Analisi del circuito olio di un motore a combustione interna

CAPITOLO 1  Cenni Storici 
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L’A.L.F.A. (Anonima Lombarda Fabbrica Automobili) nacque nei capannoni della zona 
del Portello di Milano il 24 giugno del 1910, dopo che un gruppo di finanzieri lombardi 
prelevò le azioni dalla Darracq, una fabbrica francese di automobili che alcuni anni prima 
era approdata in Italia con scarsi successi. Come simbolo di questa azienda si scelse la 
croce (emblema del comune di Milano) e il biscione Visconteo. 
Nel 1915 un ingegnere napoletano di nome Nicola Romeo salvò l’azienda da un prematuro 
fallimento causato dall’entrata in guerra da parte dell’Italia. L’attività dell’azienda nel 
periodo della guerra del 1915-18 riguardò la produzione di motori d’aviazione, proiettili di 
artiglieria ed altri mezzi usati a scopo bellico. Dopo tale periodo, sotto le pressioni di 
uomini come Giuseppe Campari, Antonio Ascari e Ugo Sivocci, l’ALFA, sotto la 
direzione di Nicola Romeo, ricominciò a produrre automobili. 
Fu in questo modo che già dall’inizio degli anni ’20 l’ALFA ROMEO iniziò una lunga 
saga di vittorie nel campo delle competizioni. Nel 1924 ad esempio venne presentata la P2, 
vettura da competizione, con la quale l’Alfa nel 1925 conquistò il 1° Campionato 
mondiale. 
Nel 1929 l’Alfa attraversò un profondo periodo di crisi che permase sino al 1933, quando 
venne poi rilevata e riorganizzata dall’IRI. La riorganizzazione comportò un conseguente 
drastico decremento della produzione di automobili in concomitanza a un incremento della 
produzione di motori per aeroplani, autocarri ed autobus. Questa crisi però non influenzò la 
genialità che i tecnici di questa azienda ebbero nella progettazione e costruzione dei motori 
e veicoli da corsa e l’Alfa Romeo ottenne quindi grandi trionfi in tutte le piste del mondo. 
Il merito di queste innumerevoli vittorie va dato anche ad piloti leggendari come Ascari, 
Sivocci, Nuvolari, Varzi e Campari. Arrivato il periodo della seconda guerra mondiale 
l’Alfa si ritrovò in un’ altra fase di crisi che fu causata dalla distruzione del 60 per cento 
dei suoi stabilimenti. Nonostante ciò essa continuò ad affermarsi grazie al lavoro svolto da 
operai, tecnici e dirigenti che portarono l’azienda a superare ogni difficoltà al punto che 
dopo la fine della grande guerra, nel 1947, venne presentata la 6C 2500 “Freccia d’oro”, 
vettura di grande successo grazie alle sue svariate elaborazioni. 
Tra il ’50 e il ’54 nacquero la 1900 e la Giulietta che fu un successo nazionale e 
internazionale grazie alle numerose soluzioni tecniche che adottava nei vari modelli.  
CAPITOLO 1  Cenni Storici 
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In campo sportivo negli anni ’50 e ’51 l’ Alfa Romeo conquista i mondiali di formula 1 
rispettivamente con Farina e Fangio con le mitiche alfetta 158 e 159. 
Nel 1961 aprì poi lo stabilimento di Arese in quanto lo stabilimento del Portello non 
bastava più a produrre l’innumerevole quantità di veicoli richiesta. Da questa sede uscirono 
importanti vetture come: Giulia, Duetto, le 1750, la 2000, la Montreal, le Alfette Berline, la 
nuova Giulietta del 1977 (evoluzione della prima Giulietta) (Figura 1.1) e infine l’Alfa 75. 
 
 
Figura 1.1 – Giulietta ‘77 
 
Nel 1968 nasce a Pomigliano D’Arco (NA) un nuovo stabilimento dell’Alfa dal quale 
usciranno le famose Alfasud nel 1972. 
La vettura Alfa 75, del 1985, chiude un ciclo importante nella storia dell’Alfa Romeo in 
quanto nel 1986 il vertice IRI-Finmeccanica decide di accettare l’offerta di acquisizione da 
parte del gruppo FIAT. 
Da qui si apre un nuovo capitolo per la casa di Arese poiché la nuova gestione rilancerà la 
personalità tipica del marchio grazie alla recente produzione di vetture d’alta gamma. 
Infatti come prodotto di questo nuovo corso viene presentata nel 1987 l’Alfa 164 che 
nonostante il basso successo sul mercato USA segnerà comunque una svolta per quanto 
CAPITOLO 1  Cenni Storici 
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riguarda o stile delle Berline di classe superiore. Oggi una delle ultime vetture prodotte, in 
serie limitata a 500 vetture, con il marchio del biscione è l’8C Competizione (Figura 1.2). 
Dal 2000 l’azienda che progetta i motori è la GM Powertrain che dal 2005 diventa Fiat 
Powertrain Technologies ovvero FPT. 
 
 
Figura 1.2 – Alfa Romeo 8C Competizione
CAPITOLO 2 Sintesi e Linee Guida del Lavoro Svolto 
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CAPITOLO 2: SINTESI E LINEE GUIDA DEL LAVORO SVOLTO 
 
2.1 DEFINIZIONE DEL PROBLEMA E OBIETTIVI 
 
Il punto di partenza è l’analisi del circuito dell’olio del nuovo motore 1.8 Turbo a quattro 
cilindri, che consiste nella modellazione tramite software di tutti i componenti, condotti e 
cuscinetti che compongono il circuito. 
L’analisi del circuito olio è già stata svolta nelle prime fasi del progetto da un ente esterno, 
FEV, azienda di consulenza molto esperta nell’utilizzo (e nello sviluppo) del software 
utilizzato. 
Dopo aver studiato il circuito olio reale, i componenti di cui è composto e la loro funzione, 
basandosi sul report di FEV si è ricreato il circuito dell’olio al computer apprendendone la 
metodologia. 
Il programma utilizzato è Flowmaster V6.5.1, un software di simulazione che tiene conto 
del complesso flusso interno e degli effetti termici di un sistema di fluido. 
Le problematiche principalmente affrontate per arrivare al layout del circuito riguardano la 
complessità del circuito stesso, infatti nel motore in esame sono presenti due variatori di 
fase, per aspirazione e scarico, e il gruppo turbo-compressore. 
L’obiettivo finale è quello di replicare in modo completo l’analisi eseguita dal fornitore, in 
modo da creare una nuova metodologia per la modellazione al computer di un circuito olio 
e poter così eseguire analisi predittive in futuro su nuovi motori. 
 
 
CAPITOLO 2 Sintesi e Linee Guida del Lavoro Svolto 
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2.2 METODO DI LAVORO 
 
Il lavoro è stato suddiviso come segue: 
- Analisi del circuito olio; 
- Creazione del layout e inserimento dati; 
- Analisi dei risultati. 
 
L’analisi del circuito consiste nel reperire i disegni CAD (Computer Aided Design) del 
circuito dell’olio e dei disegni tecnici dei singoli componenti. Grazie ai dati ricavati, come 
le geometrie dei condotti, dei cuscinetti, è possibile generare un modello di simulazione del 
circuito di lubrificazione. Infine si è passati all’analisi dei risultati confrontandoli con 
quelli calcolati da FEV. 
CAPITOLO 3  Cenni di Teoria 
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CAPITOLO 3: CENNI DI TEORIA 
 
 
3.1 LA LUBRIFICAZIONE 
 
Nel motore a combustione interna a quattro tempi per autotrazione è attualmente quasi 
universalmente adottato il sistema di lubrificazione a pressione. 
Una soluzione tipica prevede una pompa ad ingranaggi o una pompa volumetrica 
alternativa, trascinata dall’albero motore o dall’albero a camme, che preleva olio dalla 
coppa. Un filtro a rete a maglie larghe montato sul lato aspirazione trattiene gli eventuali 
corpi estranei di grandi dimensioni che potrebbero altrimenti danneggiare gli elementi 
rotanti della pompa. Una valvola limitatrice della pressione, del tipo a molla tarata, viene 
applicata sul lato di mandata della pompa ed è regolata in modo da aprirsi quando si 
raggiunge la pressione massima ammessa nel circuito, scaricando l’eccesso d’olio nella 
coppa. Nella maggior parte dei casi l’intera portata d’olio viene poi inviata ad un filtro, 
solitamente del tipo a cartuccia di carta impregnata, dove vengono trattenute tutte le 
particelle estranee con dimensioni superiori a 10 micron. L’olio giunge quindi ai condotti 
principali di alimentazione e, attraverso questi, ai cuscinetti di banco; per mezzo di 
condotti secondari l’olio viene inviato ai supporti dell’albero a camme. I condotti ricavati 
internamente all’albero a gomiti portano l’olio proveniente dai cuscinetti di banco alle teste 
di biella e, in taluni casi, ma non in quello in esame, una canalizzazione longitudinale 
praticata all’interno del fusto della biella permette all’olio in pressione di raggiungere il 
cuscinetto del piede di biella. Inoltre sono generalmente presenti dei getti di olio indirizzati 
al disotto del pistone con la funzione di refrigerante. Questi, sono spesso sufficienti a 
lubrificare il cuscinetto del piede di biella rendendo inutile l’utilizzo delle canalizzazioni 
all’interno della biella. Derivazioni dai condotti principali portano l’olio ai cinematismi. La 
coppa è generalmente poco profonda e munita all’interno di paratie che impediscono i 
bruschi spostamenti di grandi quantità d’olio, ciò per evitare che venga a mancare 
l’alimentazione della pompa ed i condotti principali. La portata d’olio e le pressioni 
dipendono dalla tipologia di motore e, al suo interno, dal regime di rotazione del motore, e 
CAPITOLO 3  Cenni di Teoria 
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quindi dalla potenza richiesta. In ogni caso le portate sono generalmente elevate in quanto 
l’olio è il principale mezzo refrigerante dei cuscinetti. 
 
 
3.2 LUBRIFICANTI PER MOTORI 
 
Parlando di lubrificanti particolare attenzione merita la viscosità. Benché sia una delle 
diverse caratteristiche di un olio, è essenziale che l’olio abbia, alla temperatura di regime, 
una viscosità sufficientemente elevata da mantenere la continuità del film tra le superfici in 
moto relativo. È altrettanto importante che la viscosità alla temperatura più bassa di 
funzionamento non sia eccessiva. Altrimenti si verificano inevitabilmente difficoltà di 
avviamento, accompagnate da altri inconvenienti connessi col moto dell’olio freddo e 
viscoso nei condotti e nei filtri; da ciò derivano infatti ritardi nella lubrificazione iniziale 
delle parti in movimento con conseguenti maggiori usure. Quanto maggiori saranno le 
viscosità alle varie temperature, tanto maggiori saranno le resistenze viscose dell’olio 
all’interno del film d’olio sottoposto al taglio. Ciò può generare temperature eccessive nei 
cuscinetti. In ogni caso, un’elevata viscosità durante il funzionamento comporta una caduta 
del rendimento meccanico che, a sua volta, si riflette in un maggior consumo di 
combustibile. D’altra parte la viscosità deve essere sufficiente alle alte temperature 
affinché non si interrompa il velo lubrificante provocando usura e, successivamente, 
grippaggio o fusione negli accoppiamenti meccanici più delicati. Il lubrificante ideale non 
dovrebbe solamente avere una viscosità adatta al particolare motore a cui è destinato, ma 
dovrebbe conservare la stessa viscosità a tutte le temperature del suo campo di 
funzionamento. Sfortunatamente la viscosità di tutti gli oli varia con la temperatura. 
L’entità di questa variazione dipende dalle proprietà chimico-fisiche dell’olio stesso. 
Esistono due definizioni di viscosità: la viscosità dinamica (o assoluta) e la viscosità 
cinematica. 
Nel sistema SI, l’unità di misura della viscosità dinamica µ è il: 
 
2
m
sN
sPa
  
     
CAPITOLO 3  Cenni di Teoria 
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La viscosità cinematica ν viene definita come il rapporto tra la viscosità dinamica µ e la 
massa specifica γ dell’olio lubrificante: 
 
 ϑ
 Π
 Θ   
 
Nel sistema SI l’unità di misura della viscosità cinematica è il: 
 
s
m
2
 
 
La viscosità dinamica e la viscosità cinematica vengono misurate mediante appositi 
strumenti detti viscosimetri. 
La variazione della viscosità in funzione della temperatura dipende dal tipo di lubrificante 
ed è esprimibile mediante l’equazione di Walther: 
 
       
21
log6,0loglog CTC      Θ  
 
dove: 
 
ν = viscosità cinematica; 
T = temperatura assoluta; 
21
,CC = costanti. 
 
Conoscendo la viscosità di un olio a due diverse temperature è possibile, mediante un 
sistema di due equazioni in due incognite, determinare le costanti 
1
C  e 
2
C , e ricavare il 
valore delle viscosità a qualsiasi temperatura. 
Tutti gli oli per motori sono classificati secondo il “Recommended Practice Report on 
Crankcase Oil Classification” della Society of Automotive Engineers (SAE) (Tabella 3.1). 
 
CAPITOLO 3  Cenni di Teoria 
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Tabella 3.1 – Classi di Viscosità SAE per oli per motore 
 
Gli oli vengono raggruppati in diverse gradazioni ciascuna delle quali, contraddistinta da 
un numero convenzionale, riunisce oli che rientrano in determinati limiti di viscosità. 
La scelta della gradazione SAE da utilizzare dipende da diversi fattori: 
- Temperatura ambiente; 
- Caratteristiche costruttive del motore; 
- Stato di usura dei vari organi da lubrificare. 
Utilizzando oli unigradi si rendono necessarie due diverse gradazioni, una per il periodo 
invernale e una per il periodo estivo. Infatti, le gradazioni a bassa viscosità non possiedono 
viscosità sufficiente alle alte temperature di esercizio che si raggiungono nel periodo 
estivo, mentre le altre gradazioni presentano una viscosità troppo elevata alle basse 
temperature di avviamento per il periodo invernale.