Pistone (o stantuffo)

Si chiama pistone o stantuffo quel membro di una macchina, animato di moto rettilineo alternativo, di sezione circolare che scorre all’interno di un cilindro, ricevendo (nelle macchine motrici) o esercitando (nelle macchine operatrici) una spinta dal/sul fluido contenuto nel cilindro stesso.

Componenti e specifiche costruttive

Uno stantuffo è caratterizzato da un mantello che ne costituisce la parte laterale (a contatto con il cilindro), generalmente un solido di forma cilindrica che è sede, nella parte alta prossima al cielo, delle fasce elastiche e del raschiaolio. L’altezza del mantello è molto importante, perché più è bassa l’altezza del mantello e più si riduce l’attrito ed il peso dello stantuffo.

Il cielo è la parte superiore dello stantuffo, viene lavorata in varie forme a seconda dello scopo e del campo di applicazione:

  • Tronco conica Cupa. Questo tipo è quello che richiede maggior lavorazione e permette la migliore resa termica e creazione di turbolenze, ma risulta anche più costoso. Si tratta di un pistone con il cielo tronco conico con la parte più centrale cupa (concava), la quale può essere ricavata tramite lavorazione (tronco conica) o fusione (bombata).
  • Invessa o Cupa. Il cielo è in questo caso concavo e la concavità può essere estesa a tutta la superficie del pistone o essere delimitata alla parte più centrale di esso. Permette di raccogliere meglio la miscela al centro della camera di combustione e migliorarne la combustione, inoltre di sfruttare meglio i gas combusti, concentrandoli al centro della camera di combustione permettendo di sollecitare meno le fasce elastiche. Questo tipo di cielo è compatibile con qualsiasi tipo di testata.
  • Cupa a sacca (solo nei motori con iniezione diretta sul pistone). Tale conformazione è usata principalmente nei motori diesel. Il cielo è piatto, con una zona cupa (limitata all’area più centrale ma talvolta decentrata) al centro della quale si trova un cono o sporgenza di altre forme, in modo che il getto dell’iniettore venga raccolto il più possibile nel pistone, che costituirà esso stesso la camera di combustione, dato che la parte di cielo intorno alla concavità si trova quasi a contatto con la testata.
  • Tronco conica. Il cielo è conformato a tronco di cono, ed è caratterizzato con la base minore verso l’alto e piatta. Questa tipologia ha la caratteristica di ridurre la quantità di benzina ai lati della camera di combustione, migliorando l’effetto dello squish (come nel pistone bombato), inoltre riesce ad aumentare la creazione di turbolenze nella camera di combustione più di qualsiasi altro tipo di pistone.
  • Conica. Ha la capacità d’aumentare il rapporto di compressione, migliorando lo sfruttamento della combustione, inoltre riesce anch’essa a ridurre la quantità di benzina ai lati della camera di combustione, migliorando l’effetto dello squish.
    Tale forma viene ricavata tramite lavorazione ed i pistoni con questo tipo di cielo sono utilizzati principalmente per motori che richiedono misure precise.
  • Bombata. Ha la capacità d’aumentare il rapporto di compressione, migliorando lo sfruttamento della combustione. Questo cielo, per via della sua forma, permette una deviazione verso l’alto della miscela fresca, in modo simile ai pistoni a deflettore. La forma è conferita tramite fusione e nei modelli economici la bombatura è limitata al centro, rimanendo il resto del cielo quasi piatto, mentre nei modelli a prestazioni più elevate essa si estende su tutto il cielo ma con minor raggio di curvatura e rimanendo di fatto molto bassa.
  • Piatta. È quella più economica da produrre, sia come lavorazioni, sia come studio, dato che essa non sollecita più di tanto il pistone. Per aumentarne le prestazioni è necessario sviluppare testate dedicate, più che per gli altri tipi di pistone, perché la forma piatta genera meno turbolenze e richiede anticipi d’accensione maggiori.
  • Con sedi per le valvole (solo per i motori con valvole a fungo sulla testata). La forma del cielo è bombata o piatta e presenta apposite sedi per consentire il movimento, in esse, delle valvole a fungo, in modo da avere un ritardo alla chiusura, o anticipo all’apertura, delle valvole stesse.
  • A deflettore (solo per i motori a due tempi). Il cielo presenta un deflettore, che non permette il mescolarsi della carica fresca proveniente dal carter con i gas combusti. Questo tipo di cielo non si utilizza più a causa degli innumerevoli svantaggi, come la decentrazione del peso del pistone, l’ingombro, che complica la forma della camera di combustione (e quindi della testata) e l’aumento della superficie esposta alla combustione.
  • Inclinata. Si tratta di un pistone con il piano del cielo inclinato rispetto al suo asse, questa disposizione è molto particolare e di raro utilizzo, un esempio di utilizzo è nel motore endotermico con configurazione dei cilindri a W della Bugatti Veyron.

Le fasce elastiche sono anelli metallici inseriti in cave appositamente lavorate sul diametro esterno dello stantuffo, il cui compito è garantire la migliore tenuta con il cilindro alla pressione esercitata.

L’anello raschiaolio invece è un altro anello di tenuta la cui funzione specifica è quella di eliminare l’eventuale eccesso di olio lubrificante dalla canna del cilindro, riducendo gli attriti idrodinamici e la possibilità di travaso di lubrificante.

Altri elementi caratteristici sono il portante dello spinotto, fori presenti nella mezzeria del mantello, nei quali viene alloggiato lo spinotto: perno che consente l’accoppiamento cinematico con la biella.

Per aumentare la resa del motore, un pistone può essere conformato in vari modi:

  • mantello sagomato nella parte inferiore: nel caso del quattro tempi, questa zona viene sagomata in modo che si possano utilizzare bielle più corte, mentre nel due tempi viene sagomata in modo da lasciare il passaggio libero per i travasi.
  • parte del mantello non a contatto con il cilindro: in questo caso possono mancare vere e proprie parti del mantello nei punti dove questo non è assolutamente necessario o più semplicemente alcune parti di esso non vanno a contatto diretto con il cilindro. In ogni caso queste parti sono opportunamente circondate dalle altre che invece contattano il cilindro per mantenere il giusto accoppiamento. Il ridurre al minimo il contatto tra il mantello e la parete del cilindro fa sì che si possa ridurre l’attrito e quindi diminuire il calore da esso prodotto. Generalmente le parti del mantello non a diretto contatto con il cilindro sono quelle vicine ai fori di inserzione dello spinotto.
  • foratura o fenestratura del mantello: consiste nel creare nel mantello dei fori o fenestrature. Nel caso dei quattro tempi questi fori sono disposti sulla sede della fascia raschiaolio, in modo da poter raccogliere più olio, mentre per il due tempi queste fenestrature servono per migliorare la lubrificazione del piede di biella o il raffreddamento o la funzionalità dei travasi o fasi del ciclo di funzionamento del motore, come l’aspirazione
  • uso di materiale autolubrificante: consiste nel fabbricare una parte del mantello del pistone con un riporto di materiale che riesce a lubrificarsi da solo, quest’accorgimento permette di effettuare un rodaggio più rapido e ridurre i rischi di grippaggio.
  • scivolo sul lato scarico: tale soluzione è utilizzata solo su alcuni motori a due tempi ed ha il vantaggio di consentire una fasatura di scarico maggiore, senza dover ampliare l’altezza della luce di scarico sul cilindro permettendo anche di non pregiudicare eccessivamente il rendimento volumetrico rispetto a una luce di scarico di pari fasatura ma più alta, inoltre permette di avere una sezione più costante della luce di scarico ed una minore turbolenza dei gas nella fuoriuscita, in particolar modo a inizio apertura. Di contro essa peggiora la forma della camera di combustione, mantenendo una maggiore quantità di combustibile al lato della camera e riducendo l’effetto squish della testata, dato che generalmente non è una soluzione adoperata dai costruttori, ma ricavata per lavorazione artigianale, non si ha un profilo della testata appositamente studiato per essa, il che riduce il rendimento termico ed è il motivo per cui tale soluzione è caduta in disuso.

Corsa del pistone

In Meccanica Applicata alle Macchine, si definisce corsa la distanza percorsa da un pistone, che intercorre tra il punto morto inferiore (PMI) ed il punto morto superiore (PMS) all’interno di un cilindro appartenente ad una macchina motrice tipicamente endotermica o utilizzata per la compressione di fluidi.

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