Mondo motori
Tecnica
Monoblocco
Introduzione
La testata è fissata alla parte superiore del monoblocco (o basamento) per mezzo di prigionieri. Tra le due superfici di contatto, ovvero tra la superficie inferiore della testata e quella superiore del monoblocco, vi è la guarnizione della testa che oltre a garantire il perfetto accoppiamento tra le due parti, assicura la tenuta durante la combustione e l'isolamento degli impianti di lubrificazione e di raffreddamento. Impedisce cioè che i differenti fluidi possano entrare in contatto. Nei motori raffreddati ad aria i cilindri sono in genere costituiti da fusioni singole. Nei motori dotati di raffreddamento ad acqua i cilindri sono ricavati direttamente nel basamento (se questo è in ghisa) o sono costituiti da canne riportate a secco o in umido (scelta possibile sia per i monoblocchi in alluminio che in ghisa). All'aumentare del numero di cilindri migliora la dolcezza di funzionamento del motore, aumenta cioè l'uniformità della coppia erogata. Aumenta inoltre la complessità meccanica ed il numero degli organi con conseguente aumento dei costi di produzione. Il risultato più importante però consiste, senza ombra di dubbio, in una migliore equilibratura dinamica. All'incremento di cilindrata corrisponde poi un aumento del numero dei cilindri.
Materiali e tecnologie
Materiali impiegati per la produzione di basamenti e canne cilindri.
Tecnologia meccanica, processo di realizzazione di un monoblocco e successivi trattamenti termici.
Sollecitazioni termiche
Durante la fase di combustione la temperatura dei gas all’interno del cilindro raggiunge valori che possono superare i 2000°C. Di conseguenza tutti gli organi che vengono a contatto con i gas risultano assai sollecitati termicamente. Il corretto range di temperature raggiunte sulle pareti interne dei cilindri, durante il funzionamento del motore, risulta fondamentale per mantenere una corretta lubrificazione ed evitare che lo stato chimico e fisico dell’olio lubrificante si alteri. Fenomeni quali l’usura adesiva e corrosiva sono direttamente legati alle temperature di esercizio. In figura si può osservare come la temperatura raggiunta nella parte bassa del cilindro sia più bassa di quella raggiunta in prossimità della testata, ciò è legato sostanzialmente al fatto che la parte inferiore della canna del cilindro viene a contatto con i gas combusti solo dopo che questi hanno subìto una significativa espansione. Va considerato inoltre che, un istante dopo la combustione, il calore inizia ad essere ceduto, attraverso le pareti dei cilindri, al fluido refrigerante.
Sollecitazioni Meccaniche
Guarda il video delle sollecitazioni cui è sottoposto un monoblocco.
Canne (o camicie) dei cilindri
Le camicie del cilindro, in ghisa grigia a grana fine di ottima qualità, sono inserite in blocchi cilindri prodotti in ghisa o in lega di Alluminio. Poiché hanno una maggiore resistenza all'usura rispetto alle superfici di scorrimento dei blocchi cilindri in ghisa, essi garantiscono una maggior durata.
Canne riportate in umido. Sono a diretto contatto con il liquido di raffreddamento, il che consente un raffreddamento ottimale. Possono essere sostituite singolarmente e per tale ragione è sufficiente disporre di un'unica misura di pistone. D'altra parte però il blocco cilindri è meno robusto e si deforma più facilmente. Le camicie hanno un colletto sull'estremità superiore. Verso il basamento devono essere accuratamente chiuse a tenuta stagna con guarnizioni toroidali per evitare il passaggio del liquido raffreddante nel basamento.
Canne riportate a secco. Le canne non sono a diretto contatto con il liquido di raffreddamento e per tali ragioni la trasmissione del calore al liquido di raffreddamento non è così efficace come nelle camicie umide. Le camicie del cilindro riportate a secco sono camicie a parete sottile e sono riportate nel monoblocco mediante accoppiamento di scorrimento o accoppiamento bloccato. Le camicie con accoppiamento di scorrimento vengono rifinite prima del montaggio. Le camicie con accoppiamento bloccato sono prima pressate negli appositi fori di alloggiamento ricavati nel monoblocco e, solo in seguto, sottoposte ad alesaggio di e levigatura.
Open-deck. La camera di raffreddamento che avvolge i cilindri è aperta verso la testata. Ciò permette di ottenere i blocchi dei cilindri con superfici di scorrimento secondo il concetto LOKASIL in un procedimento di pressofusione. La ridotta rigidità del blocco motore tipo open-deck richiede l'applicazione, tra il blocco motore stesso e la testata, di una guarnizione in metallo anziché la classica morbida. Grazie al ridotto assestamento, le guarnizioni metalliche della testata permettono di applicare, alle viti di fissaggio, una debole coppia di serraggio. In tal modosi riducono lo stiramento dei cilindri e la deformazione della testata.
Closed-deck. Il piano di tenuta del blocco motore verso la testata è perlopiù chiuso intorno ai cilindri. Sono aperti solo i condotti di lubrificazione, di raffreddamento ed eventualmente per l'aerazione del basamento. Sono praticamente prodotti solo in questo modo i basamenti in ghisa con grafite lamellare (vedi la pagina Materiali). Il monoblocco in AlSi (alluminio silicio, vedi ad esempio i cilindri in ALUSIL) con struttura closed deck viene ricavato tramite colata in conchiglia o colata a bassa pressione.
Disposizione cilindri
Dal V2 di Aprilia e Ducati al W16 di Bugatti. Le scelte degli ingegneri. Abbiamo completamente saltato la soluzione del monocilindrico in quanto trattasi di una soluzione sicuramente semplice ed economica adatta alle cilindrate più piccole (specie nei motori due tempi), ma inadatta a cilindrate medio grandi dove manifesta la picca di eccessive vibrazioni che a lungo andare possono rivelarsi davvero scomode.
V2. Tipico motore motociclistico. Si tratta di una soluzione portata avanti sia da Aprilia che da Ducati. Oggi ne seguono la scia anche la KTM e le moto da turismo giapponesi come la Honda. Si trattta di un motore compatto, leggero che permette di ottimizzare il baricentro di una moto prestante ed offre una guida priva di vibrazioni. Dispone di ottime doti nell'erogazione corposa della coppia motrice. E' un motore che predilige i medi regimi nei quali offre davvero il massimo. Questo perchè ha parità di cilindrata con un motore 4 cilindri, ha pistoni bielle e albero dimensionati in modo più generoso con ovvie maggiori inerzie che ne pregiudicano il regime di rotazione elevato.
L4. E' senz'altro il miglior compromesso tra la resa ed il costo per un motore di tipo automobilistico stradale. Ormai ogni casa automobilistica è in grado di offrire prestazioni più che sufficienti con buoni valori di coppia e potenza erogata. Molte case utilizzano oggi gli stessi monoblocchi che hanno utilizzato negli ultimi 20 anni (se non di più) aggiornandoli solo nell'abbinamento con testate 16 valvole anziché 8 valvole e negli accessori ad esso legati (climatizzatori, pompe acqua, sistemi di iniezione più sofisticati...). Il vantaggio di tale scelta consiste in un collaudo durano centinaia di milioni di chilometri. Lo svantaggio invece si presenta laddove sarebbe preferibile innovare ed utilizzare nuove leghe a vantaggio di pesi maggiormente contenuti ed un minore inquinamento.
Nel caso motociclistico il 4 cilindri non rappresenta una modesta limitazione, anzi... Si tratta di motori altamente prestanti con regimi di rotazione molto elevati ed un'erogazione (grazie all'elettronica) oggi più che mai lineare.
B4. Soluzione attualmente preferita da Subaru (in passato anche da Alfa Romeo) per abbassare il baricentro dei propri veicoli sportivi. Una soluzione volta ad ottimizzare prevalentemente la dinamica del veicolo, un pò meno l'affidabilità del gruppo propulsivo che risente a lungo andare dei maggiori attriti che subiscono i cilindri nella zona rivolta verso il basso. Tuttavia le attuali tecnologie offrono trattamenti superficiali che possono in molti casi minimizzare i problemi di cui soffrivano addietro i motori Boxer.
B6. Anche Porsche predilige la scelta del motore Boxer. In questo caso si parla di 6 cilindri contrapposti nei quali il manovellismo, visto in appositi spaccati o animazioni, sembra dare colpi di box da una bancata all'altra. Da qui il nome di motore Boxer. Anche la Porsche predilige questa scelta per motivi legati alla dinamica del veicolo. Con un motore montato a sbalzo posteriormente, realizzato in modo assai compatto, si può dare di più libertà sia alla matita dei designer che possono così disegnare code raccolte, sia ai progettisti che desiderano realizzare vetture sempre più performanti e facili da guidare.
L6. La BMW ha costruito la sua storia con i motori 6 cilindri in linea. Si tratta dei motori di media cilindrata più prestanti e affidabili mai costruiti. Motori in grado di erogare oltre 100CV/l con durate pari a quelle di una utilitaria per la famiglia... Motori che sono stati aumentati di cilindrata per aumentare la guidabilità dei mezzi. Il noto 6 cilindri infatti era realizzato con una cilindrata di soli 2 litri ma l'erogazione risultava assai scorbutica e poco digeribile ai normali guidatori; si è deciso così di passare a cilindrate minime di 3 litri (per le versioni 6 cilindri in linea) che hanno ammorbidito l'erogazione del motore e reso la coppia più uniforme a vantaggio della guidabilità, nonchè della durata del motore. Notevole anche l'organizzazione degli spazi e degli accessori motore. Anche l'assemblaggio dell'intero gruppo propulsivo è ben studiato e facilita il lavoro di messa a punto/preparazione o di un semplice tagliando.
V6. Adottato da Maserati ai tempi di Ghibli e Shamal. Si trattava di motori esageratamente spinti e divertenti. Mototi Bi-Turbo da circa 306 Cv per soli 2 litri di cilindrata. Oggi con l'acquisizione di Maserati da parte di Ferrari, le Granturismo più moderne del tridente, montano motori della nota casa Modenese.
V8. Diffusissimo negli stati uniti e, da oltre 20 anni anche in Italia per le Ferrari più "tranquille". La netta differenza tra i V8 italiani e quelli americani si trova fondamentalmente nelle cilindrate e nella potenza specifica. I motori italiani molto raffinati sono leggeri, potenti, tecnologici e di cilindrate contenute rispetto al concetto americano. D'altra parte i motori V8 destinati al mercato americano non vengono realizzati con il solo scopo della "prestazione" bensì con la garanzia di poter percorrere notevoli distanze (per ovvie ragioni territoriali) senza rotture o indesiderati imprevisti.
V10. Dopo la F1 persino SUV e Berline di lusso... Con l'avvento dei SUV i normali motori non erano in grado di trascinare agevolmente simili masse. Si è passati così al frazionamento da F1, ma con cilindrate assai più grandi in modo tale da permettere un regime di rotazione contenuto (tentando di contenere i consumi) ed un'affidabilità più che sufficiente nel tempo.
V12. Il propulsore Ferrari per eccellenza... La storia della Ferrari si basa sul V12, una scelta che in passato, in F1, non si rivelò al top ma che su strada non ha eguali. I motori più prestigiosi del mondo vengono realizzati a Maranello con leghe segrete e studi ingegneristici esasperati su ogni aspetto. Anche la Lamborghini ha adottato più volte questo schema. Per la BMW ci limitiamo al caso della serie 8 (BMW 850i e 850 CSi) ed ai motori forniti per la GTR stradale più estrema di sempre: La Mc Laren F1.
W12. Si tratta dell'accostamento di due motori V6. Più lo schema diventa complesso e più è fondamentale fasare correttamente sia la distribuzione sia le accensioni ovvero le sequenze di accensione delle candele. La cilindrata frazionata da il vantaggio della maggior leggerezza degli organi in movimento e la riduzione degli attriti, ma se troppo elevata rispetto alla cilidrata può rendere inguidabile un mezzo. Quando la BMW realizzò il 6 cilindri in linea anche sulle motorizzazioni 2000cc, fu costretta a rinunciarvi per l'eccesso di scariche di coppia difficilmente digeribili da un comune guidatore. Oggi il 6 cilindri in linea viene realizzato su una cilindrata minima di 2500-3000c.c. Vedi la foto in alto.
W16. Trattasi di un motore risultatante dall'accostamento di due propulsori V8. Uno schema che prevede geometrie complesse, elevate quantità di organi in movimenti ed, ovviamente elevati attriti. Un progetto che nasce più per stupire che per la resa utile del prodotto. La sua totale assenza di applicazioni nelle corse ne è la più lampante dimostrazione.