Tecnica: sviluppo motori, innovazioni continue

Negli ultimi anni la tecnica automobilistica ha subito una evoluzione impressionante, sotto la spinta di esigenze sempre più severe e pressanti in termini di contenimento dei consumi e di abbattimento delle sostanze inquinanti. In precedenza la tecnologia dei motori a combustione interna era stata oggetto di un meticoloso lavoro di perfezionamento, protrattosi per oltre un secolo, che aveva interessato gli schemi costruttivi, il disegno e il dimensionamento di tutti i componenti, come pure i materiali e i trattamenti. Di recente però c’è stata una autentica impennata con un forte sviluppo che stavolta si è svolto in tempi rapidissimi e che in qualche caso ha fatto diventare obsolete soluzioni che sembravano ben consolidate. Chi si ricorda più dei diesel con precamera, che hanno dominato la scena fino all’inizio degli anni Novanta? E chi parla più dei carburatori, sostituiti da sistemi di iniezione sempre più avanzati, con il carburante spruzzato dapprima solo nei condotti e quindi direttamente nelle camere di combustione? Chi avrebbe immaginato, fino a non molto tempo fa, pressioni di iniezione come quelle che oggi sono considerate normali? E al raffreddamento ad aria dei motori automobilistici, chi pensa ancora?

Grandi passi in avanti sono stati compiuti nei settori metallurgico, dei trattamenti e dei riporti superficiali. Per fare due esempi particolarmente significativi, importanti avanzamenti si sono avuti a livello di bronzine, con lo sviluppo di materiali antifrizione assolutamente inediti, e di segmenti e canne cilindro, con la comparsa di nuovi rivestimenti, applicati con tecniche estremamente evolute. In entrambi i casi si è lavorato con l’obiettivo di ridurre i consumi e quindi le emissioni di CO2.

Durante il normale funzionamento del motore i perni dell’albero “galleggiano” all’interno delle bronzine di banco e di biella. Il regime di lubrificazione è cioè idrodinamico, con completa separazione delle superfici metalliche da parte di uno strato d’olio. L’attrito è minimo e l’usura è praticamente assente. All’avviamento e nei primi attimi che lo seguono, però, le cose stanno diversamente. Il regime idrodinamico non si è ancora instaurato (l’olio erogato dalla pompa ci mette un poco per arrivare) e i contatti tra le superfici avvengono. Per questa ragione non di rado i fabbricanti, riferendosi alla durata delle loro bronzine, parlano non di chilometri ma di numero di avviamenti. Per consentire l’impiego del sistema stop and start (vantaggioso ai fini della riduzione dei consumi) senza che si verifichi una diminuzione della vita utile delle bronzine è stato necessario sviluppare nuovi materiali antifrizione (che prevedono l’impiego di un polimero termoresistente nel quale sono dispersi lubrificanti solidi e particelle dure). Occorre anche ricordare che pure le bronzine destinate a motori che non impiegano il sistema stop and start impiegano spesso materiali antifrizione diversi da quelli utilizzati fino a sette-otto anni fa; per ragioni ecologiche infatti non è più consentito l’impiego del piombo.

Pure una diminuzione dell’attrito tra la canna e il gruppo pistone/segmenti ha effetti benefici sui consumi. Nei loro blocchi cilindri in lega di alluminio (vantaggiosi ai fini della leggerezza) alcuni costruttori già da qualche tempo applicano sulle canne riporti superficiali, applicati con sistemi particolarmente sofisticati (spruzzatura al plasma, ad arco…), che abbinano un coefficiente d’attrito particolarmente ridotto a una grande resistenza all’usura.

Di tipo differente sono i rivestimenti applicati sui segmenti, che nel caso dei motori ad accensione per scintilla sono assai spesso in acciaio (in precedenza era la ghisa a dominare incontrastata). Si tratta di strati di materiale di elevata durezza in genere applicati con procedimenti PVD (physical vapour deposition) e PACVD (plasma assisted chemical vapour deposition). Spiccano i riporti a base di DLC (diamond like carbon) come il Carboglide della Goetze, oggi facente parte del gruppo Federal Mogul, che ha una durezza di 1700 – 2800 punti Vickers e che viene deposto in spessori dell’ordine di 8 micron. L’impiego di questi rivestimenti superficiali consente di ottenere, oltre a un attrito molto contenuto, durate assai elevate, e questo anche se le superfici di strisciamento sono molto ridotte; non si deve infatti dimenticare che i segmenti oggi hanno altezze assiali nettamente inferiori a quelle di una volta.

Pure i pistoni sono stati interessati da un importante lavoro di ottimizzazione a livello di disegno, con l’obiettivo di migliorare la leggerezza e di diminuire l’estensione delle superfici di strisciamento (in modo da ridurre l’attrito), senza che ciò abbia conseguenze negative sulla vita utile e sulla “guida” del componente all’interno della canna. Si è inoltre diffusa l’applicazione sul mantello di rivestimenti contenenti lubrificanti solidi.

Il sempre più largo ricorso alla sovralimentazione consente di ottenere potenze molto elevate in relazione alla cilindrata e quindi di realizzare motori piccoli e leggeri ma in grado di fornire prestazioni eccellenti. Le maggiori pressioni che vengono raggiunte nei cilindri (nel caso dei motori a benzina ormai il picco supera di vari casi i 120 bar, mentre nei diesel può essere addirittura dalle parti di 200!) sottopongono i pistoni a sollecitazioni sempre più elevate. Al crescere della potenza specifica areale corrisponde un aumento del carico termico. Di conseguenza, per incrementare l’asportazione di calore e limitare le temperature dei pistoni dei motori a benzina, di recente alcuni produttori ne hanno realizzati alcuni che, come quelli destinati ai diesel turbo, sono dotati di una canalizzazione anulare nella quale viene fatto passare l’olio emesso da un apposito ugello