Il sistema di distribuzione – Motore a 4 tempi

Il sistema di distribuzione – Motore a 4 tempi – Principi di funzionamento dei sistemi di distribuzione che regolano le fasi di aspirazione e scarico di un motore quattro tempi

Introduzione
Con il nome distribuzione si indica l’insieme degli organi del motore il cui compito è quello di regolare l’apertura e la chiusura delle valvole di aspirazione e scarico. Una distribuzione tipo è

composta sostanzialmente da valvole, tradizionalmente una per la luce di aspirazione ed una per quella di scarico, da un albero che comanda l’apertura e la chiusura delle stesse mediante eccentrici o camme, e da una serie di organi atti ad imporre un moto di andata ed un moto retrogado al sistema (punterie, aste, bilancieri, bicchierini). In pratica le valvole vengono sollevate dalle loro sedi grazie alla conformazione degli eccentrici, mentre vi ritornano per opera della forza di richiamo esercitata dalle molle ad elica cilindrica montate coassialmente allo stelo delle stesse.

Le punterie
La punteria è l’organo che permette la trasmissione del moto tra eccentrico ed asta o tra eccentrico e valvola a seconda del posizionamento dell’albero a camme come vedremo più avanti. L’utilizzo delle punterie è necessario per abbassare le elevate pressioni specifiche che altrimenti si avrebbero tra stelo della valvola e camma a causa delle ridotte superfici di contatto. È bene, infatti, ricordare che la sollecitazione (che in questo caso assume il valore di pressione di contatto) è definita in generale come:

σ=F/S

è immediato osservare che al diminuire della superficie di contatto, ferma restando la forza esercitata, la sollecitazione non può che crescere. Proprio a causa delle elevate sollecitazioni in gioco, gli alberi a camme sono realizzati in acciaio e ghisa e normalmente vengono cementati o carbonitrurati in corrispondenza degli eccentrici al fine di aumentarne la durezza superficiale. Il movimento della valvola è comunque governato dal profilo dell’eccentrico, il quale deve essere progettato attentamente per evi.tare eccessive accelerazioni e sollecitazioni imposte ai vari particolari da questo comandati. È bene fare una piccola riflessione su queste affermazioni squisitamente qualitative. Oggigiorno è facilissimo trovare motori ad accensione comandata (motori a benzina) capaci di raggiungere impunemente 6.500 giri/min ed anche più. A 6.500 giri/min il tempo impiegato da un albero motore a compiere un giro completo è pari a:

t=60/6.500=0,009 s

e se si tiene conto che ogni giro corrisponde a due fasi abbiamo che ognuna di esse dura:

t_f=0,009/2=0,0045 s.

In questo brevissimo tempo la valvola deve aprirsi, permettere il passaggio di una certa quantità di fluido e quindi chiudersi. A questo punto forse abbiamo acquisito un po’ più di sensibilità sull’enorme lavoro a cui sono sottoposte le valvole ed i restanti organi della distribuzione che servono a muoverle. Ritornando agli eccentrici, si può dire che essi possono azionare le valvole sostanzialmente in tre modi diversi:
– mediante punterie a bicchiere,
– mediante bilancieri a dito,
– mediante bilancieri a due braccia.

Le punterie a bicchiere hanno la regolazione che avviene mediante l’inserimento di piattelli calibrati. Per il calcolo del tipo di piattello è sufficiente utilizzare la seguente relazione:

S_p=G_m+S_pm-G_t

essendo S_p=spessore piattello da inserire, G_m=gioco misurato, S_pm=spessore misurato del piattello consumato e G_t=gioco teorico corretto. Nel caso dei bilancieri a dito la regolazione del gioco avviene molto più semplicemente alzando o abbassando il fulcro del bilanciere. Per i bilancieri a due braccia la regolazione del gioco avviene per mezzo di una vite di registro che si trova in genere o tra asta e bilanciere o tra asta e punteria.

Gli eccentrici
Come vedremo in modo più preciso successivamente, quando la valvola è chiusa la punteria è a contatto con il cosiddetto cerchio di base dell’eccentrico. Durante la rotazione dell’albero a camme si ha la rotazione dell’eccentrico il quale provoca l’alzamento della valvola mediante il cosiddetto naso della camma (o cerchio di testa). Il cerchio di base ed il nasello della camma sono raccordati con una zona del profilo che prende il nome di fianco dell’eccentrico.

Le valvole
La tipica conformazione della valvola oggi universalmente adottata è composta da una testa a forma di fungo e da uno stelo, o gambo. Quest’ultimo è quella parte della valvola che scorre nella guida talvolta ricavata nella testa. L’estremità dello stelo è accoppiata ad uno scodellino su cui agisce la molla di richiamo; in questo caso due semiconi assicurano l’accoppiamento tra molla e stelo. Infine, per quanto riguarda il fungo, si tende a disegnarlo con un angolo al vertice rispetto all’asse della valvola in genere di 45°, anche se angoli compresi tra 25° e 30° assicurano una migliore tenuta. Le valvole di aspirazione generalmente vengono costruite con acciai al nichel cromo o al cromo-silicio e vengono temprate per resistere alle elevate sollecitazioni meccaniche. Per le valvole di scarico sottoposte a più elevati stress termici il discorso è più complesso. In linea di principio si usano acciai austenitici al nichel-cromo, ma nel caso di motori spinti si può arrivare ad utilizzare valvole bimetalliche che meglio sopportano il salto termico esistente tra gambo e fungo. Nei motori da competizione, e in quelli turistici molto

spinti, spesso si fa uso di valvole cave riempite parzialmente con sali di sodio, i quali hanno la proprietà di liquefarsi intorno ai 100 °C e fluendo tra gambo e fungo permettono una migliore conduzione di calore tra la zona a temperatura più bassa e quella a temperatura più alta. L’accoppiamento tra valvole e testata del motore avviene mediante sedi direttamente ricavate nella testa se quest’ultima è fabbricata in ghisa. Nel caso in cui la testa sia in alluminio si provvede ad inserire, con un accoppia.mento con interferenza, le sedi costituite da materiali più duri come la ghisa o gli acciai fortemente legati. A volte si possono utilizzare dei riporti di stellite.

La posizione degli alberi a camme
La disposizione delle valvole è piuttosto diversificata da motore a motore in termini di posizionamento all’interno della camera di combustione. Il comando delle valvole, invece, può avvenire sostanzialmente attraverso due metodi, che si distinguono in funzione del posizionamento dell’albero a camme. Avremo allora motori con albero a camme nel basamento ed altri con albero a camme in testa. Le differenze qualitative tra le due soluzioni possono apparire più chiare se si analizzano i sistemi singolarmente. Il motore con albero a camme posizionato nel basamento si presenta solitamente nella configurazione ad aste e bilancieri. Ciò significa che per arrivare a pilotare le valvole che sono alloggiate nella testa questi motori hanno necessariamente bisogno di una serie di leverismi capaci di trasformare il moto rotatorio dell’albero a camme, e quindi dell’eccentrico, in moto rettilineo alternato delle valvole. Una tipica distribuzione ad aste e bilancieri è costituita dai seguenti organi: albero a camme, punterie, aste, viti di registro, bilancieri, molle e valvole. Lo svantaggio di questo sistema è rappresentato dalla maggiore massa degli organi in gioco. Si tenga anche conto del fatto che comunque il carico della molla deve essere tale da riuscire a vincere le inerzie di tutti i componenti in moto alternato. Ciò significa che nel caso di motori ad aste e bilancieri si ha uno spreco di potenza anche dovuto al fatto che risulta necessario comprimere molle con rigidezza elastica più elevata. Se indichiamo con F_m il carico che deve avere la molla possiamo calcolarlo considerando la massa “m” di tutti gli organi della distribuzione dotati di moto alterno e la loro accelerazione “a”. Quest’ultima, nel caso degli eccentrici che più comunemente vengono utilizzati, è ottenuta mediante la seguente relazione:

a=(ω/2)² ∙ h

essendo chiaramente ω la velocità angolare dell’albero motore e h il valore dell’alzata. La divisione per il termine 2 della velocità angolare si spiega tenendo presente che l’albero della distribuzione ruota ad una velocità pari alla metà dell’albero motore. In definitiva otteniamo che il carico della molla è dato da:

F_m=m ∙ (ω/2)² ∙ h.

L’equazione appena scritta ci dice chiaramente che il carico della molla cresce all’aumentare rispettivamente delle masse dotate di moto alterno, del numero di giri ed anche dell’alzata. Questi sono i motivi per cui in generale i motori ad aste e bilancieri non raggiungono elevati regimi di rotazione. Detto ciò rimane a favore della distribuzione ad aste e bi.lancieri il grandissimo e non trascurabile vantaggio di poter rimuovere la testa senza toccare la fasatura della distribuzione. Questo grazie al fatto che nella soluzione ad aste e bilancieri il collegamento tra albero motore e albero a camme non coinvolge la testata. Nel caso di un motore con albero a camme in testa il complesso della distribuzione ha il vantaggio di essere molto semplificato rispetto a quello con aste e bilancieri grazie al minore numero di organi in gioco. Nulla vieta comunque di avere soluzioni ad aste e bilancieri anche nel caso di albero a camme posizionato in testa (si vedano le figure riportate). La soluzione con albero a camme in testa presenta, al contrario, una difficoltà costruttiva fondamentale: la realizzazione del collegamento tra albero motore e albero a camme. Questa maggiore complessità non ha comunque negato l’imporsi di questo schema della distribuzione, che è certamente più affidabile e nello stesso tempo più silenzioso. Il problema di collegare l’albero motore con quello a camme è stato risolto mediante l’utilizzo di cinghie o di catene.

La fasatura della distribuzione
Analizziamo ora il ciclo di apertura delle valvole. Questo non è un comando che può essere eseguito istantaneamente; ciò implica la necessità di iniziare l’apertura prima che il pistone si trovi nel punto in cui la valvola deve essere completamente aperta. Il punto in cui si inizia ad aprire la valvola viene riferito ad un angolo dell’albero motore. Si definisce angolo di anticipo di apertura quello compreso tra il raggio di manovella e l’asse del cilindro del pistone interessato, avendo l’accortezza di considerare lo stesso con il verso di rotazione del motore. Quindi dire che una valvola di aspirazione si apre con un angolo di anticipo pari a 20° significa che quando il pistone si trova nella posizione tale per cui manca.no 20° al raggiungimento del PMS (punto morto superiore) la valvola comincia il processo di apertura. Analoga osservazione può essere fatta per la chiusura della valvola, riferendo sempre la posizione dell’albero motore rispetto a quella del PMI o PMS. Si tenga conto che quando si considera il ciclo teorico a 4 tempi di un motore a combustione interna, si è soliti valutare la fase di aspirazione come quella corrispondente allo sposta.mento del pistone dal PMS al PMI (punto morto inferiore). È chiaro che ciò non può avere riscontro nella realtà proprio per il fatto che l’apertura della valvola non è un processo istantaneo. Vedremo a breve che gli angoli di anticipo sull’apertura e sulla chiusura delle valvole caratterizzano il comportamento del propulsore in modo determinante. Ed è anche su questi angoli che molti preparatori si sbizzarriscono per spremere maggiori cavalli dal motore. Valori caratteristici dell’anticipo di apertura dell’aspirazione rispetto al PMS sono tra 5° e 15° e questo per cercare di ottenere un azionamento della valvola progressivo ed uniforme. In questo modo si arriva ad avere la completa apertura nel momento in cui il pistone inizia a generare depressione all’interno del cilindro. Al fine di permettere un ottimo riempimento del cilindro la successiva chiusura avviene con un ritardo pronunciato che normalmente è compreso tra i 35° e i 70° dopo il PMI. Questo stratagemma permette di sfruttare al massimo l’inerzia acquistata dalla carica fresca in ingresso. Si pensi infatti che la carica fresca ha una velocità che può raggiungere valori elevati nel punto del condotto a sezione minore. Tutto ciò significa che la miscela continua ad affluire nel cilindro anche dopo che il pistone ha superato il PMI. L’efflusso di miscela fresca permette alle valvole di aspirazione, generalmente, di lavorare a temperature intorno ai 500 °C. Durante la fase di espansione nell’ultima parte della corsa del pistone, il lavoro utile prodotto dai gas è basso. Esso può essere sacrificato a favore della fase di scarico, per far defluire con maggiore facilità i gas combusti. Un effetto di richiamo dei gas combusti nei confronti della carica fresca può essere ottenuto alla fine della fase di scarico a patto di avere in contemporanea apertura parziale la valvo.la di aspirazione e quella di scarico. Questa fase prende il nome di incrocio e risulta determinante ai fini delle prestazioni del motore. Si tenga conto infatti che i gas combusti escono dalla camera di combustione con velocità prossi.me a quella del suono, per cui la depressione da loro generata risulta importante. In questa fase le valvole di scarico vengono lambite dai gas combusti con temperature prossime agli 800-900 °C. È altresì evidente che se si anticipa troppo l’apertura della val.vola di scarico si rischia di ottenere l’effetto indesiderato di permettere la fuoriuscita di carica fresca di.rettamente nel collettore di scarico. L’anticipo sull’apertura della valvola di scarico è quindi tipicamente un valore compreso tra i 35° ed i 65° prima del PMI. La chiusura della val.vola di scarico verrà ritardata di un angolo compreso tra i 2° ed i 30° dopo il PMS. La scelta che fa il costruttore nel determinare i cicli di apertura e chiusura delle valvole è un compromesso per fornire al cliente comunque un motore che abbia un buon tiro ai bassi regimi e che assicuri una buona potenza massima. È necessario, però, limitare i consumi e le emissioni nocive fortemente influenzate dai fenomeni descritti. Come si può capire facilmente si tratta di caratteristiche spesso in antitesi tra loro. Per la scelta dei valori di anticipo e di ritardo si

possono tenere presente le seguenti osservazioni.

Gli istanti di apertura e di chiusura della valvola di aspirazione influenzano moltissimo la potenza e l’elasticità del motore, mentre l’influenza degli istanti di apertura e chiusura della valvola di scarico fanno sentire in maniera un po’ più blanda il loro effetto. In particolare un anticipo elevato sull’apertura della valvola di aspirazione (valori maggiori di 25°) garantisce un buon riempimento del cilindro verso gli alti regimi di rotazione, ma sacrifica la coppia e la potenza ai bassi. L’istante di chiusura della valvola di aspirazione è forse il parametro più importante per aumentare la potenza del propulsore. Ritardi elevati aumentano moltissimo il riempimento volumetrico e addirittura oltre i 65° si sposta l’erogazione della potenza tutta in alto come nei motori da competizione. Per quanto riguarda la valvola di scarico si può dire che non si rilevano grosse variazioni nel comportamento del propulsore per anticipi di apertura non oltre i 60°. Anzi ritardando l’apertura è possibile incrementare lievemente la coppia ai bassi regimi. La chiusura della valvola di scarico eccessivamente ritardata aumenta, invece, i consumi e abbassa l’elasticità del motore. Poiché durante lo svolgersi di un intero ciclo a 4 tempi le valvole di aspirazione e di scarico effettuano una corsa di apertura ed una di chiusura, significa che l’albero a camme ruota ad una velocità che è pari alla metà di quella dell’albero motore.

Per un propulsore che, ad esempio, ruota a 5.000 giri/min si ha un regime di rotazione dell’albero a camme pari a 2.500 giri/min. Queste considerazioni fanno intuire come sia importante avere valvole leggere. Per la loro costruzione dunque bisogna utilizzare materiali avanzati e comunque devono essere dimensionalmente piccole (riduzione della massa inerziale), cosa che risulta in contrasto con la necessità di avere ampie sezioni di passaggio.

Per avere comunque un’ampia sezione di efflusso i costruttori si sono ormai universalmente orientati verso i propulsori plurivalvole (4 o 5 valvole per cilindro). Terminiamo questa parte introduttiva sulla distribuzione ricordando che le poche nozioni sin qui viste rappresentano un’analisi esclusivamente qualitativa, ma sono comunque il fondamento per poter procedere ad una descrizione dettagliata dei componenti che costituiscono la distribuzione stessa.