Le camere di combustione: dove nascono i cavalli

Sembrano tutte uguali o quasi e in fondo a loro si pensa abbastanza poco. Si tratta delle camere di combustione, all’interno delle quali vengono confinati i gas al termine della corsa di compressione. Non basta che i condotti siano grandi e abbiano un andamento pressoché rettilineo, onde ottenere una eccellente respirazione del motore, e che il rapporto di compressione sia elevato, cosa vantaggiosa ai fini del rendimento termico; anche la geometria delle camere ha una notevole importanza ai fini delle prestazioni! E pure delle emissioni di scarico, per inciso.

L'importanza delle conformazioni

Fondamentale, per quanto riguarda il rendimento, è che il rapporto tra l’estensione delle superfici metalliche lambite dai gas e il volume della camera sia quanto più basso possibile. Idealmente, una forma emisferica è la più vantaggiosa, sotto questo aspetto. Nelle teste a quattro valvole per cilindro, che da tempo sono le uniche impiegate nei motori di potenza specifica molto alta, le camere di combustione hanno una forma a tetto, il cui rendimento è comunque pressoché analogo, grazie anche alla favorevole disposizione della candela, collocata centralmente.

L’angolo tra le valvole ha una rilevante influenza sulla forma delle camere di combustione e dei condotti. Nel corso degli anni, e qui ci si riferisce segnatamente ai motori più performanti e quindi alle teste a quattro valvole per cilindro, si è verificata una sua progressiva diminuzione, fino ad attestarsi sui valori che vengono oramai da diverso tempo adottati sulla maggior parte dei motori.

Come ovvio, questo angolo influenza notevolmente la forma della camera di combustione. Siccome per avere un rendimento termico elevato occorre adottare un rapporto di compressione assai alto, se l’angolo tra le valvole è grande diventa necessario impiegare un pistone con cielo molto bombato. La forma della camera peggiora e il rapporto superficie/volume aumenta.

Come cambiare gli angoli a seconda delle esigienze

Inoltre il pistone diventa più pesante e tende a lavorare a una temperatura più alta in quanto assorbe una maggiore quantità di calore. In passato ci sono state anche notevoli esagerazioni sotto questo aspetto, in diversi motori da competizione a due valvole. Per potere avere grandi sezioni di passaggio per i gas, si adottava un angolo molto elevato (valori dell’ordine di 80° e anche 90° erano relativamente frequenti), che consentiva di installare valvole più grandi, fermo restando l’alesaggio.

Siccome occorreva adottare un rapporto di compressione molto alto, il cielo del pistone era talmente bombato che la forma della camera non era più emisferica ma diventava a “scorza d’arancia”. L’avanzamento del fronte della fiamma, durante la combustione, era notevolmente ostacolato, il che rendeva necessario il ricorso ad anticipi di accensione molto elevati (cosa sicuramente svantaggiosa); per questa ragione anche se l’alesaggio era modesto, in svariati motori da corsa di una volta si adottava la doppia accensione. In seguito, per fortuna, il buon senso ha avuto la meglio e anche i tecnici che in precedenza adottavano angoli elevati, sono scesi a valori nettamente minori.

Le teste a quattro valvole per cilindro non sono certo una novità. Il primo esempio abbinato a una distribuzione bialbero risale al 1912. Negli anni Venti e Trenta non sono certamente stati pochi i motori da competizione che le hanno impiegate. Dopo la seconda guerra mondiale però per lungo tempo la soluzione è scomparsa dalla scena (salvo un paio di realizzazioni automobilistiche alle quali non si è prestata molta attenzione, almeno da parte dei costruttori europei, mentre a Indianapolis continuavano a correre gli Offenhauser, da sempre a quattro valvole, ma considerati una razza a parte).

Il rilancio della distribuzione bialbero

A rilanciarla in grande stile è stata la Honda con le sue straordinarie moto da competizione degli anni Sessanta, che fornivano potenze specifiche eccezionali e ruotavano a regimi elevatissimi. Spiccava in questo caso l’adozione di un angolo tra le valvole decisamente elevato, che obbligava a impiegare pistoni molto bombati e peggiorava notevolmente la forma della camera. Questa scelta era dovuta al fatto che, trattandosi di motori raffreddati ad aria, i progettisti avevano ritenuto opportuno lasciare un ampio spazio nella zona superiore della testa, tra i due alberi a camme, in modo da farla convenientemente lambire dall’aria stessa.

I formidabili risultati ottenuti dalle moto da Gran Premio realizzate dalla Honda hanno portato al definitivo rilancio della soluzione a quattro valvole, che è stata rapidamente adottata sui motori di Formula Uno. Sembra però che non per tutti i tecnici sia stato subito ben chiaro che conveniva adottare angoli tra le valvole notevolmente minori di quelli usati nei motori delle velocissime moto giapponesi. E infatti alcuni motori apparsi tra il 1966 e il 1968 hanno impiegato angoli superiori ai 55° (Honda RA 273, Matra MS9).

La distribuzione bialbero: dalle 2 alle 4 ruote

Nel primo V8 bialbero a quattro valvole realizzato dalla Ford per correre a Indianapolis l’angolo era di ben 70°. A indicare la strada giusta nella seconda metà degli anni Sessanta hanno provveduto motori come il V8 Cosworth (32°), il V12 Gurney-Weslake (30°) e il V12 Ferrari, passato da circa 30° a soli 20° nel giro di pochi mesi. Quello che si perde (poco, tutto sommato) in fatto di dimensioni delle valvole, diminuendo l’angolo in misura adeguata, è più che compensato dal fatto che la camera è più compatta e di forma più vantaggiosa. Si hanno inoltre anche dei vantaggi in fatto di geometria dei condotti.

Al di sotto di un certo valore è comunque bene non scendere; adottando un angolo troppo ridotto infatti la camera di combustione diventa troppo appiattita, le dimensioni delle valvole diminuiscono troppo e può diventare difficile alloggiare convenientemente gli organi della distribuzione; pure ottenere adeguati passaggi per l’acqua nella zona termicamente più sollecitata può risultare problematico.

Il valore dell'angolo delle valvole su moto e auto sportive

Nei motori di Formula Uno e in quelli delle moderne moto policilindriche ultrasportive, che raggiungono potenze specifiche superiori ai 170 cavalli /litro e ruotano a regimi spesso superiori ai 13000 giri/min (le 600 girano anche sensibilmente più forte) l’angolo tra le valvole è di norma compreso tra 20° e 28°.

Al diminuire del rapporto corsa/alesaggio la conformazione delle camere di combustione, in presenza di rapporti di compressione molto elevati, può diventare molto schiacciata e allontanarsi dalla linearità. In particolare, il cielo del pistone può essere piuttosto “tormentato”, e la cosa non è vantaggiosa. Nei moderni motori di Formula Uno l’alesaggio è compreso tra 96 e 98 mm e la corsa va da 41,4 a 39,7 mm.

Fattori influenzanti

Il rapporto di compressione è dell’ordine di 14 : 1 e di conseguenza lo spazio a disposizione dei gas quando il pistone è al punto morto superiore è assai ridotto, al punto da risultare costituito in misura preponderante dagli incavi che il cielo presenta in corrispondenza dei funghi delle valvole. Tali incavi sono piuttosto profondi in quanto le valvole stesse sono sensibilmente sollevate dalle sedi durante la fase di incrocio, date le fasature di distribuzione e le leggi delle alzate estremamente spinte che vengono adottate.

Per aumentare la velocità di combustione, cosa molto importante in motori che raggiungono regimi di rotazione così elevati, è fondamentale impartire alla miscela aria-carburante una adeguata turbolenza, che viene ottenuta in parte grazie ai condotti di aspirazione, dotati di una opportuna geometria e una adatta disposizione, e in parte grazie all’effetto squish, assicurato da apposite aree della camera di combustione nelle quali, al punto morto superiore, il pistone arriva a sfiorare la testa (la distanza può essere sensibilmente inferiore al millimetro!). Tali zone sono disposte perifericamente e hanno una estensione che in genere è dell’ordine del 15% della superficie totale del cielo del pistone.