Camme, fasi e cavalli (Prima parte)

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.