Dove sono tutti i motori senza camme?

Jul 27, 2023

Le auto elettriche sono di gran moda ultimamente, ma non dimentichiamoci del vecchio standby: la combustione interna. Il moderno motore a combustione interna è una meraviglia dell’ingegneria. I motori e i sistemi circostanti di oggi hanno una potenza migliore, un maggiore risparmio di carburante ed emissioni inferiori rispetto a qualsiasi cosa precedente. Secoli di ore di progettazione sono stati dedicati al miglioramento di ogni aspetto del motore, con una notevole eccezione. Nessun produttore automobilistico è stato in grado di eliminare l'albero a camme del motore in un veicolo di serie alimentato a pistoni. L'ironia è che i motori senza camme sono relativamente facili da costruire. L'hacker medio potrebbe modificare un piccolo motore a quattro tempi per il funzionamento senza camme nella propria officina. Anche se non sarebbe un dispositivo pratico, sarebbe un ottimo banco di prova per la sperimentazione e l'apprendimento.

Un motore a benzina multicilindrico è una danza complessa. Centinaia di parti devono muoversi in sincronia. Le valvole si aprono e si chiudono, gli iniettori vaporizzano il carburante, le candele si accendono e i pistoni si muovono su e giù. Tutti seguono il ciclo Otto a quattro tempi “Aspirazione, Compressione, Combustione, Scarico”. L'albero a camme controlla gran parte di questo aprendo e chiudendo le valvole di aspirazione e scarico caricate a molla del motore. I lobi dell'albero premono sulle punterie che poi muovono gli steli delle valvole e le valvole stesse. L'albero a camme stesso viene azionato a metà della velocità dell'albero motore tramite ingranaggi di distribuzione, catene o una cinghia. Alcuni treni di valvole sono relativamente semplici, come i motori a camme in testa. Altri, come il design cam-in-block, sono più complessi, con aste di spinta, bilancieri e altre parti necessarie per tradurre il movimento del lobo della camma in movimento della valvola.

Il momento esatto e la velocità con cui una valvola si apre è determinato dal profilo del lobo della camma. Gli appassionati di corse automobilistiche e di prestazioni spesso cambiano gli alberi a camme con quelli con profili più aggressivi e diversi offset di fasatura a seconda dei requisiti del motore. Tutto però ha un costo. Un albero a camme lavorato per la massima potenza generalmente non gira bene al minimo e renderà più difficile l'avviamento del motore. Un profilo del lobo troppo aggressivo può portare al galleggiamento della valvola, per cui le valvole non si inseriscono mai completamente ad alti regimi.

I produttori di motori hanno trascorso anni a lavorare sui limiti dell’albero a camme. I risultati sono una miriade di soluzioni proprietarie. Honda ha VTEC, abbreviazione di Variable Valve Timing e Lift Electronic Control. Toyota ha VVT-i. La BMW ha VANOS, la Ford ha VCT. Tutti questi sistemi forniscono modi per regolare in una certa misura l'azione della valvola. VANOS funziona consentendo all'albero a camme di ruotare leggermente di alcuni gradi rispetto alla sua fasatura normale, in modo simile allo spostamento di uno o due denti sulla catena di distribuzione. Sebbene questi sistemi funzionino, tendono ad essere meccanicamente complessi e costosi da riparare.

La soluzione semplice sarebbe quella di utilizzare un motore senza camme. Ciò significherebbe eliminare l’albero a camme, la cinghia di distribuzione e la maggior parte dell’hardware associato. Solenoidi o attuatori idraulici aprono e chiudono le valvole in un numero infinitamente variabile di modi. Le valvole possono anche essere mantenute aperte a tempo indeterminato, spegnendo efficacemente un cilindro quando non è necessaria la massima potenza.

Allora perché non guidiamo tutti motori senza camme? Ci sono alcuni motivi. I vantaggi dei motori senza camme rispetto ai motori con albero a camme sono analoghi ai vantaggi dell'iniezione elettronica del carburante (EFI) rispetto ai carburatori. Fondamentalmente, un iniettore di carburante è una valvola controllata da un solenoide. La pompa del carburante fornisce una pressione costante. L'unità di controllo del motore (ECU) attiva gli iniettori proprio al momento giusto per iniettare carburante nei cilindri. Il computer lascia anche le valvole aperte abbastanza a lungo in modo che venga iniettata la giusta quantità di carburante per l'attuale posizione dell'acceleratore. Elettronicamente questo è molto simile a quello che sarebbe richiesto per un motore senza camme. Allora cosa dà?

Gli hacker trentenni e oltre ricorderanno che fino alla fine degli anni '70 e all'inizio degli anni '80, il carburatore era il re. Le aziende sperimentavano l'EFI sin dagli anni '50. Il sistema non è diventato mainstream finché non sono entrate in vigore le rigide leggi sull’inquinamento degli anni ’70. Realizzare un motore a carburatore pulito ed efficiente in termini di consumo di carburante era possibile, ma erano necessari così tanti attuatori meccanici ed elettronici che l'EFI rappresentava un'alternativa migliore. Quindi le leggi degli anni '70 regolarono di fatto l'eliminazione dei carburatori. Stiamo osservando più o meno la stessa cosa con i motori senza camme. Ciò che manca sono le norme per forzare la questione.