Il sistema di lubrificazione: come influenza i consumi

di Massimo Clarke

Osservazioni sulla recente evoluzione dei sistemi di lubrificazione dei motori automobilistici e su come possono contribuire al miglioramento dell'efficienza

di Massimo Clarke

11 settembre 2015

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Negli ultimi tempi i tecnici hanno lavorato intensamente per soddisfare le sempre più pressanti esigenze in fatto di limitazione dei consumi, e quindi anche delle emissioni di CO2.

Il loro impegno ha portato a interessanti sviluppi in tutti i settori della tecnica.

Pure la lubrificazione, così importante anche ai fini del rendimento meccanico, è stata oggetto di importanti attenzioni, che non hanno riguardato solo gli oli, ma anche le stesse caratteristiche dei circuiti e dei loro componenti.

Quelli tradizionali, evoluti e affinati nel corso degli anni, andavano e vanno tuttora benissimo, ma nell’ottica della riduzione al minimo assoluto degli assorbimenti di energia all’interno del motore era possibile fare qualcosa di più e di conseguenza sono comparse significative novità.

Si è lavorato in modo da ottenere un sempre più accurato controllo delle condizioni di lavoro dell’olio e hanno iniziato a diffondersi pompe a portata variabile di vario tipo, che in certi casi possono essere addirittura gestite elettronicamente.

La valvola limitatrice

In un circuito tradizionale subito a valle della pompa è posta una valvola limitatrice, la quale impedisce che la pressione possa superare un determinato valore. Ciò è di importanza fondamentale per due ragioni. Tanto per cominciare, a freddo l’olio è più viscoso e quindi scorre con minore facilità. Questo significa che la pressione è più elevata.

: Nella foto si possono osservare la pompa dell’olio e la relativa catena di comando. La coppa è dotata di razionali paratie che riducono le perdite dovute allo “sbattimento”

Grazie alla valvola limitatrice è possibile eliminare il rischio che essa possa risultare, anche se per un breve periodo, troppo alta, cosa che potrebbe essere deleteria per alcuni elementi di tenuta e, al limite, per la pompa stessa.

La valvola limitatrice, che è in genere costituita da un pistoncino sul quale agisce una molla tarata, interviene però anche durante il funzionamento normale del motore.

Al crescere della velocità di rotazione la pressione nel circuito aumenta e con essa la forza che agisce sul pistoncino; a un certo punto quest’ultima diventa tale da vincere la resistenza opposta dalla molla, che inizia a venire compressa: il pistoncino si sposta e scopre una luce attraverso la quale parte dell’olio erogato dalla pompa torna nella coppa (o nel condotto di aspirazione, subito a monte della pompa stessa).

Si tratta quindi di una valvola di “sfogo”. Il suo intervento ha luogo, durante il funzionamento normale del motore, a partire da un certo regime. Da tale punto in poi, mano a mano che la velocità di rotazione aumenta, grazie alla azione della valvola la pressione non aumenta che in misura assai limitata, risultando spesso pressoché costante.

: La valvola limitatrice di pressione è costituita da un pistoncino (molto raramente si usa una sfera) sul quale agisce una molla tarata; di norma è alloggiata nel corpo della pompa

La pompa dell'olio a portata variabile

La pompa dell’olio è volumetrica e quindi la sua portata idealmente cresce in maniera proporzionale alla velocità di rotazione; in effetti l’andamento del grafico che descrive questa relazione è rettilineo ai bassi regimi ma curva leggermente agli alti a causa del progressivo peggioramento del rendimento.

La pompa deve assicurare una sufficiente portata di olio, unitamente a una adeguata pressione, al minimo e ai regimi più bassi, e questo anche con il lubrificante a temperatura molto elevata, e quindi assai fluido. Viene quindi dimensionata di conseguenza.

In tal modo, però, per via della caratteristica di erogazione appena descritta, da un certo regime in su la sua portata diventa esuberante rispetto alle esigenze del motore. L’intervento della valvola limitatrice fa sì che l’olio in eccesso fuoriesca, e quindi non entri in circuito all’interno del motore.

In questo modo però la pompa eroga comunque una quantità di olio superiore a quella che sarebbe necessaria; il suo assorbimento di energia è maggiore di quello che avrebbe se la sua portata cambiasse al crescere del regime non linearmente ma in maniera proporzionale alla effettiva “richiesta” da parte del motore.

: L’immagine mostra la tipica disposizione, alla base dei cilindri, degli ugelli dai quali vengono emessi i getti di olio che asportano calore dai pistoni, raffreddandoli vigorosamente

Le pompe a portata variabile sono vantaggiose: non c’è spreco di energia perché erogano la quantità di olio necessaria e non di più. La mandata cambia, con la velocità di rotazione, in maniera proporzionale alle reali esigenze

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È per questa ragione che le pompe a portata variabile sono vantaggiose: non c’è spreco di energia perché erogano la quantità di olio necessaria e non di più. La mandata cambia, con la velocità di rotazione, in maniera proporzionale alle reali esigenze.

Non è tanto, ma oggi si lavora anche a livello di dettagli, perché anche il sistema di lubrificazione possa dare un suo contributo alla riduzione dei consumi.

: Questo pistone Federal Mogul per motore diesel turbo è parzialmente sezionato per mostrare la canalizzazione interna nella quale si fa circolare olio. La soluzione consente di ottenere un efficace raffreddamento e di ridurre quindi la temperatura del componente

L'olio come refrigerante

Indicativamente, in un circuito di lubrificazione tradizionale al regime di massima potenza dalla valvola limitatrice può uscire, tornando nella coppa, il 45-65% della quantità totale di olio erogata dalla pompa.

Per quanto riguarda la ripartizione dell’olio che entra in circolo nel motore, il 35 – 45% va alle bronzine di banco e di biella (dalle quali fuoriesce provvedendo quindi a lubrificare cilindri, pistoni e segmenti) e il 28 – 40% alla testa, per raggiungere gli organi della distribuzione.

Il 18 – 30% viene inviato agli ugelli dai quali vengono emessi getti di olio (i ben noti “oil jets”) che provvedono ad asportare una cospicua quantità di calore dai pistoni, abbassandone la temperatura.

La funzione refrigerante dell’olio, di notevole importanza anche nei motori relativamente “tranquilli”, diventa vitale in quelli più spinti. Negli aspirati a benzina di elevata potenza specifica si impiegano uno o più oil jets per ogni pistone.

: La foto consente di osservare uno scambiatore di calore acqua/olio, collegato sia al circuito di lubrificazione che a quello di raffreddamento, nella sua esecuzione più semplice

Questa soluzione viene impiegata anche nei motori sovralimentati, ma solo se la pressione di alimentazione è modesta; se supera un certo valore le sollecitazioni termiche diventano imponenti ed è necessario impiegare pistoni con canalizzazioni anulari nelle quali si fa passare una considerevole quantità di olio.

In questo modo si ottiene una diminuzione di temperatura dell’ordine del 30 – 70 °C. Questa soluzione è standardizzata sui motori turbodiesel. In alcuni di essi, di recente realizzazione e di prestazioni elevatissime, addirittura il carico termico è talmente elevato che è stato necessario passare dai pistoni in lega di alluminio ad altri in acciaio, sempre dotati di canalizzazioni anulari.

Per evitare che l’olio possa raggiungere temperature troppo alte, nei motori di elevate prestazioni si impiegano degli scambiatori di calore.

: La tendenza moderna è quella di incorporare lo scambiatore di calore e il filtro dell’olio in un unico “modulo” che viene fissato mediante viti a una parete esterna del basamento

Fino a qualche tempo fa erano particolarmente utilizzati i radiatori, nei quali era l’aria a sottrarre calore al lubrificante, ma ultimamente stanno conoscendo una diffusione sempre maggiore gli scambiatori acqua/olio, più compatti e in grado di fornire un valido contributo al controllo termico del motore.