Le varie forme delle camere di combustione

Le varie forme delle camere di combustione
Le prestazioni, il consumo di carburante e la quantità di sostanze inquinanti emesse da un motore a combustione interna dipendono in notevole misura dalla forma delle camere di combustione (per camera di combustione si intende lo spazio nel quale vengono a trovarsi i gas quando il pistone si trova al Punto Morto Superiore). Per essere efficiente, una camera di combustione deve essere compatta, cioè la superficie delle pareti che la .contornano deve essere il più possibile contenuta, così da limitare lo scambio di calore verso il fluido refrigerante. Sotto questo punto di vista, la forma ideale di una camera di combustione è quella emisferica, con il punto di innesco della combustione (vale a dire gli elettrodi della candela di accensione) in posizione centrale. La camera di combustione emisferica consente, inoltre, di ridurre al minimo la distanza tra la scintilla e il punto più lontano della camera di combustione. Infatti, più ridotta è questa distanza, più la combustione della miscela aria-benzina è rapida, progressiva e completa, e minore risulta la tendenza alla detonazione (combustione anomala di parte dei gas, con sviluppo di carichi termici e di pressione sopportabili dal motore solo per brevi istanti, causata dall'autoaccensione della miscela prima dell'arrivo del fronte di fiamma). Nel tentativo di realizzare una camera di combustione quanto più possibile corrispondente a quella ideale, i progettisti hanno comunque sperimentato le più svariate forme geometriche.	Come si genera la potenza La miscela aria-carburante entra nella camera di combustione attraverso la valvola di aspirazione. Quando il pistone raggiunge il Punto Morto Superiore, al termine della fase	di compressione, la candela 'incendia' la miscela; i gas prodotti dalla combustione, caldissimi, si espandono rapidamente e spingono il pistone verso il basso.

Camera emisferica Pur essendo considerata come la più efficiente, perché consente di ottenere il miglior rendimento termico, la camera di combustione emisferica è impiegata principalmente nei motori di alte prestazioni, poiché è piuttosto impegnativo e costoso produrre testate con camere di questo tipo. Il cielo del pistone rappresenta la base dell'emisfero; le valvole, in genere, sono disposte in modo da formare un angolo compreso tra 50 e 90 gradi, con la candela collocata in posizione centrale rispetto alle sedi delle valvole. Oltre a garantire una distanza ridotta tra gli elettrodi della candela di accensione e i punti più lontani che il fronte di fiamma deve raggiungere durante la combustione, questo tipo di camera offre anche altri vantaggi; i condotti di aspirazione e scarico possono essere disposti in maniera tale da ottenere una testata a flusso incrociato, una soluzione che agevola sia il riempimento del cilindro da parte della miscela aria-benzina, sia l'allontanamento dei gas combusti. Inoltre, la forma a cupola emisferica favorisce la turbolenza, migliorando la miscelazione tra aria e combustibile. In altri termini, il motore, 'respirando' con relativa facilità, assicura un buon riempimento del cilindro (in termini più tecnici, si ottiene un buon rendimento volumetrico) ed è, così, in grado di erogare una notevole potenza specifica. La camera di combustione emisferica presenta, però, come si è già accennato, anche qualche svantaggio, dal punto di vista della complicazione costruttiva e, quindi, dei costi di produzione. Le valvole, anziché essere tutte disposte su un unico piano longitudinale rispetto al motore, sono disposte a V, su due piani diversi, il che richiede, di conseguenza, un sistema di comando a doppio albero a camme in testa o, in alternativa, a singolo albero a camme affiancato da uno o, addirittura, due assi portabilancieri. Quando è messo correttamente a punto, un motore con distribuzione bialbero garantisce prestazioni decisamente elevate, specialmente se la 'respirazione' è ulteriormente facilitata dall'impiego di tre o quattro valvole per cilindro. A causa dei già menzionati costi di produzione - un argomento al quale i costruttori di auto sono molto sensibili - ci si sta orientando sempre di più verso camere di combustione di forma adatta alla disposizione parallela delle valvole su un unico piano. Quest'ultima soluzione non richiede necessariamente il comando della distribuzione con due alberi a camme in testa, ragion per cui il costo di produzione del motore è sensibilmente inferiore. Va detto, inoltre, che, in genere, un motore monoalbero o ad aste e bilancieri è meno impegnativo in fatto di manutenzione. Attualmente, la maggior parte dei modelli di auto più diffusi adotta motori con camere di combustione a scatola di sardine, a cuneo, oppure ricavate nel cielo del pistone (quest'ultimo tipo è universalmente conosciuto come camera di combustione Heron). I tre tipi di camera di combustione sopra elencati rappresentano il risultato di studi volti a ottenere, contemporaneamente, la minima distanza tra la candela e il punto più lontano che il fronte di fiamma deve raggiungere, nonché la minima superficie interna della camera di combustione (caratteristica importante ai fini del rendimento termico). Ovviamente, tutti e tre i tipi possono essere progettati in modo da consentire l'ottenimento di elevati rapporti di compressione, tipici dèi motori attuali.
Le valvole di scarico e di aspirazione sono collocate ai lati della candela di accensione; quest'ultima è collocata al centro della camera per ridurre al minimo la distanza tra la scintilla e i punti più lontani della camera di combustione. La camera emisferica è molto compatta e consente l'impiego di valvole di grosse dimensioni, cioè favorevoli a una buona 'respirazione' del motore e, quindi, all'erogazione di un'elevata potenza specifica. Di contro, essa implica sistemi di comando valvole piuttosto complessi e, quindi, costi di produzione più elevati.
Camera di combustione a scatola di sardine e a cuneo Nella camera di combustione a scatola di sardine, le valvole di aspirazione e di scarico sono disposte una a fianco dell'altra, con gli assi paralleli tra loro. La candela di accensione, inclinata rispetto alle valvole, è in posizione laterale, a circa metà lunghezza della camera di combustione, così da ridurre al minimo il percorso del fronte di fiamma. In alcuni motori di produzione molto cente, tra le due valvole c'è una piccola parete di separazione; secondo i progettisti, essa contribuisce ad aumentare la turbolenza e a ottimizzare la miscelazione tra aria e carburante. Il lato della camera di combustione in cui è ricavato il foro per la candela forma una specie di raccordo inclinato tra il cielo del pistone e la testata. Quando il pistone si avvicina al Punto Morto Superiore, nelle zone laterali si origina una considerevole turbolenza, comunemente denominata 'squish', della miscela fresca e, di conseguenza, si ha una combustione più regolare e una minore tendenza alla detonazione. La camera di combustione a cuneo è caratterizzata da una forma che, in sezione, risulta praticamente triangolare, cioè simile a un cuneo bloccaruote; le valvole sono collocate lungo la faccia più lunga del cuneo e la candela in quella più corta e più spessa. In genere, le camere a cuneo consentono di ottenere elevati rapporti di compressione, una bupna turbolenza e favorevoli caratteristiche di combustione, anche se il fronte di fiamma deve compiere un percorso relativamente lungo.
In questo tipo di camera di combustione la candela è posizionata lateralmente, per ridurre la distanza che il fronte di fiamma deve percorrere. La forma a ovale molto allungato impedisce una turbolenza eccessiva e provoca un moderato movimento vorticoso in prossimità della candela, migliorando la combustione della miscela Questa camera di combustione, di sezione praticamente triangolare, offre gli stessi vantaggi della precedente, e cioè ridotta distanza da percorrere per il fronte di fiamma e turbolenza ottimale. Il piccolo spazio al di sopra del cielo del pistone evita che il pistone arrivi a interferire con la testata.
Il comando delle valvole nelle camere emisferiche A causa della sistemazione inclinata tipica delle valvole in una testata con camere di combustione emisferiche, i progettisti hanno dovuto far ricorso a tutto il loro ingegno per realizzare dei sistemi di comando razionali e affidabili. La soluzione classica, impiegata su molti motori di elevate prestazioni, è quella che prevede l'impiego di due alberi a camme, uno per le valvole di aspirazione e uno per quelle di scarico. Questa architettura è universalmente definita a doppio albero a camme in testa; i motori che la adottano, però, sono complessi e, quindi, hanno alti costi di produzione. Inoltre, mettere in fase i due alberi a camme non è un'operazione molto semplice. In alcuni motori troviamo, però, un altro si- Stema: un albero a camme comanda le valvole di aspirazione, mentre quelle di scarico sono azionate da bilancieri a due bracci ful- crati su un asse e comandati sempre dagli eccentrici dell'unico albero a camme.	Camera Heron Questo tipo di camera di combustione differisce da quelle già descritte in quanto essa è ricavata integralmente nel cielo del pistone, anziché nella testata. Le valvole sono disposte verticalmente e i loro funghi sono generalmente 'a filo' con il piano inferiore della testata, che risulta perfettamente piatto. La candela è disposta di lato, a fnetà della distanza tra la valvola di aspirazione e quella di scarico; talvolta essa è leggermente inclinata rispetto all'asse del cilindro. Lo spazio ridotto che rimane tra la sorr^ mità del bordo anulare del cielo del pistone e la testata contribuisce a rendere più uniforme e completa la miscelazione della carica; il pistone, salendo, costringe infatti i gas freschi a trasferirsi dalla periferia verso il centro -del pistone e a entrare così nella camera di combustione con un notevole effetto di 'squish'. Uno dei vantaggi principali della camera di combustione Heron è costituito dal fatto che le pareti della camera stessa permettono un ridotto scambio termico; conservando una temperatura più alta, esse contribuiscono notevolmente alla vaporizzazione della carica fresca, garantendo in tal modo una combustione dolce e progressiva. I pistoni dei -motori con camere Heron risultano, però, più pesanti e più sollecitati termicamente rispetto agli altri. Attualmente sembra essersi affermata la tendenza di ricavare la camera di combustione in parte nella testata e in parte nel cielo dei pistoni. In questo tipo di camera lo spazio nel quale avviene la combustione è ricavato nel cielo del pistone, anziché nella testata. In qualche caso, per evitare l'interferenza con le valvole, nel cielo del pistone sono ricavate piccole incavature.
Benzina e detonazione Se il vostro motore viene alimentato con benzina avente un numero di ottano inferiore a quello prescritto, nemmeno la più 'efficace' camera di combustione può evitare il verificarsi della detonazione. Il tipo di carburante da usare è strettamente legato al rapporto di compressione: ad esempio, motori aventi rapporti di compressione pari o superiori a 9:1 richiedono benzina ad alto numero di ottano, ossia la cosiddetta benzina super. Comunque, sono sempre più numerosi i costruttori che adottano rapporti di compressione di 9,5:1 o addirittura di 10:1; in tal caso, i motori 'lavorano' veramente al limite della detonazione. Simili risultati sono stati resi possibili grazie al ricorso a camere di combustione sempre più perfezionate e a sistemi di gestione elettronica del motore comprendenti sensibilissimi sensori di detonazione; questi ultimi sono in grado di percepire l'incombente condizione di 'detonazione' e impediscono che essa si verifichi, riducendo l'anticipo di accensione e/o arricchendo la miscela aria-carburante.	Il tipo più efficiente di motore a valvole laterali è quello in cui la sommità della camera di combustione è piatta. Per quanto ben studiato, un motore a valvole laterali riesce a fornire un rendimento molto limitato.
Un sistema vecchio stile: le valvole laterali Su alcuni motori di auto di modeste prestazioni costruite sino agli inizi degli anni Sessanta, venivano impiegate camere di combustione a valvole laterali;. In questa soluzione, le valvole si trovano di fianco al cilindro, mentre la camera di combustione si affaccia solo parzialmente sul cielo del pistone; in gran parte essa si sviluppa, infatti, sopra il fungo stesso delle valvole. La sommità di questo tipo di camera di combustione è praticamente piattaie alloggia la candela di accensione. Nel lato pistone, però, si ha una parete di raccordo inclinata, in modo da creare la turbolenza indispensabile per garantire una combustione uniforme. I motori a valvole laterali, penalizzati da un notevole consumo di carburante e da una bassa potenza specifica, sono stati completamente soppiantati dai più efficienti motori a valvole in testa.