E’ indubbio che una profonda e corretta analisi di ogni componente di un ICE (Internal Combustion Engine) può contribuire a trovare soluzioni tecniche per risparmiare energia e quindi, in modo proporzionale, le emissioni. Il pistone, ad esempio, essendo uno dei componenti attivi nella trasformazione dell’energia termica in meccanica può senza dubbio dare un contributo importante al rendimento globale del motore. Il primo fattore che viene in mente è quello effettivamente più palpabile, ovvero la riduzione dell’attrito tra le superfici in moto relativo, cosa sulla quale la ricerca è già molto avanzata e ha dato eccellenti risultati. Federal Mogul Powertrain, parte del grande Gruppo Tenneco, vanta una lunga esperienza nello sviluppo di pistoni in acciaio, il cui utilizzo, iniziato sui grandi motori diesel per i mezzi commerciali pesanti si è via via diffuso anche ai motori a gasolio utilizzati sulle vetture, divenendo ormai un consolidato standard.
Monosteel è il nome, brevettato, che Federal-Mogul ha dato ai suoi pistoni d’acciaio che sono oggi un riferimento nel mercato dell’OE (Original Equipment ovvero componenti forniti per il primo equipaggiamento del veicolo). Sono realizzati in acciaio 4140 fucinato le cui elevate caratteristiche meccaniche e la stabilità termica consentono dimensioni e spessori contenuti anche su applicazioni fortemente sollecitate (tipicamente in ambienti con pressioni superiori ai 250 bar). Con particolari accorgimenti costruttivi, cui faremo cenno, è possibile realizzare forme particolari per ottenere elevate efficienze di raffreddamento attorno alle zone più calde del pistone.
Il cuore del design del pistone Monosteel è la camera anulare di raffreddamento creata attorno alla camera di scoppio ricavata nel cielo del pistone. Per creare questo vano toroidale, Federal Mogul ha applicato la sua lunga esperienza nel processo di saldatura HIW (Hybrid Induction Weld) che consente di unire due parti distinte, una che costituisce il mantello e l’altra il cielo del pistone. La particolare sagomatura nella zona di unione genera una galleria prospiciente l’area a più alta temperatura nella quale circola olio lubrificante che può quindi assorbire una quota del calore generato dalla combustione trasmesso attraverso la sottile parete d’acciaio. Temperatura più bassa in camera di scoppio significa combustione più efficiente dal punto di vista delle emissioni, in particolare degli NOx.
Un’altra area su cui Federal-Mogul è intervenuta è il rivestimento (coating) del mantello. La superficie trattata con EcoTough Diesel, questo il nome brevettato del rivestimento, è in grado di dimezzare le perdite per attrito (misurate in Joule di energia) rispetto a una superficie semplicemente lavorata di macchina utensile. E sensibili guadagni si ottengono anche rispetto ai più diffusi trattamenti superficiali presenti sul mercato.
Rispetto ai tradizionali pistoni di alluminio, la costruzione composita dei pistoni Monosteel consente di ridurre drasticamente la cosiddetta altezza di compressione, ovvero la quota che va dal centro dello spinotto alla superficie superiore del cielo. Questo, oltre al contenimento del peso complessivo del pistone, confrontabile con uno di alluminio, consente anche di ridurre le dimensioni del motore, essendo a parità di lunghezza della biella, minore lo spazio richiesto per il movimento alternato del pistone. Nel caso di canne riportate in acciaio o ghisa, l’avere il pistone col medesimo coefficiente di dilatazione consente di ridurre i giochi di funzionamento con benefici in fase di avviamento e in esercizio. In questo contesto, l’utilizzo di pistoni in acciaio nei blocchi di alluminio con canne trattate genera problemi non facili da gestire, poiché le diverse dilatazioni dei materiali richiedono un attento studio delle tolleranze per non incorrere in fenomeni vibrazionali nefasti per l’NVH e mettere a dura prova la resistenza a fatica del basamento.
Negli anni il pistone Monosteel di Federal-Mogul ha subito numerose evoluzioni per adattarlo a impieghi più vasti. Nelle applicazioni sui motori diesel per veicoli leggeri si è rivelato conveniente unire tra loro una parte fucinata (il cielo) con una ottenuta per fusione (il mantello). Questa eterogeneità delle caratteristiche chimico-fisiche dei due acciai non mette comunque in crisi il processo HIW. Il controllo di processo sviluppato da Federal-Mogul consente di avere minimi flash di saldatura nella cavità , per non compromettere la dimensione teorica della sezione vuota toroidale.
In ultimo non è stata trascurata neppure la superficie delle sedi per lo spinotto, inizialmente imboccolate, che ora sono trattate con un processo di fosfatazione al manganese spesso 8 micron che unito a uno spinotto con una rugosità superficiale controllata garantisce massima scorrevolezza e durata, specie con l’utilizzo dei nuovi lubrificanti a bassissima viscosità (0W-20).
