Le prestazioni del motore — incluse la potenza, la coppia, l’efficienza del carburante e le emissioni — dipendono da decine di fattori precisamente calibrati. Uno dei più critici, ma spesso trascurato, è la fasatura delle valvole: il preciso momento in cui le valvole di aspirazione e di scarico si aprono e si chiudono durante ogni ciclo del motore. I sistemi di fasatura variabile delle valvole (VVT) sono stati sviluppati per ottimizzare questa fasatura in tutte le condizioni di guida, e hanno trasformato le prestazioni dei motori moderni.
Come Vengono Controllate le Valvole in un Motore Tradizionale
In un motore convenzionale a quattro tempi con combustione interna, le valvole di aspirazione e di scarico sono azionate dai lobi dell’albero a camme. La forma di questi lobi determina tre caratteristiche fondamentali:
- Fasatura — quando la valvola si apre e si chiude in relazione alla posizione del pistone
- Durata — per quanto tempo la valvola rimane aperta (l’ampiezza della fase)
- Alzata — di quanto la valvola si allontana dalla propria sede
Nella maggior parte dei motori tradizionali, queste fasi sono fisse — il profilo dell’albero a camme non cambia mai, indipendentemente dal fatto che si stia girando al minimo nel traffico o accelerando in autostrada. Questa rigidità rappresenta una limitazione fondamentale.
Perché la Fasatura Fissa delle Valvole È un Problema
Il comportamento dei gas all’interno del cilindro, dei condotti di aspirazione e di scarico cambia significativamente in base alla velocità e al carico del motore. La velocità di flusso varia costantemente e le onde di pressione nei condotti di aspirazione e di scarico possono favorire o penalizzare il riempimento del cilindro a seconda della fasatura. Per questo motivo, un’unica fasatura fissa delle valvole non può essere ottimale in tutte le condizioni operative.
Ecco come la fasatura ideale delle valvole differisce tra due scenari comuni:
- Al minimo: Le fasi di fasatura delle valvole ristrette funzionano meglio — apertura ritardata e chiusura anticipata, con sovrapposizione minima o assente (il breve periodo in cui sia le valvole di aspirazione che quelle di scarico sono aperte contemporaneamente). Ciò impedisce che i gas di scarico vengano respinti nel collettore di aspirazione o che la miscela non combusta fuoriesca nello scarico.
- Alla massima potenza: Sono necessarie fasi ampie — le valvole devono aprirsi prima e rimanere aperte più a lungo per consentire il massimo volume di miscela aria-carburante nei cilindri. Una fase di sovrapposizione più ampia aiuta anche a spazzare via i gas di scarico in modo più efficace agli alti regimi.
I progettisti di motori sono quindi costretti a fare difficili compromessi. Un singolo profilo fisso dell’albero a camme deve garantire contemporaneamente:
- Coppia elevata ai bassi e medi regimi
- Potenza accettabile ai regimi elevati
- Minimo stabile e regolare
- Buona economia di carburante e basse emissioni
Soddisfare tutti questi requisiti con un unico profilo statico delle camme è praticamente impossibile — ed è esattamente per questo che è stata inventata la fasatura variabile delle valvole.
Cosa Fa la Fasatura Variabile delle Valvole
I sistemi di fasatura variabile delle valvole consentono al comportamento delle valvole del motore di adattarsi in tempo reale alle mutevoli condizioni di guida. Regolando la fasatura della fase, la durata e l’alzata, gli ingegneri possono ridisegnare in modo significativo la curva di potenza di un motore senza compromessi meccanici. I potenziali vantaggi includono:
- Coppia aumentata su un range di regimi più ampio
- Maggiore potenza massima
- Migliore efficienza del carburante
- Riduzione delle emissioni di scarico
- Minimo più regolare e migliore risposta del gas
Tipi di Sistemi di Fasatura Variabile delle Valvole
Sfasatori di Fase (Cam Phaser)
L’approccio VVT più comune utilizza uno sfasatore di fase — una frizione azionata idraulicamente che ruota l’albero a camme rispetto all’albero a gomiti. All’aumentare della velocità del motore, il sistema anticipa l’albero a camme di aspirazione, causando l’apertura anticipata delle valvole di aspirazione. Ciò migliora il riempimento dei cilindri agli alti regimi. La maggior parte delle implementazioni agisce solo sulla camma di aspirazione, sebbene i sistemi a doppia camma (come il Double VANOS della BMW) regolino in modo indipendente sia la fasatura di aspirazione che quella di scarico.
Sistemi a Larghezza di Fase Variabile
I sistemi più avanzati vanno oltre il semplice sfasamento — possono anche allargare o restringere la fase. Un esempio ben noto è il sistema VVTL-i di Toyota, che utilizza due profili di camma sullo stesso albero:
- Al di sotto dei 6.000 giri/min, il lobo della camma standard controlla il movimento delle valvole
- Al di sopra dei 6.000 giri/min, una camma secondaria con un profilo più aggressivo subentra, allargando la fase di fasatura e aumentando l’alzata delle valvole
- Man mano che il motore si avvicina al suo regime massimo di 8.500 giri/min, questa transizione genera una caratteristica impennata di potenza — un notevole “secondo respiro” durante le accelerazioni brusche
Sistemi a Alzata Variabile delle Valvole
Cambiare il momento di apertura delle valvole è una cosa — cambiare quanto si aprono è un’altra. I sistemi a alzata variabile, come il Valvetronic della BMW o il VVEL della Nissan, consentono di regolare in modo continuo l’alzata della valvola di aspirazione in base alla posizione del pedale dell’acceleratore.
Questo approccio offre un vantaggio significativo: può eliminare la necessità di una valvola a farfalla convenzionale. Ecco perché questo è importante:
- Una valvola a farfalla tradizionale crea un vuoto parziale nel condotto di aspirazione a bassi carichi, aumentando le perdite per pompaggio
- Questo vuoto rallenta il flusso dei gas, pregiudica la qualità del riempimento dei cilindri e ottunde la risposta del gas
- Controllando il carico del motore attraverso l’alzata delle valvole, l’aspirazione può rimanere in gran parte non ostruita
I risultati sono sostanziali. I sistemi a alzata variabile senza valvola a farfalla tipicamente offrono:
- Miglioramento dell’8–15% nell’efficienza del carburante
- Guadagni del 5–15% sia nella potenza massima che nella coppia
- Risposta del gas notevolmente più pronta, specialmente a basse velocità
Azionamento Elettromagnetico delle Valvole
Il concetto più avanzato nel controllo delle valvole sostituisce completamente gli alberi a camme meccanici con valvole azionate elettromagneticamente. Ogni valvola viene aperta e chiusa in modo indipendente da solenoidi elettronici, dando al sistema di controllo del motore la massima libertà sulla fasatura, l’alzata e la durata per ogni singola valvola ad ogni ciclo.
Le possibilità che questo sblocca sono notevoli:
- Fasatura delle valvole perfettamente ottimizzata per ogni regime e condizione di carico
- Disattivazione individuale dei cilindri durante la guida a basso carico per risparmiare carburante
- Commutazione dinamica tra cicli di combustione — ad esempio, conversione di un motore a quattro tempi in una configurazione a sei tempi al volo
- Eliminazione completa dell’albero a camme e delle perdite meccaniche associate
Le valvole ad azionamento elettromagnetico rimangono in gran parte nella fase di ricerca e sviluppo, ma il loro potenziale per ridefinire l’efficienza della combustione interna è significativo. Se raggiungeranno la produzione di massa nel prossimo futuro rimane ancora da vedere.
In Sintesi
La fasatura variabile delle valvole è una delle tecnologie più impattanti nello sviluppo dei motori moderni. Adattando il comportamento delle valvole a ogni condizione di guida — dal minimo in città all’accelerazione a pieno regime — i sistemi VVT consentono agli ingegneri di realizzare motori che sono allo stesso tempo più potenti, più efficienti e più puliti rispetto a quanto i progetti a fasatura fissa avrebbero mai potuto essere.
Detto questo, l’ottimizzazione della fasatura delle valvole ha i suoi limiti. Ottenere ulteriori guadagni in potenza, coppia ed efficienza da una data cilindrata dipenderà sempre di più da altre tecnologie — sistemi di sovralimentazione combinati, motori a rapporto di compressione variabile e carburanti alternativi. Ma questa è una storia per un altro articolo.
Questa è una traduzione. Puoi leggere l’originale qui: https://www.drive.ru/technic/4efb330700f11713001e33f9.html
Pubblicato Gennaio 13, 2022 • 7m da leggere
