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Tecnica

pubblicato il 24 dicembre 2010

La fasatura variabile

L’evoluzione dei motori vista attraverso i sistemi di gestione delle valvole

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Vi è mai capitato di voler accelerare dai bassi regimi e avvertire una certa esitazione del propulsore a salire di giri? Date per scontate le buone condizioni della vostra auto, probabilmente ciò che avete avvertito è stato un "buco di coppia", situazione in cui il motore attraversa un campo di funzionamento dove non "respira" al meglio, perdendo prestazioni proprio come succederebbe ad un atleta molto stanco. Il paragone ci serve per introdurre il sistema meccanico denominato distribuzione, composto da valvole e alberi a camme, che gestisce l'apertura e la chiusura dei condotti di aspirazione dell'aria e di espulsione dei gas combusti. La sua funzione è quella di garantire le quattro fasi di funzionamento del ciclo a 4 tempi e gestire i cosiddetti "incroci". Per la sua importanza, è uno dei sistemi sui cui i motoristi si concentrano maggiormente per migliorare le prestazioni, ridurre emissioni e consumi ed eliminare il fastidioso "buco di coppia": la soluzione tecnica più diffusa per centrare questi obiettivi è rappresentata dalla fasatura variabile delle valvole.

COS'E' LA FASATURA
In campo motoristico, si definisce fasatura il momento in cui si realizzano l'apertura e la chiusura delle valvole di aspirazione e scarico, rispetto ad una posizione definita dell'albero motore e del pistone. Le valvole permettono infatti l'introduzione di carica fresca (miscela aria-benzina per il ciclo Otto, solo aria per il Diesel) all'interno del cilindro e l'espulsione dei gas di scarico dopo la combustione. Esse sono azionate da uno o più alberi a camme (elementi meccanici che azionano le valvole per contatto con dei profili ad eccentrico), collegati all'albero motore tramite ingranaggi, cinghie o catene. La fasatura di una valvola viene normalmente definita da due valori: l'angolo di anticipo (o ritardo) di apertura rispetto al PMI (punto morto inferiore) e l'angolo di anticipo (o ritardo) di chiusura rispetto al PMS (punto morto superiore). L'angolo di anticipo è definito come il momento in cui la valvola termina la sua corsa fino a raggiungere la posizione di completa chiusura/apertura. Immaginando di vedere ruotare l'albero motore come le lancette di un orologio, nella rotazione dell'albero a gomiti il PMS del pistone corrisponde alle ore 12 e il PMI alle ore 6. Durante la corsa "verso l'alto" del pistone, una valvola di aspirazione comincia ad aprirsi tipicamente 10°-20° prima del PMS, e termina la fase di chiusura circa 30°-40° dopo il PMI; una valvola di scarico, invece, comincia ad aprirsi circa 30°-40° prima del PMI e si chiude 5°-10° dopo il PMS. I valori di fasatura, infine, identificano gli istanti in cui la valvola inizia il suo moto di apertura (da completamente chiusa) o chiusura (da completamente aperta), mentre la velocità con cui le valvole completano la propria corsa dipende dal profilo della camma che le aziona.

IL PUNTO CHIAVE: LA FASE DI INCROCIO
Questa "danza" si progetta attraverso il diagramma di distribuzione, con il quale gli ingegneri determinano il campo in cui le valvole di aspirazione e scarico restano aperte contemporaneamente: la sua estensione definisce l'angolo di incrocio, che è il parametro fondamentale da controllare per "fasare" la distribuzione di un motore. All'atto pratico, quindi, le valvole di aspirazione cominciano ad aprirsi prima che quelle di scarico siano completamente chiuse, realizzando così un effetto di "risucchio" che i gas combusti in uscita dal cilindro (velocità: oltre 300 m/s) esercitano sulla carica in ingresso, a favore del riempimento della camera di combustione.

I LIMITI DELLA FASATURA FISSA
Consideriamo, ad esempio, la fase di immissione d'aria nel cilindro. L'apertura della valvola di aspirazione inizia al primo contatto con la camma e aumenta fino a raggiungere un massimo in corrispondenza di metà corsa del pistone: questa posizione viene mantenuta per un certo angolo di rotazione dell'albero motore, permettendo l'ingresso della carica. Durante questo ciclo, però, si generano delle inefficienze, imputabili principalmente alle cosiddette "perdite per laminazione" che si presentano a valvola parzialmente aperta. Si tratta, in parole povere, della resistenza che il fluido incontra passando in una "strozzatura", che non esisterebbe se le camme fossero molto appuntite e azionassero così le valvole in maniera istantanea. Lo stesso ragionamento può essere esteso alla valvola di scarico e può aiutare a capire quale concetto stia dietro alla definizione della fasatura di un motore: il criterio fondamentale di progettazione risiede infatti nell'esigenza di far convivere due aspetti contrastanti. Da un lato, l'ampio range di utilizzo del motore richiederebbe valvole capaci di "lavorare" al meglio in diverse posizioni della propria corsa; d'altro canto si intuisce come il sistema funzioni bene solo in determinate condizioni. Tenendo conto di questo limite, la distribuzione a fasatura fissa definisce univocamente il carattere che si vuol dare al propulsore, al cui interno il flusso d'aria entrante in camera di combustione cambia al variare del regime di rotazione. I motori sportivi prediliranno così gli alti giri e avranno pertanto una fasatura molto "spinta", con un elevato angolo di incrocio: ne guadagnerà la potenza massima, a scapito di guidabilità e coppia ai bassi regimi. I propulsori più "turistici" soffriranno invece del problema opposto: sono queste le considerazioni che hanno portato i motoristi a concepire la fasatura variabile.

DAL SISTEMA ALFA AL MULTIAIR, PASSANDO PER IL VTEC
Il sistema di fasatura varabile delle valvole trova la sua prima applicazione su un'automobile di serie nel 1980, l'Alfa Romeo Spider 1750 destinata al mercato americano. L'obiettivo era quello di rispettare le severe limitazioni sulle emissioni inquinanti, mantenendo alti i valori di coppia e potenza del bialbero sul più ampio campo di utilizzo possibile. La variazione di fase era realizzata dallo spostamento assiale di un manicotto lungo l'albero a camme, che modificava così la sua rotazione. Da allora, molti Costruttori hanno sviluppato dispositivi analoghi, battezzati ognuno con un nome diverso: possiamo citare il VTEC Honda, il VVT Toyota, l'i Vanos e il Valvetronic BMW, il VarioCam Porsche, fino ad arrivare al più recente MultiAir Fiat. Le soluzioni tecniche adottate spaziano dalle architetture più semplici, con due configurazioni specifiche per bassi e alti regimi, a quelle più complesse, capaci di variare la fasatura in maniera continua lungo tutto l'arco di utilizzo del motore. Il brevetto Honda fu denominato VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) e debuttò nel 1989 sulla Integra. L'idea fu quella di prevedere due diversi profili per il controllo delle valvole di aspirazione (due per cilindro), uno per i regimi medio-bassi, l'altro per gli alti, comandati idraulicamnete da tre camme e due bilancieri (due esterni, uno centrale). Ai bassi regimi le valvole venivano azionate dai bilancieri esterni, mentre una camma dal profilo più spinto muoveva il bilanciere centrale oltre un certo regime del motore. A differenza della soluzione Alfa Romeo, quindi, il VTEC Honda poteva disporre di due leggi di fasatura ("turistica" e "sportiva"), diverse tra loro per durata e alzata delle valvole. In questo modo Honda lanciò sul mercato i primi motori aspirati capaci di potenze specifiche di 100 CV/litro, pur mantenendo una buona guidabilità ai regimi più "umani". Il superamento del principale limite del VTEC (brusco e poco gestibile il cambiamento di erogazione tra una fasatura e l'altra) fu il leitmotiv che caratterizzò le realizzazioni successive, tutte orientate a far variare la fasatura in maniera continua: nacquero il Toyota VVT e il BMW iVanos. Ferrari introdusse gli alberi a camme con profilo variabile lungo la lunghezza del lobo, che traslavano assialmente per ottenere diagrammi di distribuzione differenti. Il passo successivo fu la realizzazione dell'ampiezza variabile dell'alzata valvola. Il principale vantaggio di questo step evolutivo è stato quello di eliminare le perdite di pompaggio generate della laminazione indotta dalla valvola a farfalla. In altre parole, con questa soluzione il pedale del gas controlla direttamente le valvole di aspirazione. Primo esempio di tale tecnologia è stato il Valvetronic BMW, introdotto nel 2001, che interpone dei bilancieri tra la valvola e l'albero a camme, azionandoli con un motore elettrico. Il movimento dei bilancieri permette di variare l'alzata delle due valvole di aspirazione per cilindro in maniera indipendente, a prescindere dal regime di rotazione e dal "carico" del motore. La diretta evoluzione dell'idea BMW è stato il sistema elettro-idraulico Fiat Multiair, presentato nel 2009.

DOPO IL MULTIAIR, SI VA VERSO IL "CAMLESS"
La soluzione Fiat conserva l'albero a camme lato scarico "tradizionale", dotato di un'ulteriore camma meccanica che agisce su un solenoide di tipo on/off . Il volume d'olio che viene così movimentato può azionare le valvole di aspirazione, oppure de in un serbatoio, a seconda delle condizoni di funzionamento del propulsore. Se la valvola on/off è chiusa, l'olio si comporta come un corpo rigido e trasmette alle valvole la legge di alzata imposta dalla camma (al pari di un sistema tradizionale); quando la valvola on/off commuta, invece, l'olio defluisce nel serbatoio e la valvola stessa si chiude per effetto della forza della molla di richiamo. E' così dunque che si può modificare la fasatura a seconda del "carico motore": ad esempio, per ottenere le massime prestazioni, la valvola a solenoide rimane sempre chiusa e la piena apertura delle valvole è realizzata seguendo il profilo della camma meccanica; a basso regime, viceversa, si può ritardare l'apertura della valvole di aspirazione posticipando la chiusura della valvola on/off. E' possibile poi realizzare una apertura multipla durante lo stesso ciclo attraverso successivi azionamenti del solenoide. Come per il Valvetronic BMW, pertanto, la valvola a farfalla per la regolazione della quantità d'aria immessa non è più necessaria, ma è ancora presente per particolari condizioni di funzionamento "a freddo del motorre e come recovery solution in caso di malfunzionamenti). Nonostante i grandi progressi della tecnologia, i sistemi che abbiamo illustrato mantengono sempre, chi più chi meno, un certo legame "fisico" con l'albero motore (c'è sempre una trasmissione tra albero a camme e albero motore), ragion per cui la variabilità della fasatura può avvenire solo entri certi limiti. Tra le sfide più affascinanti per motoristi, ci sarà la realizzazione di sistemi completamente svincolati da altri organi mobili, in grado di gestire con assoluta indipendenza - apertura, chiusura, durata - tutte le fasi che regolano il moto delle valvole. Da alcuni anni, girano sui banchi prova delle Case prototipi di motori in cui le valvole si muovono sotto le forze di un campo magnetico (distribuzione camless), generato da solenoidi supervisionati da una ECU (Electonic Control Unit): si ottengono così infiniti diagrammi di distribuzione. Risolti gli alti consumi energetici attualmente riscontrabili, il limite risiede nella scarsa affidabilità raggiunta: il mancato azionamento dei solenoidi, infatti, lascia libera la valvola di impattare contro il pistone.

Autore: Alessio Ciarnella

Tag: Tecnica , auto europee , auto giapponesi , auto italiane


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