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Tecnica

Tecnica: camera di combustione, ecco come la geometria influenza prestazioni e costi

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Ecco come la geometria della camera di combustione influenza prestazioni e costi delle vetture

Tecnica: camera di combustione, ecco come la geometria influenza prestazioni e costi

Come tutti gli appassionati ben sanno, la camera di combustione è il vano a disposizione dei gas quando il pistone raggiunge il punto morto superiore. In altre parole si tratta dello spazio nel quale viene confinata la miscela aria-carburante al termine della corsa di compressione. Le sue dimensioni, in relazione alla cilindrata unitaria, determinano il rapporto di compressione, che influenza direttamente le prestazioni e i consumi. Per quanto riguarda invece la sua forma, il discorso è più complesso…

La camera di combustione deve consentire l’ottenimento di un alto rendimento termico. Deve pertanto permettere l’impiego di un rapporto di compressione elevato senza che si verifichi la detonazione; grande importanza hanno pertanto l’intensità e il tipo di turbolenza impartito alla miscela aria-carburante e il percorso che il fronte di fiamma deve compiere (legato anche alla posizione della candela). La “richiesta ottanica” del motore è insomma fondamentalmente legata alla geometria della camera.

Di importanza essenziale è che le perdite di calore siano ridotte al minimo; pertanto il rapporto tra la superficie e il volume della camera deve essere il più basso possibile. Sotto questo aspetto la forma ideale sarebbe quella sferica, inattuabile nella pratica. È a questo punto evidente il vantaggio derivante dalla adozione di una camera per quanto possibile compatta e dalla conformazione “pulita”, ovvero lineare. È addirittura vitale, se si vogliono avere alte prestazioni, che la camera consenta di ottenere un elevato rendimento volumetrico.

Una volta i motori delle auto di serie erano quasi tutti a valvole laterali, per ragioni di semplicità costruttiva, di costi e di sicurezza (se una valvola si rompeva, non poteva cadere nel cilindro e fare danni gravissimi; se a cedere era una molla, la valvola semplicemente rimaneva chiusa).

La classica camera di combustione a scatola di sardine per lungo tempo ha dominato la scena nei motori automobilistici di serie. Qui è mostrata quella di un motore Ford Anglia degli anni Sessanta. Si notino la distribuzione ad aste e bilancieri, con valvole parallele, e la semplice struttura della testa

Sul finire degli anni Trenta hanno iniziato ad affermarsi in maniera sempre più prepotente le distribuzioni a valvole in testa, divenute di impiego universale nel dopoguerra (anche se la Ford ha continuato a costruire auto con motori a valvole laterali fino al 1953 negli USA e addirittura fino al 1961 in Europa). La soluzione più semplice ed economica prevedeva che le valvole fossero parallele, con asse perpendicolare rispetto al piano della testa. Il pistone aveva il cielo piano e la camera era del tipo che gli inglesi chiamano bathtub e che diversi tecnici italiani definiscono “a scatola di sardine”. Questo schema ha dominato la scena per una trentina di anni. Non era il massimo né come geometria (ovvero come rapporto superficie/volume) né per quanto riguarda la respirazione del motore, dato che le valvole non potevano avere grandi dimensioni (e inoltre risultavano piuttosto “schermate” dalle pareti laterali della camera stessa).

Questa sezione mostra la camera a cuneo impiegata nel motore Fiat 128, entrato in produzione nel 1969. Le valvole sono inclinate rispetto all’asse del cilindro. La distribuzione è a singolo albero a camme in testa, mosso da una cinghia dentata

Meglio andavano le cose con le camere a cuneo (dette anche triangolari), che potevano contare su di un vigoroso squish e una considerevole concentrazione della carica nella zona della candela. Le due valvole, sempre parallele, erano notevolmente inclinate rispetto all’asse del cilindro. Interessanti utilizzazioni hanno avuto anche le camere discoidali (o lenticolari che dir si voglia), sempre con valvole parallele. Sono state pure realizzate altre camere con una conformazione che si distacca da quella a scatola di sardine; in questi casi le valvole potevano non essere parallele ma essere inclinate tra loro in una certa misura (camere “polisferiche”).

Pure nel motore Fiat Fire, apparso nel 1985, la distribuzione era monoalbero. Le camere di combustione però avevano una forma a scatola di sardine molto “aperta”, che si avvicina in una certa misura a quella lenticolare

Per diversi anni le camere Heron hanno avuto una certa diffusione. Presentano vantaggi dal punto di vista dei costi in quanto la testa è molto semplice: la sua superficie inferiore è infatti perfettamente piana, dato che le camere sono interamente ricavate nel cielo dei pistoni. Le due valvole di ogni cilindro anche in questo caso sono parallele. La turbolenza può essere elevata, grazie alle ampie aree di squish; le camere possono essere molto compatte ed è possibile adottare elevati rapporti di compressione. I pistoni sono però più pesanti e più sollecitati termicamente rispetto a quelli impiegati nei casi precedenti.

Alcuni costruttori, tra i quali la Volkswagen (l’immagine si riferisce a un motore Polo di diversi anni fa), hanno utilizzato per diverso tempo camere di combustione tipo Heron, interamente ricavate nel cielo dei pistoni

E’ opportuno ricordare che in svariati motori le camere di combustione, degli usuali tipi ricavati nella testa direttamente per fusione (ma nei modelli di altissime prestazioni si fa in genere ricorso ad accurate lavorazioni meccaniche), sono in parte ricavate nel cielo del pistone. La conformazione di quest’ultimo, che costituisce l’autentica parete mobile della camera, ha quindi una notevole importanza.

La foto mostra una testa con camere di combustione aventi una conformazione intermedia tra quella a scatola di sardine e quella polisferica. Le valvole non sono parallele ma leggermente inclinate tra loro

Nei motori con due valvole per cilindro la conformazione che consente di ottenere il rapporto superficie/volume più basso e di adottare valvole più grandi è quella emisferica. Essa permette dunque di avere i rendimenti termico e volumetrico più alti e per questa ragione è stata a lungo tipica dei motori da competizione e di quelli dei modelli di prestazioni più elevate. Le valvole sono disposte in modo da formare tra di loro un certo angolo. Mano a mano che esso cresce diventa possibile installare valvole più grandi. Per raggiungere elevati rapporti di compressione diventa però necessario allora impiegare pistoni con cielo più bombato (e quindi più pesanti); la forma della camera peggiora, il percorso del fronte di fiamma diventa maggiore e il rapporto superficie/volume aumenta. In passato sono stati raggiunti valori decisamente eccessivi, ma in seguito gli angoli sono diventati più ragionevoli, anche se ciò ha comportato l’impiego di valvole di minori dimensioni. L’adozione di camere emisferiche, che si sposano ottimamente con le distribuzioni a uno o due alberi a camme in testa, comporta costi maggiori rispetto alla soluzione che prevede camere con valvole parallele (ossia quelle descritte in precedenza).

La sezione si riferisce a un classico motore bialbero Alfa Romeo degli anni Sessanta. Le valvole sono notevolmente inclinate tra loro e la camera di combustione ha una conformazione emisferica, leggermente “sporcata” dalla bombatura del pistone, necessaria per ottenere un elevato rapporto di compressione

Il successo delle quattro valvole per cilindro, che da tempo dominano la scena nei motori di prestazioni più alte, si spiega con la possibilità di raggiungere velocità di rotazione più elevate (le singole valvole e punterie hanno un peso minore) e di disporre di maggiori sezioni di passaggio per i gas, cosa vantaggiosa ai fini del rendimento volumetrico agli alti regimi. La camera di combustione assume una forma a tetto, con un ridotto rapporto tra superficie e volume. Altre caratteristiche favorevoli sono la possibilità di disporre di ampie aree di squish e di collocare la candela in posizione perfettamente centrale. Gli angoli tra i due piani sui quali giacciono le valvole nei motori automobilistici attuali sono in genere compresi all’incirca tra 20° e 35°. Conformazioni delle camere di combustione meno favorevoli si hanno, infine, nei rari casi di distribuzioni a tre o a cinque valvole per cilindro.

Camera di combustione a tetto di un motore di Formula Uno di 3000 cm3 dei primi anni Duemila. Le quattro valvole (in titanio) giacciono su due piani che formano un angolo assai ridotto (poco più di 20°) e la candela è in posizione centrale
In alcuni moderni motori con iniezione diretta di benzina il cielo del pistone ha una conformazione particolare, atta a generare una turbolenza a vortice orientato o a deviare opportunamente il getto di carburante emesso dall’iniettore

 

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