Il sistema Start&Stop usura il motore?

START&STOP, CHE FATICA!

Accendi e spegni, accendi e spegni: quante volte i sistemi Start&Stop compiono questo ciclo nel convulso traffico cittadino? Una risposta precisa ovviamente non c’è ma possiamo parlare di varie decine di sequenze in qualche ora di coda. È facile pensare che un’attività così intensa sia stressante per il motorino di avviamento e la batteria ma la ‘fatica’ si estende anche al motore con particolare riferimento all'albero a gomiti. 

Per capire il perché di questo stress occorre capire bene il funzionamento dei ‘cuscinetti a guscio sottile’, ossia le care, vecchie bronzine. Questi cuscinetti radenti (chiamati anche a strisciamento e usati anche nel collegamento fra le bielle e l’albero motore) sono attualmente fatti con leghe di metalli teneri ma in passato erano fatte di bronzo, donde il nome. 

Oggi si usano varie leghe - per esempio a base di stagno, stagno e piombo o stagno e zinco - accomunate dall’avere basso coefficiente d’attrito, alta resistenza meccanica e durezza superficiale (quest’ultima dev’essere comunque minore di quella dell’albero motore affinché la bronzina si usuri prima dell’albero stesso), buona conducibilità termica e alta resistenza alla corrosione. 

QUESTIONE DI GALLEGGIAMENTO

Quando l’albero motore gira a regimi normali si instaura la cosiddetta lubrificazione idrodinamica: l’albero a gomiti e le superfici dei cuscinetti di banco non si toccano dato che sono separati da un sottilissimo strato d'olio messo in pressione dalla pompa del lubrificante. 

In queste condizioni i due metalli - quello dell’albero a gomiti e quello delle bronzine - non vengono a contatto e quindi l’usura è praticamente nulla e l’attrito è molto ridotto. Questa sorta di ‘galleggiamento’ avviene soltanto a partire da una certa velocità di rotazione. 

Nel grafico qui sotto si vede la variazione del coefficiente di attrito al variare della velocità di rotazione dell’albero motore: da quando parte fino a un certo regime di rotazione si ha strisciamento (Boundary lubrication) poi l’albero inizia a galleggiare (Mixed lubrication) fino a quando non si instaura l’Hidrodinamic lubrication, una condizione segnalata da un drastico calo dell’attrito (Coefficient of friction). 

Se il regime aumenta ancora l’attrito ricomincia a salire (anche l’olio ha il suo) ma molto lentamente e, in ogni caso, le superfici metalliche sono separate e quindi l’usura è minima. Il profilo accidentato delle 2 parti metalliche - albero e cuscinetto - rappresenta in realtà rugosità di pochi micron che però sono completamente separate da un sottile strato di olio in pressione.

ISTANTI CRITICI 

Avendo in mente questo schema di funzionamento è facile capire come l’avviamento sia un momento critico per i cuscinetti, dato che fino a che il regime non è sufficientemente alto per instaurare la lubrificazione idrodinamica c’è un contatto metallo-metallo. In questo frangente c’è l’usura maggiore e il sistema Start&Stop potrebbe moltiplicare per 10 gli avviamenti del motore nel corso della sua vita, che passerebbero da circa 50.000 a mezzo milione. 

Ricordiamo che i sistemi Start&Stop usano una centralina che rilevare quando l'auto è ferma con il cambio in folle: a questo punto viene interrotta l'erogazione del carburante e la scintilla d’accensione (per i benzina) e il motore si spegne. Se l’auto è ibrida il motorino di avviamento può erogare una certa coppia per il ‘veleggiamento’. Il motore si riavvia quando il guidatore toglie il piede dal freno o preme la frizione ma, per non scaricare troppo la batteria, esso riparte automaticamente dopo circa 1 minuto. 

Lo Start&Stop, che è comunque disinseribile da guidatore, viene inoltre escluso, per esempio, se la tensione della batteria è al di sotto di un certo valore o se il motore non è ancora in temperatura.

SOPPORTARE LA FATICA 

Per diminuire l’usura dei cuscinetti i componentisti hanno studiato componenti particolari. Federal Mogul, per esempio, ha sviluppato un nuovo materiale chiamato Irox che prevede un rivestimento polimerico caricato con particelle di ossido di ferro (ossia la comune ruggine) che in questa forma microscopica hanno, alquanto sorprendentemente, un’altissima ‘scivolosità’. Infatti il coefficiente di attrito di un componente Irox è inferiore del 50% rispetto a un cuscinetto convenzionale e la sua durata è paragonabile alla vita utile di un motore dotato di stop-start. 

Anche i motorini di avviamento si sono ovviamente evoluti: la loro coppia è aumentata in modo che possano girare più lentamente, il loro asse gira su cuscinetti più evoluti e resistenti e anche il meccanismo di innesto con il volano è perfezionato. I motorini convenzionali avevano una sola elettrocalamita che innestava gli ingranaggi e dava corrente al motorino mentre i componenti ottimizzati per lo Start&Stop hanno due elettrocalamite, una che innesta il pignone e uno che dà corrente, in modo che l’innesto sia il più dolce possibile. 

È chiaro che i moderni starter/alternatori BSG collegati con una cinghia di gomma e, più ancora, i motori elettrici usati nei powertrain ibridi (direttamente collegati ai motori termici) possono agire in maniera molto più fluida, intervenendo anche in fase di spegnimento per limitare al massimo eventuali vibrazioni . Anche le batterie al piombo si sono molto evolute così come gli oli lubrificanti, che riescono nello stesso tempo ad essere scorrevoli e ‘adesivi’ in modo da mantenere uno strato d’olio anche a motore fermo.