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giovedì, 18 Aprile 2024
  • Tecnologia Valvetronic: evoluzione o rivoluzione?

    Come in ogni settore della tecnica, anche l’evoluzione del motore a combustione interna è stato segnato da innovazioni che possono essere considerate dei veri e propri milestone, ossia delle pietre miliari che ne hanno scandito lo sviluppo. Bene, dopo tanti piccoli cambiamenti e migliorie che hanno portato il motore alternativo al suo massimo sviluppo, ecco arrivare il Valvetronic, un’idea rivoluzionaria per pilotare l’apertura e la chiusura delle valvole di aspirazione.
    La portata di quest’innovazione va ben oltre un semplice perfezionamento di un sistema già esistente; sebbene i costruttori lavorino da anni per migliorare le prestazioni della distribuzione mai nessuno aveva proposto, per la produzione in serie, un sistema talmente evoluto da rendere superflua la presenza del corpo farfallato. Già, avete capito bene! Il nuovo Valvetronic brevettato dagli ingegneri di Monaco è capace di legare le manovre impartite al pedale dell’acceleratore direttamente alle logiche di apertura e chiusura delle valvole. Per capire come questo sia stato possibile facciamo un breve passo indietro e ripercorriamo la strada che ha portato i tecnici bavaresi a questo risultato.

    Le soluzioni precedenti
    Come molti di voi sapranno, al sistema di distribuzione di un motore a combustione interna è affidato il difficile compito di programmare l’ingresso di miscela fresca e l’uscita dei gas combusti dalla camera di combustione del propulsore. Dal punto di vista teorico, esistono dei momenti ben precisi in cui le valvole si dovrebbero aprire e quindi chiudere; malgrado ciò, l’azione di apertura e chiusura di una valvola è un movimento che richiede del tempo, ed ecco perché i motoristi hanno dovuto sempre lavorare sfruttando il concetto di anticipo di apertura e chiusura. In pratica, l’eccentrico che comanda la valvola è profilato in maniera tale da generare quello che si chiama un diagramma di fase, tale da prevedere l’alzamento e l’abbassamento della valvola con il giusto anticipo necessario a ottenere l’apertura o la chiusura totale all’istante voluto.
    Con il passare del tempo, gli ingegneri hanno perfezionato le tecniche di comando delle valvole e si sono accorti che sarebbe stato utile introdurre un sistema in grado di far variare i tempi di apertura e chiusura delle valvole. Quando infatti il motore sale di giri, accade una cosa che dal punto di vista tecnico contrasta con l’ottimale logica di funzionamento del propulsore: la rotazione degli alberi a camme è vincolata a quella dell’albero motore e ciò significa che all’aumentare del numero di giri di quest’ultimo si ha un incremento della velocità di rotazione dei primi. Ciò significa che se in fase di progetto è stato deciso un profilo dell’eccentrico tale da anticipare l’apertura della valvola, ad esempio, di un angolo di 20° (calcolati sempre in riferimento alla posizione dell’albero motore), ciò che succede, all’aumentare del numero di giri, è che quei 20° non sono più sufficienti per assicurare il giusto riempimento del cilindro (in altre parole è necessario anticipare ulteriormente l’apertura delle valvole).
    Ecco che allora nasce il concetto di fasatura variabile, ossia la concretizzazione di un’idea che ha permesso ai progettisti di superare le difficoltà di cui sopra. Grazie ai sistemi di fasatura variabile è stato possibile modificare i diagrammi di apertura, spostando gli istanti di apertura e chiusura delle valvole. Ma come spesso si dice, “l’appetito vien mangiando”, e introdotta questa modifica, i motoristi hanno iniziato a pensare di poter modificare un’altra caratteristica dei sistemi di distribuzione: l’alzata delle valvole.
    È chiaro che variare l’alzata significa aumentare la sezione di passaggio del fluido attraverso i condotti ricavati nella testa e, come conseguenza diretta, le prestazioni del motore. Sono nati quindi i vari sistemi di distribuzione brevettati che sono approdati inizialmente sulle auto più sportive e successivamente su quelle di grande serie. I giapponesi sono stati grandi fautori di questa tecnologica e le loro auto impiegano pesantemente questo genere di tecnologia.
    Malgrado ciò, la vera rivoluzione non è arrivata dai paesi del Sol Levante, ma bensì dall’Europa e in particolare, guarda caso, dalla Germania. I tecnici Bmw, una volti giunti al massimo grado di sviluppo del loro sistema di fasatura variabile (il noto Vanos), si sono chiesti una cosa molto semplice: perché non eliminare la funzione del corpo farfallato? Ed in effetti la domanda è molto meno assurda di quello che uno inizialmente sarebbe portato a credere.
    In questo articolo stiamo parlando chiaramente di motori a benzina e se ci si concentra sulla loro logica di funzionamento ci si rende conto che l’idea dei tecnici bavaresi è assolutamente rivoluzionaria. Perché, infatti, affidare il riempimento dei cilindri a due organi distinti montati in serie tra loro (corpo farfallato e valvole) quando, sviluppando un’opportuna tecnologia, sarebbe possibile gestire il tutto semplicemente cambiando tempi e alzate delle valvole stesse? La soluzione pratica a questa domanda si chiama Valvetronic ed oggi è disponibile per il grande pubblico. Ogni vettura Bmw è oggi dotata dell’ormai famoso sistema di controllo delle valvole, una tecnologia che segna il passo nella storia evolutiva del motore a combustione interna.

    Il funzionamento del Valvetronic
    La figura A illustra il processo logico che ha portato all’ideazione del Valvetronic; l’immagine 1 della sequenza mostra un sistema di distribuzione tradizionale. Tolto il sistema di comando di apertura della valvola, bisogna pensare a qualcosa di nuovo, in grado di inserirsi tra la valvola stessa e il dispositivo di recupero del gioco. Nell’immagine successiva ricompare un bilanciere, ma l’albero a camme ha ora una posizione non ancora definita dato che tra esso e il bilanciere dovrà essere posizionato qualcosa in grado di far variare la legge che comanda il movimento del bilanciere stesso. Il passo 4 definisce più chiaramente l’idea: un secondo bilanciere, spostandosi come un pendolo, aziona il secondo bilanciere, che a sua volta comanda l’apertura e la chiusura della valvola. Con il passo 5 l’idea prende una forma ancora migliore: la possibilità di variare il fulcro del nuovo bilanciere consente di ottenere leggi di apertura totalmente diverse tra loro. L’immagine 6 (sempre della figura A) rappresenta il completamento dell’idea: un altro eccentrico (che sarà mosso da un apposito motorino elettrico), posizionato nella parte alta del bilanciere a pendolo, consente lo spostamento del fulcro come anticipato nell’immagine 5.
    L’idea del Valvetronic risulta quindi essere nè più nè meno una vera e propria rivoluzione nel campo dei motori a combustione interna; il totale controllo delle leggi di apertura e chiusura e delle valvole di aspirazione rende superflua la presenza del corpo farfallato, responsabile, tra l’altro, di una buona parte delle perdite fluidodinamiche del condotto di aspirazione. A detta dei tecnici bavaresi il Valvetronic ha consentito di ottenere un risparmio di carburante pari al 10% sul ciclo di omologazione europeo.
    Il Valvetronic, inoltre, consente velocità di attuazione eccezionali, offrendo una guida estremamente dolce in ogni situazione; l’alzata delle valvole di aspirazione comandate dal nuovo sistema di distribuzione brevettato da Bmw può variare da 0 a 9,7 millimetri, mentre il motore elettrico che gestisce la rotazione degli eccentrici, che a loro volta comandano il primo bilanciere, richiede solo 300 millisecondi per far passare la valvola dall’alzata minima a quella massima.
    In condizioni di funzionamento a carico parziale, il Valvetronic è in grado di gestire alzate piccolissime (comprese tra 0,5mm e 2mm), a tutto vantaggio della fluidodinamica in fase di aspirazione. Grazie infatti alle sezioni di passaggio ridotte, si ottengono incrementi sensibili della velocità del fluido e quindi un rimescolamento tra aria e benzina di tipo ottimale.
    Da non dimenticare, inoltre, che l’eccezionale reattività che caratterizza i motori dotati del sistema Valvetronic è dovuta proprio alla regolazione del carico, affidata alla variazione della fase e dell’alzata delle valvole e non alla posizione del corpo farfallato. Ciò significa di fatto eliminare tutte le perdite viscose all’interno del circuito di aspirazione e, aspetto non trascurabile, tutte le inerzie legate alla presenza della farfalla che, nei motori tradizionali, viene comandata dal pedale dell’acceleratore.
    Concludiamo, infine, ricordando che il sistema di regolazione continua dell’alzata delle valvole (Valvetronic) funziona sempre di concerto con il Vanos, ossia la tecnologia, brevettata sempre dal costruttore tedesco, per il controllo dei diagrammi di apertura e chiusura delle valvole di cui abbiamo avuto modo di parlare a inizio articolo. Variando gli istanti di apertura e chiusura delle valvole e il valore dell’alzata di quelle di aspirazione (in modo continuo) i tecnici tedeschi hanno realizzato quella che può essere considerata una rivoluzione totale in campo motoristico.

    Articolo di Roberto Balotti pubblicato sul sito www.netcollins.com (marzo 2006)

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