Le camere di combustione: dove nascono i cavalli (seconda parte)

Negli ultimi anni hanno fatto la loro comparsa molti motori a benzina per automobile a iniezione diretta, e ciò ha avuto effetti positivi specialmente sui consumi. In questo caso il carburante viene iniettato direttamente nel cilindro, sotto elevata pressione. Nei motori a iniezione indiretta invece si impiegano pressioni di gran lunga minori e il carburante viene spruzzato nel condotto di aspirazione; il tempo a disposizione per la formazione della miscela combustibile è sensibilmente maggiore, il che semplifica notevolmente le cose.

Iniezione diretta: gli ostacoli che si sono dovuti superare

Per poter passare alla iniezione diretta i tecnici hanno dovuto superare non poche difficoltà, cosa che ha richiesto diversi anni di intenso lavoro. Un obiettivo importante era quello di poter ottenere, almeno in una certa zona del campo di utilizzazione, una stratificazione della carica, con conseguente possibilità di alimentare il motore con una miscela a titolo complessivamente assai magro. Alla fine sono state messe a punto tre diverse “strategie”, ognuna delle quali prevede un differente piazzamento dell’iniettore e un differente orientamento del getto di carburante.

Quest’ultimo può essere diretto verso il cielo del pistone (dotato di una particolare conformazione), che lo devia, indirizzandolo opportunamente; ciò agevola anche una rapida vaporizzazione della benzina. Il sistema viene chiamato “wall directed”. Un’altra strategia, detta “air directed”, prevede invece che il getto venga frammentato e trasportato via da una vigorosa corrente d’aria, che distribuisce il carburante in seno alla massa gassosa. In entrambi questi sistemi (tra i quali in certi casi non esiste una distinzione netta) l’iniettore è collocato lateralmente, con una notevole inclinazione. La terza strategia (jet directed”) prevede che la benzina sia iniettata, sotto una pressione più elevata, direttamente in prossimità della candela da un iniettore collocato centralmente.

Disegno delle componenti

Dal punto di vista del disegno dei componenti, il passaggio alla iniezione diretta ha comportato un sensibile cambiamento della conformazione della camera di combustione. Fondamentalmente a variare non è stata la geometria della testa del motore, nella quale si è comunque dovuto trovare spazio per l’iniettore, ma la forma del cielo del pistone (che costituisce la parete mobile della camera). Anche a livello di conformazione dei condotti di aspirazione comunque ci sono stati apprezzabili cambiamenti. Quando si impiega l’iniezione diretta infatti è indispensabile impartire all’aria che entra nei cilindri una turbolenza vigorosa e accuratamente controllata.

Per quanto riguarda la conformazione della testa e la geometria della camera di combustione, i diesel sono notevolmente diversi dai motori a ciclo Otto. La camera infatti ha una forma completamente differente, indispensabile per ottenere una elevata turbolenza e per raccogliere la carica in uno spazio ridotto. Tale conformazione, approssimativamente toroidale, non può essere ottenuta alloggiando la camera stessa nella testa, dato che non ci sarebbe spazio per le valvole. Di conseguenza la camera è ricavata nel cielo del pistone, che diventa così alto e pesante; la cosa ha però una importanza del tutto relativa, dati i modesti regimi di rotazione in gioco. La superficie inferiore della testa è perfettamente piana e le valvole sono parallele.

Soluzioni tecniche

Il ricorso alle quattro valvole per cilindro è vantaggioso principalmente per due motivi: da un lato consente di piazzare l’iniettore in posizione centrale e dall’altro permette di dotare i due condotti di aspirazione di conformazioni differenti; uno di essi può essere così “di portata” mentre l’altro può essere “di turbolenza”. È infatti fondamentale che all’aria che entra nei cilindri venga impartita una macroturbolenza a vortice orientato, assai più intensa di quella usuale per i motori a benzina.

Nei diesel il tempo disponibile per l’iniezione è ridottissimo. Il gasolio inizia ad essere iniettato solo dopo che la fase di compressione si è quasi conclusa (l’aria infatti deve essere portata a una elevata temperatura perché il carburante possa accendersi spontaneamente). La necessità di distribuire il gasolio stesso in maniera uniforme, per quanto possibile, in seno a tutta la massa gassosa e di ottenere una completa vaporizzazione delle goccioline emesse dall’iniettore rende le cose ancora più difficili…

I moderni diesel sono tutti turbo e spesso adottano pressioni di sovralimentazione molto alte, grazie alle quali forniscono potenze specifiche assai elevate. Questo determina pressioni massime impressionanti e carichi termici straordinari. Per evitare che le temperature nelle zone critiche del pistone (centro cielo, margini camera, cave per i segmenti) possano raggiungere valori troppo elevati da tempo si fa ricorso a circolazione di olio in una canalizzazione anulare realizzata nella parte alta del pistone stesso.

Ma nel futuro?

Oggi però siamo al limite e questa soluzione, se i livelli di sovralimentazione aumentano ancora, potrebbe non bastare. Già a livello del margine della camera in diversi motori si raggiungono temperature dell’ordine di 400 °C e anche qualcosa di più. Si tratta di valori proibitivi per quasi tutte le leghe di alluminio. I costruttori sono corsi ai ripari utilizzando leghe particolari e sviluppando sistemi come la rifusione del materiale, con conseguente ricristallizzazione, nelle zone più sollecitate termicamente. Vengono anche utilizzati, con funzione di barriera termica, strati di conversione e riporti superficiali. C’è pure la possibilità di adottare pistoni in acciaio, in grado di lavorare a temperature notevolmente più elevate, ma in tal caso possono sorgere problemi legati alla cokerizzazione dell’olio.

Per concludere, meritano un cenno i motori a ciclo Otto a due tempi, oggi utilizzati, per quanto riguarda i veicoli di serie, dagli scooterini di 50 cm3, dai ciclomotori e da svariate moto da fuoristrada di piccola cilindrata. In questo caso nella testa non ci sono valvole e quindi in fatto di geometria della camera i progettisti hanno completa libertà. Generalmente si adottano conformazioni emisferiche, con candela perfettamente centrale e ampia banda di squish circonferenziale. Non mancano comunque interessanti esempi di camere dalla forma troncoconica. Il pistone ha il cielo piano o solo lievemente bombato.