Camme, fasi e cavalli (Prima parte)
Tutti gli appassionati sanno certamente che tra i componenti che più diversificano i motori da competizione da quelli di serie vi sono gli alberi a camme e che quando si procede a una elaborazione una delle prime operazioni che si effettuano riguarda proprio la distribuzione. Si impiegano valvole più grandi, ove possibile, e si adottano alberi a camme più “spinti” di quelli montati in origine. Il movimento delle valvole, di importanza fondamentale ai fini delle prestazioni, viene infatti determinato dal profilo degli eccentrici, ossia delle camme.
Nei motori aspirati, e quindi in tutti quelli delle moto, si interviene perciò in misura notevole sulla fasatura e sulla alzata delle valvole, oltre che sulla geometria e sul dimensionamento del sistema di aspirazione. Considerevoli vantaggi si possono avere con condotti di lunghezza variabile in funzione della velocità di rotazione. Grazie ad essi e a una distribuzione a fasatura variabile è possibile migliorare l’andamento della erogazione, rendendo più “piena” la curva di coppia. Entrambe queste soluzioni sono ampiamente adottate sulle vetture di serie. Nei motori sovralimentati, sempre più diffusi in campo auto, entra poi in gioco la pressione di alimentazione, che oggi è possibile gestire ampiamente e che può essere assai elevata già a velocità di rotazione molto basse. In questo modo si possono ottenere curve di coppia appiattite per un’ampia parte del campo di utilizzo, con valori massimi che vengono raggiunti addirittura al di sotto dei 2000 giri/min e che poi vengono mantenuti per un arco di ben oltre 1000 giri.
Cominciamo ad approfondire questi argomenti parlando del movimento delle valvole e della sua influenza sul comportamento del motore, ovvero sui cavalli che esso arriva a produrre e sulle modalità della erogazione, che come noto vengono indicate dall’andamento delle curve di coppia e di potenza.
Ricordiamo che il sollevamento della valvola dalla sede viene detto alzata e che le posizioni estreme che il pistone raggiunge all’interno del cilindro sono dette punto morto superiore (PMS) e punto morto inferiore (PMI).
Idealmente le valvole dovrebbero aprirsi proprio ai punti morti (superiore per quelle di aspirazione e inferiore per quelle di scarico), raggiungendo istantaneamente la massima alzata, ossia il massimo sollevamento dalla sede. Lo stesso dovrebbe avvenire per la chiusura, con ritorno istantaneo dalla massima alzata alla posizione di riposo. Semplice, si potrebbe pensare: la valvola di aspirazione si apre al PMS, quando il pistone inizia a scendere verso il PMI, ove essa si chiude. E viceversa per quanto riguarda quella di scarico.
Nella realtà la situazione è ben diversa. Tanto per cominciare il sollevamento non può essere “istantaneo” ma per aver luogo richiede necessariamente un certo tempo; in altre parole, ogni valvola si apre gradualmente, anche se in tempi brevissimi. E naturalmente lo stesso vale per la chiusura. In caso diverso le sollecitazioni meccaniche sarebbero inammissibili! Qualunque movimento richiede un certo tempo per svolgersi; se esso fosse istantaneo le accelerazioni (positiva e negativa) sarebbero infinite! E siccome una forza è eguale a una massa per una accelerazione, sarebbero infinite anche le forze in gioco, il che è ovviamente impossibile. Se per assurdo ciò potesse accadere, nessun materiale sarebbe comunque in grado di resistere!
Per evitare sollecitazioni eccessive e al tempo stesso per far sì che nei momenti opportuni le valvole siano già bene aperte, e quindi in grado di consentire l’agevole passaggio di una cospicua quantità di gas, il loro sollevamento deve iniziare con un considerevole anticipo rispetto ai punti morti. Analogamente, esse devono terminare di chiudersi con un certo ritardo, sempre rispetto ai punti morti. Così, ad esempio, con l’albero a camme di serie in un noto monocilindrico la valvola di aspirazione inizia a sollevarsi dalla sede 62° prima del PMS e finisce di chiudersi 76° dopo il PMI, mentre quella di scarico inizia ad aprirsi 70° prima del PMI e torna a contatto con la sede 48° dopo il PMS.
L’insieme degli anticipi e dei ritardi costituisce la fasatura di distribuzione, che nel caso specifico è: aspirazione 62°/70° e scarico 76°/48°. A questo punto è chiaro che le fasi non coincidono con le corse. Ciascuna di queste ultime ha una durata di 180° (mezzo giro, da un punto morto a quello successivo). Sempre con riferimento all’albero a camme del nostro esempio, la durata totale della fase di aspirazione è di ben 318° (62°+180°+76°) e quella della fase di scarico di 298°. C’è un notevole periodo, a cavallo del PMS di fine corsa di scarico, durante il quale entrambe le valvole sono aperte: quella di aspirazione ha già iniziato a sollevarsi mentre quella di scarico non ha ancora finito di chiudersi. Viene detto periodo di incrocio e nel nostro caso ha una durata di 110° (data dall’anticipo di apertura della aspirazione più il ritardo di chiusura dello scarico, ossia 62° + 48°).
In corrispondenza del PMS di fine corsa di scarico quindi le valvole sono entrambe ben sollevate dalle sedi e per questo motivo, se il rapporto di compressione è elevato, sul cielo del pistone sono presenti dei ben evidenti incavi in corrispondenza delle valvole stesse. Ciò consente di mantenere una distanza di sicurezza tra i funghi e il cielo del pistone durante l’incrocio.
La fasatura può anche venire espressa graficamente e in tal caso si parla di diagramma di distribuzione.
Gli anticipi di apertura e i ritardi di chiusura sono importantissimi ai fini prestazionali perché consentono di sfruttare al meglio l’inerzia dei gas (che si muovono lungo i condotti) e le onde di pressione che viaggiano in seno ad essi, come vedremo in dettaglio nel prossimo servizio sulle camme e sul movimento delle valvole.
Parlando di motori d'epoca (anni 70) alberi a camme tradizionali a fasatura "fissa" quindi e volendo praticare una buona elaborazione.
Dando per scontato una lavorazione "fatta bene" in quanto ad ottimizzazione dei condotti di aspirazione e scarico, valvole giustamente maggiorate e tutto quanto sia possibile fare.
Dovendo sostituire l'albero a camme con uno più spinto, si dovrebbe rispettare per la messa in fase le le indicazioni in corredo all'albero stesso ovviamente.
Spesso però tali indicazioni non esistono anche perché parlando di motori d'epoca, spesso si viene in possesso di materiale usato, non si sa da chi sia stato costruito e quando, a volte 40/50 anni fa (anche ora ma meno) non tutte le ciambelle riuscivano col buco, in pratica non si sa effettivamente se sia un buon componente o meno.
Montando quindi un albero a camme con la semplice supposizione che possa essere veramente buono senza nessuna altra indicazione o riferimento certo, durante le operazioni di messa in fase a cosa ci si dovrebbe fare attenzione in modo particolare?
A parte la durata delle fasi di aspirazione e scarico che non si possono variare.
Durante la fase di incrocio, anticipando più o meno la rotazione dell'albero a camme rispetto a quello dell'albero motore, quale sarebbe una buona regola da rispettare?
Quale rapporto ci dovrebbe essere (rotazione in gradi) fra la chiusura della valvola di scarico rispetto all'apertura della valvola di aspirazione?
In altre parole: Avendo una fase di incrocio, (fissa, monoalbero) di valore x gradi, per ottenere il funzionamento ottimale riferito alla camme a disposizione, quale sarebbe una buona norma da rispettare nel confronto fra anticipo con il quale si dovrebbe cominciare ad aprire la valvola di aspirazione, rispetto al ritardo della chiusura della valvola di scarico rispetto al PMS?
Ringrazio anticipatamente possibili interlocutori in merito.
Valentino Masini