Motori a ciclo Diesel e a ciclo Otto: simili ma non uguali!

La struttura e la disposizione degli organi meccanici sono le stesse. Tra i motori a gasolio e quelli a benzina però dal punto di vista costruttivo ci sono differenze assai significative. Nella storia dell’automobile gli esempi di motori realizzati tanto in versione ad accensione per scintilla quanto in versione diesel non mancano davvero. Si potrebbe quindi pensare che, sotto l’aspetto costruttivo, basti sostituire i pistoni e la testa per passare dall’una all’altra. In effetti però la situazione è notevolmente più complessa e se pure qualcosa del genere a suo tempo è forse accaduta, oggi le cose stanno diversamente.

Le sollecitazioni in gioco, tanto per cominciare, sono nettamente differenti. Nei motori a gasolio il picco di pressione che viene raggiunto durante la combustione è molto più alto e “arriva” con una rapidità assai maggiore. Si tratta di autentiche “mazzate” che si scaricano sui pistoni e quindi anche sulle bronzine. I moderni diesel di alte prestazioni sono tutti fortemente sovralimentati e questo, oltre a fare aumentare i carichi derivanti dalla pressione dei gas, determina anche un forte incremento del carico termico al quale sono sottoposti organi come i pistoni e la testa. Di ciò è facile rendersi conto considerando che l’incremento di temperatura nella prima cava del pistone, per ogni bar di aumento della pressione media effettiva, è dell’ordine di 10 °C.

A complicare le cose c’è il fatto che nei motori diesel, oggi invariabilmente a iniezione diretta, la camera di combustione è ricavata nel cielo del pistone. Ciò determina un aumento della superficie lambita dai gas, e quindi della temperatura di tale componente, in particolare in corrispondenza del margine della camera stessa, ove si possono raggiungere valori dell’ordine di 400 °C.

Le teste: differenze tra diesel e ciclo otto

Le teste dei motori diesel si differenziano notevolmente da quelle dei motori a ciclo Otto per quanto riguarda i condotti di aspirazione, che hanno una conformazione tale da impartire all’aria aspirata nei cilindri una vigorosa turbolenza a vortice orientato. In molti casi vengono impiegati due condotti per ciascun cilindro (ognuno dei quali “serve” una valvola), con geometrie differenti. Uno serve principalmente ad impartire all’aria un forte moto vorticoso, anche ai regimi medio-bassi, mentre l’altro è “di portata”.

L’ottimizzazione fluidodinamica costituisce una delle voci più impegnative durante la messa a punto di un motore diesel, e influenza notevolmente anche le emissioni di scarico. Nei motori a ciclo Otto invece di turbolenza ne serve assai meno e l’obiettivo prioritario dei tecnici è ottenere un elevato rendimento volumetrico (possibilmente per un ampio campo di regimi). La forma dei condotti di aspirazione è pertanto completamente diversa.

Conformazione delle teste

Dato che le camere di combustione dei diesel sono ricavate nel cielo dei pistoni, la superficie inferiore della testa è piana e le valvole sono parallele (in qualche raro caso possono essere inclinate, ma lo sono solo in misura ridottissima). L’adozione di quattro valvole per cilindro è vantaggiosa in quanto consente di collocare l’iniettore in posizione centrale (proprio dove nei motori a ciclo Otto si trova la candela).

Per avere un’idea delle sollecitazioni meccaniche che i pistoni dei moderni motori diesel sovralimentati devono sopportare, si pensi che la massima pressione di combustione è usualmente superiore ai 170 bar. Nel recentissimo BMW 3000 con tre turbo si raggiungono addirittura i 200 bar. Questo significa che sul cielo di ogni pistone, del diametro di 84 mm, si scarica una forza dell’ordine di 11 tonnellate!! Occorrono quindi dimensionamenti adeguati, non solo a livello di spessore della parete di fondo del pistone ma anche a livello di spinotto, biella, albero e bronzine.

Carico termico

Pure il carico termico è imponente e, per evitare che nella cava del primo segmento si possano raggiungere temperature troppo alte, si fa ricorso a una canalizzazione anulare, ricavata nella parte superiore del pistone, in cui viene fatto circolare olio emesso da un apposito ugello. Per evitare formazione di crepe e cedimenti da fatica termica, il cielo del pistone viene spesso protetto mediante anodizzazione; recenti tecniche prevedono una rifusione in corrispondenza del margine della camera, con modifica locale della struttura della lega di alluminio. E non è detto che tra breve non si passi diffusamente all’impiego di pistoni in acciaio…

Dati i carichi impressionanti e date le temperature elevate (che determinano un peggioramento delle caratteristiche meccaniche della lega di alluminio), nelle portate per lo spinotto si sta diffondendo l’impiego di bussole in bronzo. Per proteggere la prima cava dall’usura derivante dalla azione di vero e proprio martellamento da parte del segmento, da decenni si fa ricorso a un anello in ghisa austenitica, incorporato nel pistone all’atto della fusione, nel quale viene ricavata la cava stessa. A parità di alesaggio, lo spinotto ha un diametro considerevolmente maggiore, rispetto a quelli impiegati nei motori a benzina; pure lo spessore delle pareti è superiore.

Materiali e sollecitazioni

Le sollecitazioni più elevate hanno reso necessaria una particolare attenzione a livello di dimensionamento e a di scelta del materiale, per quanto riguarda le bielle e l’albero a gomiti. Entrambi questi componenti sono di norma in acciaio ad alta resistenza e vengono ottenuti per forgiatura. Le bronzine di ultima generazione, con riporto antifrizione in grado di sopportare carichi addirittura superiori ai 1000 kg/cm2 (con riferimento alla superficie proiettata), sono state studiate e realizzate appunto per  i motori turbodiesel. Per raggiungere gli attuali risultati, assolutamente straordinari, sono stati sviluppati nuovi materiali e sono state utilizzate tecniche di produzione particolarmente sofisticate, come lo sputtering (procedimento PVD molto avanzato e piuttosto costoso, che consente di ottenere risultati eccezionali).

Anche se di recente sono stati realizzati alcuni motori diesel con basamento in lega di alluminio, nella maggior parte dei casi per questo componente si utilizza ancora la ghisa, dotata di un modulo elastico più elevato (in altre parole, è più rigida) e in grado di assicurare un più efficace smorzamento, cosa decisamente vantaggiosa ai fini del contenimento delle emissioni acustiche. Mentre svariate case continuano ad impiegare le consuete ghise grigie (con grafite lamellare), alcuni costruttori tedeschi preferiscono utilizzare per i basamenti dei loro motori diesel delle ghise vermiculari, più costose ma dotate di caratteristiche meccaniche sensibilmente superiori.

Rapporto di compressione

Per ottenere l’elevatissimo rapporto di compressione necessario a fare vaporizzare e quindi accendere il gasolio con estrema rapidità, per generare un vigoroso effetto squish e per concentrare tutta l’aria nella camera, al punto morto superiore la parte piana del cielo del pistone deve giungere a sfiorare la superficie inferiore della testa. Questo significa che durante l’incrocio le valvole possono essere sollevate dalle sedi solo in misura estremamente contenuta.

E che di conseguenza anche se il regime di rotazione è nettamente più basso di quello dei motori a ciclo Otto, le accelerazioni delle valvole stesse sono decisamente elevate. Il periodo totale di apertura ha una minore estensione angolare. Nella scelta del materiale delle valvole si tiene particolarmente conto della resistenza alla corrosione a caldo, anche se oggi il gasolio è assai migliore di quello del passato, grazie a procedimenti di raffineria che eliminano pressoché completamente lo zolfo (presente in misura cospicua nel petrolio greggio).