Guida agli alberi a camme turbo – La verità sugli alberi a camme e i turbocompressori

Il Tech Editor Smith sfata alcuni miti delle camme turbo di lunga data

Vedi tutte le 1 fotoJeff SmithwriterMaggio 1, 2011

La scena è il ritrovo locale per le crociere. Il cofano è aperto sulla Mustang Pro Street Mustang di un giovane costruttore di auto, e un piccolo gruppo origlia un diluvio di discussioni tecniche sovrapposte su turbo, boost, alberi a camme e una serie vertiginosa di altri argomenti legati all’energia. Il pilota della Mustang chiede innocentemente un feedback sulla sua scelta delle camme e viene rapidamente bombardato con diverse raccomandazioni contraddittorie, ognuna delle quali viene difesa con veemenza come un vangelo. Il giovane pilota viene presto sopraffatto e chiude rapidamente il cofano della sua auto e se ne va, mentre una coppia di veri credenti turbo si scatena in un incontro di scherma tecnica che sembra destinato a trasformarsi in una rivolta religiosa in stile jihad, con tanto di martiri volenterosi.

Anche se questo scenario potrebbe essere fittizio, il dibattito è abbastanza reale e infuria su Internet nei forum e nelle chat room tecnologiche dedicate a tutto ciò che riguarda la promozione. Il problema con le opinioni è che tutti ne hanno una, con poche radici nell’esperienza del mondo reale o nella consolidata teoria della combustione. Così abbiamo deciso di cercare chi parla di meno e chi corre di più. Tra i nostri partecipanti c’è Kenny Duttweiler, che ha iniziato a sperimentare e a far gareggiare i motori turbo Buick V6 praticamente dal momento in cui quelle berline nere sono arrivate nello showroom. Ora costruisce la Chevy maxi-turbo, mini cilindrata, 299ci small-block Chevy che alimenta la Speed Liner Bonneville Streamliner guidata da George Poteet, che l’anno scorso ha fatto sballare la Salt con una velocità di uscita di 436 km/h. Abbiamo anche parlato con l’esperto di turbocompressori stradali e dragstrip Kurt Urban, che lascia parlare il suo camion stradale turbo da 100.000 miglia turbo per la sua conoscenza di come usare la spinta per diventare un guerrigliero urbano. Poi abbiamo interrogato il nostro scienziato missilistico preferito, il progettista del lobo di Comp Cams, Billy Godbold, che ci ha dato la sua idea di come combinare in modo eloquente il tempismo delle camme con la pressione della spinta e non farsi schiacciare nel processo.

Turbo Cam Basics

L’unica cosa che tutte e tre le nostre note fonti hanno sottolineato è che la base di conoscenza stabilita dai turbocompressori progettati 10 o 15 anni fa è antiquata se applicata all’attuale coltura di turbocompressori ad alta efficienza, a meno che non si stia cercando di andare avanti con vecchi turbocompressori a basso costo. “Ai vecchi tempi era tipico vedere rapporti di contropressione da 1,5 a 2:1”, dice Duttweiler. “Oggi la contropressione è in realtà inferiore alla pressione di spinta”. Il rapporto di cui parla Duttweiler è il rapporto tra la contropressione dei gas di scarico e la pressione di spinta in ingresso. La contropressione dei gas di scarico si crea naturalmente quando il gas caldo in uscita dalle bocche di scarico arriva alla ruota della turbina del turbocompressore. Il gas di scarico “si accumula” tra la porta di scarico e la ruota della turbina, creando pressione come farebbe con qualsiasi restrizione. Tutti i motori a combustione interna funzionano al meglio quando sono regolati con una certa quantità di sovrapposizione di alberi a camme in cui sia le valvole di aspirazione che quelle di scarico sono aperte contemporaneamente. Se la contropressione di scarico è maggiore della pressione di ingresso, lo scarico si spinge indietro nel cilindro e (dato abbastanza tempo) verso l’alto nel collettore di ingresso. Il gas di scarico non brucia una seconda volta, quindi funziona proprio come un sistema di ricircolo dei gas di scarico dell’era delle emissioni (EGR), riducendo la potenza, tranne per il fatto che avviene a farfalla aperta (WOT). A causa dell’elevato rapporto di contropressione, i vecchi turbocompressori richiedevano una valvola di scarico a chiusura anticipata, che si otteneva più facilmente con un angolo di separazione dei lobi più ampio (LSA). Questo potrebbe essere il punto in cui si è propagata l’ormai comune teoria dell’angolo di separazione a lobi larghi. Secondo Duttweiler, gli odierni turbocompressori più efficienti e più grandi riducono la contropressione, il che riduce al minimo l’effetto di rapina della diluizione dei gas di scarico. Ciò significa che l’LSA può essere stretto, il che è in contrasto con l’affermazione che tutti i turbo a camme devono avere LSA più larghe da 112 a 114 gradi. Con i turbocompressori più recenti, la contropressione ridotta significa anche che la valvola di scarico può essere aperta prima e tenuta aperta più a lungo, il che è generalmente accettato come vantaggioso per la produzione di potenza ad alto numero di giri, proprio come su un motore normalmente aspirato. Secondo Duttweiler, per ottenere una buona potenza, l’efficienza del motore turbo dipende più dalla bassa contropressione dei gas di scarico che dai trucchi con la camma.

Duttweiler ha anche detto che il tentativo di costruire un motore turbocompresso con un set LSA (come 112 o 114 gradi) può portarvi fuori strada. Ha accennato ad alcuni lavori che ha fatto nei primi giorni di Buick Turbo V6 durante la corsa di questi motori in NHRA Stock Eliminator. Le regole della classe Stock richiedevano che le specifiche di aspirazione e scarico e la durata rimanessero in stock, così per migliorare la potenza, ha stretto l’LSA su questi motori a 109 gradi per aiutare la piccolissima camma della Buick a migliorare la potenza. Il motore ha risposto costruendo la spinta molto più velocemente. “Quando si allarga l’angolo di separazione dei lobi in uscita, il motore diventa pigro”, dice Duttweiler. Come esempio di un buon motore V6, Duttweiler dice di aver costruito una Buick V6 turbo con un albero a camme a lobi di aspirazione da 215 gradi a 0,050 che ha prodotto 900 libbre-piedi di coppia e 580 CV e ha girato al minimo a 16 pollici di vuoto del collettore. Il concetto dell’angolo di separazione dei lobi e della durata è affrontato in modo più completo nella barra laterale di accompagnamento “Overlap Chronicles”.

Duttweiler afferma che questa idea rafforza il concetto che non è necessario utilizzare lobi radicali con motori turbo. “Un turbo permette di far funzionare un lobo e un pacchetto di valvole a lobi più blandi che è molto più facile per il motore”. Un esempio di questo è una serie di motori Bonneville con turbocompressore molto affidabili costruiti da diversi costruttori di motori turbo, in particolare Duttweiler e il guru dei motori turbo Mike Lefevers. Spesso questi motori fanno più passaggi WOT sostenuti di 5 miglia e richiedono poco più che tirare una candela per la manutenzione. Un impianto valvolare progettato correttamente e un design meno aggressivo dei lobi può virtualmente eliminare i problemi di valvolame, come molle rotte, aste di spinta piegate e bilancieri maciullati. Ci sono però delle avvertenze. Duttweiler e Urban sottolineano entrambi che il tentativo di aprire la valvola di scarico troppo presto può causare aste di spinta piegate. Ciò è dovuto principalmente alla superficie della valvola di scarico che tenta di aprirsi contro le alte pressioni dei cilindri. “Avrete bisogno di aste di spinta più grandi”, avverte Duttweiler. “Vedo accadere altre cose brutte sul lato dello scarico che cercano di aprirsi contro la pressione del cilindro”.

La selezione della testa del cilindro entra in gioco anche quando si seleziona un albero a camme. Proprio come con un motore normalmente aspirato, Duttweiler dice che una testa cilindro ben scorrevole permette di ridurre la durata per portare la potenza a regimi più elevati. Le teste meno efficienti fanno l’esatto contrario, richiedendo una maggiore durata per compensare il flusso debole. Questo è rafforzato da ciò che abbiamo notato qui a Car Craft sui nostri test al banco prova dei motori normalmente aspirati. Con una data fasatura delle camme, l’aggiunta di testine migliori estende il punto di picco della potenza al minuto, mentre testine più deboli fanno esattamente l’opposto. Ma di solito ci sono dei limiti quando si ha a che fare con un turbo. Duttweiler avverte che un turbo progettato correttamente “farà funzionare il motore ben oltre la sua capacità di controllare il treno di valvole e andrà dritto nel galleggiante delle valvole! Ciò significa che le valvole sono critiche quanto i motori normalmente aspirati. Questo tende ad enfatizzare le camme dei rulli meccanici piuttosto che i rulli idraulici, anche se i rulli idraulici sembrano avere un vantaggio sulla durata per i motori stradali.

Se tutto questo suona proprio come quello che normalmente i motori ad aspirazione vogliono (e lo è), allora andate dal capoclasse. Duttweiler dice che si può e probabilmente si dovrebbe trattare un motore turbo di dimensioni adeguate e ad alta efficienza come un motore normalmente aspirato. Una valvola di scarico ad apertura anticipata può essere vantaggiosa per la potenza di fascia alta perché anche i turbocompressori ad alta efficienza devono ancora lavorare contro una certa contropressione di scarico. Lo scarico ad apertura anticipata aiuta a ridurre la pressione residua nel cilindro prima che la valvola di aspirazione si apra.

Classi avanzate

C’è molto di più nella selezione della temporizzazione delle camme, tuttavia, che il semplice serraggio dell’LSA quando si utilizza un turbocompressore più efficiente. La difficoltà nella scelta delle specifiche dell’albero a camme è che gran parte dei consigli che provengono dai costruttori di motori professionisti sono di solito rivolti ad applicazioni di potenza estrema come Bonneville o le auto a trascinamento da 6 secondi e 2.400 CV. Espandendo il nostro confronto con i motori normalmente aspirati, non scegliereste lo stesso albero a camme per un 500ci NHRA Pro Stocker come fareste per un motore stradale da 350ci, 400hp. Considerando questo, ci sono molti fattori che spingono a scegliere un albero a camme per un motore stradale con turbocompressore. Kurt Urban ha molta esperienza in questo genere di cose, e ha usato una varietà di diversi design di camme in base a come il motore sarà usato e la vettura che alimenterà. Quando si parla di camme Urban dice: “Per me, è ciò che funziona in macchina”.

Urban ha proseguito dicendo: “Cerco di progettare una camma intorno a ciò di cui penso che il guidatore abbia bisogno. Tutti vogliono una grande potenza, ma quello che serve davvero è una cam che gareggi bene”. Per esempio, Urban dice: “Con una Powerglide, un grande albero a camme e un grande turbo non funzionano bene insieme. L’auto sarebbe pigra fuori dalla linea, e la potenza arriverebbe solo all’estremità superiore”. Quindi, in questo caso, dice che un albero a camme di durata inferiore probabilmente funzionerebbe meglio per lanciare l’auto, perché la maggior parte del tempo trascorso si basa sull’accelerazione della linea di partenza. “Nelle gare di accelerazione si vuole che l’auto parta, quindi tengo conto di quanto pesa la macchina, della cilindrata, di quanto è bravo il pilota e probabilmente di una dozzina di altri dettagli per montare la camma. A volte, a volte, inserisco una camma più piccola per rendere la macchina più facile da guidare e aggiungo la durata in un secondo momento, man mano che il pilota migliora”.

A titolo di esempio, Urban dice: “Ho costruito un motore per un’auto radiale a trazione con una 427 LS. L’albero a camme aveva la normale divisione a 260/272 gradi (a 0,050) con un angolo di separazione di 115. Il motore ha utilizzato 1.400 libbre di carburante alla massima potenza, e l’auto va a 7,20s a più di 200 mph. A 1.400 libbre all’ora è ben oltre 2.000 CV. Ho provato una camma 272/280 per fare più potenza di picco, ma la macchina correva più lenta perché non usciva anche se faceva 5 libbre di spinta in più in cima”. Come hanno sottolineato sia Duttweiler che Urban, questo è molto simile a un motore normalmente aspirato in cui una durata eccessiva ha ucciso la potenza di fondo e la macchina ha funzionato più lentamente.

Per sottolineare che prendere in considerazione il modo in cui l’auto verrà utilizzata è fondamentale per la scelta dell’albero a camme, Urban ha costruito un motore per un’auto stradale pesante che sembra volare di fronte alla saggezza convenzionale delle turbo camme. “Ho costruito un motore LS con una camma 227/223 con 0,614/0,610 di sollevamento con un turbo di 72 mm che produce 900 libbre di coppia a 3.500 giri al minuto nel mio autocarro Chevy a trazione integrale. Va a 11,40 mph a 120 mph e ho più di 100.000 miglia su di esso!”. Qui l’applicazione richiede molta coppia perché il costruttore del motore si trova di fronte a un veicolo molto pesante con un convertitore di coppia molto stretto e poco rapporto di trasmissione per aiutarlo a muoversi. La combinazione di un lobo di aspirazione di breve durata con un lobo di scarico ancora più corto rispetto all’aspirazione (a volte chiamata camma divisa in retromarcia) significa che la fasatura della camma enfatizza la coppia a bassa velocità, come dimostra l’incredibile coppia a un regime motore relativamente basso.

Urban ha continuato dicendo “I motori turbo corrono più veloci (in pista) quando si apre prima la valvola di scarico. Con una breve durata di aspirazione, il motore risponde con la velocità in pista. Aprendo prima la valvola di scarico con un angolo di separazione dei lobi più stretto o con una lunga durata dello scarico, il motore risponde generalmente meglio. Se si apre la valvola di scarico troppo tardi, si perde la capacità di recupero”.

Cronache sovrapposte

La sovrapposizione è definita come il numero di gradi di rotazione dell’albero motore stabiliti tra quando la valvola di scarico si chiude (EC) e quando la valvola di aspirazione si apre (IO). Questo è stabilito da diversi fattori. Abbiamo discusso questa idea con il progettista del lobo di Comp Cams, Billy Godbold. Godbold dice che la credenza popolare è che l’angolo di separazione dei lobi sia responsabile della quantità di sovrapposizione, ma questo è vero solo in parte. L’altra metà importante dell’equazione è la lunghezza della durata sia dell’aspirazione che dello scarico dei lobi. Se la durata dell’aspirazione o dello scarico aumenta, essa influisce sulla sovrapposizione. L’illustrazione delle Comp Cams che accompagna l’equazione lo rende più facile da capire. Se spostiamo le linee centrali di aspirazione e di scarico più vicine, l’angolo diventa più piccolo come da 114 gradi a 110 gradi. Quando questo accade, quel piccolo triangolo che indica la sovrapposizione aumenta di dimensioni.

Con un dato angolo di separazione dei lobi, la sovrapposizione aumenterà con l’aumentare della durata. Abbiamo incluso una breve spiegazione di come calcolare la sovrapposizione dai punti di apertura e di chiusura indicati sulla scheda della camma. Nel nostro caso, le specifiche di queste tre camme Comp sono offerte con un’alzata della punteria da 0,006 pollici. Come si può vedere, aumentando la durata dalla camma più piccola a quella più grande si aumenta la sovrapposizione di ben 12 gradi, anche se l’angolo di separazione dei lobi rimane a 110 gradi.

Come calcolare la sovrapposizione

Camme Comp XR276 HR camma idraulica a rulli PN 12-423-8
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Durata: 224/230 gradi a 0,050 a 0,006-inch di punteria a tazza

Camma installata a 106 gradi di interasse di aspirazione

Sovrapposizione = Chiusura dello scarico (CE) + Apertura di aspirazione (IO)

Eventi di accoglienza: IO = 32 BTDC; IC = 64 ABDC

Eventi di scarico: EO = 75 BBDC; EC = 27 ATDC

Sovrapposizione = 27 + 32 = 59 gradi

Ora diamo un’occhiata a tre alberi a camme a rulli idraulici con tre diverse durate di aspirazione e scarico, ma con lo stesso angolo di separazione dei lobi di 110 gradi. Tutte le cifre di sovrapposizione sono date con un’alzata della punteria a tazza di 0,006 pollici.

Comp XR 270: 218/224 gradi di durata a 0,050

Sovrapposizione = 24 + 29 = 53 gradi di sovrapposizione

Comp XR 282: 230/236 gradi di durata a 0,050

Sovrapposizione = 30 + 35 = 65 gradi di sovrapposizione

Comp XR294: 242/248 gradi di durata a 0,050

Sovrapposizione = 36 + 41 = 77 gradi di sovrapposizione

Anche se l’angolo di separazione dei lobi di 110 gradi non è cambiato con queste tre camme, la sovrapposizione è aumentata complessivamente di 24 gradi perché sia la durata dell’aspirazione che quella dello scarico sono aumentate di 12 gradi con ogni camma più grande.

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