I motori V8 americani - Parte quarta
Convenzioni e notazioni relative ai motori americani. Il sistema di distribuzione e le definizioni ad esso connesse.
Il sistema di distribuzione: le convenzioni americane
Non vogliamo certo dire che il sistema di distribuzione utilizzato nei motori americani sia concettualmente diverso da quello che tutti conosciamo. In realtà esistono piccole e grandi differenze che rendono questo sottosistema particolarmente importante dal punto di vista tecnico. Basti pensare, a tal proposito, che l’ultimo V8 da 7 litri montato sulla Corvette Z06, è in grado di sviluppare 505 CV ed una coppia massima di 637 Nm a 4.800 giri/min, con una configurazione ad aste bilancieri. I tecnici americani, a differenza di quello che si è portati a credere, sono spesso restii ad introdurre innovazioni là dove non se ne sente la necessità. Questo modo di agire e pensare gli ha portati a sviluppare e conoscere in maniera approfondita, il sistema ad aste bilancieri che, sebbene abbandonato dagli europei, offre ancora innegabili vantaggi. Come accade molto spesso dal punto di vista motoristico America ed Europa sono soliti affrontare in modo differente alcuni problemi concettuali. Un esempio pratico è la prova di potenza su banco a rulli. La dove gli Europei continuano a far riferimento alla potenza sviluppata dal motore gli Americani, dal canto loro, utilizzano come riferimento quella sviluppata alle ruote. Sebbene sia un modo diverso per interpretare una medesima prova la differenza è sostanziale. Io l’ho detto più volte: quella che conta, ai fini prestazionali, è la potenza alle ruote e non quella al motore. E lo stesso discorso vale per la coppia. Il motivo è molto semplice: sono i valori alla ruota che rendono ragione delle prestazioni del mezzo. Le performance del motore potrebbero essere inficiate, e spesso avviene, da un valore elevato delle potenze perse nella trasmissione. Tornando invece al sistema di distribuzione, da cui eravamo partiti, colgo l’occasione per illustrare brevemente alcune definizione normalmente utilizzate dagli americani a proposito di questo argomento giungendo a dimostrarvi come anche in questo caso, i dati a disposizione del grande pubblico, e dei preparatori, siano forniti all’insegna della massima praticità.
La rampa (in americano “ramp”) è una definizione che non differisce tra i due paesi: come molti sapranno si tratta della zona dell’eccentrico in corrispondenza della quale si assiste al sollevamento dell’equipaggio mobile. La rampa può essere suddivisa in tre parti: la prima corrispondente al gioco tra punteria e valvola, la rampa di apertura vera e propria e quella di chiusura (queste tre parti in americano vengono definite rispettivamente “lash ramp”, “opening ramp” e “closing ramp”). In genere, ricordiamolo, la rotazione di un eccentrico è riportata in gradi riferiti all’albero motore.
Anche nel caso del naso dell’eccentrico (in americano “nose”) non ci sono differenze nella definizione: come per noi europei il naso del bocciolo è il punto più alto dell’eccentrico. La camma, infatti, viene costruita su un cerchio noto come cerchio di base. Il tratto circolare che raccorda la parte estrema del naso dell’eccentrico viene definito cerchio di testa. Il cerchio di base (in americano “base circle”) assume lo stesso significato anche nel caso della definizione americana.
Come molti già sapranno gli alberi a camme ruotano ad una velocità pari alla metà di quella dell’albero motore. Questo fatto è dovuto semplicemente al ciclo del motore a quattro tempi che prevede l’apertura delle valvole di aspirazione e di quella di scarico una sola volta per ciclo, e quindi ogni due giri dell’albero a gomiti.
Gli angoli utilizzati per indicare i momenti di apertura e chiusura delle valvole sono riferiti all’angolo di rotazione della manovella e quindi alla rotazione dell’albero motore. Proprio per questo motivo vengono definiti i noti punti PMS (Punto Morto Superiore) e PMI (Punto Morto Inferiore) che hanno gli equivalenti americani: TDC (Top Dead Center, PMS) e BDC (Bottom Dead Center, PMI). Siccome l’indicazione di anticipo di apertura e posticipo di chiusura, sia per la valvola di scarico che per quella di aspirazione, vengono forniti rispetto ai punti morti sopra definiti è facile trovare sui manuali tecnici le seguenti sigle: Prima del Punto Morto Superiore (PPMS), Dopo il Punto Morto Superiore (DPMS), Prima del Punto Morto Inferiore (PPMI), Dopo il Punto Morto Inferiore (DPMI). Nel caso americano le definizioni diventano: BTDC (Before Top Dead Center, PPMS), ATDC (After Top Dead Center, DPMS), BBDC (Before Bottom Dead Center, PPMI) e ABDC (After Bottom Dead Center, DPMI).
In alcuni casi, nella pratica potremmo dire quasi sempre, esiste una zona definita di Overlap Area. Questa zona del diagramma mostra una sovrapposizione tra l’apertura della valvola di aspirazione e quella di scarico. In altre parole esiste un periodo in cui la valvola di aspirazione e quella di scarico sono contemporaneamente aperte. Si faccia riferimento all’immagine che segue.
Vediamo che sull’asse delle ordinate (l’asse verticale a sinistra del grafico) sono riportati i valori di alzata (quella che in americano è definita Lift). Sull’asse delle ascisse (quello orizzontale in basso) sono invece riportate le posizioni della manovella ossia l’angolo di rotazione dell’albero motore. L’alzata (espressa in millimetri o in pollici) è in pratica lo spostamento della valvola durante la sua corsa di apertura. L’alzata massima è quella che si ottiene quando il naso dell’eccentrico si trova nella sua zona più prominente.
Per il calcolo dell’alzata sui motori americani è necessaria un’ulteriore precisazione. Molti propulsori prodotti negli USA usano l’architettura ad aste e bilancieri. In questo caso per calcolare l’alzata correttamente è necessario moltiplicare l’alzata dell’eccentrico (quella che in americano è definita come Lobe Lift) per il rapporto di leva del bilanciere. Per fare un esempio se abbiamo un rapporto di leva dei bilancieri pari a 1.8:1, e un’alzata della punteria pari a 6 mm, l’alzata massima della valvola sarà pari a 1.8 x 6 = 10.8 mm. Lo stesso discorso chiaramente si può fare utilizzando i pollici.
Al variare dell’alzata naturalmente aumenta l’ingresso di carica fresca all’interno del motore. In generale è possibile affermare che aumentando l’alzata della valvola, senza modificare i tempi di apertura della stessa, si ottiene un incremento della potenza massima del motore senza però modificare la forma della curva di potenza. Il problema della durata dell’apertura è però del tutto relativo. Se infatti si aumenta l’alzata della valvola in genere si aumenta anche la durata di apertura della stessa. Questo succede perché le rampe di salita e di discesa dell’eccentrico devono essere tali da non imprimere accelerazioni eccessive alla valvola e, di conseguenza, l’apertura deve iniziare un po’ prima mentre la chiusura deve terminare un po’ dopo. Un discorso a parte va fatto invece in merito ai dati forniti relativamente alla durata di apertura. La durata di apertura di una valvola è quell’angolo di manovella lungo il quale la valvola rimane sollevata, anche di poco, dalla propria sede. Anche su questo argomento gli americani si dimostrano molto pratici.
Il discorso vale naturalmente anche, e soprattutto, per i problemi legati al tuning o al confronto tra differenti alberi a camme. Un dato molto interessante, infatti, è quello definito Advertised Duration. Con queste due parole viene indicato l’angolo di manovella durante il quale una valvola rimane aperta con un’alzata superiore ad un valore prefissato. Lo standard SAE prevede come misura di riferimento per l’Advertised Duration un valore di 0.006” (pari a circa 0.15 mm). Questo però non è ancora il cuore del discorso. Se infatti leggete riviste e libri americani vi accorgerete che universalmente viene adottata la [email protected]”, ossia l’angolo di manovella durante il quale la valvola rimane aperta con un’alzata superiore a 0.050” (pari a circa 1.27 mm). A proposito di questo dato vale la pena chiarire un concetto fondamentale. La durata a 0.050” è l’angolo, riferito all’albero motore, durante il quale la valvola, che rimane alzata di almeno 1.27 mm, consente un flusso di carica fresca o di gas di scarico, a seconda dei casi, significativo. Se approfondite il problema dell’apertura di una valvola scoprirete, se già non lo sapete, che proprio in virtù della forma della sede su cui il fungo della valvola appoggia, si ha un certo valore di alzata al di sotto del quale non si ha un’efficace passaggio di carica (aspirazione) o di gas (scarico). Questo significa che ancora una volta gli americani cercano, anche nei dati forniti, estrema concretezza. E’ inutile dare il valore totale in gradi che intercorre tra l’inizio della rampa di apertura e la fine di quella di chiusura. Quando si valuta un albero a camme quindi, quello che conta è conoscere quanti gradi rimangono effettivamente a disposizione della valvola per garantire un flusso che abbia significato (aspirazione o scarico). E in questo caso torna buono il concetto di cui abbiamo parlato poco sopra relativamente alla valutazione dei risultati derivanti da una prova di potenza e coppia. Quello che conta è sempre il valore netto a disposizione.
Naturalmente aumentando la durata aumenta il tempo durante il quale le valvole rimangono aperte, una situazione che va a favore del riempimento (aspirazione) o dello svuotamento (scarico) con influenza sensibile sui valori di potenza sviluppata dal motore, e sul relativo regime a cui questa viene sviluppata.
Un ulteriore definizione di cui vale la pena parlare è l’angolo di separazione dei lobi (in americano Lobe Separation). Questa grandezza indica l’angolo, riferito in questo caso agli alberi a camme, che separa il punto di massima alzata della valvola di aspirazione da quello di massima alzata della valvola di scarico. Si tratta in definitiva della distanza angolare tra i nasi dei due eccentrici come mostrato nello schema di figura seguente.
A parità di angolo di separazione dei lobi se aumentiamo la durata di apertura delle valvole aumentiamo l’angolo di incrocio o di Overlap. La Lobe Separation influisce quindi sull’incrocio delle valvole, sulla natura della curva di coppia e potenza, sulla qualità del regime di minimo del motore e su altre grandezze come, ad esempio, la generazione di depressione nei collettori al regime di minimo. Per calcolare la separazione dei lobi bisogna dividere per due la somma tra la Centerline del lato di aspirazione e del lato di scarico. Ma che cos’è la Centerline? La Centerline del lato di aspirazione è l’angolo, riferito sempre all’albero motore, e contato dopo il TDC (Top Dead Center, Punto Morto Superiore), di massima alzata dell’eccentrico. Allo stesso modo la Centerline del lato di scarico è l’angolo, riferito all’albero motore e calcolato prima del TDC, in cui si ottiene la massima alzata della valvola di scarico.
Dopo aver spiegato il concetto di Centerline vale la pena fare un ulteriore passo avanti per introdurre la nozione di anticipo (Advance) e ritardo (Retard) nel posizionamento di un albero a camme durante la messa in fase della distribuzione.
Quando i tecnici americani parlano di un Advance del sistema di comando dell’apertura della valvola intendono dire che l’albero a camme viene posizionato con una Centerline ridotta di una quantità in gradi pari appunto all’Advance. Se volessimo fare un esempio possiamo dire che se un albero a camme ha una Centerline di 120° per il lato di aspirazione e noi volessimo montarlo con un anticipo (Advance) di 5° dovremo centrare il lobo (eccentrico) a quota 115° dopo il Punto Morto Superiore (ATDC, After Top Dead Center). L’angolo è chiaramente riferito all’albero motore. Se il posizionamento dell’albero a camme di aspirazione viene anticipato (Advance) le conseguenze sono così riassumibili: la fase di aspirazione inizia prima (si apre prima la valvola), aumenta la coppia ai bassi regimi, diminuisce lo spazio tra fungo della valvola di aspirazione e cielo del pistone e di conseguenza aumenta lo spazio tra fungo della valvola di scarico e cielo del pistone.
Le punterie: le quattro configurazioni tipiche di un motore americano
In realtà quello che stiamo per illustrare in questo paragrafo è applicabile concettualmente a qualsiasi altro motore e quindi anche ai motori europei. L’unica differenza sostanziale è che nella produzione americana è ancora molto diffusa la configurazione ad aste e bilancieri, un tipo di architettura che i tecnici americani hanno sviluppato in maniera molto più approfondita degli europei, senza per questo dover rinunciare alle prestazioni conservando però, allo stesso tempo, la semplicità di questo sistema.
Con punteria (Cam Lifter, o Follower o ancora Tappet) generalmente si indica il corpo che rimane a contatto diretto con l’eccentrico. Nel caso dei motori americani si possono avere sostanzialmente quattro diverse tipologie di punterie, due idrauliche e due meccaniche.
La punteria idraulica con superficie piatta (in americano Hydraulic Flat Tappet) prevede il classico bicchierino che in questo caso è dotato di un sistema idraulico interno. Quest’ultimo, sfruttando l’olio motore in pressione, riesce a mantenere registrato il gioco tra eccentrico e punteria stessa. Sono sistemi più silenziosi degli equivalenti meccanici ma sono meno indicati per sostenere regimi superiori ai 6.000 giri/min a causa dell’incapacità di smaltire l’olio quando questo raggiunge portate e pressioni elevate.
Le punterie meccaniche con superficie piatta (Mechanical Flat Tappet o Solid Flat Tappet) consentono per quanto detto appena sopra il raggiungimento di un regime di giri molto più elevato. Sono più rumorose e richiedono, a causa del loro riscaldamento, un gioco a freddo maggiore. In più vanno regolate periodicamente perché non sono provviste di un sistema idraulico in grado di recuperare automaticamente il gioco.
Le punterie meccaniche con superficie sferica (Mechanical Roller Tappet, o Solid Roller Tappet) sono utili per gestire eccentrici con rampe più aggressive. Grazie alla loro conformazione, infatti, è possibile aumentare la velocità di apertura della valvola grazie agli attriti più bassi e ad al ridotto processo di urto tra movente e cedente. Con questo genere di sistemi i motori americani possono anche raggiungere gli 8.000 giri/min e più. E la cosa incredibile è che stiamo parlando anche di sistemi ad aste e bilancieri.
Infine abbiamo le punterie idrauliche con superficie sferica (Hydraulic Roller Tappet) che pur presentando la possibilità di attuare tempi di apertura della valvola più ridotti (con camme più aggressive) si scontrano con il problema degli alti regimi ma assicurano un funzionamento più silenzioso rispetto alle punterie idrauliche con superficie piatta.
La tradizione continua…
In quattro articoli ho presentato una panoramica storica di uno dei fenomeni americani più noti in campo automobilistico. Malgrado gli Stati Uniti siano noti per la loro particolare propensione al cambiamento e all’innovazione, in ogni campo, rimane da considerare come il processo evolutivo sia applicato solo là dove necessario. L’innovazione dei motori americani difficilmente riguarda la loro architettura principale. Molto più spesso i singoli particolari. In altre parole un lavoro di affinamento di ogni singolo componente per garantire, come al solito, prestazioni e affidabilità ad un basso costo. Il V8 americano è quindi il V8 per tutti, quello che tutti riconoscono per il suo “gorgogliare” caratteristico. E’ un motore che riserva sorprese incredibili, ricco di tecnologia a differenza di quello che molti ritengono, e capace di appassionare sempre. Può essere configurato in versioni da gara o in allestimento stradale ma, in ogni caso, conserva quella sua configurazione semplice che dimostra quanto si possa essere geniali costruendo prodotti importanti in grande serie. Criticare il V8 americano è un tipico atteggiamento di chi, con materiali e tecnologia di portata globale, non è riuscito a fare di meglio. Mi è veramente capitato poche volte di incontrare un motore per auto con centinaia di migliaia di chilometri all’attivo senza mai essere stato rifatto. E ogni volta, guarda caso, era un V8 americano…
Archivio immagini: Compcams, General Motors
