Mondo motori

Alberi a camme e fasatura

La distribuzione di un motore (valvole, punterie, molle, alberi a camme) ha il compito di regolare il flusso d'aria aspirata ed i gas in uscita dalla camera di scoppio ai diversi regimi di rotazione in base alle esigenze del motore. Gli ingegneri spesso paragonano l'accordatura di uno strumento musicale all'accordatura tra lunghezze e sezioni di condotti e valvole, e fasatura, che sono problemi strettamente interconnessi. Questi due tipi di accordatura, sebbene si riferiscano ad argomenti molto differenti, si basano sul medesimo principio. Lo scopo è quello di far aprire le valvole di aspirazione nel momento più opportuno, ovvero mentre le onde di pressione (che si formano nel condotto di aspirazione e che si muovono continuamente avanti e dietro per il condotto), si dirigono verso la valvola di aspirazione. Per lo scarico invece si cerca l'apertura dopo aver sfruttato al massimo la spinta dei gas combusti e al tempo stesso aver valutato l'imminente fase di lavaggio ottenuta grazie alla nuova apertura della valvola di aspirazione e gli effetti di depressione presenti allo scarico. Mi rendo conto che si tratta di un tema di difficile comprensione il quale non si può spiegare se non con molte pagine di articoli. Per questo cercherò di chiarire per mezzo dei seguenti schemi commentati.

Inizio apertura valvola di aspirazione	Massima alzata valvola aspirazione	Chiusura valvola di aspirazione
Inizio compressione	Momento di massima velocità pistone	Inizio apertura valvola scarico
Massima apertura valvola di scarico	Inizio chiusura valvola di scarico	Chiusura valvola di scarico

 

Fasature e rendimento

Brevi spunti per capire il fondamentale ruolo della fasatura di un motore 4 tempi.

Massima alzata. Generalmente i motori usano alberi a camme con il punto di massima alzata compreso tra i 100° ed i 115°. Più il punto di massima alzata si avvicina ai 115° e più il motore è stradale ossia con molta coppia in basso e poco dedito a girare in alto. Più il punto di massima alzata è vicino ai 100° e più il motore è disponibile a girare in alto ma con poca coppia in basso; questo tipo di alberi a camme ha delle fasature lunghissime e con un incrocio molto ampio per favorire effetti di risonanza fra scarico ed aspirazione.

Angolo tra le valvole. Più è elevato l'angolo tra le valvole e minore dovrà essere la durata dell'incrocio; la miscela tende più facilmente ad uscire dalla valvola di scarico. L'alzata non potrà essere aumentata per evitare contatti tra le valvole

Rapporto corsa alesaggio. Più il motore ha un basso rapporto corsa alesaggio (superquadro) e nel contempo maggiore superficie delle valvole e meno saranno necessarie lunghissime fasature.

Singolo albero a camme in testa. Nei motori con un solo albero a camme che comanda aspirazione e scarico anticipare l'albero a camme aumenta la coppia in basso e riduce la potenza agli alti.

Dilatazione termica. Nell'efettivo uso, a causa della dilatazione termica, la cinghia si allunga ritardando la distribuzione con perdite di potenza ai bassi

Scarico. Con l'impianto di scarico ben progettato non si hanno grandi variazioni anche con spostamenti di 2 o 3 gradi della fasatura di scarico sia da una parte che dall'altra. Se lo scarico ha problemi, anticipare di un paio di gradi l'AC di scarico, fa guadagnare ai regimi medio alti con una piccola perdita ai bassi. Favoriremo in tal modo lo svutamento del cilindro facilitando il motore a salire di giri. Aprire in ritardo lo scarico permette di avere una maggior spinta sui pistoni ai bassi regimi. Non si favoriscono però i giri alti, trovando in tal modo il motore difficoltà a salire di giri. Ritardare la chiusura dello scarico aumenta l'incrocio con la valvola di aspirazione... Se lo scarico è ben progettato, l'effetto di risonanza aiuta l'aspirazione. Uno scarico mal progettato in questo caso porterebbe addirittura alla rissalita dei gas di scarico verso i condotti di aspirazione.

Aspirazione. Anticipare troppo l'aspirazione può dare differenti risultati positivi o negativi a seconda del motore. L'effetto comunque sia è più sentito ai bassi. Ritardare l'albero a camme di aspirazione è l'operazione che da gli effetti più importanti. Significa sfruttare fino all'ultimo l'effetto dinamico della colonna di gas che è in movimento.

Alzata valvole. Incrementare l'alzata della valvola serve a mantenere una fasatura pressochè originale ma incrementando lievemente la potenza su tutto l'arco di utilizzo del motore. La differenza del gioco valvola (ci riferiamo alle punterie e quindi al contatto tra camma e bicchierino) fra aspirazione e scarico vale mediamente 0,1mm. Nei motori dotati di registrazione del gioco significa un ritardo in apertura ed un anticipo in chiusura variabile fra i 3° ed i 5°.

Motori turbo. Nei motori turbo in genere l'aspirazione ha un'alzata inferiore di 1,5mm rispetto allo scarico ed una durata inferiore di 20° o 30° rispetto allo stesso. Anticipare l'apertura della valvola di scarico sperando di sfruttare la corposa pressione nel cilindro per far ruotare più forte la turbina, fa perdere una grossa parte della spinta sul pistone. Per cui rispetto ad un aspirato, conviene ritardare l'apertura dello scarico anche di quasi 10°.

 

Alberi a camme con lobi asimmetrici

La quasi totalità degli alberi a camme è costituita da lobi perfettamente simmetrici. Tuttavia, in alcuni casi, si può optare per lobi asimmetrici. Questi sono caratterizzati dalla presenza di rampe di apertura e di chiusura delle valvole, differenti. Gli alberi a camme con lobi asimmetrici hanno generalmente una rampa di chiusura pressochè assente. Questa soluzione offre vantaggi dal punto di vista fluidodinamico producendo di fatto elevati fenomeni di ram jet all’aspirazione e bloccando il ritorno dei gas combusti dallo scarico. E’ opportuno sottolineare, però, che con una velocità di chiusura tanto elevata (specialmente se abbinata con molle con carico insufficiente), si verificano effetti negativi di rimbalzo della valvola sulla sede. Questo fenomeno di fatto annulla tutti i vantaggi di tale soluzione.

Se invece, per limitare il rimbalzo, si aumenta il carico sulle molle, il colpo accorcia la vita operativa sia della valvola che della sua sede. Gli alberi a camme con lobi asimmetrici si adottano prevalentemente sui motori motociclistici. Qui le masse ridotte, ottenute grazie all’adozione di valvole in titanio, ne permettono l’impiego. Su motori di maggiori cilindrate l’impiego è tecnicamente consentito solo laddove il motore venga frequentemente smontato per sostituire/revisionare le sue parti. Anche con i sistemi pneumatici si mantiene di fatto una rampa di chiusura pari a quella di apertura proprio per non avere accelerazioni che potrebbero portare alla perdità del contatto fra albero a camme, punteria e valvola con relativi rimbalzi in chiusura. Fatti i debiti conti gli svantaggi, legati all’affidabilità nel tempo, superano i vantaggi  fluidodinamici. Al contrario, sulla distribuzione desmodromica (vedi l’animazione), l’assenza di molle (sostituite da una guida che comanda sia l’apertura che la chiusura delle valvole) permette di giostrare meglio le accelerazioni molto elevate sia di apertura che di chiusura. Stesso dicasi per il controllo attivo della distribuzione Lotus Active Valve Train.

 

Distribuzione variabile

Prima di definire cosa siano esattamente sarebbe corretto chiedersi quanto questo tipo di distribuzione sia utile nei motori da competizione. I motori da corsa sono motori fortemente accordati, significa che i loro flussi e il loro dimensionamento è studiato per elevati regimi di rotazione. Per tale ragione guadagnare qualcosa in basso significa sempre perderlo in alto. La domanda allora è: Quanto è vantaggioso guadagnare in basso perdendo qualcosa in alto? Nel 1990 venne preparata una monoposto di F1 Ferrari per Prost che perdendo 50CV a 13.000 giri/min ne guadagnava ben 100CV a 8000 giri/min. Prost provò a lungo la vettura a Fiorano e quando scese dalla macchina disse: "Proprio un bel risultato, si sente che in alto il motore frena". La telemetria mostrò che non era mai sceso sotto gli 11.000 giri al minuto. In quel caso avere la cosidetta "molta coppia in basso" a nulla servì. Alla fine della frenata il pilota, dopo aver scalato le marce necessarie, si inserisce in curva. Lo fa in rilascio, in modo da imprimere alla vettura quel giusto moviemento di sovrasterzo di rilascio (che può arrivare sino alla derapata) capace di farle assumere quel moto di rotazione controllata che la inserisce "naturalmente " in curva. Per far ciò egli ha bisogno che il motore fornisca alle ruote posteriori la giusta potenza frenante. Se troppo bassa la vettura non sovrasterza a sufficienza, se troppo alta va in testa coda. Dunque la scelta del raporto di ingresso curva è prevalentemente dettata da considerazioni di guida. Normalmente si usa un rapporto più alto di quello previsto dalla massimizzazione della successiva accelerazione. Ottenuto l'inserimento il pilota deve dosare la motricità in modo da percorrere la parte a raggio costante della curva a velocità costante ed in condizioni di massima aderenza trasversale. Di fatto egli mantiene il rapporto inserito all'ingresso e non è neccessaria la tanta coppia in basso (causerebbe solo un testa coda). Al di là del punto di corda, a mano a mano che il raddrizzamento della traiettoria rende disponibile aderenza trasversale, il pilota affonda l'acceleratore mantenendo dapprima la marcia con cui ha percorso la curva, poi via via salendo nella sequenza. Al contrario, per altri tipi di utilizzo come quelli Rallystici, la coppia in basso è fondamentale. Tuttavia non è totalmente esclusa la possibilità di una fasatura variabile in F1 ma tutt'oggi ne frenano l'adozione varie considerazioni tenciche: L'aumento di peso, la maggiore complessità meccanica, l'affidabilità.

 

V-Tech (Variatore di fase + variatore alzata valvola)

Il V-TECH Honda (figura a lato) funziona variando sia l'alzata delle valvole che la fasatura degli alberi a camme. La prima funzione è ottenuta, come si vede in figura, utilizzando 3 camme con rispettivi bilanceri per comandare le 2 valvole. L'alzata viene aumentata dopo un determinato numero di giri per favorire gli alti regimi, un sistema oleodinamico fa si che l'eccentrico centrale (con una fasatura più spinta) che ai bassi andava a vuoto, diventi solidale con i due lateral obbligando così una maggiore apertura. La fasatura invece viene controllata da 2 pulegge (per ogni albero a camme) una all'interno dell'altra che possono ruotare in modo assoluto o relativamente tra loro; ciò permette durante il tiro della cinghia di distribuzione di correggere di pochi gradi l'albero a camme facendo scorrere una puleggia sull'altra. Un progetto molto ambizioso dell'ingegner Andrea Titolo, prevede alberi a camme scorrevoli assialmente, eccentrici di geometria complessa e punterie a bicchiere con pattini basculanti. Molto famoso anche il sistema Valvetronic (paragrafo successivo) per l'alzata delle valvole e doppio VANOS (foto più in basso) per la correzzione della fasatura ideato da BMW

 

Valvetronic

Il capolavoro tecnologico ideato e realizzato da BMW funziona in questo modo: l'innovativa fasatura variabile delle valvole Valvetronic (= valvole variabili ed elettronica) varia l'alzata delle valvole di aspirazione. Il motore è quindi in grado di "respirare" liberamente soprattutto nei regimi transitori e può esprimere tutta la sua potenza con consumi più ridotti. La potenza del motore è controllata dall'alzata delle valvole di aspirazione a regolazione continua, senza l'obbligatoria valvola a farfalla, e viene quindi determinata la quantità di aria riducendo considerevolmente le perdite (controllo di volume). Il vantaggio di questa innovazione consiste nel fatto che, eliminando la valvola a farfalla nel tratto di aspirazione, l'aria necessaria per la combustione affluisce liberamente e senza turbolenze nei canali. Questo è possibile grazie a una meccanica di altissima precisione con un albero eccentrico azionato da un motorino di controllo. Le valvole di aspirazione svolgono in questo modo la funzione della valvola a farfalla. Quest'ultima è in effetti ancora presente ma viene impiegata solo in poche circostanze come sistema di emergenza. Valvetronic ottimizza inoltre la preparazione della miscela diminuendo anche del 10% il consumo di carburante.* Il motore risponde in modo ancora più spontaneo, poiché il comando impartito dall'acceleratore viene trasmesso direttamente all'interno della camera di combustione. Il consueto ritardo dovuto al riempimento dell'impianto di aspirazione tra valvola a farfalla e camera di combustione scompare. Di seguito il motore elettrico passo passo che varia costantemente l'alzata dalla valvola.

1. Attuatore 2. Vite senza fine 3. Molla di richiamo 4. Blocchetto di accesso 5. Albero a camme di aspirazione 6. Profilo inclinato 7. Appoggio del bilancere di aspirazione 8. Valvola di aspirazione

9. Valvola di scarico 10. Bilancere di scarico 11. Appoggio del bilancere di scarico 12. Bilancere di aspirazione 13. Leva intermedia 14. Albero degli eccentrici 15. Ruota dentata 16. Albero a camme di scarico

 

Vanos

La logica delle due pulegge che scorrono una nell'altra (per ogni A.C.) è ripresa e modificata da BMW. Il regime giusto per ogni coppia: la fasatura variabile dell'albero a camme, Doppia Vanos, controlla le prestazioni del motore in ogni intervallo di regime. Ad ogni velocità potrete approfittare del grande potenziale del vostro propulsore riducendo i consumi e le emissioni. Vanos o Doppia Vanos significa (doppia) fasatura variabile dell'albero a camme. Il sistema adegua in continuo il momento in cui gli alberi a camme aprono e chiudono le valvole di aspirazione e scarico. Le pulegge che scorrono una nell'altra permettono di anticipare o ritardare di pochi gradi gli alberi a camme. Ai bassi regimi è disponibile una coppia superiore e ai regimi elevati una potenza maggiore. Il funzionamento è il seguente: ad un basso numero di giri le valvole di aspirazione si aprono in ritardo migliorando la qualità del funzionamento al minimo e la rotondità. L'apertura anticipata delle valvole in regime medio aumenta sensibilmente la coppia e determina il ricircolo dei gas di scarico all'interno del motore, riducendo così consumi ed emissioni. Per la piena potenza al regime superiore, le valvole verranno aperte nuovamente in ritardo. Grazie alla minore quantità di gas residui non combusti migliora il funzionamento al minimo. Speciali diagrammi per la fase di riscaldamento aumentano l'efficacia del catalizzatore. La gestione avviene grazie all'elettronica digitale del motore (DME). La Vanos, che controllava solo l'albero a camme in aspirazione è stata installata per la prima volta nelle BMW nel 1992, la doppia Vanos nel 1997.

 

Controllo attivo della distribuzione - Lotus AVT (Active Valve Train)

Il sistema AVT di Lotus sostituisce i tradizionali alberi a camme con degli attuatori comandati idraulicamente e delle valvole elettroidrauliche proporzionali. L'attuatore idraulico a doppio effetto è fissato alla testa del cilindro; esso è coassiale con la valvola del motore. Il pistoncino di ogni attuatore idraulico è direttamente collegato alla valvola del motore. Un apposito trasduttore è collegato alla parte superiore del pistoncino e consente di monitorare accuratamente la posizione della valvola. Il sistema AVT utilizza un controller PID (Proportional Integral Derivative) per rilevare e correggere in automatico lo spostamento effettivo di ogni valvola con il valore di spostamento desiderato. Il funzionamento del sistema è perennemente monitorato per individuare eventuali malfunzionamenti quali ad esempio la perdita di pressione dell'olio o la perdita del segnale della posizione dell'albero motore o delle valvole, o ancora per evitare il contatto tra pistoni e valvole o tra le valvole stesse.

Tra le peculiarità del sistema Lotus Active Valve Train va sottolineato:

• AVT elimina la necessità di cambiare una moltitudine di componenti del motore, accelerando notevolmente i tempi di sviluppo del motore stesso e riducendone i costi del lavoro e della produzione. AVT è un sistema che offre la possibilità di effettuare una ricerca piuttosto flessibile.
• AVT ha la capacità di controllare indipendentemente ogni valvola con variazioni ad ogni ciclo e velocità operartive oltre i 5.000 giri/min.
• AVT è uno strumento che può essere adattato ad una grande varietà di motori a fini di ricerca e sviluppo. La Lotus conduce una moltitudine di prove tecniche specialmente su appositi motori monocilindrici realizzati dalla stessa Lotus a fini di ricerca.
• AVT controlla l'apertura e la sincronizzazione delle valvole mantenendo le accelerazioni di apertura e chiusura delle tradizionali valvole.
• AVT può controllare cicli a due e quattro tempi ed, in fase di ricerca, anche cicli a 6 ed 8 tempi.
• AVT permette all'utente di specificare fino a 128 profili di apertura/chiusura delle valvole.

Il sistema Active Valve Train è stato sviluppato per ricercare su avanzate tecniche di combustione:

• Combustione a bassa temperatura
• Sincronizzazione ottimizzata delle valvole
• Leggi di apertura/chiusura delle valvole ottimizzate
• Funzionamento del motore a 2 - 4 - 6 - 8 tempi (multi stroke operation)
• Controlled Auto Ignition (CAI)
• Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI)

AVT research system package:

• Adattatore di collegamento sistema AVT al motore (inclusa progettazione e produzione)
• Quattro attuatori (inclusi i trasduttori)
• Componenti idrauliche (inclusi organi di tenuta)
• Hydraulic Power Pack (HPP)
• PC ed interfaccia
• Centralina AVT, controllo attuatori AVT, cablaggio e software
• Installazione sistema AVT
• Training per il cliente e manuale d'uso

Circuito idraulico. Nello schema di lato è possibile osservare come nel sistema di controllo attivo della distribuzione realizzato da Lotus (ormai in studio da diversi anni) l'olio ad alta pressione comandi sia l'apertura (schema a sinistra) che la chiusura (schema a destra) della valvola. Ovviamente la gestione del sistema idraulico è affidata alla centralina elettronica. Gli attuatori, molto compatti, funzionano con una pressione di 200 bar.

Modulabilità. Nel diagramma è possibile osservare quale sarebbe il profilo dell'alzata con un albero a camme tradizionale (curva viola) e come invece possa essere modificato con il sistema AVT della Lotus (la curva verde mostra una apertura più veloce rispetto alla curva arancione).

 

Link

Distribuzione | Approfondimenti sulla distribuzione | Approfondimenti sulle valvole