L’evoluzione tecnologica dei motori a combustione interna ha visto molte innovazioni, ma poche sono state cruciali come l’introduzione e lo sviluppo dell’albero a camme. Questo componente meccanico, sebbene spesso ignorato dal grande pubblico, riveste un ruolo fondamentale nella gestione delle valvole del motore, influenzando direttamente le prestazioni, l’efficienza e la longevità del veicolo. Per tal motivo, esploreremo non solo la sua struttura e funzionamento, ma anche il modo in cui ha trasformato il panorama dell’ingegneria automobilistica.
Cos’è l’albero a camme e com’è fatto
L’albero a camme è un componente meccanico fondamentale nel motore endotermico, responsabile della gestione delle valvole di aspirazione e di scarico. La sua funzione principale è quella di controllare l’apertura e la chiusura delle valvole in modo sincronizzato con il movimento dei pistoni, permettendo così il corretto ciclo di combustione che alimenta il motore.
L’albero a camme è un albero di metallo dotato di una serie di camme, che sono protuberanze o eccentrici disposti lungo l’asse dello stesso. Le camme sono progettate con profili specifici che determinano la durata e l’entità dell’apertura delle valvole. Questo profilo viene calibrato in base alle esigenze specifiche del motore, influenzando direttamente le prestazioni e l’efficienza del veicolo. In base alla forma del profilo, infatti, è possibile realizzare diverse leggi di alzata e quindi far funzionare lo stesso propulsore in modo diverso. I principali componenti dell’albero a camme sono:
camme: protuberanze che interagiscono con le valvole;
cuscinetti: supporti che mantengono l’albero a camme in posizione e ne permettono la rotazione;
ruote dentate o catene: meccanismi che collegano l’albero a camme all’albero motore, sincronizzandone i movimenti.
Il funzionamento
Il funzionamento dell’albero a camme si basa sulla rotazione sincronizzata con l’albero motore. Quest’ultimo, in un motore a quattro tempi, completa due giri per ogni giro dell’albero a camme. Questo è essenziale per garantire che le valvole si aprano e si chiudano al momento giusto durante i quattro tempi: aspirazione, compressione, espansione e scarico.
Durante la fase di aspirazione, la camma apre la valvola di aspirazione, permettendo l’ingresso della miscela aria-carburante nel cilindro. Quella di scarico, invece, resta chiusa. Per la fase di compressione, invece, tutte le valvole sono chiuse. In questo modo, si crea un ambiente chiuso in cui la compressione della miscela è più efficiente e si raggiungono pressioni maggiori. Anche durante la fase di espansione restano chiuse, mentre per la fase di scarico, la camma è posizionata in modo tale da consentire l’apertura della valvola di scarico per espellere i gas esausti dal cilindro. Esistono dei profili speciali di camme, che consentono di regolare anche quanto aprire le valvole. Queste tecniche sono utilizzate con quelle di aspirazione perché con un’alzata minore è possibile parzializzare l’ingresso della miscela quando non è richiesta la piena potenza dal motore. Ciò consente di ridurre i consumi e, di conseguenza, anche le emissioni.
Quanti tipi di alberi a camme esistono
Gli alberi a camme si differenziano principalmente per la loro posizione e il numero. In particolare, è possibile definire l’OHV (Overhead Valve) che, come dice il nome, ha le valvole in testa. È situato nel blocco motore, sotto le testate dei cilindri. Le camme attuano le valvole tramite aste di spinta e bilancieri. Tra i pro di questa soluzione ci sono il design compatto, la robustezza e il costo inferiore.
Infatti, è ideale per motori V8 e altre configurazioni dove lo spazio è limitato ed è meno costoso da produrre e mantenere. Di contro, però, è meno efficiente a regimi elevati rispetto agli alberi a camme in testa, più pesante a causa della presenza di aste e bilancieri, e c’è una maggiore inerzia dei componenti che muovono le valvole, per cui si riscontra una risposta più lenta.
Poi, c’è l’albero a camme in testa (OHC – Overhead Camshaft). Questo può essere suddiviso a sua volta in SOHC (se l’albero è singolo), o DOHC (se gli alberi sono due). Nel primo, in particolare, un solo albero a camme è posizionato nella testata del cilindro. Controlla sia le valvole di aspirazione che quelle di scarico tramite bilancieri o levette. È la soluzione più efficiente e semplice per quanto riguarda la manutenzione, ma è quella meno ideale per i motori ad alte prestazioni.
Per tale motivo è stato realizzato il DOHC con due alberi a camme posizionati nella testata del cilindro, uno per le valvole di aspirazione e uno per quelle di scarico. Garantisce prestazioni superiori. Rendendo indipendenti le une dalle altre, è possibile avere più flessibilità sulla gestione del timing e dell’alzata delle valvole. Si tratta di una soluzione complessa, per cui i costi di manutenzione sono più elevati.
Per ultimo, ma non meno importante, troviamo l’albero a camme variabile. Integra sistemi di controllo variabile delle valvole come VVT (Variable Valve Timing) che modificano il tempo di apertura e chiusura delle valvole in risposta alle condizioni operative del motore. A fronte di una maggiore complessità, il sistema è più versatile. Consente di migliorare le prestazioni su un’ampia gamma di regimi di rotazione.
Ogni tipo di albero a camme offre vantaggi specifici e presenta determinati limiti. La scelta tra un sistema OHV, SOHC, DOHC o variabile dipende dalle esigenze del motore e dall’uso previsto del veicolo. Mentre i motori OHV rimangono apprezzati per la loro robustezza e semplicità, i motori OHC, specialmente i DOHC, dominano le applicazioni moderne grazie alle loro superiori prestazioni e efficienza. I sistemi variabili rappresentano l’ultimo passo evolutivo, con un focus crescente su prestazioni ottimizzate e riduzione delle emissioni.