Motori sovralimentati (III parte). Sollecitazioni enormi e pressioni da capogiro

All’interno di ciascun cilindro la pressione dei gas raggiunge il suo valore massimo poco dopo il punto morto superiore, allorché il pistone sta appena iniziando la corsa di espansione. Ciò avviene al termine della fase principale della combustione, quando quasi tutta la miscela aria-carburante è stata bruciata. Il “picco” di pressione nei motori aspirati di prestazioni più elevate è dell’ordine di ottanta-novanta bar se si tratta di modelli di serie e di un centinaio o poco più nelle realizzazioni da competizione.

Pressioni da capogiro

Nei motori sovralimentati (sempre ad accensione per scintilla) delle auto di normale produzione siamo oramai dalle parti di 130 bar. Per quanto riguarda i diesel turbo (che da tempo dominano incontrastati la scena), le pressioni di sovralimentazione, oggi molto elevate, hanno determinato il raggiungimento di picchi altissimi, addirittura inimmaginabili fino a pochi anni fa. I valori sono infatti oramai dell’ordine di 200 bar in quelli delle autovetture di potenza specifica più alta e addirittura si avvicinano ai 250 bar in quelli dei veicoli industriali. Questo significa che, su di un pistone con un diametro di 76 mm, in un motore a benzina sovralimentato i gas agiscono con una forza di oltre cinque tonnellate (50.000 N) e in un turbodiesel di alta potenza specifica addirittura di circa nove tonnellate. Se l’alesaggio è di 84 mm, i valori in questione  diventano rispettivamente dell’ordine di sette e di undici tonnellate!

All’interno di ogni cilindro non tutti i cicli che si susseguono sono uguali. La rapidità di incremento della pressione e il valore massimo che essa raggiunge variano. Questo è dovuto al fatto che inevitabilmente, da un ciclo all’altro, si hanno fluttuazioni locali nella velocità dell’aria in movimento turbolento e variazioni nella dosatura della miscela aria-carburante.

Quest’ultima non è omogenea ovunque, ma in certe zone della camera è più ricca e in altre più magra. E siccome la velocità di combustione è notevolmente influenzata proprio dalla dosatura, e il fronte di fiamma viene non solo frastagliato ma anche trasportato dal movimento turbolento del gas, si hanno apprezzabili variazioni tanto del picco (cioè del valore massimo) quanto dell’andamento della pressione in funzione della rotazione dell’albero a gomiti. In pratica ciò che si verifica è analogo a quanto si otterrebbe se la fasatura di accensione cambiasse da ciclo a ciclo. Per via di questa dispersione ciclica, quando i costruttori comunicano le pressioni massime dei loro motori, si tratta dei valori medi dei picchi rilevati in un gran numero di cicli consecutivi (anche 250 o 300, in molti casi).

Sollecitazioni meccaniche impressionanti

Le impressionanti pressioni che vengono raggiunte all’interno dei cilindri determinano come logico sollecitazioni meccaniche elevatissime. Se a questo si aggiunge il fatto che i picchi vengono raggiunti con estrema rapidità, il quadro è ancora più drammatico. Sui pistoni si scaricano autentici colpi di maglio, che vengono trasmessi all’albero a gomiti dalle bielle e che costringono a una vita infernale le bronzine. A questo punto è chiaro che, essendo i motori sovralimentati molto più stressati di quelli aspirati sotto l’aspetto meccanico, i loro componenti devono essere in grado di sopportare senza problemi carichi assai maggiori. È per questa ragione che nelle versioni turbo di diversi motori aspirati certi organi meccanici vengono realizzati con materiali differenti o hanno un dimensionamento diverso.

Gli attuali turbodiesel hanno in molti casi potenze specifiche eccezionali, per dei motori a gasolio, che vengono ottenute adottando pressioni di sovralimentazione molto alte (non si deve dimenticare che per i diesel, diversamente da quanto accade per i loro cugini a benzina, non esiste il problema della detonazione). L’aumento delle prestazioni, conseguito esclusivamente in questo modo e non aumentando il regime di rotazione, ha portato il carico sulle bronzine a valori tali che è stato necessario sviluppare nuovi materiali antifrizione perché quelli disponibili non erano più all’altezza della situazione. Quelli che fino a pochi anni fa venivano indicati come materiali con elevata capacità di carico oggi sono considerati adatti a carichi “medi” (dell’ordine di 500 – 700 bar, ovvero circa 500 – 700 kg/cm2). Quelli di nuova generazione destinati ai turbodiesel arrivano a superare i 1200 bar!

Materiali ad altissima resistenza

Per realizzare le nuove bronzine è stato necessario fare ricorso a tecnologie sofisticate come lo sputtering, che consiste nel formare un sottile strato superficiale di eccezionale purezza, compattezza e omogeneità mediante un vero e proprio “bombardamento” atomico. Quando si indica la capacità di carico di una bronzina si considera la sua area proiettata (diametro del perno x larghezza della bronzina). Questo è un riferimento estremamente pratico, che si può calcolare con la massima facilità e che si utilizza universalmente. La realtà però è differente; la distribuzione della pressione infatti è tutt’altro che uniforme, sulla superficie della bronzina.

Immaginiamo di osservare l’albero a gomiti frontalmente, ovvero nella stessa direzione dell’asse di rotazione, e prendiamo in esame un perno di banco. Quest’ultimo ha un diametro leggermente inferiore alla bronzina nella quale è alloggiato e quando il motore è in funzione si dispone eccentricamente all’interno della bronzina stessa. Il carico viene trasmesso tramite un sottilissimo strato d’olio, che si forma grazie a una vera e propria azione a cuneo che il perno determina trascinando sotto di sé il lubrificante (la cosa accade grazie al suo movimento di rotazione). La pressione risulta distribuita su di una data zona della bronzina, di estensione non molto ampia, e raggiunge il valore massimo dove lo strato di lubrificante ha il minimo spessore. 

Facciamo poi riferimento all’albero in vista laterale, ponendolo cioè davanti a noi con una estremità a destra e l’altra a sinistra, e prendiamo in esame anche in questo caso un perno di banco. Tra quest’ultimo e la bronzina vi è un gioco, ovvero un piccolo spazio, nel quale l’olio entra centralmente per poi fuoriuscire dai due lati. La pressione anche stavolta non è distribuita uniformemente ma risulta massima nella zona centrale e diminuisce fortemente avvicinandosi ai margini laterali. La situazione viene notevolmente peggiorata dagli errori geometrici delle parti accoppiate e dai piccoli disallineamenti, dovuti non solo alle tolleranze di lavorazione ma anche (e soprattutto) alle deformazioni elastiche dei componenti, che hanno luogo durante il funzionamento del motore.

Bronzine: che vitaccia!

Le pressioni massime che vengono raggiunte localmente possono essere anche superiori ai 3000 bar, il che rende estremamente arduo il compito delle bronzine. Per via delle elevatissime forze in gioco, che per giunta si ripartiscono su superfici di estensione limitata, nella versione sovralimentata di uno stesso motore in molti casi è necessario adottare materiali dotati di caratteristiche superiori rispetto a quelli utilizzati nel modello base, che è aspirato. Un paio di esempi possono essere sufficienti per dare un’idea di questo. Un caso tipico è costituito dal passaggio da un albero a gomiti in ghisa a grafite sferoidale (ottenuto per fusione), impiegato nella versione aspirata, a uno in acciaio (realizzato per forgiatura) per quella sovralimentata dello stesso motore.

Circa otto anni fa la BMW proponeva il suo sei cilindri a benzina di 3000 cm3 in tre versioni (due aspirate, a iniezione indiretta e diretta, e una con doppio turbo); in quella di prestazioni più elevate, con il motore largamente riveduto ed erogante 103 CV/litro, si impiegava un basamento diverso come struttura e come materiale. Questo componente infatti doveva sopportare sollecitazioni meccaniche notevolmente superiori (il picco di pressione era di 130 bar, contro i circa 80 dei due modelli aspirati).