Se hai letto l'articolo Come funzionano i motori delle auto, conosci le valvole che immettono la miscela aria / carburante nel motore e lo scarico fuori dal motore. L'albero a camme utilizza lobi (chiamati cams ) che spingono contro le valvole per aprirle durante la rotazione dell'albero a camme; le molle sulle valvole le riportano in posizione di chiusura. Questo è un lavoro critico e può avere un grande impatto sulle prestazioni di un motore a velocità diverse. Nella pagina successiva di questo articolo puoi vedere l'animazione che abbiamo creato per mostrarti davvero la differenza tra un albero a camme ad alte prestazioni e uno standard.
In questo articolo imparerai come l'albero a camme influisce sulle prestazioni del motore. Abbiamo delle fantastiche animazioni che ti mostrano come sono diversi i layout del motore, come cammina in testa singola (SOHC) e doppia camma in testa (DOHC), funziona davvero. E poi esamineremo alcuni dei modi in cui alcune auto regolano l'albero a camme in modo che possa gestire diversi regimi del motore in modo più efficiente.
Cominciamo dalle basi.
Le parti chiave di qualsiasi albero a camme sono i lobi . Quando l'albero a camme gira, i lobi aprono e chiudono le valvole di aspirazione e scarico a tempo con il movimento del pistone. Si scopre che esiste una relazione diretta tra la forma dei lobi delle camme e il modo in cui il motore si comporta in diverse gamme di velocità.
Per capire perché questo è il caso, immagina di far funzionare un motore molto lentamente -- a soli 10 o 20 giri al minuto (RPM) -- in modo che il pistone impiega un paio di secondi per completare un ciclo. Sarebbe impossibile far funzionare un motore normale così lentamente, ma immaginiamo che potremmo. A questa bassa velocità, vorremmo che i lobi delle camme fossero sagomati in modo tale che:
Questa configurazione funzionerebbe molto bene per il motore fintanto che funzionasse a questa velocità molto bassa. Ma cosa succede se si aumenta il numero di giri? Scopriamolo.
Quando si aumenta il numero di giri, la configurazione da 10 a 20 giri per l'albero a camme non funziona bene. Se il motore funziona a 4.000 giri/min, le valvole si aprono e si chiudono 2.000 volte al minuto o 33 volte al secondo. A queste velocità, il pistone si muove molto rapidamente, quindi anche la miscela aria/carburante che scorre nel cilindro si muove molto rapidamente.
Quando la valvola di aspirazione si apre e il pistone inizia la corsa di aspirazione, la miscela aria/carburante nel canale di aspirazione inizia ad accelerare nel cilindro. Quando il pistone raggiunge il fondo della sua corsa di aspirazione, l'aria/carburante si muove a una velocità piuttosto elevata. Se dovessimo sbattere la valvola di aspirazione, tutta quell'aria/carburante si fermerebbe e non entrerebbe nel cilindro. Lasciando la valvola di aspirazione aperta un po' più a lungo, la quantità di moto dell'aria/carburante in rapido movimento continua a forzare aria/carburante nel cilindro mentre il pistone inizia la sua corsa di compressione. Quindi più veloce va il motore, più veloce si muove l'aria/carburante e più a lungo vogliamo che la valvola di aspirazione rimanga aperta. Vogliamo anche che la valvola si apra di più a velocità più elevate, questo parametro, chiamato alzata della valvola , è governato dal profilo del lobo della camma.
L'animazione di seguito mostra come una camme normale e una videocamera ad alte prestazioni hanno una diversa fasatura delle valvole. Si noti che i cicli di scarico (cerchio rosso) e aspirazione (cerchio blu) si sovrappongono molto di più sulla camma delle prestazioni. Per questo motivo, le auto con questo tipo di camme tendono a funzionare in modo molto irregolare al minimo.
Ogni dato albero a camme sarà perfetto solo a un regime del motore. A ogni altro regime del motore, il motore non funzionerà al massimo delle sue potenzialità. Un albero a camme fisso è, quindi, sempre un compromesso. Questo è il motivo per cui le case automobilistiche hanno sviluppato schemi per variare il profilo della camma al variare della velocità del motore.
Ci sono diverse disposizioni di alberi a camme sui motori. Parleremo di alcuni dei più comuni. Probabilmente hai sentito la terminologia:
Nella prossima sezione, esamineremo ciascuna di queste configurazioni.
Questa disposizione denota un motore con una camma per testa . Quindi, se si tratta di un motore a 4 cilindri in linea o 6 cilindri in linea, avrà una camma; se è un V-6 o un V-8, avrà due camme (una per ciascuna testa).
La camma aziona i bilancieri che premono sulle valvole, aprendole. Primavere riportare le valvole in posizione di chiusura. Queste molle devono essere molto robuste perché ad alti regimi del motore, le valvole si abbassano molto rapidamente e sono le molle che mantengono le valvole a contatto con i bilancieri. Se le molle non fossero abbastanza forti, le valvole potrebbero staccarsi dai bilancieri e scattare all'indietro. Questa è una situazione indesiderabile che comporterebbe un'usura extra delle camme e dei bilancieri.
Sui motori a camme in testa singole e doppie, le camme sono azionate dall'albero motore, tramite una cinghia o una catena chiamata cinghia di distribuzione o catena di distribuzione . Queste cinghie e catene devono essere sostituite o regolate a intervalli regolari. Se una cinghia di distribuzione si rompe, la camma smetterà di girare e il pistone potrebbe colpire le valvole aperte.
Un motore a doppia camme in testa ha due camme per testa . Quindi i motori in linea hanno due camme e i motori V ne hanno quattro. Di solito, le doppie camme in testa vengono utilizzate su motori con quattro o più valvole per cilindro:un singolo albero a camme semplicemente non può contenere abbastanza lobi delle camme per azionare tutte quelle valvole.
Il motivo principale per utilizzare le doppie camme in testa è quello di consentire più valvole di aspirazione e scarico. Più valvole significa che i gas di aspirazione e di scarico possono fluire più liberamente perché ci sono più aperture per il loro passaggio. Ciò aumenta la potenza del motore.
La configurazione finale di cui parleremo in questo articolo è il motore pushrod.
Come i motori SOHC e DOHC, le valvole in un motore pushrod si trovano nella testata, sopra il cilindro. La differenza fondamentale è che l'albero a camme su un motore con asta di spinta è all'interno del blocco motore , piuttosto che nella testa.
La camma aziona lunghe aste che salgono attraverso il blocco e nella testa per muovere i bilancieri. Queste lunghe aste aggiungono massa al sistema, aumentando il carico sulle molle delle valvole. Questo può limitare la velocità dei motori pushrod; l'albero a camme in testa, che elimina l'asta di spinta dal sistema, è una delle tecnologie del motore che ha reso possibili regimi più elevati.
L'albero a camme in un motore pushrod è spesso azionato da ingranaggi o una catena corta. Le trasmissioni a ingranaggi sono generalmente meno soggette a rotture rispetto alle trasmissioni a cinghia, che si trovano spesso nei motori a camme in testa.
Una cosa importante nella progettazione di sistemi di alberi a camme è variare la fasatura di ciascuna valvola. Esamineremo la fasatura delle valvole nella prossima sezione.
Ci sono un paio di nuovi modi in cui le case automobilistiche variano la fasatura delle valvole. Un sistema utilizzato su alcuni motori Honda è chiamato VTEC .
VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) è un sistema elettronico e meccanico in alcuni motori Honda che consente al motore di avere più alberi a camme. I motori VTEC hanno una camma di aspirazione aggiuntiva con il proprio bilanciere , che segue questa camma. Il profilo su questa camma mantiene la valvola di aspirazione aperta più a lungo rispetto all'altro profilo della camma. Ai bassi regimi del motore, questo bilanciere non è collegato ad alcuna valvola. Ad alti regimi un pistone blocca il bilanciere supplementare ai due bilancieri che comandano le due valvole di aspirazione.
Alcune auto utilizzano un dispositivo in grado di far avanzare la fasatura delle valvole . Ciò non mantiene le valvole aperte più a lungo; invece, li apre in un secondo momento e li chiude in un secondo momento. Questo viene fatto ruotando l'albero a camme in avanti di alcuni gradi. Se le valvole di aspirazione normalmente si aprono a 10 gradi prima del punto morto superiore (PMS) e si chiudono a 190 gradi dopo il PMS, la durata totale è di 200 gradi. I tempi di apertura e chiusura possono essere spostati utilizzando un meccanismo che ruota leggermente la camma in avanti mentre gira. Quindi la valvola potrebbe aprirsi a 10 gradi dopo il PMS e chiudersi a 210 gradi dopo il PMS. Chiudere la valvola di 20 gradi dopo va bene, ma sarebbe meglio poter aumentare la durata dell'apertura della valvola di aspirazione.
Ferrari ha un modo davvero accurato per farlo. Gli alberi a camme di alcuni motori Ferrari sono tagliati con un profilo tridimensionale che varia lungo la lunghezza del lobo della camma. A un'estremità del lobo della camma c'è il profilo della camma meno aggressivo e all'altra estremità è il più aggressivo. La forma della camma unisce armoniosamente questi due profili. Un meccanismo può far scorrere lateralmente l'intero albero a camme in modo che la valvola si impegni in diverse parti della camma. L'albero continua a girare proprio come un normale albero a camme, ma facendo scorrere gradualmente l'albero a camme lateralmente all'aumentare della velocità del motore e del carico, è possibile ottimizzare la fasatura delle valvole.
Diversi produttori di motori stanno sperimentando sistemi che consentirebbero una variabilità infinita nella fasatura delle valvole. Ad esempio, immagina che ogni valvola avesse un solenoide che potrebbe aprire e chiudere la valvola utilizzando il controllo del computer piuttosto che fare affidamento su un albero a camme. Con questo tipo di sistema, otterresti le massime prestazioni del motore ad ogni RPM. Qualcosa a cui guardare in futuro...
Per ulteriori informazioni su alberi a camme, fasatura delle valvole e argomenti correlati, controlla i link sottostanti.
Pubblicato originariamente:13 dicembre 2000
