Biella e rapporto di compressione variabile, cos’è e come funziona

Come funziona la biella in un motore termico e come può influire sul rapporto di compressione? La biella è quella parte meccanica che collega di due membri cinematici di un meccanismo, dotato di moto rotatorio e traslatorio. Nello specifico è collegata all’albero motore e permette al pistone di muoversi su sé stesso all’interno del cilindro per effetto della combustione. Si tratta di un elemento fondamentale da conoscere quando si parla di Tecnica Automobilistica.

Che cos’è la biella di un motore

La biella di un motore è costituita da una barra metallica con due fori alle estremità, uno destinato ad alloggiare lo spinotto del pistone e uno per essere collegata all’albero motore.
La parte vincolata al pistone è detta “piede di biella”, mentre quella unita all’albero è definita “testa di biella”. Il tratto che unisce i due perni è denominato “fusto”.

Le bielle monopezzo sono realizzate per gli alberi compositi, ovvero quelli in cui cuscinetto e biella vengono inseriti sul perno di manovella prima di assemblare i due semialberi per interferenza. Le bielle composite, invece, sono quelle dotate di un cappello amovibile, indispensabile per poterle montare su alberi monolitici, in abbinamento a cuscinetti a guscio sottile (bronzine).

La separazione del cappello dalla biella può avvenire mediante lavorazioni meccaniche di taglio e successiva rettifica, oppure mediante frattura (lavorazione possibile sulle bielle fuse, forgiate o sinterizzate in acciaio). Sui motori a rapporto di compressione variabile VCR vengono impiegati le bielle Porsche StepCom, vediamo come sono fatte e come funzionano.

Che cos’è il rapporto di compressione (RC)?

Il rapporto di compressione (RC) è il rapporto tra il volume massimo (quando il pistone si trova al PMI) e quello minimo (quando il pistone raggiunge il PMS) misurabile all’interno del cilindro. Nei motori ad accensione comandata l’aumento del RC entro certi limiti comporta guadagni di rendimento, ma oltre determinati valori causa invece una perdita di efficienza: uno degli aspetti negativi, ad esempio, è la forma della camera di combustione che diventa meno favorevole.

I tecnici, soprattutto per i propulsori da competizione, cercano comunque di ottenere un RC il più elevato possibile, che consente una maggiore velocità di propagazione della combustione, grazie alla pressione e temperatura superiori a cui si viene a trovare la miscela aspirata. In questo modo, fornendo un lavoro più gravoso in fase di compressione, si ottiene un picco di pressione più elevato in fase di combustione, a tutto vantaggio dell’efficienza termodinamica. L’evoluzione della tecnica, specialmente dell’elettronica di controllo dell’iniezione e dell’accensione, ha portato i motori a benzina a presentare rapporti di compressione sempre più elevati, fino al 14:1 dei propulsori aspirati più moderni come il Mazda Skyactiv.

Ovviamente i motori sovralimentati hanno un rapporto di compressione più basso, per evitare che la pressione in camera di combustione raggiunga valori troppo elevati, con conseguente aumento della temperatura finale di compressione, che provocherebbe nocivi fenomeni di detonazione.

Rapporto di compressione variabile

Grazie ai sistemi di alzata variabile delle valvole, i valori di RC nei propulsori sovralimentati sono maggiori rispetto al recente passato: nei MultiAir Alfa Romeo è 10:1 e un valore simile, 10,5:1, si riscontra nei BMW con il sistema Vanos. L’ideale per un motore sovralimentato sarebbe poter variare opportunamente il rapporto di compressione, per ottenere al contempo le elevate prestazioni di un’unità turbocompressa e i bassi consumi di un aspirato di ultima generazione.

In passato molti costruttori hanno tentato di realizzare dei propulsori con questa peculiarità, ad esempio la SAAB con il suo SVC (Saab Variable Compression). Uno dei motori a RC variabile più interessanti è l’Infiniti VC-Turbo, un quattro cilindri di 2 litri che, in maniera continua, può variare il RC tra un minimo di 8:1 (da propulsore turbo ad elevate prestazioni) e un massimo di 14:1 (da aspirato all’avanguardia) con un ingegnoso e complesso sistema chiamato Harmonic Drive.

Che cos’è la biella Porsche StepCom con rapporto di compressione variabile

Le bielle Porsche StepCom sono i nuovi componenti meccaniche brevettati da Porsche che permettono di variare il RC durante il funzionamento del motore, consentendo di incrementare le prestazioni, ridurre i consumi e, ultimo ma non meno importante, le emissioni auto inquinanti, col risultato di rientrare più facilmente nei limiti imposti dalle normative antinquinamento anche future.

Porsche ha sviluppato queste bielle insieme all’Azienda tedesca Hilite, produttrice di componenti per l’industria automobilistica come sistemi di distribuzione variabile e comandi idraulici per cambi automatici.

Il sistema a RC variabile Hilite StepCom prevede l’impiego di speciali bielle, nelle quali l’alloggiamento dello spinotto è dotato di un elemento eccentrico che può ruotare grazie all’azione di due piccole aste ad azionamento idraulico.

Il principale vantaggio tecnico di queste particolari componenti è la facilità di integrazione in architetture motoristiche già esistenti, in quanto è sufficiente sostituire le bielle tradizionali con quelle Stepcom.

Biella StepCom di Porsche, come funziona

Nella biella StepCom, lo spinotto del pistone è montato in un cuscinetto eccentrico, che ruotando va a modificare la lunghezza effettiva della biella, influendo così sul rapporto di compressione. La forza che fa ruotare il cuscinetto eccentrico è dovuta alla massa oscillante del pistone e alla pressione esercitata sullo stesso dalla combustione, che aumenta al salire della pressione di sovralimentazione. La rotazione è controllata da un bilanciere in cui è calettato l’eccentrico, collegato a due pistoncini idraulici serviti da piccoli condotti presenti nel fusto della biella.

Il movimento dei pistoncini è regolato da un rubinetto che apre o chiude i condotti idraulici, controllando i movimenti del sistema a RC variabile. Il rubinetto si trova sulla parte inferiore del cappello della biella e regola il passaggio dell’olio dal basamento ai condotti interni alla biella stessa, grazie ad apposite paratie poste sotto l’albero motore e ad una piccola camera ricavata nel fusto della biella.

Il bilanciamento tra la componente delle forze applicate al pistone trasferite all’occhiello eccentrico e la reazione del sistema idraulico di controllo permette di regolare il valore del RC: al salire della pressione di sovralimentazione, cresce anche la forza esercitata dalla combustione sul pistone, e il sistema reagisce abbassando l’RC.

Lo StepCom è progettato in modo che tra 1.000 e 4.500 giri al minuto il RC possa variare in base al carico, ottimizzando le prestazioni a bassi valori di sovralimentazione e riducendo i consumi. Sopra i 4.500 g/m il RC si porta al valore più basso, consentendo l’adozione di una maggiore pressione di sovralimentazione e le massime prestazioni del motore.

Biella Porsche StepCom, vantaggi del rapporto di compressione variabile

Come detto, quando i carichi del propulsore sono elevati, abbassando il rapporto di compressione RC ci si allontana dal rischio di detonazione (esplosione della miscela prima dello scoccare della candela, dovuta a una temperatura troppo elevata in camera di combustione).

Inoltre, un adattamento continuo del RC permette di funzionare il più possibile con miscele magre e di abbassare le temperature dei gas di scarico, consentendo un minore impiego di materiali resistenti alle alte temperature nei turbocompressori e nei catalizzatori. Tutto ciò si traduce in un calo delle emissioni di particolato, fattore importantissimo per il rispetto del nuovo ciclo di omologazione RDE.

Secondo Hilite, il sistema StepCom è particolarmente adatto ai nuovi diesel, caratterizzati da cilindrate inferiori, ma da pressioni di sovralimentazione maggiori rispetto al passato. Il vantaggio di poter abbassare il rapporto di compressione ai bassi regimi permette di ridurre la pressione massima di combustione, con benefici effettivi sulle emissioni di ossidi di azoto.

Biella StepCom, svantaggi rc variabile

Il rovescio della medaglia è insito nella maggiore complessità meccanica che, insieme al peso più elevato, rappresenta un notevole svantaggio per un componente altamente stressato come la biella, soprattutto nei motori ad alte prestazioni ed elevato numero di giri. Vedremo se lo sviluppo di questa soluzione riuscirà a renderla affidabile e impiegabile nella produzione.

Delle bielle StepCom ne ha parlato anche il magazine ELABORARE di novembre 2019 ogni mese in edicola.

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