficili. Negli ultimi dieci anni, le temperature operative dei pistoni sono salite di 120 gradi, mentre le pressioni di picco dei cilindri sono aumentate da 1500 psi a 2200.

Un pistone racconta una storia sul motore in cui risiede. La corona può rivelare l'alesaggio, il numero di valvole e se il carburante viene iniettato direttamente o meno nel cilindro. Tuttavia, il design e la tecnologia di un pistone possono anche dire molto sulle tendenze e sulle sfide più ampie che l'industria automobilistica deve affrontare. Per coniare una massima: come va l'automobile, così va il motore; e come va il motore, così va il pistone. Nella ricerca di un migliore risparmio di carburante e di minori emissioni, le case automobilistiche chiedono pistoni più leggeri, con attrito inferiore e con la resistenza necessaria per resistere a condizioni operative più difficili. Sono queste tre preoccupazioni – durata, attrito e massa – che consumano le giornate lavorative dei fornitori di pistoni.

Sotto molti aspetti, lo sviluppo dei motori a benzina sta seguendo il percorso tracciato dai motori diesel 15 anni fa. Per compensare l’aumento del 50% delle pressioni di picco dei cilindri, alcuni pistoni in alluminio ora hanno un inserto in ferro o acciaio per supportare l’anello superiore. I motori a benzina più caldi richiederanno presto una galleria di raffreddamento, ovvero un canale chiuso sul lato inferiore della corona che sia più efficiente nel rimuovere il calore rispetto al metodo odierno che consiste semplicemente nello spruzzare olio sulla parte inferiore del pistone. Gli spruzzatori sparano olio in una piccola apertura sul fondo del pistone che alimenta la galleria. Tuttavia, la tecnologia apparentemente semplice non è facile da produrre. Creare un passaggio cavo significa fondere il pistone in due pezzi e unirli tramite attrito o saldatura laser.

I pistoni rappresentano almeno il 60% dell'attrito del motore e i miglioramenti in questo ambito hanno un impatto diretto sul consumo di carburante. Le toppe in resina impregnate di grafite, che riducono l'attrito, serigrafate sulla gonna sono ora quasi universali. Il fornitore di pistoni Federal-Mogul sta sperimentando una faccia conica sull'anello raschiaolio che consente una riduzione della tensione dell'anello senza aumentare il consumo di olio. L'attrito dell'anello inferiore può sbloccare fino a 0,15 cavalli per cilindro.

Le case automobilistiche sono anche affamate di nuove finiture che riducano l’attrito tra le parti che sfregano o ruotano l’una contro l’altra. Il rivestimento duro e scivoloso simile al diamante, o DLC, è promettente per le canne dei cilindri, le fasce elastiche e gli spinotti, dove può eliminare la necessità di cuscinetti tra il perno e la biella. Ma è costoso e ha poche applicazioni nelle auto di oggi.

"I [produttori] discutono spesso dei DLC, ma se entreranno o meno nelle auto di serie è un punto interrogativo", afferma Joachim Wagenblast, direttore senior dello sviluppo prodotto presso Mahle, un fornitore tedesco di ricambi per auto.

La modellazione computerizzata sempre più sofisticata e metodi di produzione più precisi consentono anche forme più complesse. Oltre alle tazze, alle cupole e agli incavi delle valvole necessari per il gioco e per ottenere un particolare rapporto di compressione, i mantelli asimmetrici presentano un'area più piccola e più rigida sul lato di spinta del pistone per ridurre l'attrito e le concentrazioni di sollecitazioni. Capovolgi un pistone e vedrai pareti affusolate spesse poco più di 0,1 pollici. Pareti più sottili richiedono un controllo più rigoroso sulle tolleranze già misurate in micron o millesimi di millimetro.

Pareti più sottili richiedono anche una migliore comprensione della dilatazione termica di un oggetto che a volte deve riscaldarsi da sotto lo zero a diverse centinaia di gradi in pochi secondi. Il metallo del motore non si espande in modo uniforme quando si riscalda, quindi l'ottimizzazione delle tolleranze richiede esperienza di progettazione e capacità di lavorazione precise per creare leggere eccentricità nelle parti.