Abbiamo già spiegato la disposizione dei cilindri, la sovralimentazione e come si leggono le curve di coppia e potenza — ma mai il meccanismo che, silenzioso sotto il coperchio della testata, rende possibile tutto questo. Ogni motore a quattro tempi ha bisogno che le valvole di aspirazione e scarico si aprano e chiudano nell’istante esatto, migliaia di volte al minuto, in perfetta sincronia con i pistoni. Questo compito spetta alla distribuzione — cinghia, catena o, su un numero sempre più ridotto di motori, ingranaggi — ed è, a differenza di quasi tutto il resto del motore, uno dei pochissimi componenti con una vera scadenza scritta nel piano di manutenzione.
Perché un motore ha bisogno della distribuzione
Un motore a quattro tempi completa aspirazione, compressione, scoppio e scarico in due giri completi dell’albero motore, ma ogni valvola deve aprirsi una sola volta per ciclo. Questo significa che l’albero a camme — l’albero i cui lobi a profilo ovale spingono le valvole ad aprirsi nell’istante giusto — deve girare esattamente a metà velocità dell’albero motore, mantenendo sempre lo stesso rapporto angolare rispetto ad esso. Sbagliare questo rapporto anche di pochi gradi fa girare male il motore, aumenta i consumi e fa fallire le prove di emissioni; sbagliarlo di molto, su tanti motori, significa che una valvola incontra un pistone che non dovrebbe trovarsi lì. La distribuzione è semplicemente il collegamento meccanico che mantiene albero motore e albero a camme bloccati in quel rapporto 2:1, giro dopo giro, per tutta la vita del motore.
Catena, cinghia o ingranaggi: tre soluzioni allo stesso problema
La soluzione più antica e rudimentale è il treno di ingranaggi: una serie di ruote dentate che collegano direttamente albero motore e albero a camme. È praticamente indistruttibile e non richiede manutenzione, ma è rumoroso, pesante e geometricamente scomodo quando l’albero a camme si trova lontano dall’albero motore — per questo sopravvive oggi soprattutto su motori industriali di piccola taglia e alcuni motori ad alte prestazioni, non sulle auto di serie.
La catena di distribuzione sostituisce gli ingranaggi con una catena metallica a rulli, simile nel principio a quella di una bicicletta, che scorre in un bagno d’olio ed è tenuta in tensione automaticamente da un tenditore a molla o idraulico che preme contro una guida in materiale plastico. La catena è stata la scelta predefinita per decenni, è largamente scomparsa da molti motori di serie tra gli anni ’80 e i primi 2000 a favore della cinghia, ed è tornata con forza sui moderni motori turbo downsizing, dove i costruttori la propongono come componente che non richiede sostituzione programmata per tutta la vita dell’auto.
La cinghia di distribuzione usa una cinghia dentata in gomma, rinforzata internamente con cordicelle in fibra di vetro o aramide, che scorre a secco (mai nell’olio) attorno a pulegge dentate. È più leggera, più silenziosa e più economica da produrre rispetto a una catena, ed è diventata la scelta predefinita tra gli anni ’80 e ’90 proprio per questi motivi. Il suo limite è il rovescio della medaglia del suo materiale: la gomma si degrada con il calore, la contaminazione da olio e semplicemente con l’età, in un modo in cui una catena metallica non lo fa — per questo ha un intervallo di sostituzione rigido, non un “si controlla e si vede”.
Motore interferente o no: perché la rottura di una cinghia conta così tanto
Cosa succede davvero se la distribuzione si rompe dipende interamente dalla geometria del motore. In un motore non interferente, il pistone non arriva mai abbastanza in alto nel cilindro da incontrare una valvola che si trova aperta, quindi se cinghia o catena si rompono il motore semplicemente si ferma — un disagio, non un disastro. In un motore interferente — la grande maggioranza dei motori moderni ad alta compressione ed efficienza, dove i giochi tra valvole e pistone sono volutamente ridotti per migliorare la respirazione e il rapporto di compressione — una cinghia rotta fa incontrare al pistone, al giro successivo, una valvola ancora aperta, piegandola o frantumandola e spesso danneggiando anche la calotta del pistone e la testata. Questa singola distinzione è il motivo per cui gli intervalli di sostituzione della cinghia di distribuzione sono trattati dai costruttori come non negoziabili: su un motore interferente, una cinghia rotta trasforma una normale operazione di manutenzione in un revisione completa del motore.
Le punterie: gli ultimi millimetri della catena cinematica
Tra il lobo dell’albero a camme e lo stelo della valvola si trova la punteria (o bicchierino), il piccolo componente cilindrico che trasmette effettivamente il movimento del lobo alla valvola, assorbendo i carichi laterali in modo che la valvola stessa si muova sempre in linea retta. I motori più vecchi usavano punterie meccaniche a registro fisso, che richiedevano a un tecnico di controllare e regolare periodicamente il gioco a mano: troppo poco gioco e una valvola non riesce a chiudersi completamente, bruciandosi; troppo gioco e il motore sviluppa quel rumore secco e battente noto dai vecchi diesel e dai motori a benzina usurati. Dagli anni ’80 le punterie idrauliche hanno reso inutile questa regolazione manuale: una piccola camera interna, alimentata dalla pressione dell’olio motore, si espande e si contrae per recuperare automaticamente il gioco e smorzare il movimento del lobo, autoregolandosi rispetto a usura e dilatazione termica che altrimenti richiederebbero una chiave. Il loro unico punto debole è la qualità e la pressione dell’olio: un olio deteriorato o a bassa pressione fa collassare o “pompare” in modo scorretto una punteria idraulica, ed è esattamente il rumore battente che si sente all’avviamento a freddo su un motore trascurato dopo un cambio olio saltato.
Quando la distribuzione è diventata variabile
Un profilo dell’albero a camme fisso è un compromesso: la forma del lobo che garantisce un minimo fluido e pieno di coppia non è la stessa che permette al motore di respirare liberamente a 7.000 giri. I sistemi di fasatura variabile — conosciuti con nomi come il VVT-i di Toyota, il VANOS di BMW o il VTEC di Honda — risolvono il problema ruotando leggermente l’albero a camme rispetto a catena o cinghia mentre il motore gira, usando la pressione dell’olio su un’unità di fasatura (phaser) montata sulla puleggia dell’albero a camme, anticipando o ritardando l’apertura di ciascuna valvola in base a carico e regime. Alcuni sistemi, il VTEC su tutti, si spingono oltre e commutano fisicamente tra due diversi profili di lobo sullo stesso albero, dando al motore due alberi a camme distinti a tutti gli effetti tranne il nome. Nulla di tutto questo sostituisce cinghia o catena in sé: aggiunge semplicemente intelligenza sopra lo stesso collegamento meccanico che da sempre mantiene sincronizzati albero motore e albero a camme.
Perché conta poco su un’elettrica
Nulla di questo sistema esiste su un’auto elettrica a batteria. Come abbiamo spiegato parlando di come funziona davvero il motore elettrico, il motore di un’EV non ha valvole, non ha albero a camme e non ha un ciclo di combustione da temporizzare — uno dei motivi meno evidenti per cui le motorizzazioni elettriche richiedono una manutenzione programmata molto più ridotta rispetto ai motori a combustione che sostituiscono. La cinghia e la catena di distribuzione continueranno comunque a contare a lungo: sono sotto il cofano della grande maggioranza delle auto oggi su strada, e lo resteranno per le ibride e le termiche che si venderanno ancora per anni.
Foto: © Car-Shooters