Come funzionano gli alberi a camme

  • Gyles Lewis
  • 0
  • 3561
  • 917
L'albero a camme (clicca sull'immagine per vedere l'animazione). Guarda le foto dei motori delle auto.

Se hai letto l'articolo Come funzionano i motori delle auto, conosci le valvole che lasciano entrare la miscela aria / carburante nel motore e lo scarico dal motore. L'albero a camme utilizza lobi (chiamati camme) che spingono contro le valvole per aprirle durante la rotazione dell'albero a camme; molle sulle valvole le riportano in posizione di chiusura. Questo è un lavoro critico e può avere un grande impatto sulle prestazioni di un motore a velocità diverse. Nella pagina successiva di questo articolo puoi vedere l'animazione che abbiamo costruito per mostrarti davvero la differenza tra un albero a camme performante e uno standard.

In questo articolo imparerai come l'albero a camme influisce sulle prestazioni del motore. Abbiamo alcune fantastiche animazioni che mostrano come i diversi layout del motore, come camma in testa singola (SOHC) e doppia camma in testa (DOHC), funziona davvero. E poi esamineremo alcuni dei modi in cui alcune auto regolano l'albero a camme in modo che possa gestire diversi regimi del motore in modo più efficiente.

Cominciamo con le basi.

Nozioni di base sull'albero a camme

Le parti fondamentali di qualsiasi albero a camme sono il lobi. Quando l'albero a camme gira, i lobi aprono e chiudono le valvole di aspirazione e di scarico a tempo con il movimento del pistone. Si scopre che esiste una relazione diretta tra la forma dei lobi delle camme e il modo in cui il motore si comporta in diverse gamme di velocità.

Per capire perché è così, immagina di far funzionare un motore estremamente lentamente - a soli 10 o 20 giri al minuto (RPM) - in modo che il pistone impieghi un paio di secondi per completare un ciclo. Sarebbe impossibile far funzionare un motore normale così lentamente, ma immaginiamo di poterlo fare. A questa bassa velocità, vorremmo che i lobi delle camme siano sagomati in modo che:

  • Proprio quando il pistone inizia a muoversi verso il basso nella corsa di aspirazione (chiamato punto morto superiore, o TDC), la valvola di aspirazione si aprirebbe. La valvola di aspirazione si chiuderebbe proprio quando il pistone tocca il fondo.
  • La valvola di scarico si aprirà proprio quando il pistone tocca il fondo (chiamato punto morto inferiore, o BDC) alla fine della corsa di combustione e si chiuderebbe quando il pistone completa la corsa di scarico.

Questa configurazione funzionerebbe molto bene per il motore fintanto che funzionava a questa velocità molto bassa. Ma cosa succede se aumenti gli RPM? Scopriamolo.

Quando si aumenta il numero di giri, la configurazione da 10 a 20 giri / min per l'albero a camme non funziona bene. Se il motore funziona a 4.000 giri / min, le valvole si aprono e si chiudono 2.000 volte al minuto o 33 volte al secondo. A queste velocità, il pistone si muove molto rapidamente, quindi anche la miscela aria / carburante che scorre nel cilindro si muove molto rapidamente.

Quando la valvola di aspirazione si apre e il pistone inizia la sua corsa di aspirazione, la miscela aria / carburante nel canale di aspirazione inizia ad accelerare nel cilindro. Quando il pistone raggiunge il fondo della sua corsa di aspirazione, l'aria / carburante si sta muovendo a una velocità piuttosto elevata. Se dovessimo chiudere la valvola di aspirazione, tutta quell'aria / carburante si fermerebbe e non entrerebbe nel cilindro. Lasciando la valvola di aspirazione aperta un po 'più a lungo, lo slancio dell'aria / carburante in rapido movimento continua a forzare aria / carburante nel cilindro mentre il pistone inizia la sua corsa di compressione. Quindi più veloce va il motore, più velocemente si muove aria / carburante e più a lungo vogliamo che la valvola di aspirazione rimanga aperta. Vogliamo anche che la valvola si apra maggiormente a velocità più elevate: questo parametro, chiamato alzata della valvola, è regolato dal profilo del lobo della camma.

L'animazione seguente mostra come un file cam normale e a camma delle prestazioni avere fasatura delle valvole diversa. Si noti che i cicli di scarico (cerchio rosso) e aspirazione (cerchio blu) si sovrappongono molto di più sulla camma delle prestazioni. Per questo motivo, le auto con questo tipo di camma tendono a funzionare in modo molto approssimativo al minimo.

Questo contenuto non è compatibile con questo dispositivo.

Due diversi profili di camma: fai clic sul pulsante sotto il pulsante di riproduzione per passare da una videocamera all'altra. I cerchi mostrano per quanto tempo le valvole rimangono aperte, blu per l'aspirazione, rosso per lo scarico. La sovrapposizione delle valvole (quando entrambe le valvole di aspirazione e di scarico sono aperte contemporaneamente) viene evidenziata all'inizio di ogni animazione.

Un dato albero a camme sarà perfetto solo a una velocità del motore. A ogni altro regime del motore, il motore non funzionerà al massimo delle sue potenzialità. UN albero a camme fisso è, quindi, sempre un compromesso. Questo è il motivo per cui le case automobilistiche hanno sviluppato schemi per variare il profilo della camma al variare della velocità del motore.

Ci sono molte diverse disposizioni degli alberi a camme sui motori. Parleremo di alcuni dei più comuni. Probabilmente hai sentito la terminologia:

  • Camma singola in testa (SOHC)
  • Doppia camma in testa (DOHC)
  • Pushrod

Nella sezione successiva, esamineremo ciascuna di queste configurazioni.

Danni da un pistone che colpisce una valvola

Camma sopraelevata singola

Questa disposizione denota un motore con una cam per testa. Quindi, se si tratta di un motore a 4 cilindri in linea o 6 cilindri in linea, avrà una camma; se è un V-6 o V-8, avrà due camme (una per ogni testa).

La camma aziona i bilancieri che premono sulle valvole aprendole. Springs riportare le valvole in posizione di chiusura. Queste molle devono essere molto forti perché ad alti regimi del motore, le valvole vengono abbassate molto rapidamente, ed sono le molle che mantengono le valvole in contatto con i bilancieri. Se le molle non fossero abbastanza forti, le valvole potrebbero staccarsi dai bilancieri e scattare indietro. Questa è una situazione indesiderabile che comporterebbe un'usura extra delle camme e dei bilancieri.

Questo contenuto non è compatibile con questo dispositivo.

Una singola telecamera in testa

Sui motori a camma singola e doppia in testa, le camme sono azionate dall'albero motore, tramite una cinghia o una catena chiamata cinghia di distribuzione o catena temporale. Queste cinghie e catene devono essere sostituite o regolate a intervalli regolari. Se una cinghia di distribuzione si rompe, la camma smetterà di girare e il pistone potrebbe colpire le valvole aperte.

L'immagine sopra mostra cosa può accadere quando un pistone colpisce una valvola aperta.

Doppia camma sopraelevata

Ha un doppio motore a camme in testa due camme per testa. Quindi i motori in linea hanno due camme e i motori V ne hanno quattro. Di solito, le doppie camme in testa vengono utilizzate su motori con quattro o più valvole per cilindro: un singolo albero a camme semplicemente non può montare abbastanza lobi della camma per azionare tutte quelle valvole.

Il motivo principale per utilizzare le doppie camme in testa è quello di consentire più valvole di aspirazione e scarico. Più valvole significa che i gas di aspirazione e di scarico possono fluire più liberamente perché ci sono più aperture per il loro passaggio. Ciò aumenta la potenza del motore.

La configurazione finale di cui parleremo in questo articolo è il motore pushrod.

Un motore pushrod

Motori pushrod

Come i motori SOHC e DOHC, le valvole in un motore pushrod si trovano nella testa, sopra il cilindro. La differenza fondamentale è questa l'albero a camme su un motore pushrod è all'interno del blocco motore, piuttosto che nella testa.

La camma aziona lunghe aste che salgono attraverso il blocco e nella testa per muovere i bilancieri. Queste lunghe aste aggiungono massa al sistema, il che aumenta il carico sulle molle delle valvole. Questo può limitare la velocità dei motori pushrod; l'albero a camme in testa, che elimina l'asta di spinta dal sistema, è una delle tecnologie del motore che ha reso possibili regimi più elevati.

Questo contenuto non è compatibile con questo dispositivo.

Un motore pushrod

L'albero a camme in un motore dell'asta di spinta è spesso azionato da ingranaggi o da una catena corta. Le trasmissioni a ingranaggi sono generalmente meno soggette a rotture rispetto alle trasmissioni a cinghia, che si trovano spesso nei motori a camme in testa.

Una cosa importante nella progettazione dei sistemi di alberi a camme è variare la fasatura di ciascuna valvola. Esamineremo la fasatura delle valvole nella prossima sezione.

Il sistema a camme variabili utilizzato su alcune Ferrari

-Ci sono un paio di modi nuovi con cui le case automobilistiche variano la fasatura delle valvole. Viene chiamato un sistema utilizzato su alcuni motori Honda VTEC.

VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) è un sistema elettronico e meccanico in alcuni motori Honda che consente al motore di avere più alberi a camme. I motori VTEC hanno un camma di aspirazione extra con il proprio bilanciere, che segue questa camma. Il profilo su questa camma mantiene la valvola di aspirazione aperta più a lungo dell'altro profilo della camma. A bassi regimi del motore, questo bilanciere non è collegato a nessuna valvola. Ad alti regimi del motore, un pistone blocca il bilanciere extra ai due bilancieri che controllano le due valvole di aspirazione.

Alcune auto usano un dispositivo che può anticipare la fasatura delle valvole. Ciò non mantiene le valvole aperte più a lungo; invece, li apre in un secondo momento e li chiude in un secondo momento. Questo viene fatto ruotando l'albero a camme in avanti di alcuni gradi. Se le valvole di aspirazione normalmente si aprono a 10 gradi prima del punto morto superiore (PMS) e si chiudono a 190 gradi dopo il PMS, la durata totale è di 200 gradi. I tempi di apertura e chiusura possono essere spostati utilizzando un meccanismo che ruota leggermente in avanti la camma durante la rotazione. Quindi la valvola potrebbe aprirsi a 10 gradi dopo il PMS e chiudersi a 210 gradi dopo il PMS. Chiudere la valvola 20 gradi dopo va bene, ma sarebbe meglio poter aumentare la durata di apertura della valvola di aspirazione.

Ferrari ha un modo davvero semplice per farlo. Gli alberi a camme su alcuni motori Ferrari sono tagliati con a profilo tridimensionale che varia lungo la lunghezza del lobo della camma. Ad un'estremità del lobo della camma c'è il profilo della camma meno aggressivo e all'altra estremità è il più aggressivo. La forma della camma fonde uniformemente questi due profili. Un meccanismo può far scorrere lateralmente l'intero albero a camme in modo che la valvola si impegni in diverse parti della camma. L'albero gira ancora come un normale albero a camme, ma facendo scorrere gradualmente l'albero a camme lateralmente all'aumentare della velocità del motore e del carico, la fasatura della valvola può essere ottimizzata.

Diversi produttori di motori stanno sperimentando sistemi che consentirebbero una variabilità infinita nella fasatura delle valvole. Ad esempio, immagina che ogni valvola avesse un solenoide su di essa che potrebbe aprire e chiudere la valvola utilizzando il controllo del computer anziché fare affidamento su un albero a camme. Con questo tipo di sistema, otterresti le massime prestazioni del motore ad ogni RPM. Qualcosa da aspettarsi in futuro ...

Per ulteriori informazioni su alberi a camme, fasatura delle valvole e argomenti correlati, consultare i collegamenti nella pagina successiva.

articoli Correlati

  • Quiz sull'albero a camme
  • Quiz sul motore
  • -Come funzionano i motori delle automobili
  • Come funzionano i rapporti di trasmissione
  • Cosa fa il sistema VTEC in un motore Honda?
  • C'è una differenza tra le configurazioni del motore in linea e V.?

Altri ottimi link

  • Tutorial sulla sincronizzazione delle valvole
  • Istruzioni per l'installazione dell'albero a camme
  • Intervalli di sostituzione della cinghia di distribuzione e designazione dell'interferenza
  • Animazione dell'albero a camme
  • Animazione dell'albero a camme del bilanciere

-




Nessun utente ha ancora commentato questo articolo.

Gli articoli più interessanti su segreti e scoperte. Molte informazioni utili su tutto
Articoli su scienza, spazio, tecnologia, salute, ambiente, cultura e storia. Spiegare migliaia di argomenti in modo da sapere come funziona tutto