Come la Distribuzione Variabile delle Valvole Regola il Respiro del Motore?

La fasatura variabile delle valvole (VVT) è la riprogrammazione continua del momento di apertura e chiusura delle valvole di aspirazione e scarico in base ai regimi di rotazione e al carico del motore. Poiché una singola fasatura fissa non può essere efficiente in tutto l'arco di regimi, la VVT migliora contemporaneamente prestazioni, economia di carburante ed emissioni, preservando la coppia ai bassi regimi e la potenza agli alti regimi.

Perché una singola fasatura non basta?

In un motore a pistoni le valvole vengono aperte dall'albero a camme. L'albero a camme è azionato dall'albero motore tramite cinghia, catena o ingranaggi, e ogni lobo del suo profilo determina esattamente quando, per quanto tempo e di quanto si aprirà la valvola. Il problema è questo: quel profilo è un pezzo di metallo fisso, ma le esigenze del motore non lo sono.

Ad alti regimi il motore richiede una grandissima quantità d'aria. Se la valvola di aspirazione si chiude prima che il cilindro sia sufficientemente riempito, si perde prestazione. Al contrario, un profilo con lunghi tempi di apertura, come un albero a camme da gara, è un problema ai bassi regimi: se la valvola di aspirazione si apre mentre quella di scarico è ancora aperta (condizione chiamata incrocio, ovvero overlap), l'alta pressione dello scarico può spingere indietro la carica fresca di aspirazione e sporcare il collettore di aspirazione con gas di scarico. Come dice l'ingegnere David Vizard, questo significa che nella finestra in cui entrambe le valvole sono aperte il carburante esce insieme allo scarico.

Per comprendere la scala basta un numero: a 3000 giri/minuto l'albero a camme ruota 25 volte al secondo. Affinché gli eventi delle valvole siano utili, in un ciclo così veloce devono avvenire nel momento giusto. Ed è esattamente questo il compito della VVT: l'unità di controllo motore, spostando indipendentemente la fasatura dell'albero a camme rispetto all'albero motore, riprogramma la durata dell'incrocio in ogni condizione.

In che modo la fasatura variabile delle valvole influenza potenza, coppia e consumo di carburante?

La direzione dello spostamento della fasatura determina ciò che si vuole ottenere. Quando l'albero a camme viene anticipato, le valvole si aprono e chiudono in anticipo; questo aumenta la coppia ai bassi regimi e l'economia di carburante, a scapito della potenza agli alti regimi. La ritardata, invece, estende la curva di potenza ad alti regimi. Il sistema moderno bilancia continuamente questi due estremi in base al regime di rotazione.

Il risultato è misurabile: con la VVT si osserva tipicamente un miglioramento delle prestazioni del 5-10% alle estremità delle curve di coppia e potenza, e in molti motori la coppia ai bassi regimi può aumentare del 5-15%. Questo significa un motore che, più che una curva teorica ideale, nella guida quotidiana permette cambi di marcia più precoci e richiede meno interventi di acceleratore parziale.

Il guadagno sul fronte del consumo di carburante

La vera vittoria silenziosa si manifesta a carico parziale, cioè nella zona in cui l'auto trascorre la maggior parte del tempo. Chiudere tardivamente la valvola di aspirazione (IVC ritardata) riduce le perdite di pompaggio fino al 40%, abbassa le emissioni di NOx del 24% e compromette la coppia di punta solo dell'1%. Chiudere anticipatamente la valvola di aspirazione riduce anch'essa le perdite di pompaggio del 40% e migliora l'efficienza del carburante del 7%; tuttavia, abbassando sensibilmente la temperatura della camera di combustione, può aumentare le emissioni di idrocarburi. Questa strategia di chiusura anticipata è lo strumento standard dei motori Miller ad aspirazione forzata. Per un motore ad iniezione nel condotto, la strategia di fasatura teoricamente ottimale prevede un miglioramento dell'efficienza del carburante superiore all'8%; negli studi focalizzati sulle condizioni di carico parziale sono stati riportati miglioramenti fino al 5%.

I Gradini della Tecnologia: Dal Fasamento Variabile alla Velocità Variabile

Il "VVT" non è una singola tecnologia, ma una scala che si estende su diversi livelli di controllo. Il gradino più basso è il fasamento variabile dell'albero a camme: l'albero a camme viene ruotato in avanti o indietro rispetto all'albero motore; le valvole si aprono prima o dopo, ma la rincorsa e il tempo di apertura restano invariati. I primi sistemi erano a gradini - diverse fasature per regimi sotto e sopra i 3500 giri/min, ad esempio. Il primo sistema continuo (a regolazione infinita) fu il VarioCam della Porsche 968 nel 1992; anche quello funzionava solo sulle valvole di aspirazione.

Il secondo gradino è la transizione tra due profili di camma. L'attuatore, in genere a un regime specifico, salta dal profilo a rincorsa bassa a quello a rincorsa alta. Rincorsa e durata cambiano, ma la regolazione è discreta. La prima applicazione di serie fu il Honda VTEC : un perno viene mosso per pressione idraulica e il bilanciere a rincorsa alta si aggancia al bilanciere adiacente a rincorsa bassa.

Il terzo gradino è costituito dai sistemi a camme oscillanti: BMW Valvetronic, Nissan VVEL e Toyota Valvematic regolano rincorsa e durata in modo continuo; tuttavia la rincorsa è proporzionale alla durata, i due parametri non possono essere definiti separatamente, e questi sistemi agiscono solo sul lato aspirazione. Sono state tentate anche soluzioni più esotiche: si possono citare i sistemi a disco eccentrico che variano la rincorsa indipendentemente dalla durata (il VVC di MG Rover) e il concetto di camma a cono scorrevole con profili variabili lungo l'asse eccentrico - quest'ultimo, pur essendo associato a Ferrari, non risulta mai essere stato utilizzato in produzione.

Il vertice teorico sono i sistemi senza camme: comandare direttamente le valvole con attuatori elettromagnetici o pneumatici offre piena libertà di fasatura e rincorsa. Koenigsegg ha annunciato che lo avrebbe offerto con il Freevalve sulla Gemera; tuttavia, l'opzione a tre cilindri senza camme è stata annullata prima della produzione a causa della scarsa domanda e l'auto è partita con un V8. La produzione conveniente resta il muro davanti a questa idea.

Fasatura o rincorsa?

Qui si perde la chiarezza concettuale: il VVT mira tipicamente al controllo delle emissioni e della fasatura, mentre la velocità variabile delle valvole (VVL) punta al miglioramento delle prestazioni in base a regime e carico. Mercedes Camtronic questo binomio ben riassunto: la fasatura variabile delle camme migliora la coppia a bassi e medi regimi, mentre la alzata variabile più la durata migliora la potenza agli alti regimi; il prezzo è una struttura un po' più complessa. Esistono anche sistemi VVL che utilizzano due diversi profili di camma lato scarico.

VTEC, VVT-i, VANOS: Nomi Diversi, Stesso Principio

Ogni costruttore ha la propria sigla, ma sotto c'è la stessa fisica. La differenza sta nel dove e come avviene il controllo. VTEC cambia profilo della camma a circa 6000 giri - una transizione improvvisa e netta. VVT-i anticipa continuamente la fasatura dell'aspirazione senza alcun scatto. VANOS muove sia l'aspirazione sia lo scarico e lavora in modo continuo su tutto l'arco di regimi; il singolo VANOS è efficace nella fascia di circa 1200-4000 giri, mentre il VTEC entra in funzione tipicamente oltre i 4500-5000 giri. Il moderno i-VTEC è in realtà la combinazione della meccanica di alzata del VTEC con fasatori di camma simili al VVT-i (VTC).

Ruoli Diversi nei Motori Aspirati e Turbo

Nel motore aspirato l'aria entra nel cilindro con la propria aspirazione; l'efficienza si basa interamente sulla precisione degli eventi delle valvole. Per questo i moderni motori aspirati sono equipaggiati quasi senza eccezione con iniezione diretta e VVT. Per raggiungere la potenza necessitano di una cilindrata maggiore, ma in cambio offrono un carattere più semplice, più prevedibile e un consumo di carburante più prevedibile.

Nel motore turbo il ruolo del VVT si sposta un po': il turbo può fornire una coppia a bassi regimi simile a quella di un aspirato di grande cilindrata; sebbene ci sia un ritardo percepibile, l'auto può sembrare più veloce. Il VVT è proprio uno degli sviluppi che ammorbidisce questa transizione alimentando la coppia nella zona di bassi regimi prima che il turbo entri in funzione. Il prezzo è più calore, più sollecitazioni, più parti mobili ed elettronica. Nei motori ad aspirazione forzata la chiusura anticipata della valvola di aspirazione (ciclo Miller) è inoltre il modo standard per tenere sotto controllo la carica compressa.

Come Percrive il Guidatore Questa Tecnologia nell'Uso Quotidiano?

L'effetto più percepibile è l'aumento della coppia ai bassi regimi: al rilascio della frizione il motore gira con meno esitazioni, la necessità di scalare in salita diminuisce e persino il regime massimo del motore può essere innalzato. Anche la differenza di carattere si percepisce: un motore dotato di VVT-i procede in modo lineare e silenzioso, mentre il classico VTEC resta tranquillo ai bassi regimi e diventa nettamente più aggressivo al passaggio di profilo. La scelta tra queste due filosofie è la discussione classica dei forum; alcuni guidatori trovano impegnativo l'improvviso innesto del VTEC in città, mentre il passaggio del profilo degli alberi a camme rimane uno dei momenti più riconoscibili della cultura motoristica. Le fazioni della fasatura lineare difendono invece un carattere costante e fluido.

La prospettiva storica racconta bene questa maturità. Si sa che il primo brevetto VVT fu richiesto da Alanson Partridge Brush nel 1903, concesso nel 1904 e utilizzato sulla Cadillac Runabout and Tonneau; il bisogno della fasatura variabile generò i primi brevetti negli anni '20, quando i limiti di regime massimo salivano. I brevetti Fiat di Giovanni Torazza della fine degli anni '60, che variavano il pivot del rincalro mediante pressione idraulica, costituirono il primo progetto funzionale di VVT automobilistico con fasatura variabile, offrendo tipicamente una variazione dell'apertura del 37%. Nel 1980 Alfa Romeo, con i modelli a iniezione della Spider 2000, fu il primo costruttore a usare il VVT su un'auto di produzione; nel 1989 Honda VTEC (primo motore B16A) aumentò la potenza di picco con un profilo degli alberi a camme separato. La tecnologia si diffuse poi alle motociclette (2007, Kawasaki 1400GTR) e nel 2010 alla prima berlina diesel al mondo con VVT, la Mitsubishi 4N13 1.8; addirittura nel 2007 Caterpillar ridusse gli NOx sui motori dei camion con il VVT al posto dell'EGR, in seguito ai requisiti dell'EPA.

Il lato manutenzione: il sistema vive con l'olio

I sistemi VVT sono controllati dalla pressione dell'olio; i fasatori variabili e i solenoidi VVT sono al centro sia del funzionamento sia della diagnosi. Un livello dell'olio basso può creare problemi alla catena di distribuzione, al solenoide o alla trasmissione a ingranaggi; per questo il controllo regolare del livello dell'olio e il rispetto del piano di manutenzione del costruttore sono il passo più pratico per prevenire i guasti del VVT. Quando il sistema non funziona correttamente, i primi segnali sono in genere il deterioramento delle prestazioni e dell'economia di carburante.

Conclusione: Disegnare il carattere del motore con un meccanismo delle valvole

Che si tratti di VTEC, VANOS o VVT-i, l'idea di fondo è la stessa: regolare il momento di apertura e chiusura delle valvole in base al motore. Un profilo dell'albero a camme fisso è perfetto a un regime ma deve fare dei compromessi all'altro; il VVT elimina questo compromesso. Ogni gradino, dal variatore di fase all'albero a camme fino ai sistemi a alzata variabile, è un'affinazione ulteriore dell'equilibrio tra coppia ai bassi regimi e potenza agli alti regimi. Anche se i sistemi senza albero a camme non hanno ancora superato la barriera dei costi, oggi la maggior parte dei motori sulle strade funziona con i prodotti maturi di questo principio centenario - e il guidatore lo percepisce, senza accorgersene, ad ogni accelerazione morbida.

Fonti

• Distribuzione variabile delle valvole
• Variable Valve Timing spiegata - Car and Driver
• Vantaggi della distribuzione variabile delle valvole - Hot Rod
• V-TEC contro Vanos contro VVT-i: come funzionano? - Car Throttle
• VTEC contro VVT-i - Diffen
• Mercedes Camtronic - Autozine Technical School
• Differenze tra VVL e VVT - Motor Authority
• Analisi del consumo di carburante della fasatura variabile dell'albero a camme a carico parziale - ScienceDirect
• Che cos'è la distribuzione variabile delle valvole - RepairPal
• Riflessioni sulla distribuzione variabile delle valvole - Snap-on
• Manutenzione della distribuzione variabile delle valvole - Strut Daddy's