Temi trattati

Intro

Le valvole

Le valvole a fungo

Numero di valvole

Albero a camme

Profilo dell'eccentrico

Diagramma della distribuzione (1)

Distribuzione nelle corse

Distribuzione desmodromica

Vibrazioni della distribuzione

Molle meccaniche per alte velocità

Molle pneumatiche

Diagramma della distribuzione (2)

Distribuzioni variabili

Scelta dell'albero a camme

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Tecnica evoluzione

Approfondimenti sulla distribuzione

d1Con il termine “distribuzione” si intende quel complesso di aperture e chiusure dei condotti di alimentazione e di scarico che consentono, con la loro giusta ritmicità, lo svolgimento delle fasi descritte nel ciclo teorico. In un motore a quattro tempi la distribuzione è assicurata da valvole (generalmente del tipo a sede conica) che si aprono sotto l'azione di eccentrici detti camme, calettate su un albero rotante parallelo all'albero principale (albero a gomiti, o albero motore) e da esso azionato, e si richiudono perché spinte di nuovo sul proprio seggio da opportune molle tarate. Nei comuni motori sono sufficienti due valvole, una per l'aspirazione e l'altra per lo scarico dei gas combusti in ogni cilindro; nei motori da competizione si ricorre ad un numero di valvole maggiora per assicurare un perfetto riempimento dei cilindri. Gli organi principali della distribuzione sono: le valvole (guide, sedi, molle), il componente che le aziona, ovvero l'albero a camme, che comanda l'apertura e la chiusura delle valvole, le punterie, le aste e i bilancieri. Fino a qualche anno fa il sistema più usato era il sistema ad aste e bilancieri. In questo sistema l'albero a camme era alloggiato nel basamento e disposto in posizione laterale o fra le due bancate, nei motori a V. Esistono però altre disposizioni: attualmente la tendenza è quella di adottare una soluzione monoalbero o bialbero alloggiandoli nella testa. Questo consente di eliminare le aste di rinvio ed aiuta a diminuire le masse in movimento. Le valvole vengono sollevate dalle loro sedi grazie all'azione di opportune eccentricità dell'albero a camme e vengono rinchiuse da molle elicoidali, sia nel caso di distribuzioni ad aste e bilancieri che nel caso di distribuzioni mono o bialbero. L'eccentrico non può agire direttamente sullo stelo delle valvole o sull'asta, quindi fra la camma e la valvola si interpone sempre un organo di forma cilindrica realizzato in acciaio. L'eccentrico agisce sulla superficie piana della punteria, che in alcuni casi può essere di diametro anche notevolmente maggiore a quella del mantello del cilindro (punteria a piattello). L'estremità opposta della punteria è cava e, a seconda della configurazione della distribuzione, reca una sede in cui si alloggia l'asta (configurazione ad aste e bilancieri) o lo stelo della valvola (motori mono-bialbero a camme in testa). L’utilizzo delle punterie è legato alla ridotta superficie dell'estremità superiore dello stelo, limitazione che comporterebbe una rapida usura della superficie a contatto per via delle eccessive pressioni specifiche. Lo stesso sarebbe inoltre sottoposto a continui sforzi di flessione a causa della componente laterale della spinta impressa dall'eccentrico.

 

Le valvole

d2La funzione della valvola nel motore a combustione è quella di regolare l'afflusso dei gas freschi e il deflusso dei gas combusti nel cilindro durante le diverse fasi del ciclo. Per queste ragioni nei comuni motori esistono due tipi di valvole, una per l'aspirazione e l'altra per lo scarico che mettono in comunicazione, al momento opportuno, il cilindro rispettivamente con il collettore di aspirazione e con il collettore di scarico. Tra gli innumerevoli tipi di valvole che sono state sperimentate, quelle destinate ai motori a combustione interna devono soddisfare diversi requisiti di funzionamento: devono sopportare temperature di esercizio di circa 700-800° C, devono consentire un veloce passaggio dei gas e assicurare una perfetta tenuta nel periodo in cui il flusso deve essere interrotto; inoltre è necessario che la massa delle valvole sia contenuta entro il minimo indispensabile, onde consentire al motore di raggiungere un elevato regime di rotazione. Tali richieste pongono vincoli relativi sia alla geometria che ai materiali utilizzati, comunque dopo soluzioni passate come le valvole rotative o a fodero, oggi sono universalmente utilizzate le "valvole a fungo".

 

Le valvole a fungo

E' la valvola che realizza il miglior rapporto tra sezione di passaggio impegnata e il flusso dei gas che lo attraversano, oltre ad assicurare una notevole affidabilità. La valvola è composta essenzialmente da una testa a forma di fungo e da uno stelo, o gambo; la testa può essere piana o convessa; mentre lo stelo, di forma cilindrica allungata, è la parte che scorre nella guida. La sua estremità, detta codolo, è accoppiata ad uno scodellino su cui agisce la molla di richiamo. L'accoppiamento è realizzato mediante due semiconi, o più raramente mediante un forcellino innestato nella cava dello stelo. Queste cave possono assumere diverse forme in relazione ai differenti sforzi e esigenze d'installazione. Il principio di funzionamento è analogo a quello di un tappo di lavandino: un corto tronco di cono, con angolo al vertice molto grande, viene fatto aderire ad una sede avente la stessa apertura, ma con angolo al vertice minore di circa mezzo grado per assicurare una miglior tenuta. L'angolo al vertice viene determinato in base alle caratteristiche del motore in sede di progettazione: di solito attorno a 45°, compromesso tra angoli di 20 - 30° che garantiscono una miglior tenuta e angoli fra 60 -70° che invece migliorano il raffreddamento delle valvole ma comportano una maggiore estensione della superficie di contatto. La valvola a sede conica si è potuta affermare in questi anni grazie al fatto che offre la necessaria tenuta anche in condizioni precarie, inoltre la simmetria circolare facilita le lavorazioni richieste dalla fabbricazione della valvola stessa e della sede della guida. La valvola con sede conica assicura per di più una sufficiente insensibilità alle deformazioni, che il sistema sede-valvola inevitabilmente subisce durante l'esercizio prolungato del motore, legato alle notevoli sollecitazioni meccaniche (urti della valvola contro la sede al momento della chiusura) e termiche che tendono in ogni modo a pregiudicarne la tenuta. Per eliminare eventuali depositi carboniosi e per ovviare a piccole deformazioni con opportune punterie si fanno compiere alla valvola lievi rotazioni, nel momento in cui essa si solleva dalla sede.

 

Numero di valvole

Nei motori di elevate prestazioni, ed in tutti quelli da competizione, da alcuni anni si utilizzano distribuzioni a 4 valvole per cilindro. Tale soluzione consente, a parità di alesaggio, di ottenere sezioni di passaggio per i gas considerevolmente maggiori (facilitazione del motore a respirare a regimi molto alti, quindi maggiore potenza agli alti regimi) e una camera di combustione con conformazione molto razionale con la candela disposta centralmente (migliore propagazione di fiamma). Le due valvole di aspirazione giacciono da una parte della testa, mentre le due di scarico dalla parte opposta. Si deve tener presente che, impiegando valvole di dimensioni minori, è possibile, a parità di sollecitazioni meccaniche, raggiungere regimi di rotazione più elevati grazie alla minor massa di componenti in modo alterno (valvole è punterie sono più leggere), in modo che le valvole di scarico lavorino a temperature più basse con minor tendenza quindi alla deformazione. Non mancano comunque esempi nell'attuale produzione motoristica di distribuzione plurivalvole, anche a tre, cinque o sei valvole.


d3 d4

 

L'albero a camme

Il dispositivo che provvede a comandare le valvole si chiama albero a camme. È realizzato in acciaio e ghisa, normalmente cementato o carbonitrurato in corrispondenza degli eccentrici per migliorare le caratteristiche di durezza. Si tratta di un albero sul quale gli eccentrici vengono ricavati e opportunamente sagomati per comandare le valvole interagendo, a seconda dei casi, con punterie e bilancieri.

 

Il profilo dell'eccentrico

Il movimento della valvola è determinato dal profilo dell'eccentrico che deve essere accuratamente studiato in modo da contenere le accelerazioni e le sollecitazioni imposte agli organi comandati. Quando la valvola è in posizione di riposo questa chiude il condotto appoggiandosi sulla sede grazie all'azione di una molla di richiamo. In questo caso la punteria è in contatto con il cosiddetto "cerchio di base" dell'eccentrico, quando invece la punteria passa a contatto con il cosiddetto "naso della camma", l’asta vince la forza della molla di richiamo e la valvola si apre. L'apertura e la chiusura della valvola sono raccordate da una zona detta "rampa di raccordo", una chiusura non progressiva danneggerebbe infatti irrimediabilmente valvole e sedi. Il profilo dell'eccentrico insieme alla fasatura influisce in maniera determinante sulle caratteristiche e sulle prestazioni del motore.

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Diagramma della distribuzione - parte 1

L'orientamento delle camme che comandano le valvole di aspirazione rispetto a quelle di scarico determina il diagramma della distribuzione che si ottiene riferendo il moto delle valvole e del pistone all'angolo di rotazione dell'albero motore. Si noti come le fasi non coincidono con le corrispondenti corse del pistone, come previsto dal ciclo teorico. Poiché le accelerazioni imposte dalle valvole non possono superare certi limiti legati alla resistenza del materiale utilizzato, l'inizio del moto viene anticipato di 5°-15° in modo da riuscire a ottenere un'apertura regolare, senza strappi istantanei. Inizialmente lo spostamento è minimo rispetto alla rotazione della camma, poi l'alzata aumenta in proporzione all'angolo di rotazione fino a raggiungere il valore massimo in prossimità di metà corsa del pistone. Nel caso delle valvole di aspirazione, per consentire il massimo riempimento del cilindro, la successiva chiusura avviene con un notevole ritardo (35°-70°) rispetto al punto morto inferiore: questo permette di sfruttare l'inerzia della miscela aspirata che, grazie alla velocità acquisita (100m/s) continua ad affluire nel cilindro anche quando il pistone inizia a risalire. Analogamente la valvola di scarico inizia la sua apertura con un anticipo che varia da 35° a 65° rispetto a PMI. In quest'ultima parte della corsa il lavoro utile prodotto dall'espansione dei gas sarebbe comunque molto basso così che risulta conveniente quindi anticipare la fase di scarico a scapito di quella di espansione. Il moto della valvole di scarico si svolgere in maniera analoga a quella di aspirazione: esse tuttavia, si chiudono con un ritardo compreso fra i 2° e i 30° rispetto al PMS in modo da sfruttare l'inerzia dei gas che, sempre a causa della velocità acquisita, continueranno a uscire pur non essendo più spinti dal pistone. Questa fase, detta “incrocio”, è determinante per il rendimento e per le prestazioni del motore, che possono variare sensibilmente in funzione del diagramma delle distribuzione scelto. Nella fase di incrocio si sfrutta l'inerzia dei gas combusti i quali, avendo acquisito una certa velocità (i gas di scarico lambiscono la valvola con una velocità pari a quella del suono 360m/s) tendono a proseguire il loro cammino verso i condotti di scarico anche quando il pistone si trova in posizione prossima al PMS. La leggera depressione che il gas di scarico si lascia alle spalle esercita un effetto definito “estrattore” sulla miscela fresca, richiamandola nel cilindro all'apertura della valvola di aspirazione. L'evacuazione dei prodotti della combustione rimasti nel cilindro può essere quindi favorita dall'ingresso della carica fresca con un flusso orientato, tale da esercitare una vera e propria azione di lavaggio. La corretta scelta dell'anticipo di apertura della valvola di aspirazione in questo senso incide sul riempimento del cilindro, migliorando sensibilmente il rendimento volumetrico; ma può influire in maniera anche incisiva sui consumi (nonché sull'emissione nociva di prodotti incombusti). Infatti, se la chiusura della valvola di scarico avviene in eccessivo ritardo, parte della carica fresca verrà inevitabilmente trascinata con essi, andando quindi persa. Allo stesso modo risulterà nocivo l'eccessivo anticipo dell'apertura della valvola di aspirazione: oltre a defluire verso lo scarico, i gas incombusti tendono a invadere il condotto di aspirazione, peggiorando notevolmente il rendimento del motore. La scelta del diagramma della distribuzione è un compromesso a cui si adatta un costruttore per realizzare un motore che possieda alcune caratteristiche spesso fra loro antitetiche: una elevata coppia ai bassi regimi, una buona potenza massima, consumi limitati e ridotte emissioni nocive. L'apertura e la chiusura rispettivamente della valvola di aspirazione e di scarico influenzano in modo determinante le curve caratteristiche di coppia e potenza di un motore. L'istante di apertura della valvola di aspirazione incide notevolmente sull'elasticità del motore del propulsore: un anticipo elevato (oltre i 30°) garantisce un buon riempimento del cilindro solo agli alti regimi, mentre a quelli bassi coppia e potenza sono piuttosto scarsi. Un elevato anticipo di apertura, inoltre, riduce a tal punto la depressione nel collettore di aspirazione da rendere precario il funzionamento del servofreno pneumatico. La chiusura della valvola di aspirazione è il parametro che maggiormente influenza la potenza erogata dal motore. Il ritardo di chiusura permette di migliorare notevolmente il riempimento dei cilindri, ma se diviene eccessivo (oltre i 60°-70°) permette al motore di esprimere la propria potenza solo agli alti regimi, come avviene nei motori da competizione. Di contro una chiusura anticipata rende il motore molto docile, pronto alle accelerate fin dai regimi più bassi, ma non consente di raggiungere notevoli picchi di potenza. L'apertura della valvola di scarico non porta apprezzabili variazioni di coppia e potenza, sempre che l'anticipo sia contenuto entro limiti ragionevoli (non oltre 60°-70°). Di contro, un ritardo dell'apertura consente di ottenere un lieve incremento di coppia ai bassi regimi e una ridotta emissione di CO e NO. La chiusura della valvola di scarico, infine, influisce molto sui valori di coppia e potenza ai bassi regimi. Se eccessivamente ritardata, aumentano i consumi e si ottiene un motore poco elastico. Un anticipo della chiusura, invece, favorisce l'elasticità del motore ai bassi e medi regimi.

 

La distribuzione nelle corse

Moltissimi sistemi sono stati proposti nella lunga storia del motore, ma l'esasperata esigenza di leggerezza nel campo dei motori super veloci, porta ad adottare schemi di funzionamento legati soltanto a due principale schemi. Il primo schema è il classico sistema a bicchierino e molle elicoidali, il secondo è quello a bilanciere a dito o nottolino (utilizzato in formula uno soltanto dalla Ferrari). La prima soluzione ha il vantaggio della semplicità di realizzo, facilmente inseribile nel progetto, facilmente modificabile e presenta un'elevata rigidezza dovuta al contatto diretto e alla brevità del percorso dalla camma al piattello della valvola. Gli svantaggi consistono in una maggiore massa equivalente ed in una maggiore potenza dissipata per attrito per via dello strisciamento della camma con le forze trasversali che agiscono sul bicchierino. Il secondo sistema, se correttamente progettato, presenta una massa equivalente minore e minore attrito; gli svantaggi consistono in una minore rigidità del sistema causata dai fenomeni di flessione del bilanciere e dai problemi di usura poiché il pattino non ruota. Per una distribuzione ben progettata, ad un dato regime di giri (di progetto) e nelle seguenti condizioni:

Parità di indice di Mach

Parità di rapporto alzata / diametro valvola

Parità del coefficiente di efflusso della valvola

Parità di angolo totale di apertura della valvola

d7d8


Si riduce la potenza dissipata:

Massimizzando il rendimento della distribuzione (meglio la soluzione ad ingranaggi che quella a cinghia dentata);

Adottando minimi margini della forza molla rispetto alla forza d'inerzia negativa (in modo da andare il più vicino possibile alle condizioni di "sfarfallamento" senza superarle –vedi distribuzione desmodromica);

Riducendo il coefficiente d'attrito;

Adottando per la distribuzione materiali a bassa densità;

Adottando camme di piccolo diametro di base (riduzione massa complessiva delle valvole e della loro alzata; ovvero riduzione delle accelerazioni);

Adottando molte valvole per cilindro;

Adottando un elevato frazionamento della cilindrata (ha lo stesso effetto di ridurre la massa).

 

Distribuzione desmodromica

ddQuando a regimi elevatissimi la punteria non rimane a contatto con l'eccentrico, si dice che il motore "sfarfalla". Si tratta di una situazione da eliminare nella maniera più assoluta, essa infatti può portare a rotture meccaniche decisamente gravi. Viene detta desmodromica una distribuzione nella quale non ci sono molle a riportare le valvole in posizione di chiusura, ma un sistema meccanico diretto sia per l'apertura che per la chiusura. Si tratta di una soluzione in grado di consentire un'elevata affidabilità oltre alla capacità di poter raggiungere regimi di rotazione molto elevati. Una soluzione desmodromica (ne esistono di diverse tipologie) prevede l'adozione di un doppio albero a camme in testa con un eccentrico di apertura che agisce su una punteria a pattino, mentre quello di chiusura assicura il richiamo della valvola per mezzo di un bilanciere a due bracci disposti a circa 90°.

 

Vibrazioni della distribuzione

In fase di progettazione si divide il complesso della distribuzione in tre sistemi oscillanti. Il primo gruppo è rappresentato dal sistema massa-molla principale, chiamato “equipaggio mobile”: valvola, bicchierino o bilanciere, spingi molla e semiconi. Questo gruppo viene considerato come un corpo rigido. Il secondo gruppo è costituito dalla molla vera e propria, che essendo un corpo elastico è suscettibile alle vibrazioni secondo un numero teoricamente infinito di modi, alle corrispondenti frequenze di risonanza. Il terzo sistema oscillante è composto dall'equipaggio mobile che in questo caso viene considerato come elastico e non rigido, quindi suscettibile di vibrare, con smorzamento pari a quello interno dei materiali. Nei motori di serie si analizza soltanto il primo sistema mentre nei motori da competizione si studia il comportamento di tutti e tre i sistemi.

L'anomalia del primo sistema è rappresentata dal fenomeno di sfarfallamento: oltre un certo numero di giri l'equipaggio mobile (considerato come corpo rigido), non segue più la legge di apertura imposta dalla camma, ed il ritorno avviene in modo più o meno "balistico" con fenomeni di urto e usura, principalmente nelle sedi valvole. Nelle condizioni di sfarfallamento la potenza assorbita dalla distribuzione cresce bruscamente, a causa del mancato recupero delle forze di chiusura delle valvole. Si rende necessario quindi evitare i fenomeni di sfarfallamento: nota la legge di accelerazione corrispondente alla legge di alzata prescelta, si determinano le caratteristiche della molla (rigidezza e precarico) in modo tale che la forza della molla superi, con un prefissato margine la massima forza d'inerzia dell'equipaggio mobile. La condizione di margine minimo rispetto allo sfarfallamento si verifica nell'intorno dell'alzata massima. La velocità angolare dell'albero a camme per cui si verifica l'incipiente sfarfallamento può essere calcolata con:

 

form1

dove: "wr" è la velocità angolare di inizio farfallamento; "K" è la rigidezza della molla; "XO" è lo schiacciamento massimo (nelle condizioni di alzata massima della molla); "m" è la massa dell'equipaggiamento mobile; "rb" è il raggio di base; "rt" è il raggio di testa; "h" è l'alzata massima. Per incrementare la velocità di inizio sfarfallamento, e quindi aumentare velocità e prestazioni del motore, si possono utilizzare diversi accorgimenti:

Riduzione della massa dell'equipaggio mobile m;

Aumento dello schiacciamento massimo XO (mantenendo costante il valore della rigidezza della molla K);

Aumento della rigidezza della molla K (mantenendo costante il valore dello schiacciamento massimo XO);

Aumento contemporaneo del valore dello schiacciamento XO e della rigidezza K;

Se la riduzione della massa dell'equipaggiamento mobile è scarsamente migliorabile, si possono utilizzare materiali sostitutivi all'acciaio come titanio e leghe di berillio;

Scelte di soluzioni a minima massa traslante dell'equipaggiamento (sistemi a nottolino);

Adozione di molle a minor massa traslante equivalente (molla pneumatica, priva di massa);

Adozione di condotti curvi che permettono di accorciare le valvole;

Incremento del numero di valvole per cilindro;

Utilizzo de sistema desmodromico (assenza di molla);

Utilizzo di valvole rotative.

Il secondo sistema oscillante è composto dalla molla stessa: limitiamo lo studio dei modi di vibrare di questo oggetto ai soli casi che interessano i meccanismi di distribuzione. Il primo modo di vibrazione è quello in cui la molla, vincolata ad un estremo, rimane libera dall'altro. Se viene inizialmente compressa (o tesa) e lasciata scattare l'intera sua massa oscillerà indefinitamente in modo periodico attorno alla sua condizione di riposo.

im12

La frequenza ‘f’, detta frequenza propria, è data dall’espressione:

form2

dove: "m" è la massa della molla; "K" è la rigidezza della molla; "d" è il diametro del filo; "Dm" diametro medio della molla; "G" modulo elastico tangenziale; "r" è la densità del materiale. Il secondo modo di vibrare è definito come quello in cui la molla risulta vincolata ai due estremi. Se spostiamo il punto centrale di questa molla, per poi lasciarla scattare liberamente, esso oscillerà indefinitamente in modo periodico attorno alla posizione di riposo, mentre le due semimolle alternativamente si comprimeranno e si tenderanno in controfase. La seconda frequenza propria risulta essere circa il doppio di quella ottenuta con la formula precedente, poiché il punto C suddivide la molla in due semimolle, dimezzandone quindi la massa e raddoppiandone la rigidezza. La prima frequenza critica assume allora il significato di quella particolare frequenza alla quale si ha l'annullamento della forza scambiata tra la molla ed il piattello spingi-disco, che viene quindi eccitato ad oscillare nel modo indicato. La seconda frequenza critica della molla, che è circa doppia rispetto alla prima, ha un importante significato motoristico: segna il punto in cui avviene l'insorgere delle "onde elastiche" che si propagano avanti e indietro lungo la molla. In questa situazione la molla cessa di comportarsi nel modo "statico", che è il presupposto del calcolo classico della distribuzione e passa ad un comportamento essenzialmente di tipo "dinamico". L'insorgere della onde elastiche fa si che la sollecitazione massima a cui lavora il materiale della molla superi il valore di progetto a cui è stata dimensionata: le onde elastiche si sovrappongono alla compressione statica (principio di sovrapposizione degli effetti) così che quando l'onda è in compressione le spire interessate si addensano di più rispetto al puro schiacciamento elastico (quindi aumenta la loro sollecitazione). Siccome la sollecitazione statica delle molle da competizione è normalmente già molto elevata, le sovratensioni prodotte dalle onde elastiche possono produrre la rottura delle molle, oppure, in secondo luogo, produrre una riduzione della velocità di inizio sfarfallamento wr. Quando al piattello spingi-disco giunge l'onda di distensione la rarefazione delle spire diminuisce, e può anche annullare, la forza di richiamo che la molla trasmette al piattello spingi-molla, permettendogli di perdere il contatto. L'incremento delle frequenza critiche si può ottenere riducendo la massa ‘m’ della molla stessa, ovvero scegliendo materiali diversi. Analizziamo le variazioni che conseguono al passaggio da molle in comune acciaio a quelle molto più sofisticate in titanio, e prendendo in esame il valore dell'energia immagazzinabile per unità di massa:

c16

per molle che lavorano a torsione

c18

per molle che lavorano a trazione o compressione

dove: "t" è la tensione al taglio; "s" è la tensione a trazione o compressione; "r" è la densità del materiale; "G" è il modulo di elasticità tangenziale; "E" è il modulo di elasticità normale. Ponendo nelle formule le caratteristiche dei due materiali si può notare come utilizzando molle in titanio si ottiene una diminuzione di massa pari al 20-30% ed un aumento della velocità di inizio sfarfallamento wr del 10-15%. Per l'equipaggiamento mobile di cui fa parte la molla avremo una riduzione di massa che va dal 5-20% ed un aumento della velocità di inizio sfarfallamento del 2.5-5%.

Il terzo sistema oscillante è costituito dall'equipaggiamento mobile, non considerato come insieme rigido ma come elastico. In questo sistema l'elemento critico risulta essere la valvola:  la prima frequenza di vibrazione longitudinale di uno stelo elastico dotato di massa propria, con una massa rigida all'estremità, è data dalla espressione:

c20

dove: "m1" è la massa dello stelo; "m2" massa del piattello all'estremità dello stelo; "l" è la lunghezza dello stelo; "E" è il modulo elastico dello stelo; "r" è la densità del materiali di cui è composto lo stelo. Queste vibrazioni longitudinali assumono molta importanza nei motori da competizione in quanto la massa di estremità (piattello valvola), che idealmente dovrebbe avere una velocità di appoggio nulla per seguire la legge di alzata imposta dalla camma, risulta invece oscillare con alta frequenza, giungendo alla sede con velocità diversa da zero e provocando quindi urti con eventuali rimbalzi, usure e rotture. La frequenza critica di inizio sfarfallamento, anche in questo caso vale:

c22


Risultando di poco superiore al regime dell'albero a camme, al massimo regime di rotazione del motore, si può arrivare allo sfarfallamento nei "fuori giri" che precedono un cambio di marcia tirato al limitatore.

 

Molle meccaniche per alte velocità

Le molle da competizione devono possedere essenzialmente due proprietà: avere la minima massa equivalente; avere una configurazione tale che l'energia elastica venga immagazzinata in una porzione di materiale che si muove il meno possibile durante il funzionamento. La frequenza propria di oscillazione è strettamente legata alla "velocità di scatto", ovvero alla velocità dell'estremità di una molla compressa e poi lasciata scattare liberamente che ritorna nella configurazione scarica. Questa velocità di scatto “libero” si ottiene uguagliando tra loro i valori di energia elastica e di energia cinetica. Per una data energia elastica immagazzinata, questa risulta massima quando la configurazione della molla è tale che la massa che la immagazzina si muove poco, cioè l'energia cinetica sia il più possibile rappresentata dal termine di velocità piuttosto che da quello di massa.

Ricordando che v1 rappresenta l'energia elastica, mentre form3 rappresenta l'energia cinetica ed uguagliando le due espressioni si ricava la velocità:c26 Per avere piccole velocità ‘v’ sono richieste grandi valori di massa ‘m’. Negli anni passati nel mondo delle competizioni si utilizzavano molle elicoidali, che sono molle soggette essenzialmente a torsione. Il difetto di questo tipo di molla (montaggio coassiale alla valvola) riguarda la sua massa equivalente, massa molto elevata (pari 1/3 della massa totale). La molla coassiale alla valvola, essendo una frazione relativamente elevata della massa totale, è interessata però dall'ampio moto della valvola stessa. Risulta ovvero che si tratta di una molla che si muove molto. Il risultato, a livello di frequenze proprie, non è male e provoca una sensibile massa aggiunta all'equipaggio mobile. La molla meccanica per eccellenza è la molla a barra di torsione, l'immagazzinamento dell'energia avviene in un cilindretto di piccolo diametro, con la massa concentrata attorno all'asse: una massa che praticamente non si muove, che risulta quindi avere una frequenza propria di 20 volte più alta di quella di una molla elicoidale. Questo significa che questa molla, pure ai regimi più esasperati di un motore da competizione, si comporterà, dal punto di vista torsionale, sempre in modo perfettamente statico senza onde elastiche e relativi problemi.

 

Le molle pneumatiche

Questa configurazione è molto simile a quelle delle molle di tipo elicoidale, nelle quali semplicemente il disco spingi-molla è trasformato in uno stantuffo a tenuta che comprime un gas. Questo tipo di molla si muove molto, ma risulta avere una massa quasi inesistente. Assumendo come prima frequenza quella corrispondente all'andata e al ritorno di un'onda di pressione lungo il suo asse, si trovano valori superiori di 20-30 volte rispetto alle molle elicoidali. Questa soluzione rappresenta quindi la soluzione ideale poiché libera il progettista dai vincoli vibrazionali e gli offre una maggiore libertà fluidodinamica, ovvero la possibilità di utilizzare alzate maggiori. Uno dei possibili vantaggi è quello di variare la rigidezza (variando la pressione del gas di richiamo) in funzione del regime di rotazione. L'unica complicazione consiste nell’equipaggiare il motore di un serbatoio di gas ad altissima pressione (maggiore di 100bar). Insieme all'adozione delle valvole pneumatiche si può utilizzare una soluzione a dito (Ferrari 047d (1998) Ferrari 048 (1999)): si fa cioè agire la molla anziché in modo coassiale alla valvola, a metà della lunghezza del dito. Si può dimostrare che la massa della valvola resta invariata e la sua rigidezza quadruplica, sia la prima che la seconda frequenza propria raddoppiano portando la molla al di fuori dal campo di pericolosità.

 

Il diagramma della distribuzione - parte 2

Il sistema di distribuzione è la parte più importante di quelle che interessano all'efficienza volumetrica del motore. I cicli di aspirazione e di scarico dovrebbero avere ognuno una durata di circa mezzo giro dell'albero a gomiti, o meglio di p radianti (se si apre la valvola di aspirazione al PMS e si chiude al PMI). Le valvole non si aprono però istantaneamente, bensì gradualmente ed altrettanto gradualmente si chiudono. Riferendo l'apertura alla rotazione dell'albero a camme ci si trova di fronte ad un diagramma che ha la forma di una parabola (anziché a forma rettangolare, nell’ipotesi che aperture e chiusure fossero istantanee). Se consideriamo che il flusso d'aria che entra nel cilindri subisce una riduzione per gli attriti e per le onde di compressione, ci accorgiamo che non è possibile pompare istantaneamente tutta la miscela necessaria. Si rende quindi necessario anticipare l'apertura e ritardare la chiusura delle valvole, in modo da garantire la corretta portata di miscela. Stessa considerazione può essere fatta per le valvole di scarico, anche se in questo caso il problema non riguarda la quantità di miscela da introdurre, ma la quantità di gas combusti da smaltire. Si rende necessario allora allungare le fasature e cercare dei compromessi al fine di ridurre i consumi e le emissioni di gas tossici, per avere potenze in alto e coppia in basso, etc.
Aprendo la valvola di scarico con notevole anticipo prima del PMI è ovvio che si prolungerà il tempo di scarico, a tutto vantaggio di un motore che lavora ad alto numero di giri. Quando i gas in combustione hanno quasi esaurito il loro compito di espansione spingendo giù il pistone, dopo circa 80-90° prima del PMI, un'apertura prematura della valvola di scarico sottrarrà poca potenza al motore. Entro ragionevoli limiti l'anticipo di apertura della valvola di scarico non porta a delle apprezzabili variazioni potenza, al contrario un inizio ritardato offrirà un aumento della potenza ai bassi regimi consentendo una totale espansione dei gas ed una completa combustione.
La ritardata chiusura della valvola di scarico contribuisce ad “incattivire” il motore a basso regime. La miscela aria-benzina che già ha iniziato ad entrare nel cilindro è esposta a due possibilità, può rimane nel cilindro e produrre lavoro oppure, entrando nella camera di scoppio e trovando la valvola di scarico ancora aperta, uscire attraverso il collettore di scarico scappando senza produrre alcun lavoro, se non quello di raffreddare la valvola con il suo getto fresco. Il lungo periodo di incrocio della fasatura aspirazione-scarico è l'unico motivo per cui per cui i motori da corsa tollerano un alto rapporto di compressione, sia pure con degli anticipi di accensione elevati, ad una bassa velocità di rotazione. Sebbene si verifichino tutte queste condizioni la pressione interna del cilindro rimane bassa, permettendo così un regolare funzionamento. Via via che la velocità di rotazione aumenta, la ritardata chiusura della valvola di scarico permette una migliore evacuazione dei gas, sia per l'inerzia degli stessi che per l'effetto estrattivo prodotto, nonostante permanga un fattore limitativo all'ingresso di miscela fresca nel cilindro. La ritardata chiusura della valvola di scarico riduce la potenza ai bassi e medi regimi oltre ad aumentare il consumo di carburante; oltre un certo limite può perfino ridurre la massima potenza. La chiusura anticipata della valvola di scarico contribuisce, al contrario, ad aumentare la docilità e la flessibilità del motore ai bassi e medi regimi, aiutando anche la potenza agli alti specialmente se combinata con un grande ritardo delle chiusura della valvola di aspirazione.
Il momento di apertura della valvola di aspirazione ha un grandissimo effetto sulle prestazioni del motore. Quando un valvola si apre prima del PMS il motore ha un andamento molto ruvido ai bassi regimi, dovuto al fatto che la miscela aria-benzina che entra si trova frenata dai gas di combustione ancora presenti nel cilindro che ne diluiscono il potenziale. Man mano che aumentano i giri, la condizione si stabilizza soprattutto con l'aumento della velocità e della densità della miscela che aiuta lo sviluppo del massimo numero di giri e della potenza massima. L'apertura anticipata della valvola di aspirazione uccide le prestazioni ai bassi regimi permettendone l'utilizzo solo al massimo. Un inizio anticipato, inoltre, abbassa in modo notevole la depressione nel collettore di aspirazione non consentendo l'utilizzo di comandi servoassistiti basati proprio su questa depressione.
La chiusura della valvola di aspirazione e quella che ha sicuramente la parte più importante di tutta la fasatura. La ritardata chiusura della valvola di aspirazione, con il pistone in fase di compressione dopo il PMI, contribuisce in grandissima parte ad aumentare la potenza di un motore spinto, catturando un volume maggiore di miscela aria-benzina prima che l’inversione di pressione prodotta dal pistone che sale arrivi a contrastarne l'effetto, fatto che peraltro capita ad un basso regime, poiché man mano che i giri salgono l'inerzia dei gas in entrata si contrappone efficacemente a questa azione inversa. Come sempre, qualora si esageri nel ritardare l'apertura, si può ottenere l'effetto contrario a quello desiderato ed il motore può diventare allora duro da accelerare, tale da non riuscire a raggiungere il regime al quale riuscirebbe a funzionare. Una chiusura anticipata, per contro, produce un motore flessibile che rimane pacificamente in moto ai bassi regimi, potente lungo tutto l'arco di utilizzo, comodo da guidare e pronto ad accelerare ad ogni piccola sollecitazione di alimentazione. Normalmente perciò una camma con apertura molto lunga in chiusura di aspirazione è riservata solo ai motori da corsa, destinati ad un utilizzo in un campo molto alto e molto ristretto di giri, al di sotto dei quali la potenza è nulla o quasi.

 

Distribuzioni variabili

Uno dei problemi più frequenti nella progettazione dei motori da competizione è quello di cercare di ottenere cavalli di potenza in arco molto lungo dei regimi di funzionamento del motore. Prima di tutto bisogna analizzare il tipo di vettura che si utilizza: un veicolo da rally, ad esempio, ha bisogno non tanto di prestazioni velocistiche (potenza agli alti regimi) quanto di una certa elasticità in modo che il pilota possa avere un ampio campo di motricità per avere sempre il veicolo sotto controllo. In formula uno il problema assume aspetti diversi: il pilota mantiene il motore sempre intorno al regime di massima potenza e quindi non ha il problema impellente di cercare ampi campi di elevata motricità. Il regime di rotazione del motore è quasi sempre in un range che va dai 12000 ai 18000 giri/min: non servirebbe avere coppia in basso anche se esistono delle particolari condizioni (come ad esempio curve a stretto raggio) dove può capitare che il motore lavori al di sotto di questo range. Si possono allora verificare problemi come l’insensibilità del motore alla posizione dell'acceleratore oppure che il motore arrivi a fornire più potenza riducendo il gas. Per ovviare a questi problemi si usano in formula1 delle distribuzioni variabili, capaci cioè di variare l'angolo di apertura e di chiusura, di diverso tipo per ogni costruttore e per questo dalle caratteristiche gelosamente nascoste. I sistemi di distribuzione utilizzati sono stati quella a "triplo dito" Honda VTEC con camme a profilo variabile e superfici conoidiche rigate, oppure quelle che utilizzano un asse a camme traslanti assialmente con piattelli oscillanti. Un ottimo sistema, noto perché in commercio adottato dalle Alfa-Romeo, è quello di un sistema elettro-idraulico che consente di modificare di qualche grado la fasatura dell'albero che comanda le valvole di aspirazione. Il variatore è azionato dall'olio lubrificante in pressione, inviato tramite una valvola elettromagnetica, a sua volta controllata dalla stessa centralina elettronica del sistema di accensione iniezione. Ai bassi regimi l'anticipo dell'apertura della valvola di aspirazione è ridotto per evitare che parte dei gas combusti risalgano nel collettore di aspirazione durante la fase di incrocio delle valvole. Ai medio-alti regimi, invece, l'elettromagnete chiude il foro di scarico dell'olio  cosi che la pressione sposti un pistone calettato su un gruppo di ingranaggi a denti elicoidali. Lo spostamento assiale del pistone provoca una rotazione di 7° dell'albero a camme delle valvole di aspirazione, anticipando l'apertura della valvola per migliorare il riempimento dei cilindri. Il risultato finale è un motore molto elastico e poco inquinante ai bassi regimi, contemporaneamente agli alti, con una buona erogazione di potenza. Un altro sistema potrebbe essere quello di adottare eccentrici a profilo variabile, che consentono di variare i diagrammi di movimento delle valvole facendo scorrere l'albero della distribuzione sulle sue guide. Gli eccentrici avrebbero un profilo leggermente conico, in modo che al variare della sezione dell'eccentrico in cui avviene il contatto con la punteria, si possano ottenere diagrammi di fase diversi.

 

La scelta dell'albero a camme

La parola che esprime in ogni modo le condizioni alle quali un albero a camme deve sottostare è "compromesso". Non si può avere un motore che dia una potenza 200 CV per litro e nello stesso tempo stia in moto al minimo a 800 giri riprendendo da questo regime. Normalmente un motore di questo tipo inizia ad erogare potenza sopra gli 8000 giri: al di sotto questo regime non esiste assolutamente alcuna potenza, ed è per questo motivo nella gare di tipo formula si parte facendo pattinare frizione e gomme. Se il motore dovesse scendere sotto questo minimo, dovendo sviluppare la potenza necessaria a spingere la macchina in partenza, si spegnerebbe. In un motore stradale si ottiene un buon incremento di potenza aumentando di 5 gradi le diverse fasature, il tutto senza perdere nulla ai bassi regimi e senza aumentare i consumi. L'albero di serie ha una fasatura 25-65-65-25, agevolmente si passa ad un 30-70-70-30. Passando ad 35-75-75-35 si perderebbe un poco di coppia spostando il regime di utilizzo in alto di 1000-1500giri. Un motore da rally ha un albero con fasature da 40-75-75-40, con un regime più in alto di 3000-3500giri. Per motori da velocità pura, invece, si scelgono fasature da 50-80-80-50, con una fascia di utilizzo molto in alto, che però richiedono una sostanziale trasformazione del motore e soprattutto una buona frizione, visto che sotto gli 8000 giri il motore non risulta in grado di muovere la macchina.

 

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