Vehicle CuEriosity 01×05 – Il pistone

Continuiamo con la nostra analisi relativa agli organi principali del motore, parlando oggi del pistone, conosciuto anche come stantuffo.

Questo ha la funzione principale di trasmettere alla biella la spinta ricavata dai gas combusti durante l’espansione, ma ha anche lo scopo di comprimere la miscela ed aiutare l’espulsione dei gas di scarico. Di fatto ha un ruolo fondamentale in tre delle quattro fasi di un motore 4T. Però agisce anche durante l’aspirazione  garantendo una tenuta pneumatica, di cui parleremo successivamente.

 

Configurazione del pistone

Esistono varie tipologie di pistone, ma in generale si riconoscono sempre alcune parti.

Testa

E’ la parte superiore del pistone, quella a contatto diretto con la miscela di gas. Per questo motivo è la parte più sollecitata, soprattutto se pensata per resistere a possibili detonazioni o autoaccensioni. La parte superiore della testa del pistone è piuttosto piatta, ma non si escludono possibilità di leggere curvature concave o convesse. In particolare, in propulsori che sfruttano elevati rapporti di compressione, si utilizzano spesso pistoni con delle apposite rientranze per permettere alle valvole una corsa maggiore senza impattare sul pistone stesso.

 

Sedi per anelli elastici

Come accennato prima, la tenuta pneumatica del pistone è assicurata da appositi anelli di tenuta, detti anche fasce elastiche. Gli anelli vengono collocati in specifiche cave presenti in vicinanza della testa del pistone; se sono completamente chiusi devono coprire completamente tutta la circonferenza del pistone per garantire un contatto preciso con le pareti del cilindro. Inoltre la pressione che esercitano sulla superficie deve essere ben calibrata, quindi adeguata a garantire la non fuoriuscita di gas, ma tale da non usurare eccessivamente le canne.

Portante spinotto

Si tratta di un cilindro generalmente cavo al suo interno, realizzato in acciaio e che permette l’aggancio tra pistone e biella. E’ fondamentale che sia sempre ben lubrificato per permettere alla biella collegata un movimento fluido e sicuro.

Mantello

Lo troviamo al di sotto delle sedi per gli anelli elastici e dello spinotto. In sostanza conferisce al pistone un’integrità strutturale e funge quindi da guida lungo il cilindro. Inoltre non deve resistere a sollecitazioni molto spinte, se non ai soliti attriti con le canne dei cilindri. Per questo motivo non è necessario che sia pieno al suo interno, e per ridurne ulteriormente il peso e l’inerzia che offrirebbe, viene spesso realizzato in alluminio.

Materiali usati per il pistone

Come abbiamo già accennato prima, la testa è la porzione maggiormente sollecitata. Deve resistere alle elevate temperature della combustione ed essere in grado di dissipare sufficiente calore per non oltrepassare la temperatura di 900°C, considerata soglia limite per un’indesiderata e pericolosa autoaccensione della miscela.

Il materiale più gettonato è una lega di alluminio della serie 4000 o 6000 con percentuali elevate di silicio, fino al 15%. In questo caso la presenza del silicio è fondamentale poiché riduce significativamente il coefficiente di dilatazione termica. Questo è un gran vantaggio in quanto, in fase di progetto, non si è costretti a lasciare un elevato gioco di l’accoppiamento tra pistone e cilindro.

Trattandosi di una lega principalmente di alluminio, ha anche il vantaggio di essere leggera e di conferire un’inerzia contenuta a tutto il pistone. Infatti questo è un aspetto molto importante se si considerano gli elevati regimi raggiunti dagli attuali motori.

Le moderne tecnologie hanno portato anche all’utilizzo di materiali ceramici che risultano più prestazionali, sia in termini di resistenza meccanica, che di resistenza alle elevate temperatura. Per diversi anni però sono stati oggetto di ricerca in quanto non si riusciva ad ottenere un’efficiente dispersione termica.