La tecnologia dei cilindri - parte seconda

Per lungo tempo la soluzione impiegata pressoché diffusamente, quando il blocco cilindri era in lega di alluminio, prevedeva l’impiego di canne riportate in ghisa. La soluzione è ancora molto utilizzata, ma altre tecnologie stanno guadagnando terreno. Nei motori motociclistici di alte prestazioni dominano infatti le canne integrali con riporto al nichel-carburo di silicio, mentre tra le auto (oltre ai blocchi cilindri in ghisa con canne integrali, tuttora largamente impiegati per ragioni economiche) si stanno diffondendo i basamenti in lega di alluminio ad altissimo tenore di silicio e i riporti al plasma.

I blocchi cilindri con canne integrali sono monolitici (più un eventuale riporto superficiale di spessore estremamente ridotto), mentre quelli con canne riportate sono eterogenei. C’è però una soluzione “intermedia”, ovvero quasi-monolitica, che trova alcune interessanti applicazioni in campo auto e prevede l’impiego di canne in lega di alluminio ad alto tenore di silicio, che vengono piazzate nello stampo per essere incorporate nel blocco cilindri all’atto della fusione, Ciò consente di realizzare il blocco stesso con una lega di alluminio più agevolmente colabile e lavorabile (e anche meno costosa).

La superficie esterna delle canne si lega metallurgicamente oltre che meccanicamente con la lega del blocco. In pratica è come se si ottenesse un forte arricchimento di silicio proprio dove serve, ovvero nelle zone destinate a lavorare a contatto con i pistoni e i segmenti. Impiega questa soluzione la Mercedes-Benz nei suoi basamenti pressofusi in lega al 9% di silicio realizzati con tecnologia Silitec (le canne, ottenute per sinterizzazione, sono in lega di alluminio al 25% di silicio).

Albond e preforms

La soluzione proposta dalla Mahle e denominata Albond prevede che all’atto della fusione nel basamento venga incorporata l’intero gruppo delle canne, costituito da un’unica struttura, dotata di pareti esterne esterna molto scabrose per aumentare la superficie di contatto. Un’altra tecnologia quasi-monolitica prevede l’impiego di “preforms”, strutture altamente porose generalmente realizzate con fibre di allumina (ossido di alluminio, materiale ceramico dalla elevata durezza) più eventualmente particelle di silicio.

Questi preforms vengono incorporati nel blocco cilindri per impregnazione; la pressofusione in questo caso non è possibile (i preforms verrebbero distrutti all’arrivo del metallo liquido) e la tecnica fusoria impiegata è lo squeeze casting, che prevede un ingresso a bassa velocità della lega fusa nello stampo e una successiva messa in pressione. La Honda ha impiegato i preforms in alcuni motori motociclistici, adottando una colata in conchiglia a media pressione (HNDC) per la realizzazione del basamento.

Canne in lega d'alluminio

Le canne riportate nella maggior parte dei casi sono in ghisa; non mancano però, in particolare nei motori di alte prestazioni, le canne in lega di alluminio (a elevato tenore di silicio o dotate di riporto superficiale al nichel più particelle dure), più leggere e dotate di una superiore conduttività termica. Le canne possono essere riportate “in umido”, ossia venire lambite direttamente dal liquido di raffreddamento, o essere incorporate nel blocco cilindri in modo da contattare esclusivamente la lega di alluminio che lo costituisce (canne riportate “a secco”); in questo secondo caso possono essere prese di fusione (CIP, ovvero Cast In Place) o venire installate con interferenza.

Le canne riportate in umido hanno avuto una considerevole diffusione in campo automobilistico in quanto rendono più agevole il lavoro di fonderia e possono godere di un eccellente raffreddamento; inoltre l’effettuazione degli interventi meccanici è più semplice in quanto le canne possono essere installate e rimosse con grande facilità. Il bordino di appoggio del quale sono dotate può essere piazzato superiormente o inferiormente. Nel primo caso la struttura del blocco cilindri è closed deck, mentre nel secondo è open deck; il blocco, incorporato nel basamento, si riduce alle sole pareti esterne e ha pertanto una struttura estremamente semplice.

Basamanto in lega d'alluminio

Le canne, che devono avere pareti di considerevole spessore, dato che vengono sottoposte a un sensibile sforzo di compressione dopo il serraggio delle viti della testa, possono essere installate e rimosse addirittura a mano. Il basamento, in lega di alluminio, può essere ottenuto anche per pressofusione La soluzione che prevede un blocco closed deck con canne munite di bordino di appoggio superiore consente di ottenere una maggiore rigidezza strutturale. Le canne possono avere pareti di minore spessore in quanto è il solo bordino ad essere sollecitato a compressione.

In campo automobilistico i blocchi cilindri con canne riportate in umido hanno avuto una considerevole diffusione in passato, ma oggi vengono impiegati solo in misura limitata. Tra gli esempi più significativi di canne appoggiate in basso ci sono i motori Alfa Romeo bialbero a quattro cilindri degli anni Sessanta e Settanta, il V6 della stessa casa e svariate realizzazioni Peugeot e Renault.

Canne con bordino di appoggio superiore

Le canne con bordino di appoggio superiore, che da anni vengono impiegate in quasi tutti i motori degli autocarri pesanti (che sono dotati però di blocco cilindri in ghisa), hanno avuto una ampia utilizzazione sui motori di Formula fino a tutti gli anni Novanta. Tra i motori di serie questa soluzione non è mai stata particolarmente diffusa; vanno comunque ricordati almeno il V8 Aston Martin e un quattro in linea prodotto dalla Peugeot. La Maserati e la Ferrari hanno privilegiato, e adottano tuttora, una soluzione che prevede una disposizione intermedia del bordino di appoggio.

In campo moto le canne umide sono piuttosto rare; quelle con appoggio in basso vengono impiegate sui tricilindrici Triumph e sui bicilindrici Aprilia a V di 450 cm3, mentre quelle con appoggio in alto vengono adottate dai bicilindrici di 1200 cm3 della Morini e della Ducati (Superquadro 1199). Come già detto, le canne riportate a secco possono essere installate con interferenza (ovvero con forzamento, dato che il loro diametro esterno èleggermente superiore a quello dell’alloggiamento) o essere incorporate nel blocco cilindri all’atto della fusione. Nel primo caso vengono inserite utilizzando una pressa o facendo ricorso al metodo termico.

Quest’ultimo prevede un vigoroso raffreddamento delle canne, ottenuto ad esempio mediante azoto liquido o ghiaccio secco, in modo da far diminuire il loro diametro esterno, e/o un riscaldamento del blocco cilindri, in modo da fare aumentare il diametro degli alloggiamenti. Una volta che le due parti (canne e blocco) tornano alla temperatura ambiente, si ottiene la prevista interferenza (che è stata calcolata con grande accuratezza in fase di progetto).

Canne secche

Per ottenere una salda e intima unione tra i due componenti, indispensabile per non ostacolare che in misura minima il passaggio del calore, le superfici di contatto devono essere dotate di una elevata finitura superficiale. Le canne secche installate con interferenza hanno avuto una straordinaria popolarità in passato in campo motociclistico, ove hanno dominato a lungo la scena. I quadricilindrici sportivi giapponesi le hanno impiegate fino agli anni Novanta. In campo automobilistico la loro diffusione è stata minore.

Le canne secche prese di fusione sono oggi largamente impiegate in campo auto; le adotta infatti la maggior parte dei blocchi in lega di alluminio attualmente in produzione. Si tratta di una soluzione economica e molto razionale dal punto di vista costruttivo. Le canne, dotate in genere di una superficie esterna “grezza” o munita di risalti o incavi per migliorare l’ancoraggio e aumentare la superficie di scambio termico, vengono piazzate nello stampo prima della colata della lega di alluminio fusa. Quest’ultima poi solidifica e si contrae, “afferrando” con forza le canne stesse. In campo motociclistico le canne secche prese di fusione sono largamente impiegate, in particolare dalle industrie giapponesi, che le utilizzano per modelli di prestazioni non elevate. Nei motori di piccola cilindrata prodotti per i mercati orientali la loro adozione costituisce la soluzione più diffusa.