Danni ai pistoni causati da disturbi di combustione
Disturbi di combustione nei motori a benzina
La combustione della miscela di aria e carburante nel cilindro ha luogo secondo un ciclo determinato preliminarmente in modo preciso. Essa viene avviata dalle scintille della candela di accensione poco prima del punto morto superiore. La fiamma si diffonde in circolo partendo dalla candela di accensione e attraversa la camera di combustione con una velocità di combustione sempre maggiore di 5–30 m/s. La pressione nella camera di combustione aumenta così notevolmente e raggiunge il valore massimo poco dopo il punto morto superiore. Questo decorso della combustione normale può però essere disturbato da vari fattori. Per questo si possono descrivere essenzialmente tre casi di disturbi di combustione:
1. Accensione per incandescenza (preaccensione):
causa il sovraccarico termico del pistone.
2. Combustione con battito:
causa asportazioni di materiali simili all’erosione e il sovraccarico meccanico sui pistoni e sugli organi del manovellismo.
3. Ingolfamento:
causa l’usura con consumo di olio e anche segni di grippaggio di pistone.
1. Accensione per incandescenza (preaccensione):
causa il sovraccarico termico del pistone.
2. Combustione con battito:
causa asportazioni di materiali simili all’erosione e il sovraccarico meccanico sui pistoni e sugli organi del manovellismo.
3. Ingolfamento:
causa l’usura con consumo di olio e anche segni di grippaggio di pistone.
Combustione normale
Combustione con battito
Accensione per incandescenza
1. Accensione per incandescenza (preaccensione):
Con un’accensione per incandescenza la combustione viene avviata da un componente incandescente nella camera di combustione, già prima del vero punto di accensione. Sono interessati la valvola di scarico calda, la candela di accensione, i componenti legati all’ermetizzazione e i depositi su questi componenti e sulle superfici che circondano la camera di combustione. La fiamma agisce in maniera incontrollata sui componenti e questo fa aumentare notevolmente la temperatura del cielo del pistone. Se l’accensione per incandescenza non viene interrotta in pochi secondi la temperatura raggiunge il punto di fusione del materiale del pistone.
Nei motori con camera di combustione di forma semisferica si formano così alesaggi nel cielo del pistone. Tali alesaggi si presentano solitamente nella prolunga dell’asse della candela di accensione.
Nelle camere di combustione con superfici di compressione più grandi tra il cielo del pistone e la testata, il bordo della superficie si fonde di solito in corrispondenza delle superfici di compressione (ved. glossario) nel punto maggiormente sollecitato. Questo processo prosegue spesso fino all’anello raschiaolio e all’interno del pistone.
Una combustione con battito, che determina una temperatura superficiale elevata dei singoli componenti della camera di combustione, può anch’essa causare accensioni per incandescenza.
2. Combustione con battito:
Con la combustione con battito l’accensione viene avviata normalmente tramite le scintille della candela di accensione. Il fronte di fiamma che si diffonde dalla candela di accensione genera onde di compressione che provocano reazioni critiche nel gas non combusto. Per questo, nella miscela di gas restante si verifica un’accensione spontanea in diversi punti. La velocità di combustione aumenta così fino a un valore 10–15 volte maggiore. L’aumento della pressione per grado dell’angolo albero motore e i picchi di pressione sono notevolmente maggiori. Inoltre, nella fase di espansione si verificano oscillazioni di pressione molto frequenti. In più, le superfici che circondano la camera di combustione si riscaldano molto. Camere di combustione senza residui di combustione sono un indizio certo di una combustione con battito.
Un battito leggero con interruzioni viene sopportato senza danni per un periodo prolungato di tempo dalla maggior parte dei motori.
Un battito più forte e più prolungato causa asportazioni simili all’erosione del materiale del pistone sul bordo della superficie e sul cielo del pistone. Anche la testata e la guarnizione testata possono danneggiarsi in maniera simile. I componenti nella camera di combustione (per es. la candela di accensione) possono riscaldarsi a tal punto che si hanno accensioni per incandescenza (preaccensioni) con una sovrasollecitazione termica del pistone (fusioni).
Nel giro di poco tempo un battito forte e continuo causa la rottura del colletto del pistone e del mantello, che di solito si verifica senza fusioni, né segni di grippaggio.
La fig. 1 mostra l’andamento della pressione nella camera di combustione. La curva caratteristica blu mostra un andamento della pressione con una combustione normale, la curva caratteristica rossa mostra invece un andamento della pressione con una combustione con battito. In questo caso si verificano picchi di pressione.
3. Ingolfamento:
Una miscela troppo ricca, una pressione di compressione in diminuzione e problemi di accensione causano una combustione incompleta con ingolfamento. La lubrificazione dei pistoni, delle fasce elastiche e delle superfici di scorrimento cilindro diventa sempre meno efficace. Di conseguenza si hanno un attrito misto con usura e consumo di olio e segni di grippaggio (ved. capitolo «Consumo di olio e segni di grippaggio di pistone»).
Con un’accensione per incandescenza la combustione viene avviata da un componente incandescente nella camera di combustione, già prima del vero punto di accensione. Sono interessati la valvola di scarico calda, la candela di accensione, i componenti legati all’ermetizzazione e i depositi su questi componenti e sulle superfici che circondano la camera di combustione. La fiamma agisce in maniera incontrollata sui componenti e questo fa aumentare notevolmente la temperatura del cielo del pistone. Se l’accensione per incandescenza non viene interrotta in pochi secondi la temperatura raggiunge il punto di fusione del materiale del pistone.
Nei motori con camera di combustione di forma semisferica si formano così alesaggi nel cielo del pistone. Tali alesaggi si presentano solitamente nella prolunga dell’asse della candela di accensione.
Nelle camere di combustione con superfici di compressione più grandi tra il cielo del pistone e la testata, il bordo della superficie si fonde di solito in corrispondenza delle superfici di compressione (ved. glossario) nel punto maggiormente sollecitato. Questo processo prosegue spesso fino all’anello raschiaolio e all’interno del pistone.
Una combustione con battito, che determina una temperatura superficiale elevata dei singoli componenti della camera di combustione, può anch’essa causare accensioni per incandescenza.
2. Combustione con battito:
Con la combustione con battito l’accensione viene avviata normalmente tramite le scintille della candela di accensione. Il fronte di fiamma che si diffonde dalla candela di accensione genera onde di compressione che provocano reazioni critiche nel gas non combusto. Per questo, nella miscela di gas restante si verifica un’accensione spontanea in diversi punti. La velocità di combustione aumenta così fino a un valore 10–15 volte maggiore. L’aumento della pressione per grado dell’angolo albero motore e i picchi di pressione sono notevolmente maggiori. Inoltre, nella fase di espansione si verificano oscillazioni di pressione molto frequenti. In più, le superfici che circondano la camera di combustione si riscaldano molto. Camere di combustione senza residui di combustione sono un indizio certo di una combustione con battito.
Un battito leggero con interruzioni viene sopportato senza danni per un periodo prolungato di tempo dalla maggior parte dei motori.
Un battito più forte e più prolungato causa asportazioni simili all’erosione del materiale del pistone sul bordo della superficie e sul cielo del pistone. Anche la testata e la guarnizione testata possono danneggiarsi in maniera simile. I componenti nella camera di combustione (per es. la candela di accensione) possono riscaldarsi a tal punto che si hanno accensioni per incandescenza (preaccensioni) con una sovrasollecitazione termica del pistone (fusioni).
Nel giro di poco tempo un battito forte e continuo causa la rottura del colletto del pistone e del mantello, che di solito si verifica senza fusioni, né segni di grippaggio.
La fig. 1 mostra l’andamento della pressione nella camera di combustione. La curva caratteristica blu mostra un andamento della pressione con una combustione normale, la curva caratteristica rossa mostra invece un andamento della pressione con una combustione con battito. In questo caso si verificano picchi di pressione.
3. Ingolfamento:
Una miscela troppo ricca, una pressione di compressione in diminuzione e problemi di accensione causano una combustione incompleta con ingolfamento. La lubrificazione dei pistoni, delle fasce elastiche e delle superfici di scorrimento cilindro diventa sempre meno efficace. Di conseguenza si hanno un attrito misto con usura e consumo di olio e segni di grippaggio (ved. capitolo «Consumo di olio e segni di grippaggio di pistone»).
Disturbi di combustione nei motori diesel
Per un decorso della combustione ottimale, oltre a uno stato perfetto dal punto di vista meccanico del motore rivestono un ruolo importante anche un iniettore con polverizzazione estremamente precisa e iniezione esatta e un inizio dell’iniezione corretto. Solo in questo modo il carburante iniettato può accendersi con il minor ritardo di accensione e bruciare senza residui con un andamento normale della pressione. Essenzialmente ci sono tre tipi di gravi disturbi di combustione:
1. Ritardo di accensione
2. Combustione incompleta
3. Iniettori gocciolanti
1. Ritardo di accensione:
Il carburante si accende solo con un certo ritardo (ritardo di accensione) se:
Il grado di polverizzazione dipende solo dallo stato dell’iniettore. Durante il montaggio nella testata o a causa di tensioni termiche, un iniettore che svolge la sua funzione correttamente al controllo con tester apposito può però bloccarsi a tal punto da non effettuare più correttamente la polverizzazione durante l’esercizio.
La temperatura di combustione dipende dalla pressione di combustione e, quindi, dallo stato meccanico del motore. Il motore freddo presenta sempre un certo ritardo di accensione. Durante la compressione le pareti fredde del cilindro sottraggono all’aria di aspirazione fredda talmente tanto calore che la temperatura di combustione presente all’inizio dell’iniezione non è sufficiente per accendere subito il carburante iniettato. Solo nelle fasi successive della compressione viene raggiunta la temperatura di accensione e il carburante iniettato fino a quel momento si accende repentinamente. Questo causa un aumento esplosivo della pressione (con formazione di rumori) e un forte riscaldamento del cielo del pistone. Di conseguenza si hanno rotture nel gruppo motore (per es. dei colletti, del pistone) e cricche di tensione dovute al calore nel cielo del pistone.
2. Combustione incompleta:
Se il carburante raggiunge la camera di combustione nel momento sbagliato o senza essere polverizzato, esso può bruciare completamente nel breve tempo a disposizione. Lo stesso accade se una quantità insufficiente di ossigeno (cioè aria di aspirazione) raggiunge il cilindro. Le cause possono essere un filtro aria ostruito, valvole di aspirazione che non si aprono correttamente, difetti del turbocompressore o l’usura delle fasce elastiche e delle valvole. Il carburante non combusto si deposita in parte sulle superfici del cilindro e compromette o danneggia in maniera irreparabile la pellicola lubrificante. Le superfici di scorrimento cilindro, i fianchi delle fasce elastiche e, infine, le superfici del mantello del pistone si usurano fortemente o si coprono di segni di grippaggio nel giro di breve tempo. Di conseguenza si hanno il consumo di olio e la perdita di potenza (immagini di danni a titolo d’esempio sono riportati nei capitoli «Segni di grippaggio dovuti al ciclo a secco» e «Consumo di olio maggiore»).
3. Iniettori gocciolanti:
Le oscillazioni di pressione possono far aprire nuovamente gli iniettori al termine dell’iniezione. Le oscillazioni di pressione della valvola di pressione possono attivare la pompa di iniezione, le tubazioni o gli iniettori. Per evitare tale iniezione accidentale, una certa quota della pressione del sistema viene scaricata tramite la valvola di pressione della pompa di iniezione dopo la fine dell’iniezione. Se la pressione di iniezione degli iniettori è regolata su un valore troppo basso o se non può essere mantenuta in modo affidabile dall’iniettore (iniettori meccanici), gli iniettori possono riaprirsi più volte a anche dopo la fine dell’iniezione (nonostante lo scarico della pressione). Iniettori non a tenuta o gocciolanti causano anch’essi un apporto incontrollato di carburante nella camera di combustione. In entrambi i casi il carburante iniettato in modo incontrollato raggiunge il cielo del pistone non combusto a causa della mancanza di ossigeno. Qui il carburante ad alta temperatura si spegne lentamente e il materiale del pistone si riscalda localmente a tal punto che la forza di massa e l’erosione dei gas di combustione possono strappare piccoli pezzi di pistone dalla superficie. Di conseguenza si hanno notevoli asportazioni di materiali o cavitazioni erosive sul cielo del pistone.
1. Ritardo di accensione
2. Combustione incompleta
3. Iniettori gocciolanti
1. Ritardo di accensione:
Il carburante si accende solo con un certo ritardo (ritardo di accensione) se:
- non viene polverizzato abbastanza finemente,
- non raggiunge il cilindro nel momento corretto,
- oppure la temperatura di combustione all’inizio dell’iniezione non è sufficientemente alta.
Il grado di polverizzazione dipende solo dallo stato dell’iniettore. Durante il montaggio nella testata o a causa di tensioni termiche, un iniettore che svolge la sua funzione correttamente al controllo con tester apposito può però bloccarsi a tal punto da non effettuare più correttamente la polverizzazione durante l’esercizio.
La temperatura di combustione dipende dalla pressione di combustione e, quindi, dallo stato meccanico del motore. Il motore freddo presenta sempre un certo ritardo di accensione. Durante la compressione le pareti fredde del cilindro sottraggono all’aria di aspirazione fredda talmente tanto calore che la temperatura di combustione presente all’inizio dell’iniezione non è sufficiente per accendere subito il carburante iniettato. Solo nelle fasi successive della compressione viene raggiunta la temperatura di accensione e il carburante iniettato fino a quel momento si accende repentinamente. Questo causa un aumento esplosivo della pressione (con formazione di rumori) e un forte riscaldamento del cielo del pistone. Di conseguenza si hanno rotture nel gruppo motore (per es. dei colletti, del pistone) e cricche di tensione dovute al calore nel cielo del pistone.
2. Combustione incompleta:
Se il carburante raggiunge la camera di combustione nel momento sbagliato o senza essere polverizzato, esso può bruciare completamente nel breve tempo a disposizione. Lo stesso accade se una quantità insufficiente di ossigeno (cioè aria di aspirazione) raggiunge il cilindro. Le cause possono essere un filtro aria ostruito, valvole di aspirazione che non si aprono correttamente, difetti del turbocompressore o l’usura delle fasce elastiche e delle valvole. Il carburante non combusto si deposita in parte sulle superfici del cilindro e compromette o danneggia in maniera irreparabile la pellicola lubrificante. Le superfici di scorrimento cilindro, i fianchi delle fasce elastiche e, infine, le superfici del mantello del pistone si usurano fortemente o si coprono di segni di grippaggio nel giro di breve tempo. Di conseguenza si hanno il consumo di olio e la perdita di potenza (immagini di danni a titolo d’esempio sono riportati nei capitoli «Segni di grippaggio dovuti al ciclo a secco» e «Consumo di olio maggiore»).
3. Iniettori gocciolanti:
Le oscillazioni di pressione possono far aprire nuovamente gli iniettori al termine dell’iniezione. Le oscillazioni di pressione della valvola di pressione possono attivare la pompa di iniezione, le tubazioni o gli iniettori. Per evitare tale iniezione accidentale, una certa quota della pressione del sistema viene scaricata tramite la valvola di pressione della pompa di iniezione dopo la fine dell’iniezione. Se la pressione di iniezione degli iniettori è regolata su un valore troppo basso o se non può essere mantenuta in modo affidabile dall’iniettore (iniettori meccanici), gli iniettori possono riaprirsi più volte a anche dopo la fine dell’iniezione (nonostante lo scarico della pressione). Iniettori non a tenuta o gocciolanti causano anch’essi un apporto incontrollato di carburante nella camera di combustione. In entrambi i casi il carburante iniettato in modo incontrollato raggiunge il cielo del pistone non combusto a causa della mancanza di ossigeno. Qui il carburante ad alta temperatura si spegne lentamente e il materiale del pistone si riscalda localmente a tal punto che la forza di massa e l’erosione dei gas di combustione possono strappare piccoli pezzi di pistone dalla superficie. Di conseguenza si hanno notevoli asportazioni di materiali o cavitazioni erosive sul cielo del pistone.