Elaborare la testata di un motore

[J.Kay]

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Quando parliamo di lavorazione della testata, usiamo un'espressione abbastanza generica che in realtà può riferirsi a svariate tipologie di interventi. Il lavoro può ridursi ad una semplice lavorazione di "pulitura" e raccordatura dei condotti fino ad arrivare ad un intervento estremo, che può richiedere la sostituzione delle sedi, delle guide, delle valvole e, inoltre, uno stravolgimento della geometria e volumetria dei condotti, operazione che necessita di svariati giorni di lavoro, compiuto con una pazienza certosina ed impiegando strumenti anche abbastanza costosi.

Prendiamo, per esempio, una lavorazione relativamente conservativa, ovvero effettuata lasciando sedi e guidavalvole originali. In questo caso, il primo intervento da eseguire in rettifica è quello di asportare materiale nella parte superiore delle sedi in acciaio, in modo da guadagnare circa un millimetro sul diametro del condotto in prossimità del punto di massimo restringimento a ridosso della sede; in questo modo, si incrementa la portata di miscela aria-benzina nel cilindro, facilitando allo stesso tempo l'evacuazione dei gas combusti.

Fatto ciò, si dovrà procedere alla lavorazione dei condotti stessi, cercando di aumentare la portata senza penalizzare la velocità del flusso, per poi effettuare una finitura adatta alle esigenze specifiche dell'aspirazione e scarico. Ormai, tra i preparatori che effettivamente sanno cosa vuol dire elaborare una testata, vi è uniformità di pensiero in termini di finitura dei condotti: per l'aspirazione si punta ad una rugosità superficiale ottenuta mediante sabbiatura a grana media o per mezzo di acidi specifici (anche se quest'ultima soluzione è la meno utilizzata); per lo scarico, così come per la camera di combustione, si preferisce invece una lucidatura a specchio. La lavorazione dei condotti necessita di molta precisione in fase di realizzazione, poiché questi devono essere perfettamente identici tra loro per garantire un rendimento ottimale del propulsore; ciò può richiedere svariate giornate di lavoro, in quanto bisogna prestare la massima cautela per non danneggiare le guide e le sedi e per non finire in uno dei passaggi dell'olio o dell'acqua (rischio abbastanza remoto quando si tratta di effettuare un lavoro non estremo).

Successivamente, si dovrà passare alla lavorazione delle valvole (con la riprofilatura del fungo per adeguare la portata del condotto alle varie alzate), alla finitura e all'ottimizzazione della camera di scoppio (eliminando gli spigoli vivi responsabili di indesiderati fenomeni di detonazione) e alla raccordatura di eventuali scalini a valle delle valvole (in grado di opporre resistenza al libero fluire dei gas da e verso le luci).

La testata dovrà essere portata nuovamente in rettifica per il rifacimento del piano, al fine di garantire una perfetta tenuta e di incrementare il valore geometrico del rapporto di compressione, oltre che per ridurre l'altezza di squish, beneficiando al massimo di questo effetto.



Apriamo a questo punto due brevi parentesi, relative al rapporto di compressione e, soprattutto, al cosiddetto "squish".

Per rapporto di compressione, innanzitutto, intendiamo il rapporto tra il volume totale del cilindro (cioè cilindrata + camera di combustione) quando il pistone è al punto morto inferiore dopo la fase di aspirazione e il volume che rimane nel cilindro quando il pistone è al punto morto superiore dopo la compressione (cioè il volume della sola camera di combustione). L'aumento del rapporto di compressione è un intervento volto ad ottimizzare il rendimento termico di un propulsore e, di conseguenza, la sua resa complessiva. Il rendimento termico è determinato dal rapporto tra la quantità di calore trasformata in lavoro utile e il calore generato dalla combustione. Un motore caratterizzato da un elevato valore del rapporto di compressione ha un rendimento termico migliore: per questa ragione i motori diesel sono più efficienti, sotto questo punto di vista, rispetto a quelli alimentati a benzina, in quanto il rapporto di compressione geometrico di un diesel, in linea di massima, è doppio rispetto a quello di un motore a benzina.
Incrementando il rapporto di compressione, esistono però due limiti fondamentali, uno geometrico e uno funzionale. Il limite geometrico incorre quando si impiegano alberi a camme caratterizzati da fasature ad alzate estreme; questo limite obbliga i preparatori a inventare curiose alchimie sul cielo dei pistoni per recuperare il recuperabile (vedi innalzamento del primo segmento e realizzazione di tasselli di rialzo tra le nicchie valvola) ed ottenere un elevato rapporto di compressione evitando interferenze tra valvole e pistone. Il limite funzionale, invece, è legato all'insorgere di fenomeni di detonazione e calo di rendimento agli alti regimi; la detonazione, ricordiamo, è un fenomeno di combustione anomala che genera una vera e propria esplosione in camera di scoppio in grado di danneggiare il cilindro, la testa, il pistone, la biella e le bronzine. La miscela aria-benzina, infatti, invece di bruciare lentamente dopo essere stata accesa dalla scintilla della candela, tende ad esplodere per via dell'eccessiva pressione all'interno della camera di scoppio, generando i danni appena menzionati. Relativamente all'indurimento agli alti regimi di un motore eccessivamente compresso, ciò consegue alla tipologia di alberi a camme impiegati. Se infatti si aumenta considerevolmente il rapporto di compressione in abbinamento all'uso di un albero a camme caratterizzato da una fasatura stretta ed alzate contenute, si ottiene un motore molto ricco di coppia ai bassi regimi e duro a salire di giri. Questo fenomeno si spiega con la resistenza che ad un determinato numero di giri lo stantuffo trova nel risalire al punto morto superiore quando la carica di miscela aria-benzina non è più sufficiente. In presenza di rapporti di compressione elevati, dunque, è necessario aumentare la quantità di aria benzina aspirata ed evacuare altrettanto efficacemente i gas combusti: tutto ciò si ottiene con fasature più ampie, alzate più pronunciate e maggiore incrocio delle camme.

Quando poi parliamo di "squish", ci riferiamo ad un fenomeno che si verifica nella corona circolare esterna della camera di scoppio, dove i gas freschi, sotto l'azione di compressione dello stantuffo, acquisiscono una certa turbolenza indirizzata verso la parte centrale della camera di scoppio per prendere parte alla combustione. L'ottimizzazione dello squish, derivante dalla migliore conformazione della corona circolare della camera di scoppio grazie allo studio degli effetti di determinate geometrie e della distanza tra camera di scoppio e pistone quando quest'ultimo raggiunge il punto morto superiore, consente di creare una turbolenza orientata verso il centro della camera di combustione, permettendo uno sfruttamento ottimale della miscela presente nel cilindro e permettendo di raggiungere un rendimento termico più elevato, riducendo al contempo il rischio di detonazione e diminuendo la quantità di gas incombusti emessi in fase di scarico. Immaginiamo la camera di combustione come un caminetto: al centro la legna arde completamente, mentre man mano che ci si allontana dalla fiamma principale non brucia più correttamente, fino ad arrivare al punto che, all'esterno, non prende assolutamente parte alla combustione. Nella camera di scoppio avviene una cosa simile e sfruttando lo squish è come se con la paletta del nostro camino spostassimo la legna non bruciata verso il centro della fiamma, dove avremo sicurezza che bruci e scaldi la casa. Dello squish dobbiamo analizzare tre grandezze fondamentali: la superficie di banda, l'inclinazione, l'altezza.

La superficie è quella zona, creata in fase di realizzazione della testata, in cui l'effetto si verifica. Nei motori a 2 tempi, la banda di squish ha forma toroidale, ovvero ha la forma di un anello esterno con un'area compresa tra il 35 e il 50% della superficie totale della testa; nei motori a 4 tempi, ciò non può avvenire perché le valvole impediscono di realizzare una banda ideale di forma toroidale e, in prossimità delle sedi valvola, si hanno delle grosse restrizioni della superficie in questione.

L'angolazione è, appunto, l'angolo che si forma tra il cielo del pistone e la banda. Per evitare l'insorgere della detonazione, sarebbe logico poter lavorare con un angolo positivo tra il margine esterno della camera verso l'interno, in modo da convogliare la turbolenza verso il centro della camera di scoppio. Nei 4 tempi, nella stragrande maggioranza dei casi, abbiamo un perfetto parallelismo tra banda di squish e pistone. Nei due tempi, dove questo fenomeno viene sfruttato in modo più estremo, l'angolo può essere positivo (aperto verso il centro della camera di scoppio); vi può essere parallelismo tra banda e pistone o, addirittura, un angolo negativo: le tre angolazioni vengono sfruttate, in base alla tipologia della testata (emisferica o troncoconica), per ottimizzare l'erogazione ai bassi e medi regimi (angolo di squish negativo, su moto da fuoristrada) o per migliorare il rendimento agli alti regimi (angolo di squish positivo, su moto da velocità).

Per lo sfruttamento ottimale del fenomeno di squish, però, è fondamentale soprattutto l'altezza. Con questo termine si indica la distanza al punto morto superiore tra il pistone e la banda di squish e si misura inserendo una barretta di stagno all'interno della camera di scoppio facendo compiere un paio di giri del motore a mano. Gli effetti benefici di ciò si possono ottenere, sui motori più diffusi sia a 2 che a 4 tempi da auto o moto, con altezze comprese tra gli 1,2 mm fino ad arrivare a limiti estremi di 35/100 mm, a seconda della corsa del motore. Più si riduce l'altezza di squish, più si incrementa la turbolenza in quella zona e, ovviamente, più si riesce a sfruttare questo effetto per ottimizzare la combustione; ma c'è un però... Con un'altezza troppo ridotta, si può paradossalmente rischiare di incorre in fenomeni di autoaccensione e/o detonazione per via delle fortissime pressioni che si generano in quella determinata zona. Per lavorare con altezze minime è indispensabile disporre di benzine ad alto potere antidetonante, ovvero caratterizzate da un numero d'ottano estremamente elevato così come avviene quando si incrementa il rapporto di compressione o quando si innalza la pressione di sovralimentazione.

Ma torniamo adesso al discorso originario.



Anche le sedi valvola dovranno essere riviste, sia per ottenere una tenuta ottimale che, eventualmente, per migliorare la portata del condotto attraverso una riprofilatura dell'ultimo tratto.

In fase di rimontaggio, si dovranno necessariamente impiegare una serie di guarnizioni, gommini di tenuta e bulloni della testata nuovi, per avere la certezza che, una volta rimontato il tutto, non si manifestino problemi di tenuta: un costo non indifferente, ma anche un'ottima assicurazione contro un indesiderato nuovo smontaggio del motore causato da un trafilaggio...

Un abbassamento consistente del piano può determinare un ritardo nella distribuzione rispetto ai riferimenti di fasatura di serie presenti su motore e pulegge: non è raro trovare 3° di ritardo della distribuzione spianando circa 7/10 di mm della testata. Per ovviare a questo problema, è necessario effettuare la messa in fase con goniometro e comparatore, per evitare di montare erroneamente l'albero a camme.

E' ovvio che l'elaborazione di una testata realizzata in questo modo comporta una spesa eccessiva, ma l'incremento in termini di potenza e qualità dell'erogazione ottenibile è tale, sia su un motore aspirato che su uno sovralimentato, da essere pienamente giustificata, soprattutto su unità di grande serie con scarse velleità sportive. Un lavoro ben fatto su un propulsore 16 valvole può portare ad aumenti variabili da 1,5 a 4 cavalli per cilindro (escluso i vantaggi garantiti da un'eventuale incremento del rapporto di compressione), a seconda dell'efficienza dei componenti originali, della cilindrata e del tipo di elaborazione.

C'è da sottolineare che, per via della necessità di ridurre le emissioni inquinanti (sia gassose che sonore), le testate dei motori attuali sono penalizzate in termini di portata effettiva e le elaborazioni sono sempre più in grado di garantire incrementi consistenti.

Numerosi preparatori, su questo tipo di interventi, fanno un forfait sul prezzo, in quanto, applicando una tariffa oraria, nessuno accetterebbe mai un preventivo per ottimizzare la testata del proprio motore. I risultati saranno comunque molto interessanti, soprattutto montando alberi a camme con un profilo più spinto dell'originale, montando un impianto di scarico caratterizzato da una minore contropressione rispetto a quello di serie e procedendo ad una corretta riprogrammazione della centralina elettronica, sia in base alle nuove esigenze respiratorie del motore (variazioni sui tempi di iniezione) che all'eventuale incremento del rapporto di compressione (anticipo di accensione).

Le lavorazioni più estreme, basate sul montaggio di valvole di maggiore diametro in abbinamento a nuove sedi e guide, possono richiedere spese decisamente più elevate sia in termini di lavorazione manuale che in sede di rettifica: per una elaborazione di questo tipo, per esempio sempre su un motore 4 cilindri 16 valvole, si può anche arrivare ad un costo superiore ai 2500 euro.

Riguardo all'affidabilità del propulsore dopo una elaborazione standard (ovvero lasciando valvole, sedi e guide originali e senza esagerare con l'aumento del rapporto di compressione), non si dovrebbero correre rischi particolari, a patto che i guidavalvole non siano stati accorciati troppo (altrimenti si potrebbe verificare un eccessivo consumo d'olio in un lasso di tempo relativamente breve), che le valvole non siano state esageratamente sfinate e che il punto di contatto tra sede e valvola non sia stato ridotto ai minimi termini (in caso contrario, si manifesterà un rapido calo di rendimento del motore dovuto alla perdita di tenuta dell'accoppiamento valvole-sedi).

Effettuando lavori di maggiore entità, il rischio è di trovarsi con una sede che "cade" nel cilindro o con delle porosità che si aprono nei condotti, facendo trafilare acqua e/o olio: per questa ragione è sempre meglio rivolgersi ad un preparatore che conosca bene la testata su cui andrà ad operare, affidare i restanti lavori ad un'officina di rettifica ben attrezzata e gestita da persone competenti e, come accennato, riprogrammare la centralina in modo corretto; inoltre, è necessario tenere bene in considerazione le mutate caratteristiche respiratorie del motore, soprattutto se è stato incrementato il rapporto di compressione in modo consistente; infine, sarà bene evitare di eccedere con i valori di anticipo, se non ci si vuole ritrovare con un pistone in meno.





tratto da ELABORARE

 

[Skualo156TI]

L'albero a camme

L'albero a camme è un albero con parti eccentriche calettate, atto a trasmettere particolari leggi di moto agli elementi che vi sono a contatto. Nei motori a scoppio è l'albero responsabile della distribuzione su cui sono montati degli eccentrici, detti "camme", forzate su un tubo in acciaio cementato o costituenti un tutt'uno forgiato, che comandano l'apertura e la chiusura delle valvole.

L'albero a camme viene azionato dall'albero motore rispetto a cui ruota (nel motore a quattro tempi) a velocità angolare dimezzata e al quale è collegato tramite catena o cinghia, più raramente con una cascata di ingranaggi, generalmente su motori sportivi o da competizione. La forma degli eccentrici è determinante ai fini delle prestazioni in quanto regola il diagramma di apertura, fasature e ampiezze, e anche ai fini della rumorosità in quanto regola l'impatto tra valvole e sedi delle stesse. Oggi si prospettano motori "camless".
Il principio è quello di trasformare un movimento rotatorio, in uno alternativo.

Camme

Il profilo delle camme è caratterizzato appunto da un'eccentricità più o meno marcata (alzo). Nei motori attuali l'albero a camme è situato generalmente al di sopra della testata, con tale disposizione prende il nome di albero a camme in testa, e comanda le valvole mediante punterie a bicchiere.

A seconda del numero di valvole per cilindro e della disposizione dei cilindri ci possono essere più alberi a camme anche se generalmente non superano i due per bancata. Altri sistemi prevedono prima delle valvole vari rimandi meccanici quali aste o bilanceri, sistemi comunque progressivamente abbandonati per il maggior numero di parti in movimento.

L'importanza dell'albero a camme

Gli alberi a camme, dato che decidono di quanto deve aprirsi la valvola, hanno una fortissima voce in capitolo per quanto riguarda le prestazioni delle vetture. Il variatore di fase, infatti, posto di norma su entrambi i lati, permette appunto di variare di quanto deve essere il tempo di apertura della valvola. Aumentandolo, si ha un maggiore riempimento della camera di combustione con conseguente aumento di potenza.

La variazione della fase di scarico, invece, permette di aumentare l'incrocio valvole, ovvero la fase in cui sono aperte contemporaneamente (dopo lo scoppio della miscela) sia le valvole di aspirazione sia quelle di scarico, in modo che i gas incombusti vengano espulsi fuori dalla camera grazie all'entrata della nuova miscela. In questa delicata fase, si perde una piccola percentuale di miscela, ma il vantaggio che se ne ricava, è un forte lavaggio della camera di combustione che così ad ogni scoppio è sempre "pulita" e raffreddata a dovere.

Se a questo associamo anche il variatore di alzata, che modifica l'escursione in millimetri della valvola, otteniamo un motore in grado di erogare più di 100 cv/l.

Queste ultime considerazioni ci fanno capire quanto sia importante l'asse a camme, un elemento tante volte trascurato ma tuttavia uno dei primi su cui si va ad agire quando si vuole aumentare la potenza di un motore in modo meccanico e non elettronico.