Nei motori da corsa a 4 tempi si usano pistoni con un solo segmento?

Le stime in proposito variano, ma probabilmente non si sbaglia di molto parlando di qualcosa che va dal 38 al 48 % (del totale delle perdite meccaniche, comprese quindi quelle per sbattimento), per i motori di serie. Quelli da competizione sono più esasperati sotto tutti gli aspetti; in questo caso i tecnici indicano all’incirca nel 50% delle sole perdite per attrito quelle dovute ai pistoni e ai segmenti.

Per inviare alla ruota motrice la più elevata potenza possibile occorre non solo produrre il massimo numero di cavalli a livello dei cilindri, ma anche limitare al minimo quelli che si perdono all’interno del motore (per attriti, pompaggio e sbattimento) e a livello di trasmissione. La cosa diventa via via più difficile al crescere del regime di rotazione. Un grande problema, per i tecnici che lavorano sui i motori che girano veramente forte, come appunto quelli da competizione, riguarda proprio il mantenimento di un buon rendimento meccanico. Evitare che esso scenda a valori troppo bassi diventa però particolarmente impegnativo, nei motori molto veloci. E allora occorre lavorare con il massimo impegno non solo a livello di disegno complessivo e di dettaglio dei vari componenti, di accoppiamenti tra i diversi organi meccanici, di lubrificazione e di materiali e riporti superficiali, ma anche a livello di particolari apparentemente trascurabili.

Data la forte influenza di questi componenti sul rendimento meccanico, è logico che molte delle attenzioni dei tecnici si siano concentrate sui pistoni e sui segmenti. Questi ultimi hanno visto diminuire la loro altezza, nel corso degli anni, fino ad arrivare ai valori odierni, sotto i quali sarà ben difficile scendere. Nei quadricilindrici sportivi di serie il primo segmento in molti casi è alto solo 0,8 mm, valore che nei motori da corsa può ridursi a 0,7 mm.
Pure i materiali sono cambiati e la ghisa, che per decenni ha dominato incontrastata in questo campo, è stata dapprima affiancata e quindi sostituita dall’acciaio. Le finiture superficiali e i riporti sono stati oggetto di approfonditi studi, al fine di ridurre al minimo l’attrito e l’usura. La cosa ha una particolare importanza anche alla luce delle condizioni nelle quali lavorano questi organi meccanici (in particolare, si deve tener presente che la lubrificazione in prossimità del punto morto superiore è perlomeno problematica).

Per fare una buona tenuta i segmenti devono “copiare” con grande accuratezza la canna, che non è proprio perfettamente cilindrica, se si esaminano le cose con la dovuta accuratezza. Fondamentale è pertanto la loro elasticità. La forza radiale che li preme contro le pareti della canna nel corso degli anni è stata diminuita per limitare le perdite per attrito. Occorre però dire che ciò che maggiormente determina il carico radiale è l’azione dei gas. Durante la fase di espansione, i gas ad elevata pressione penetrano tra la cava e il primo segmento, passando sopra di esso, grazie al gioco assiale esistente tra le due parti. I gas raggiungono così il fondo della cava e, grazie alla loro pressione, spingono il segmento verso l’esterno. La cosa vale anche per il secondo segmento di tenuta, come ovvio, ma l’effetto è notevolmente minore. La riduzione della altezza dei segmenti fa sì che i gas, esercitando la loro pressione su di una superficie meno estesa, spingano i segmenti stessi contro la canna con una forza minore di quella con la quale agirebbero se essi fossero più alti.

Dunque, l’adozione di segmenti più sottili e con un minore carico radiale dovuto alla elasticità è senz’altro vantaggiosa ai fini del contenimento delle perdite per attrito. Per quanto riguarda queste ultime, c’è anche un’altra strada che si può seguire, ed è quella della riduzione del numero dei segmenti.
I pistoni dei motori a quattro tempi destinati a normale impiego stradale, tanto per auto quanto per moto, sono dotati di due segmenti di tenuta ciascuno, più un raschiaolio. Ciò consente di ridurre i trafilamenti tra pistone e cilindro, tanto di gas quanto di lubrificante, a valori assolutamente minimi, e di ottenere una elevata durata. Il trafilamento gassoso viene comunemente detto blowby.

Nei motori da competizione i pistoni sono dotati di norma di un solo segmento di tenuta (più un raschiaolio) al fine di ridurre le perdite per attrito. Questa soluzione però determina un aumento del blowby, ovvero un peggioramento della tenuta. Nei motori da corsa, che ruotano a regimi elevatissimi e che non hanno esigenze particolari in termini di durata, dato che vengono revisionati completamente dopo percorrenze che in genere non superano i 1500 – 2000 chilometri, l’adozione di un solo segmento di tenuta si rivela vantaggiosa. Quello che si perde infatti viene più che compensato da ciò che si guadagna (in termini di riduzione dell’assorbimento di potenza). Per i motori di serie però la situazione è decisamente diversa, almeno allo stato attuale della tecnica. Gli unici motori con un solo segmento di tenuta in vendita sono oggi quelli da cross e le relative versioni enduro competizione.