Tecnica e storia

Dove nascono i cavalli: le camere di combustione

- L’energia che fa funzionare i motori viene sviluppata nelle camere di combustione, la cui forma è determinante

Da tempo i motori motociclistici di prestazioni più elevate hanno invariabilmente una distribuzione bialbero e quattro valvole per cilindro. Ciò consente loro di disporre di grandi sezioni di passaggio per i gas che entrano ed escono dai cilindri e di avere camere di combustione dalla forma molto razionale.

Questo schema standardizzato ormai da tempo fa sì che queste ultime sembrino tutte uguali, ma le cose stanno un poco diversamente. In questo campo infatti anche i dettagli contano…

Alla fine della corsa di compressione il pistone raggiunge il punto morto superiore e la miscela aria-carburante viene concentrata nella camera di combustione. Il volume di quest’ultima è quindi il più piccolo spazio a disposizione dei gas durante il ciclo di funzionamento del motore. Per ridurre al minimo le perdite di calore (e avere quindi un elevato rendimento termico) il rapporto tra la superficie delle pareti e il volume della camera deve essere il più basso possibile.

La forma più favorevole sotto questo aspetto è quella emisferica e infatti sui motori motociclistici a due valvole (inclinate tra loro) vengono appunto impiegate camere di questo tipo. Per avere una buona respirazione le valvole devono avere grandi dimensioni e di conseguenza tra di esse non rimane che uno spazio assai ridotto. Le due sedi sono molto vicine e in certi casi addirittura arrivano a toccarsi. La candela non può quindi essere collocata in posizione centrale, ideale in quanto riduce al minimo la distanza che il fronte di fiamma deve percorrere per propagare la combustione in ogni punto della camera.

Lo stato dell’arte per quanto riguarda i motori di alte prestazioni è ben mostrato in questa foto: camere di combustione a tetto con quattro valvole e candela collocata centralmente in modo da ridurre al minimo il percorso del fronte di fiamma
Lo stato dell’arte per quanto riguarda i motori di alte prestazioni è ben mostrato in questa foto: camere di combustione a tetto con quattro valvole e candela collocata centralmente in modo da ridurre al minimo il percorso del fronte di fiamma

Nei motori di alte prestazioni da diversi anni a questa parte si impiegano quattro valvole per cilindro e le camere di combustione sono a tetto.
Teoricamente tale forma è meno vantaggiosa rispetto a quella emisferica per via del rapporto superficie/volume lievemente maggiore, ma la cosa è compensata dal fatto che candela può essere piazzata proprio al centro della camera.
Ai fini del rendimento termico quindi la situazione è analoga. Le cose stanno però ben diversamente per quanto riguarda il rendimento volumetrico (e la possibilità di raggiungere regimi elevatissimi); sotto tale punto di vista infatti le teste a quattro valvole risultano nettamente superiori.

Quando si parla di camere di combustione non si deve dimenticare che oltre alle pareti ricavate nella testa del motore ce ne è un’altra, ossia quella mobile, costituita dal cielo del pistone, la cui conformazione ha una influenza tutt’altro che trascurabile.
Il fronte di fiamma deve dunque percorrere la minima distanza possibile (con quel dato alesaggio); sono però importanti anche le modalità con le quali esso si propaga.

In passato nei motori di alte prestazioni si adottavano grandi angoli tra le due valvole e per ottenere rapporti di compressione elevati era necessario impiegare pistoni con il cielo molto bombato. In questo modo si potevano installare valvole molto grandi (dato il forte angolo) e si innalzava il rendimento termico (grazie all’elevato rapporto di compressione). C’erano però notevoli svantaggi perché il pistone era pesante e assorbiva una cospicua quantità di calore, data la grande superficie esposta ai gas in combustione.
Ancora peggiore era la situazione per quanto riguarda la combustione, con il fronte di fiamma costretto a compiere un percorso lungo e tutt’altro che lineare, tra l’altro propagandosi attraverso uno spazio di altezza ridotta.

La camera tendeva ad assumere una forma a scorza d’arancia, ben distante da quella realmente emisferica e la durata della combustione era elevata, cosa che costringeva ad impiegare anticipi di accensione decisamente grandi. È per questa ragione che, anche con alesaggi tutt’altro che cospicui, in diversi motori risultava vantaggioso l’impiego di due candele per cilindro.

 

Il cielo del pistone costituisce la parete mobile della camera di combustione e la sua conformazione ha quindi una notevole importanza. Nei moderni motori di alte prestazioni si fa in modo che esso sia per quanto possibile piano (la cosa è agevolata dal ridotto angolo tra le valvole). In genere però gli incavi per i funghi delle valvole sono bene evidenti
Il cielo del pistone costituisce la parete mobile della camera di combustione e la sua conformazione ha quindi una notevole importanza. Nei moderni motori di alte prestazioni si fa in modo che esso sia per quanto possibile piano (la cosa è agevolata dal ridotto angolo tra le valvole). In genere però gli incavi per i funghi delle valvole sono bene evidenti

Dunque, la camera di combustione deve essere compatta in modo da avere un basso rapporto tra la superficie e il volume e da consentire al fronte di fiamma di compiere un percorso breve.
Fermi restando l’alesaggio e il tipo di camera (emisferica o a tetto), al diminuire dell’angolo tra le valvole quest’ultima risulta più raccolta. Inoltre un eguale rapporto di compressione può essere ottenuto con un pistone dotato di un cielo meno bombato, il che come visto è vantaggioso ai fini della “pulizia” della camera stessa.

Riducendo l’angolo in questione però diventa minore il diametro delle valvole che è possibile impiegare; per loro infatti c’è meno spazio. Se poi ci si spinge al di sotto di certi valori, avvicinandosi addirittura ad avere le valvole parallele, la forma della camera tende a diventare discoidale e molto appiattita (in presenza di rapporti di compressione elevati) e quindi meno vantaggiosa. Occorre perciò una scelta di compromesso.
Alla fine nei motori con quattro valvole per cilindro di elevate prestazioni si è standardizzata la soluzione che complessivamente consente di ottenere le migliori prestazioni e che da tempo viene impiegata in pratica universalmente, con un angolo tra le valvole dell’ordine di 20°-28°.

Ai fini della compattezza della camera ha una notevole importanza anche il rapporto tra la corsa e l’alesaggio del motore. Se esso è elevato la camera, pur mantenendo la stessa forma e lo stesso angolo tra le valvole, diventa più raccolta. Diminuisce cioè il rapporto superficie/volume, con ovvi vantaggi ai fini del rendimento termico.
E' per questa ragione che in campo automobilistico, ove è vitale l’esigenza di ridurre i consumi (ai quali sono legate le emissioni di CO2), i costruttori si sono da tempo orientati verso motori a corsa lunga per numerosi modelli della loro gamma.

Un elevato rapporto corsa/alesaggio però è svantaggioso ai fini della respirazione e quindi delle prestazioni; al suo aumentare infatti diminuiscono le dimensioni delle valvole che è possibile installare (ferma restando ovviamente la cilindrata unitaria). Inoltre, a parità di regime di rotazione aumenta la velocità media del pistone.
Nei motori di alte prestazioni si adottano quindi sempre alesaggi nettamente più grandi delle corse.

  • dascaltr, Milano (MI)

    bell´articolo. Da appassionato di tecnica e meccanico per hobby, penso che sarebbe interessante spiegare al grande pubblico il perchè di soluzioni particolari e molto complicate, spiegandone vantaggi e svantaggi, alcune delle quali in uso ancora oggi (penso ai vecchi modelli Yamaha con 5 valvole per cilindro, ci sono state modifiche su ducati con 6 valvole per cilindro, penso alle mv agusta con valvole radiali, se non sbaglio adottate anche da aprilia su dei monocilindrici tipo Pegaso, o a quello che sarebbe il mio sacro graal se mai riuscissi a metterci sopra le mani, nonostante il prezzo folle e l´affidabilità risibile: la honda 4 cilindri a v con pistoni ovali, 2 candele e otto valvole per cilindro, e se dovessi cercare una fascia elastica di ricambio sarebbero dolori! XD)
  • Wildmicio, Cosio Valtellino (SO)

    una cosa che mi son sempre chiesto, non c'è alternativa alla forma tonda delle velvole?
    non sarebbe possibile unire quelle di scarico e quelle di aspirazione in modo da avere due valvole ma con un passaggio maggiore alle 4?
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