Fasatura delle valvole

La fasatura delle valvole in un motore a 4 tempi, cioè la scelta degli angoli di apertura e chiusura delle valvole, è un aspetto dal quale dipendono molte delle caratteristiche del motore stesso. La sua ottimizzazione è un processo che va di pari passo con l'ottimizzazione dei condotti di aspirazione e scarico la cui geometria influisce fortemente su tutto il processo di sostituzione del fluido di lavoro, fenomeno quest’ultimo tipicamente instazionario.

Quanto più un motore è destinato a funzionare a regimi elevati, tanto più è importante che le aree delle sezioni equivalenti di aspirazione e scarico siano elevate e che la permeabilità del sistema sia elevata per evitare strozzature e perdite di carico eccessive. Per questo, compatibilmente con l'insorgere di fenomeni collaterali indesiderati, si cercherà di aumentare quanto più possibile la durata angolare delle fasi di aspirazione e scarico.

1. AAS: angolo di Anticipo dell'Apertura dello Scarico (ingl EO: exhaust open) misurato a partire dal PMI,

2. RCS: angolo di Ritardo della Chiusura dello Scarico (ingl. EC: exhaust close), misurato a partire dal PMS,

3. AAA: angolo di Anticipo dell'Apertura dell'Aspirazione (ingl IO: intake open), misurato a partire dal PMS,

4. RCA: angolo di Ritardo della Chiusura dell'Aspirazione (ingl IC: intake close), misurato a partire dal PMI.

Figura 11: Tipico andamento delle leggi di apertura delle valvole di aspirazione e scarico. Sono evidenziati gli angoli di apertura e chiusura di ciascuna valvola e la loro posizione rispetto al Punto Morto Superiore (PMS) e al Punto Morto Inferiore (PMI).

Gli angoli di fasatura della distribuzione vengono generalmente indicati partendo dal PMS durante la fase di incrocio (contemporanea apertura di aspirazione e scarico).

Su una vettura “tranquilla” si potrà avere una fasatura 10-50-50-10 (rispettivamente per RCS, RCA, AAS, AAA).

su autovetture da competizione con elevati regimi di funzionamento una 50-90-90-50.

Nel primo caso l'incrocio dura soltanto 10+10 gradi di rotazione dell'albero a gomiti (da AAA a RCS), mentre nell'ultimo il periodo di contemporanea apertura delle valvole di aspirazione e scarico dura ben 50+50 gradi.

La scelta dell'angolo AAS è operata principalmente minimizzando la somma del lavoro perso in espansione e del lavoro perso durante la risalita del pistone per la presenza di una pressione nel cilindro superiore alla pressione atmosferica. Come mostra la Figura che si riferisce ad un motore Diesel, un anticipo eccessivo causa una elevata perdita di lavoro di espansione ma anche una diminuzione del lavoro di espulsione dei gas combusti. Viceversa un anticipo insufficiente permette di raccogliere un maggior lavoro durante l'espansione ma la risalita del pistone avviene quando la pressione nel cilindro è ancora eccessivamente elevata.

Figura 12: Influenza dell’angolo di anticipo allo scarico (AAS) sulla pressione nel cilindro e quindi sul lavoro di pompaggio.

La figura che segue mostra che la somma delle perdite per interruzione dell'espansione e per espulsione dei gas combusti alla risalita del pistone (prima parte del lavaggio) ha un minimo in corrispondenza dell'angolo AAS ottimale (curva superiore); le perdite e il valore dell’angolo AAS ottimale diminuiscono quando aumentano le dimensioni della valvola e quando viene ottimizzato il progetto del condotto di scarico in prossimità della valvola; in tal caso infatti lo scarico spontaneo ha una minor durata angolare. Per lo stesso motivo, un'ulteriore sensibile diminuzione delle perdite e dell'AAS ottimo si verifica al diminuire del regime di rotazione.

Figura 13: Andamento del lavoro perso al variare dell’angolo AAS in quattro diverse configurazioni.

I benefici dell’angolo di incrocio sono connessi allo sfruttamento della depressione che si crea nel cilindro alla fine della fase di scarico a causa dell’inerzia della colonna dei gas combusti. Durante questa fase l’ingresso della carica fresca è così favorito dalla fuoriuscita dei gas caldi verso lo scarico. Poiché l’inerzia dei gas è maggiore ai regimi elevati mentre il tempo disponibile per il ricambio del gas diminuisce al crescere del regime, l’angolo di incrocio tende ad aumentare nei motori destinati a funzionare ad elevati regimi. Si noti però che, alle basse velocità di rotazione, un incrocio elevato può portare alla fuoriuscita della carica fresca attraverso la valvola di scarico (con conseguente diminuzione del rendimento ed aumento delle emissioni di inquinanti se la carica fresca aspirata contiene anche il carburante). E’ possibile sfruttare l’apertura delle valvole per generare una leggera sovralimentazione, che porta ad un benefico riempimento del cilindro (maggiore è la quantità d’aria aspirata, maggiore è il lavoro che il motore è in grado di dare): all’apertura della valvola di aspirazione viene generata un’onda di espansione che si muove dalla valvola al filtro di aspirazione, ovvero l’onda “risale la corrente. L’onda di compressione così generata si muove verso la valvola e, se perviene alla sezione terminale del condotto quando la valvola è ancora aperta, si ottiene un beneficio sul riempimento. Si potrebbe mostrare che il beneficio è massimo quando il ritorno avviene in corrispondenza delle massime alzate della valvola, cioè a metà circa della fase di aspirazione.

Nella realtà il fenomeno è più complesso di quanto qui descritto perché le onde si propagano in un mezzo (il gas) non in quiete ma perturbato dal passaggio di onde precedenti. Tuttavia quanto qui qualitativamente illustrato mantiene la sua validità. L’effetto così ottenuto viene detto “accordo in aspirazione”.

Per ottenere un buon accordo all'aspirazione in un intervallo più elevato di regimi sono attualmente piuttosto diffusi svariati sistemi in cui vengono modificati gli angoli di fasatura della distribuzione al variare della velocità di rotazione del motore (sistemi di distribuzione a fasatura variabile) e/o la geometria dei condotti di aspirazione (sistemi di distribuzione a geomteria variabile).

Poiché generalmente si interviene sulla fasatura delle sole valvole di aspirazione, tali sistemi sono caratterizzati dall’avere alberi a camme separati per aspirazione e scarico. Si possono individuare due famiglie:

a) Sistemi in cui l'albero a camme di aspirazione può essere sfasato rigidamente al raggiungimento di un prefissato regime di soglia. In questo modo è possibile aumentare il RCA (e diminuire della stessa quantità l'AAA) ai regimi più elevati in modo da meglio sfruttare i consistenti effetti inerziali.

Figura 14: Principio di funzionamento di alcuni sistemi a fasatura variabile.

b) Sistemi in cui, al raggiungimento di un regime prefissato, il profilo di alzata delle valvole passa da una configurazione ottimizzata per i bassi regimi ad una più adatta ai regimi elevati. Tali dispositivi, che a seconda del costruttore assumono denominazioni diverse (VVT‑Variable Valve Timing, CPS‑Cam Profile Switching, ecc.) sono caratterizzati da un’intrinseca maggiore flessibilità dei precedenti perché, oltre che sulla fase è possibile intervenire sul’intera legge di alzata.

Un altro accorgimento spesso adottato per ottenere gli stessi benefici consiste nel modificare la lunghezza dei condotti di aspirazione al variare del regime in modo da mantenere fasato il ritorno dell'onda di compressione con l'istante di massima apertura della valvola di aspirazione.

I due accorgimenti, fasatura variabile e geometria variabile, posso anche essere adottati contemporaneamente. I benefici che si ottengono in termini di riempimento e coppia sono significativi ed attualmente giustificano l'adozione di tali dispositivi su motori di classe medio‑alta nonostante l'incremento di costo e la maggior complessità costruttiva (con i problemi di affidabilità che possono derivarne).

Figura 15: Schema di propagazione delle onde nel condotto di aspirazione.