I motori nella tecnica automobilistica
SISTEMI DI DISTRIBUZIONE A PARAMETRI VARIABILI
Appunti di O. Acton
ATA Ligure – Q01/ maggio 2007
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1 – I sistemi di distribuzione a parametri variabili nei motori
a combustione interna alternativi
3
2 – La distribuzione
a “VARIATORE DI FASE” della ALFA ROMEO
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3 – La distribuzione “VTEC” della HONDA
14
4 - La distribuzione “VANOS” della BMW
26
5 – La distribuzione “VALVETRONIC” della BMW
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6 – La distribuzione “UNIAIR” della FIAT
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La figura in copertina è tratta da edizione on-line del Notiziario Centro Ricerche Fiat
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1 - SISTEMI DI DISTRIBUZIONE A FASATURA VARIABILE NEI MOTORI A
COMBUSTIONE INTERNA ALTERNATIVI
E’ noto come i parametri che nel motore a combustione interna alternativo individuano il
diagramma di distribuzione (angoli di apertura e chiusura delle valvole, valore dell’alzata di queste)
siano legati al comportamento delle correnti di fluido all’aspirazione ed allo scarico del cilindro.
Essi sono quindi determinanti della capacità di aspirazione del motore stesso e condizionano in
definitiva le capacità operative della macchina: ne segue che al variare dei parametri del diagramma
di distribuzione variano le principali caratteristiche funzionali del motore come il processo di
combustione, la potenza e la coppia motrice.
Poiché i fenomeni fuidodinamici all’aspirazione ed allo scarico sono fortemente influenzati
dalla velocità di rotazione del motore (che determina di fatto la portata dei fluidi), ne segue che
anche i valori dei parametri del diagramma di distribuzione “ottimo” sono legati al regime della
macchina. Un eventuale intervento sul diagramma di distribuzione al variare della velocità mantenendo una geometria tradizionale del sistema di controllo delle correnti fluide che entrano ed
escono dal cilindro - sono sostanzialmente due:
-
variare la sezione delle luci di ingresso e di scarico dal cilindro
variare i tempi di intervento delle valvole rispetto alla posizione del pistone (ovvero
dell’albero motore).
Nel primo caso per far fronte all’aumento delle portate all’aumentare della velocità di
rotazione del motore il necessario incremento delle sezioni delle luci potrebbe essere realizzato
mediante una regolazione della “alzata” delle valvole che potrebbe variare in funzione della velocità
del motore. In fig. 1.1 è riportato indicativamente (e senza effettivo riferimento ai valori degli
angoli di apertura) la possibile variazione di alzata che si eseguirebbe nel passaggio dalle basse alle
alte velocità nel caso di regolazione sulle alzate di entrambe le valvole.
Fig. 1.1 – Andamento indicativo delle aperture delle valvole nel caso di regolazione
delle alzate.
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Questa soluzione, tuttavia, non soltanto presenta difficoltà non lievi per la realizzazione, ma
ha dei limiti oggettivi nella entità della variazione della alzata (e quindi della sezione di passaggio
del fluido) dovuti alla stessa geometria della sistemazione della valvola sul condotto che deve
controllare.
Per valutare l’utilità delle seconda soluzione - variazione dei tempi di apertura - è il caso di
ricordare alcuni aspetti del ricambio della carica nei motori a combustione interna.
E’ noto che alle basse velocità del motore le limitate portate di fluidi che attraversano le due
luci sono dotate di bassa velocità: la limitata energia cinetica delle due correnti fa sì che i due flussi
seguano leggi dipendenti fondamentalmente soltanto dalle differenze di pressione che si creano tra
monte e valle delle rispettive luci. In queste condizioni, quindi, i periodi di apertura delle due luci è
bene siano di fatto effettuati in tempi successivi o con minima sovrapposizione.
Al contrario, quando la velocità di rotazione del motore è più elevata e crea quindi alte
velocità dei flussi attraverso le due valvole, il flusso è condizionato – oltre che dalla differenza di
pressione – da fenomeni dinamici legati alla alta energia cinetica assunta dalle due correnti. In
queste condizioni è possibile utilizzare l'azione dinamica dei gas di scarico in uscita per realizzare
un flusso più veloce della corrente in aspirazione, ottenendo quindi un migliore riempimento con
carica fresca del cilindro. Per far ciò è necessario regolare i periodi di apertura delle due valvole in
modo che si crei un periodo durante il quale entrambe le luci siano aperte, realizzando il cosiddetto
“incrocio” che in genere è bene sia tanto più elevato quanto maggiore è la velocità del motore.
La seconda soluzione utilizza appunto la modifica della interazione tra le correnti fluide
all’aspirazione ed allo scarico per adeguarsi alla variazione delle condizioni dinamiche del ricambio
di carica per ottenere in ogni regime un riempimento “ottimo” del cilindro pur mantenendo invariati
i periodi di apertura delle valvole. Infatti se si è in grado di “spostare” angolarmente la posizione
delle camme che comandano l’apertura delle valvole, è possibile far sì che il periodo di apertura
contemporanea di queste – e quindi l’incrocio – vari al variare della velocità del motore ottenendo
quindi il risultato richiesto. In fig. 1.2 si riportano indicativamente gli andamenti delle aperture delle
valvole in questo secondo caso.
Fig. 1.2 - Andamento indicativo delle aperture delle valvole nel caso di regolazione di fase.
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Le difficoltà costruttive che si incontrano nella realizzazione di un meccanismo che permetta
di adeguare la distribuzione alle condizioni di funzionamento del motore si evidenziarono fin dai
primi tentativi che risalgono già ai primi decenni dello sviluppo del motori a combustione interna
alternativi. Si realizzarono quindi per uno stesso motore diversi sistemi di distribuzione a parametri
fissi, con valori di compromesso, che permettessero un buon funzionamento nei diversi campi di
regimi di rotazione previsti per le applicazioni a cui il motore era destinato.
Ed infatti, ad esempio, lo stesso motore da autotrazione può essere fornito di distribuzione
adatta a velocità medie (p.e. per una vettura offerta per uso familiare), ovvero con una distribuzione
che presenta forti incroci ed alte alzate delle valvole ben adatta ad un veicolo utilizzato a velocità
elevate (p.e. una auto da rally). Nell’un caso come nell’altro il motore presenterà caratteristiche
degradate nei campi di funzionamento esterni a quello per il quale è stato finalizzato. Nel primo
caso dell'esempio il motore presenterà ai regimi elevati consumi specifici più alti ed una potenza (e
coppia) minore di quella che le sue caratteristiche dimensionali potrebbero far presumere. Nel
secondo caso, a fronte di potenze (e coppie) particolarmente elevati (con consumi specifici
relativamente limitati) alle alte velocità, il motore presenterà alle basse velocità difficoltà funzionali
come difficoltà di avviamento e marcia irregolare.
Si può affermare che la quasi totalità dei motori finora costruiti sono dotati di sistemi di
distribuzione con parametri fissi, demandando rare volte l’adeguamento alla variabilità delle
condizioni di funzionamento a sistemi di variazione delle caratteristiche dimensionali (e in
particolare della loro lunghezze) delle tubazioni di alimentazione e di scarico, soluzione che –
studiata teoricamente fin dagli anni ’20 – permette di influenzare le leggi della portata attraverso le
valvole.
L’applicazione di sistemi di distribuzione a fasatura variabile presenta una complessità
meccanica non trascurabile ed esige sistemi di controllo particolarmente evoluti. Proprio per questi
motivi le prime utilizzazioni furono riservate per motori “speciali” come quelli utilizzati su mezzi
da competizione: in questi casi la maggiore difficoltà costruttiva, la minore durata e il maggiore
costo erano ben compensate dall’incremento delle caratteristiche operative del motore che poteva
presentare andamenti delle curve di potenza e di coppia particolarmente favorevoli.
In questi ultimi anni alcune importanti Case costruttrici normalmente impegnate in
produzioni di massa, dopo timidi tentativi di realizzare sistemi di distribuzione a parametri variabili
per motori destinati a vetture di uso particolare, hanno introdotto nuovi sistemi di distribuzione a
fasatura variabile che stanno dimostrando di rispondere alle aspettative in essi riposte ed in
particolare alle esigenze del mercato di ridurre i consumi di combustibile ed alla richiesta delle
autorità di limitare l’inquinamento dell’ambiente.
Anche se i principi di funzionamento di questi sistemi erano in genere noti (e brevettati) già
da tempo, la loro utilizzazione in produzione di massa è stata facilitata sicuramente dalla sempre più
affinata meccanica costruttiva dei veicoli (ed in particolare dei motori), che ha facilitato l’adozione
di gruppi meccanici di alta precisione e realizzati con materiali di alte caratteristiche, senza con
questo incidere sensibilmente sia sui costi di produzione che sulle caratteristiche di durata e di
affidabilità dell’unità motrice.
La richiesta sempre più pressante delle autorità di controllo di caratteristiche ecologiche
sempre più spinte al parco di autoveicoli, ha avuto un ruolo determinante poiché l’adozione di
sistemi a fasatura variabile permette una risposta adeguata. Infatti una regolazione della
distribuzione che tenga conto contemporaneamente di diversi parametri funzionali del motore (quali
velocità carico, temperatura ambiente, temperatura del motore, acc.) permette un controllo molto
efficace delle emissioni del motore.
Se il controllo delle emissioni può considerarsi il fattore che ha indotto le Case
automobilistiche ad impegnarsi inizialmente all’applicazione di sistemi di distribuzione a parametri
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variabili su modelli di autoveicoli di alte caratteristiche, i risultati ottenuti sulla affidabilità dei
sistemi adottati ha poi spinto gli stessi costruttori a considerarne l’applicazione anche per il
controllo del riempimento di carica fresca dei cilindri e per il miglioramento della curva di coppia al
variare della velocità del motore.
Anche con l’utilizzazione di sistemi di controllo elettronico del motore, in alcune delle
soluzioni costruttive messe a punto è ora possibile regolare la chiusura della valvola di aspirazione
tenendo conto di molti parametri funzionali del motore, così da ottimizzare il funzionamento della
macchina su buona parte dei regimi di utilizzazione. Si ottiene quindi un motore ad accensione
comandata che presenta un andamento delle caratteristiche funzionali nettamente superiore a quello
specifico del motore convenzionale a distribuzione “fissa”.
Negli “appunti” che seguono si riportano – nel modo più semplice - le descrizioni di alcuni
dei sistemi a fasatura variabile adottati (o in corso di messa a punto) da alcune Case costruttrici per
loro modelli di autovetture. Sul mercato automobilistico sono presenti anche diversi altri sistemi come ad esempio quelli costruiti da Nissan, Mitsubishi, Porshe, Toyota, ecc. - e quindi questa
esposizione non vuol essere esaustiva, ma vuole soltanto richiamare la curiosità degli appassionati
alla tecnica automobilistica e motoristica sui particolari costruttivi di alcune delle soluzioni adottate
per risolvere il problema di una buona regolazione funzionale di un motore a combustione interna.
Come sarà evidente, non ci si sofferma sull’aspetto teorico della loro applicazione, ma
essenzialmente sui principi funzionali e sulle soluzioni costruttive che sono state adottate, con solo
qualche cenno sui risultati ottenuti. L’esposizione, quindi, ha il solo scopo di una informazione di
base sulla loro costruzione e sul loro funzionamento, con una particolare attenzione alla esposizione
corretta dei principi di funzionamento, che spesso sono trascurati nelle numerose descrizioni che
sono a disposizione sia on-line che su fogli informativi.
Negli “appunti” vengono citati siti web dai quali si può procedere eventualmente ad un
ampliamento del tema, mentre soltanto lo studio dei testi sui motori a combustione interna
alternativi - dai classici ai più recenti - può permetterne un approfondimento. Vengono anche citate
le fonti delle figure riportate, che in genere sono state parzialmente modificate per renderle più
facilmente leggibili.
Si vuole infine ringraziare il prof. Massimo Capobianco per le osservazioni sul testo ed i
puntuali suggerimenti avanzati.
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2 - DISTRIBUZIONE A VARIATORE DI FASE DI ALFA ROMEO
La Alfa Romeo fu di fatto la prima Casa automobilistica ad adottare il variatore della
fasatura degli alberi a camme dei sui motori fin dall'inizio degli anni '80, aprendo le applicazioni
che poi furono ampiamente sviluppate da altre e più grandi Case costruttrici.
Anche se il sistema era stato concepito fondamentalmente per migliorare le caratteristiche
operative del propulsore, in effetti le motivazioni che ne indussero una più ampia applicazione
furono i limiti sempre più ristretti per gli inquinanti che la normativa statunitense poneva con il
passare degli anni, che creavano non poche difficoltà alla permanenza di vetture della Casa nel
mercato americano.
Infatti la possibilità di variare la fasatura della distribuzione, adeguando cioè i periodi di
introduzione e di scarico del fluido motore al regime della macchina, avrebbe permesso non
soltanto di limitare (se non annullare) lo scarico di idrocarburi incombusti, ma anche di introdurre
nel cilindro una massa di carica fresca ben correlata alla richiesta effettiva delle prestazioni e con
rapporti aria/combustibile correttamente dosati per processi di combustione ottimizzati rispetto alle
condizioni fluododinamiche e termiche di funzionamento del motore.
Già dagli anni '70 cominciarono ad essere emesse normative (specie in California) aventi lo
scopo ridurre le emissioni dei motori da autotrazione, con particolare riferimento al Co, HC ed NOx
nella speranza di fronteggiare i primi inconvenienti provocati dal grande traffico automobilistico.
I sistemi anti-inquinamento utilizzati fin dall'inizio furono l'adozione della "marmitta
catalitica" e del cosiddetto EGR (Exhaust Gas Recirculation): mentre con la prima si potevano
ridurre sensibilmente le emissioni di CO e di HC, con l'EGR era possibile intervenire sull'entità
degli NOx. Ma mentre l'adozione della marmitta catalitica non presentava particolari difficoltà, l'uso
di un EGR efficiente poteva condizionare la struttura funzionale del motore e quindi era facilmente
adottabile solo in motori con un sistema di aspirazione e regolazione fondamentalmente semplice.
La cosa è facilmente comprensibile se si ricorda che l'EGR consiste nel riciclo di una parte
dei gas combusti: tramite la regolazione di una valvola, infatti, una parte dei gas viene reimmessa
nel cilindro così da miscelarsi con la carica fresca (aria più combustile) proveniente dal condotto di
aspirazione. Come è facilmente comprensibile, l'operazione non presenta particolari difficoltà se
tutti i cilindri sono serviti da un unico collettore di aspirazione la cui portata è controllata da
un'unica valvola a farfalla, ma diventa di difficile (se non impossibile) realizzazione se il condotto
di aspirazione di ogni singolo cilindro è controllato da una specifica valvola. Infatti l'eventuale
sistemazione di tubazioni di riciclo in parallelo ai singoli condotti di aspirazione causa un
collegamento fluidodinamico tra questi, annullando quindi l'efficacia della regolazione delle singole
valvole farfalla.
Ed era proprio la caratteristica di essere dotati di valvole a farfalla sui singoli cilindri che
distingueva i motori Alfa Romeo, che - per ottenere le prestazioni che sempre li avevano distinti da molto tempo utilizzavano non soltanto di valvole a farfalla su ogni cilindro, ma molto spesso
anche più carburatori che alimentavano coppie o singoli cilindri.
In queste condizioni l'adozione dell'EGR risultava di fatto impossibile a meno di adottare un
unico collettore per tutti i cilindri, servito da un unico carburatore. Purtroppo questa soluzione costruttivamente semplice, se permetteva l'adozione dell'EGR e quindi risolveva il problema del
rilascio di inquinanti, veniva ad incidere pesantemente sulle caratteristiche operative del motore,
che non poteva mantenere la potenza e la brillantezza del motore originale ed in particolare influiva
negativamente sulla curva di coppia motrice ai regimi medio-bassi.
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Per superare il problema venne presa in considerazione la possibilità di dotare i motori delle
vetture destinate al mercato americano di un sistema di distribuzione che consentisse di variare
l'incrocio in funzione della velocità di rotazione della macchina, così da poter mantenerne alto il
valore alle velocità elevate e poi ridurlo alle velocità inferiori, così da evitare la caduta della coppia
motrice a quei regimi.
Il prima soluzione adottata prendeva in considerazione la sistemazione all'estremità
dell'albero a camme di aspirazione di un gruppo meccanico che permetteva di modificare la
posizione angolare di questi rispetto alla puleggia dentata che prendeva il moto dall'albero motore.
Fig. 2.1 - Variatore di fase in posizione per basse velocità.
La fig. 2.1 illustra la struttura del variatore di fase, che è raffigurato nella posizione adatta
alle basse velocità. Nella parte centrale della puleggia è alloggiato un manicotto dotato
esternamente di una dentatura elicoidale che è impegnata da una analoga di cui è dotata la puleggia.
Il manicotto, che ha una rigatura sulla superficie interna, alle alte velocità può scorrere assialmente
sull'estremità dell'albero a camme sotto l'azione di olio lubrificante in pressione che agisce sulla sua
superficie frontale e di conseguenza causa la rotazione dell'albero rispetto alla puleggia aumentando
l'anticipo all'aspirazione. Successivamente il manicotto può ritornare nella posizione iniziale riducendo quindi l'angolo di sfasamento - alle basse velocità quando viene ridotta la pressione
dell'olio e sotto la spinta di una molla di richiamo.
La fig. 2.2 illustra le condizioni del variatore alle alte velocità.
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Fig. 2.2 - Variatore di fase in posizione per alte velocità.
I risultati ottenuti con questo sistema furono soddisfacenti ed i modelli esportati negli Stati
Uniti da Alfa Romeo poterono mantenere quasi inalterate le loro caratteristiche di utilizzazione
riducendo le emissioni entro i limiti imposti dalle normative vigenti nel 1980.
Tuttavia la soluzione adottata, a fronte di una realizzazione meccanica fondamentalmente
semplice e poco ingombrante, presentava sensibili limitazioni funzionali dovute sia alla poca
sensibilità e precisione del sistema di controllo di tipo meccanico (che talvolta causava fenomeni di
poca stabilità del sistema), sia alla sua non trascurabile inerzia. A ciò si aggiungeva che la legge di
variazione dell'angolo di sfasamento dell'albero a camme veniva condizionata una volta per tutte
dalle caratteristiche meccaniche del gruppo mobile costituito dal manicotto scorrevole (con la sua
massa ed il suo attrito sulle due superfici coassiali di contatto con l'albero a camme e con la
puleggia dentata di trascinamento) e dalla molla di ritorno: una volta dimensionato il gruppo, la
legge di sfasamento era fissata per tutto il campo di velocità in funzione della pressione dell'olio che
agiva sul manicotto che era a sua volta condizionato dalla velocità di rotazione del motore.
In particolare risultava difficoltoso ottenere una legge di sfasamento con incroci elevati delle
valvole agli alti regimi e contemporaneamente bassi incroci alle velocità medio basse, con la
conseguenza di più alte emissioni relative di inquinanti in queste condizioni di marcia.
Questi inconvenienti divennero evidenti quando, dopo pochi anni (1982-83), le disposizioni
relative al controllo degli inquinanti divennero più restrittive e imposero una ulteriore riduzione
delle emissioni nel funzionamento a velocità medio-basse (fino a circa 3000 giri/min).
Per far fronte a questa nuova situazione non si poteva semplicemente ricorrere a modifiche
meccaniche del sistema già adottato con una lavorazione più accurata, ma si doveva modificare il
metodo di controllo in maniera da realizzare una legge di variazione della fasatura adeguata alla
limitazione delle emissioni inquinanti dettate dagli Enti di controllo.
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Per raggiungere questo scopo il principio operativo del variatore di fase fu "riprogettato":
invece di mantenere connessi il sistema meccanico (che realizzava lo sfasamento) ed il sistema di
controllo (pressione del liquido agente sul manicotto funzione della velocità e molla di richiamo), fu
decisa la loro separazione funzionale. Fu mantenuta la struttura meccanica del sistema di modifica
della sfasatura (manicotto con dentatura elicoidale e molla di richiamo), ma si demandò la
regolazione della pressione dell'olio ad una elettrovalvola controlla da un sistema elettronico così
che la sua legge di intervento potesse seguire l'andamento più conveniente per ottenere le emissioni
di inquinanti richieste ai diversi regimi del motore e indipendente sia dalle caratteristiche della
molla di richiamo che dalla pressione del liquido operatore.
Ciò fu ottenuto inserendo una valvola a cassetto controllata da un elettromagnete che, in
funzione della sua posizione, era in grado di far affluire o meno olio in pressione nella camera
prospiciente la superficie anteriore del manicotto scorrevole. Una centralina elettronica - che
riceveva segnali legati alla velocità del motore ed ad altre condizioni di funzionamento (posizione
delle valvole a farfalla, ecc.) - agiva sull’elettromagnete e quindi sulla valvola a cassetto seguendo
le indicazioni che erano state immesse in memoria sulla scorta dei rilievi effettuati in sala prove.
Le figure 2.3 e 2.4 riportano indicativamente le condizioni di funzionamento nelle due
posizioni estreme del variatore.
Fig. 2.3 - Variatore elettrocomandato in posizione di minima sfasatura.
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Fig. 2.4 - Variatore elettrocomandato in condizione di sfasatura massima.
La possibilità di controllare la fasatura mediante un sistema elettronico che poteva far
seguire al sistema tutti i valori più opportuni per ogni regime di rotazione non soltanto risolse le
esigenze legate alla eccessiva emissione di inquinanti alle velocità medio-basse, ma anche risolse
(almeno parzialmente) alcuni problemi di stabilità legati alla realizzazione meccanica del variatore.
Ne seguì quindi l'adozione del nuovo variatore su tutta una serie di modelli della Casa costruttrice.
Con i successivi sviluppi sia della parte meccanica che di quella elettronica, il variatore subì
modifiche nella sua configurazione complessiva, mentre rimase inalterato il concetto del suo
funzionamento. Per ottenere maggiore libertà nella sua sistemazione, fu separata meccanicamente la
valvola di controllo dell'olio dal corpo del vero e proprio variatore, ottenendo anche una riduzione
dell'ingombro longitudinale del motore. In altri termini si separò anche meccanicamente (oltre che
elettronicamente) tutta la parte destinata a fornire i segnali destinati al controllo della posizione del
variatore dal gruppo meccanico che divenne il vero e proprio "attuatore" della fasatura del motore.
In fig. 2.5 viene riportata una illustrazione di una delle soluzioni adottate per la sistemazione
del sistema di controllo elettro-idraulico e del sistema idro-meccanico che fu ampiamente adottato
su molti modelli della Casa.
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Fig. 2.5 - Sistemazione del servomeccanismo elettro-idraulico separato
dal variatore di fase.
Fig. 2.6 - Esempio di sistemazione di variatori di fase su entrambi gli alberi a camme.
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L'Alfa Romeo ha adottato il sistemo di controllo e regolazione della fasatura degli alberi a
camma sia sul solo albero delle camme di aspirazione, che - in altri modelli - su entrambi gli alberi
a camme di cui tradizionalmente sono stati sempre dotati i suoi motori.
La Fig. 2.6 dà una idea della sistemazione dei variatori su entrambi gli alberi
Con queste sue applicazioni Alfa Romeo può ben dirsi la prima Casa costruttrice ad
utilizzare il sistema di controllo degli alberi a camme sulle produzioni di serie. Il principio
utilizzato è stato successivamente adottato da altre Case che lo hanno montato anche su motori
destinati a vetture di più ampia produzione.
Bibliografia on-line
1) www.cuorialfisti.com/
2) www.alfaromeo.com/
3) stall.n2.net/
4) www.autoblog.it/
Figure
le figg. 2.1, 2.2, 2.3, 2.3
le figg. 2.5, 2.6
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sono rielaborazioni da 1)
sono rielaborazioni da 3)
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3 - DISTRIBUZIONE "VTEC" DELLA HONDA
La Casa giapponese Honda è stata tra le prime a studiare ed applicare sistemi di controllo
della fasatura nei motori a combustione interna alternativi montati su autovetture applicandoli
inizialmente su auto da rally - seguendo quindi una scelta che anche altre Case stavano
sperimentando - per le quali i vantaggi che si potevano ottenere sulle caratteristiche di potenza e di
coppia ben ricompensavano i maggiori costi costruttivi e dove la riduzione di affidabilità rispetto ai
sistemi tradizionali di distribuzione era accettabile grazie ai limitati periodi di funzionamento dei
motori.
Ma la Casa giapponese, che alla fine degli anni '90 stava iniziando una azione di inserimento
della sua produzione nel mercato statunitense, ritenne possibile sfruttare l'esperienza accumulata nel
campo sportivo dotando alcune serie di vetture da turismo di distribuzione a fasatura variabile allo
scopo di utilizzare le loro migliori caratteristiche non soltanto per presentare in quel mercato auto
con motori brillanti (relativamente alle cilindrate adottate), ma anche - ed ancor più - per ottenere
un livello di emissioni particolarmente ridotto e ben allineato alle richieste sempre più stringenti che
le autorità locali stavano man mano mettendo a punto.
Se le scelte iniziali adottate da Honda per il controllo della distribuzione dei motori erano
state dettate pragmaticamente da soluzioni che consentivano una regolazione limitata a fronte di
una realizzazione costruttiva semplice e "robusta", i sistemi messi a punto erano potenzialmente in
grado di miglioramenti sensibili man mano che l'aspetto costruttivo ed i sistemi di controllo fossero
in grado di permetterli. E questo approccio estremamente pratico è ben messo in evidenza dai
successivi sistemi messi sul mercato, la cui scelta della Casa nel tempo è strettamente legata alle
esigenze pratiche dei motori che si intendeva utilizzare, indipendentemente da un continuo
"miglioramento" delle caratteristiche ottenibili dal motore.
In altre parole la Honda ha utilizzato i suoi sistemi con le normali procedure che l'industria
segue in funzione delle richieste del mercato con prodotti che si ritengono in ogni caso del tutto
affidabili, senza far affidamento a sollecitazioni di tipo "sportivo" o "avveniristico".
In ciò che segue si espone una stringata e semplice esposizione delle soluzioni che la Casa
ha successivamente adottato, riportando anche schemi e disegni pubblicati dalla Honda e/o da
tecnici che hanno già ampiamente trattato questo argomento, cercando di mettere in evidenza i punti
essenziali su cui si basa il loro funzionamento, che non sempre è riferito chiaramente nella
letteratura a disposizione.
Tutti i sistemi di distribuzione a fasatura variabile della Honda hanno preso spunto dal
cosiddetto VTEC (Variable Timing Electronic Control) che è il primo sistema introdotto in
costruzioni di serie da Honda per variare il diagramma di distribuzione di un motore alternativo a
combustione interna in funzione delle velocità di rotazione. Dopo le prime applicazioni (1988-89)
offerte sul mercato giapponese per motori particolarmente spinti (montati generalmente su auto da
rally), l’affidabilità dimostrata dal sistema scelto indusse la Casa alla sua applicazione su vetture di
serie (Civic) vendute in USA e Canada, nelle quali si ottenne un buon incremento della potenza agli
alti regimi ed ottimi consumi alle velocità intermedie, con indubbi vantaggi anche dal punto di vista
dell'inquinamento.
Il primo sistema VTEC utilizzato da Honda permetteva la disponibilità di due diversi
diagrammi di distribuzione, ottimizzati rispettivamente per le basse/medie velocità di rotazione e
per le alte velocità, che entravano in azione mediante un servomeccanismo asservito alla pressione
dell’olio di lubrificazione.
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Il principio di funzionamento di questo sistema si può sinteticamente descrivere come segue
(vedi lo schizzo di fig. 3.1).
Fig. 3.1 - Schema di principio del VTEC adottato da Honda.
Sull’albero a camme per ogni valvola che si vuole controllare sono montate due camme, una
per la marcia per i regimi “bassi” e l’altra per i regimi “alti”. Le due camme agiscono su due diversi
bilancieri affiancati: di questi quello che ad una estremità si appoggia sulla camma per i regimi
“bassi” dall’altra agisce direttamente sulla valvola controllata (e quindi dotata di molla di richiamo).
L'altro bilanciere che subisce l’azione della camma per i regimi “alti” oscilla liberamente,
richiamato al contatto della camma da apposita molla.
Nello spessore del bilanciere della camma “bassa” è ricavato un cilindretto in cui è inserito
un pistoncino metallico, che in stato di "riposo" rimane nello spessore del bilanciere: una adeguata
pressione dell’olio lubrificante (che perviene al bilanciere attraverso l'asse su cui oscilla) può
spingere il pistoncino a sporgere dalla parete laterale del bilanciere stesso ed inserirsi in un apposito
incavo ricavato sulla parete laterale del bilanciere della camma “alta”, che è ad esso affiancato.
Il funzionamento è semplice. Alle basse/medie velocità la pressione dell’olio è bassa, il
pistoncino viene trattenuto all'interno del cilindretto ricavato nel bilanciere della camma “bassa” e
quindi questi opera direttamente sulla valvola con i parametri della camma su cui si appoggia,
mentre l’altro bilanciere si muove a vuoto.
Quando all’aumentare della velocità di rotazione la pressione dell'olio raggiunge un
determinato valore, il pistoncino presente sul bilanciere della camma “bassa” fuoriesce lateralmente
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dal bilanciere e aggancia il bilanciere della camma “alta”. Il collegamento rigido così realizzato tra i
due bilancieri fa si che il bilanciere che agisce sulla valvola è costretto a muoversi secondo i
parametri adatti agli alti regimi trasmessi dal profilo della camma "alta", mentre la differenza
dimensionale tra la camma "alta" e la camma "bassa" assicura l'assenza di interferenze tra il moto
del bilanciere prima mosso dalla camma "bassa" e la camma stessa.
Quindi, in definitiva, la valvola è comandata sempre dallo stesso bilanciere il quale, però,
segue leggi di moto diverse a seconda che si appoggi sulla camma “bassa” o venga trascinato dalla
camma “alta” tramite il corrispondente bilanciere "monco". In queste condizioni, grazie alle
maggiori dimensioni della camma "alta", l'estremità lato albero a camme del bilanciere della camma
"bassa" rimane sollevata da questa, senza quindi alcuna interferenza con l'azione della camma
"alta".
Anche se il principio di funzionamento risulta particolarmente semplice, la sua applicazione
presenta tuttavia qualche complicazione per una realizzazione meccanicamente valida e quindi le
soluzioni successivamente adottate da Honda hanno avuto lo scopo o di semplificarne la
costruzione per ridurne il costo di costruzione o di modificarne parzialmente il funzionamento per
giungere ad una regolazione della distribuzione sempre più legata alle condizioni di marcia del
motore.
Qui di seguito si accenna alle soluzioni costruttive più note.
Il DOHC VTEC
Il primo sistema VTEC è stato adottato su un motore (il B16A di 1595 cm3 a 4 cilindri e 16
valvole) a due alberi a camme (DOHC - Double OverHead Camshaft) preposti rispettivamente al
moto delle coppie di valvole di aspirazione e di scarico di ogni cilindro (fig. 3.2).
Fig. 3.2 - Un motore Honda con distribuzione DOHC VTEC.
Sui due alberi a camme si notano i gruppi di 3 camme
per ogni coppia di valvole da controllare.
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Per l'applicazione del VTEC la Casa scelse di utilizzare per ogni coppia di valvole 3 camme:
- 2 camme (di stesso profilo), preposte alla distribuzione per le basse velocità, azionano in
parallelo due bilancieri che impegnano le due valvole;
- 1 camma (sistemata tra le precedenti) per le alte velocità operante su un bilanciere
"monco".
Il passaggio dalla distribuzione "bassa" alla distribuzione "alta" avviene con l'aggancio dei
due bilancieri che comandano le valvole da parte di pistoncini che fuoriescono ai due lati del
bilanciere "monco" controllato dalla camma di "alta": in queste condizioni i due bilancieri che
azionano le valvole sono controllati dalla camma "alta".
Il sistema si presenta concettualmente semplice, ma esige 6 camme per cilindro, richiedendo
quindi una soluzione costruttiva complessa, per la verità resa più semplice dalla disposizione
sufficientemente distanziata delle valvole di ogni coppia già adottata da Honda precedentemente in
motori a doppio albero a camme e 4 valvole per cilindro di sua produzione non dotati di VTEC.
L'adozione del VTEC in motori di questa classe hanno permesso a Honda di realizzare
propulsori con potenze massime dello stesso ordine di quelle raggiunte da motori sovralimentati e di
cilindrata maggiore, mantenendo un andamento delle caratteristiche alla velocità medio-basse che
ne permettono una maggiore guidabilità.
Si deve notare che la soluzione DOHC VTEC disponendo di due alberi a camme dedicati
rispettivamente alle valvole di aspirazione e di scarico, permette una ampia scelta nella regolazione
del diagramma di distribuzione delle due serie di valvole e quindi delle curve caratteristiche del
motore, sia pure con qualche difficoltà nel sistema di controllo.
Il SOHC VTEC
La soluzione SOHC VTEC consiste nella sistemazione di un sistema VTEC su un motore
dotato di un solo albero a camme (SOHC - Simple OverHead Camshaft) e dotato di 4 valvole per
cilindro. La soluzione costruttiva si presenta più semplice, ma si rinuncia alla regolazione dei
diagrammi di distribuzione delle valvole di scarico, riservando il VTEC alle sole valvole di
aspirazione.
Anche in questo caso Honda ha utilizzato i criteri costruttivi di suoi motori ad un solo albero
a camme, nei quali - al fine di posizionare adeguatamente la candela d'accensione - i bilancieri - e
quindi le relative camme - che comandano le valvole di aspirazione erano sistemati ad una certa
distanza l'uno dall'altro. Ciò ha consentito modifiche costruttive limitate per inserire tre le due
camme una terza camma destinata alla distribuzione alle alte velocità.
La soluzione adottata si può descrivere come segue. Ogni cilindro è servito da un gruppo di
5 camme (figg. 3.3 e 3.4):
-
2 camme - identiche e sistemate alle due estremità del gruppo di 5 - tramite i relativi
bilancieri azionano le valvole di scarico a tutti i regimi del motore;
2 camme - identiche e spaziate tra di loro, sistemate tra le due precedenti - comandano
con i relativi bilancieri le valvole di aspirazione;
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-
1 camma - al centro del gruppo - costituisce la camma per la regolazione della
distribuzione alla aspirazione: sul bilanciere "monco" che ne segue il profilo sono
sistemati due pistoncini che ai regimi più alti fuoriescono dai lati del bilanciere ed
agganciano i due bilancieri delle valvole di aspirazione, costringendoli a lasciare il
profilo delle camme di bassa-media velocità e seguire le leggi della camma di "alta".
Con questa soluzione, quindi, ai regimi più bassi due coppie di camme muovono
rispettivamente le valvole di scarico e di aspirazione. Quando il motore passa a regimi elevati, il
sistema idraulico agisce sui pistoncini di aggancio che collegano i bilancieri delle valvole di
aspirazione al bilanciere "monco" centrale: in queste condizioni, mentre le valvole di scarico
seguono un diagramma di distribuzione inalterato, le valvole di aspirazione possono essere aperte
per un angolo maggiore e contemporaneamente effettuare una alzata maggiore, permettendo un
maggiore riempimento del cilindro con i conseguenti incrementi di potenza e di coppia.
I vantaggi rispetto al DOHC VTEC sono inferiori, ma la soluzione costruttiva risulta
notevolmente più economica.
Fig. 3.3 - Disposizione delle camme nel sistema SOHC VTEC
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Fig. 3.4 - Sistemazione delle camme e delle valvole nel sistema SOHC VTEC
A - valvole di aspirazione
S - valvole di scarico
C - albero a camme
M - bilanciere "monco" sulla camma di alta velocità con sistema VTEC
Il SOHC VTEC-E
Il sistema SOHC VTEC-E ha per scopo fondamentale la riduzione del consumo specifico (E
- Economy) del motore ai regimi medio-bassi grazie al miglioramento del flusso e della
miscelazione della carica fresca nel cilindro adeguando le sezioni di passaggio alla minore portata
di fluido.
In questo caso, contrariamente ai precedenti, il numero delle camme è pari al numero delle
valvole (fig. 3.5). Di queste le valvole di scarico sono sempre comandate da due camme identiche
tramite i relativi bilancieri.
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Fig. 3.5 - Le valvole del SOHC VTEC-E
Al contrario le valvole di aspirazione sono controllate da due bilancieri affiancati che fanno
capo a due diverse camme: un prima camma presenta un profilo adatto a tutti i regimi del motore,
con angolo di apertura ed alzate adatte anche alle alte velocità. La seconda camma, invece, ha un
profilo fortemente ribassato e di conseguenza la valvola, comandata dal corrispondente bilanciere,
realizza una alzata molto limitata.
Il queste condizioni, che sono previste per i regimi "bassi", la maggior parte della carica
fresca entra nel cilindro dalla valvola a grande alzata, mentre attraverso la piccola luce che apre
l'altra valvola passa un getto d'aria miscelata a tutto il combustibile che rifornisce solo il condotto
interessato. Si ottiene quindi un flusso di carica molto ricca che grazie alla sua alta velocità assicura
un'ottima miscelazione ed evaporazione ed anche una adeguata stratificazione del combustibile, che
permette di assicurare consumi specifici particolarmente ridotti.
Quando il motore passa a regimi più elevati (oltre 2500-3000 giri/min), un pistoncino
sistemato sul bilanciere della valvola a più grande alzata aggancia il bilanciere della valvola a bassa
alzata, trascinando quindi la rispettiva valvola con la sua legge di moto: in queste condizioni il
riempimento del cilindro si adegua alla maggiore velocità, mentre la buona miscelazione della
carica fresca è assicurata dalle maggiori portate di fluido e quindi dalle alte sue velocità.
In alcuni casi Honda ha utilizzato lo stesso meccanismo per la realizzazione di motori
operanti con una sola valvola di aspirazione ai regimi bassi e con due agli alti (sistemando una
camma circolare sotto uno dei bilancieri).
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Il 3-Stage VTEC
Il 3-Stage VTEC è una evoluzione del VTEC-E al fine di ottenere una regolazione migliore
della introduzione della carica fresca nel cilindro. Esso è caratterizzato dalla sistemazione di 3
diverse camme per ogni coppia di valvole di aspirazione, di 2 bilancieri azionanti le valvole e di un
bilanciere "monco". Il funzionamento si può illustrare sinteticamente come segue.
1° stadio (basse velocità - fig. 3.6) - I due bilancieri che agiscono sulle valvole sono mossi da due
camme delle quali una disegnata per le medie velocità e l'altra permette soltanto minime alzate della
valvola corrispondente, che hanno lo scopo di evitare la formazione di depositi sulla battuta della
valvola. In queste condizioni la sezione di ingresso della carica fresca corrisponde di fatto alla
sezione dell'unico condotto di aspirazione che viene aperto.
Fig. 3.6 – 1° stadio del 3-stage VTEC
2° stadio (velocità intermedie - fig. 3.7) - Superata un data velocità (p.e. 2500 giri/min) il sistema
idraulico di controllo fa fuoriuscire un pistoncino dal bilanciere della valvola a più forte alzata che
aggancia l'altro bilanciere: in queste condizioni entrambe le valvole di aspirazione si muovono
assieme secondo una legge adeguata alle velocità intermedie ed il cilindro è servito da entrambi i
condotti di aspirazione.
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Fig. 3.7 – 2° stadio del 3-stage VTEC
3° stadio (alte velocità - fig. 3.8) - Quando la velocità del motore supera un valore prefissato (p.e.
4500 giri/min) il sistema di controllo spinge un secondo pistoncino ad agganciare il bilanciere
"monco" - che è azionato dalla terza camma disegnata per gli alti regimi - ad uno dei bilancieri già
operanti all'unisono: in queste condizioni, grazie alle più elevate alzate ed ai più ampi angoli, i due
bilancieri che comandano le valvole operano secondo le leggi di moto dettate dalla camma per i
regimi elevati, adattando quindi i flussi della carica fresca alle esigenze della maggiore portata
richiesta dal motore.
Fig. 3.8 – 3° stadio del 3-stage VTEC
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Controllando con un sistema elettronico il passaggio ai successivi stadi all’aumentare della
velocità del motore, si può ottenere un andamento delle curve caratteristiche (potenza e coppia)
particolarmente interessante anche dal punto dei consumi di combustibile. In fig. 3.9 viene
riportato, indicativamente, l’andamento della curva di potenza.
Fig. 3.9 – Andamento indicativo delle curve di potenza in un motore
dotato di un sistema 3-stage VTEC
Il sistema, la cui realizzazione presenta una maggiore complessità rispetto ai sistemi già
visti, si è dimostrato tuttavia ben adatto all'applicazione su motori diversi con buoni risultati
operativi.
Il i - VTEC
Il i-VTEC costituisce l’evoluzione più recente dei sistemi di fasatura variabile della Honda e
consiste nell’accoppiamento dei VTEC descritti ai punti precedenti con un sistema di controllo della
posizione dell’albero a camme di aspirazione mediante un meccanismo del tutto simile a quelli già
adottati da altre Case costruttrici (Alfa Romeo, BMW, ecc.).
Il risultato ottenuto è del tutto rimarchevole in quanto il controllo elettronico del complesso
sistema permette di regolare il funzionamento del motore non soltanto relativamente alle
caratteristiche fondamentali di impiego (potenza e coppia), ma anche riuscendo ad ottenere ottima
stabilità anche con rapporti aria/combustibile particolarmente alti e quindi con riduzione dei
consumi particolarmente spinti.
Come esempio nella fig. 3.10 si illustra un motore Honda dotato del i-VTEC e nella fig.
3.11 sono riportate le sue caratteristiche.
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Fig. 3.10 – Motore Honda dotato del sistema DOHC i-VTEC
Fig. 3.11 – Caratteristiche funzionali del motore illustrato.
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In questi ultimi tempi Honda ha realizzato ed installato su vetture sia da
competizione che da turismo sistemi di variazione della fasatura più elaborati di quelli sopra
illustrati.
Anche se i risultati ottenuti sono sicuramente molto interessanti, ai fini di una panoramica
legata ai principi funzionali utilizzati poco è cambiato dai sistemi visti.
Progressi sensibili si sono avuti nelle lavorazioni meccaniche (e nei materiali) che
permettono una ripetibilità di condizioni di funzionamento non realizzabile fino a qualche anno
addietro.
Ma un ruolo molto importante (se non addirittura determinante) ha assunto sempre più la
messa a punto di sistemi di controllo della parte meccanica da parte di centraline elettroniche che utilizzando un numero sempre maggiore di sensori per il rilevamento delle condizioni di marcia del
veicolo, dei parametri funzionali del motore e della richiesta di prestazione del conduttore regolano le condizioni del sistema di fasatura con sempre maggiore precisione.
Se a questo si aggiunge che anche la richiesta sempre più pressante di apparati motori meno
inquinanti può essere agevolata dalla adozione della fasatura variabile, si può prevedere che nel
prossimo futuro sempre più motori saranno dotati di questa regolazione.
Bibliografia on-line
1) www.leecao.com/honda/vtec/
2) http://asia.vtec.net/article/
3) http://asia.vtec.net/spfeature/
Figure
le figg. 3.2, 3.4, 3.5
le figg. 3.6, 3.7, 3.8
le figg. 3.10, 3.11
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sono rielaborazioni da 3)
sono rielaborazioni da 1)
sono rielaborazioni da 2)
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4 - LA DISTRIBUZIONE "VANOS" DELLA BMW
Tra le Case che negli anni scorsi ha messo in commercio motori con fasatura variabile
spicca la BMW che ha appunto applicato il suo sistema VANOS prima a vetture particolarmente
sportive (vedi M3 ed M59), per poi adottarlo per le vetture da turismo di alta classe (serie 5 e serie
7) e più recentemente anche per quelle delle classi inferiori.
La BMW introdusse la distribuzione VANOS (Variable Nockenwellen-Spreizung) fin dal
1992 sia nei motori destinati alle vetture delle "serie 5" sia in propulsori destinati a vetture da rally.
Lo scopo del nuovo sistema di regolazione della distribuzione con la velocità del propulsore
era quello di modificare il diagramma di distribuzione al fine di ottenere potenze e coppie elevate
agli alti regimi, assicurando contemporaneamente un funzionamento sicuro e regolare alle basse e
medie velocità.
Nelle prime applicazioni fu presa in considerazione soltanto la regolazione del flusso
all'aspirazione (VANOS semplice), mentre successivamente il sistema fu completato con il "doubleVANOS" che permette la regolazione sia dell'aspirazione che dello scarico.
Il principio seguito si basa sulla variazione della posizione angolare dell'albero a camme
interessato rispetto all'albero motore al variare della velocità di quest'ultimo ed anche in funzione
della coppia richiesta al motore. Poiché la regolazione della posizione angolare degli alberi a
camme è controllata da un sistema elettronico, possono essere inserite quali fattori della regolazione
anche altre grandezze funzionali del motore (rapporto aria/combustibile, anticipo, temperatura ed
umidità dell'aria aspirata, ecc.). In ogni caso, come è evidente, se viene variata la fasatura
dell'albero a camme interessato, vengono modificati contemporaneamente e dello stesso valore gli
angoli di inizio e fine della apertura della valvola interessata: ne segue quindi che viene "spostato"
angolarmente il "diagramma " dell'alzata della valvola, ma la sua caratteristica (alzata = funzione
dell'angolo motore) rimane identica.
Il sistema che permette la modifica della fasatura consiste in un opportuno collegamento
meccanico tra la puleggia collegata all'albero a camme, trainata dalla catena di distribuzione, e
l'albero a camme: in altre parole il sistema consente lo spostamento angolare della puleggia rispetto
all'albero in funzione della velocità e delle altre grandezze che si prendono in considerazione.
La fig. 4.1 riporta lo schema di principio utilizzato. Come si vede la puleggia P (che deve
muovere l'albero a camme) è dotata al centro di un ampio foro che presenta una dentatura elicoidale
di diametro sufficiente per permettere l'inserimento (tra puleggia ed albero a camme) di un
manicotto M dotato all'esterno di una dentatura elicoidale che si impegna con quella della puleggia
ed all'interno di una dentatura rettilinea che può scorrere sulla dentatura analoga di cui è dotata
l'estremità dell'albero a camme A che si vuole regolare.
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Fig. 4.1 - Schema di principio del sistema di fasatura variabile
Il controllo della posizione angolare della puleggia rispetto all'albero si ottiene facendo
scorrere assialmente il manicotto, così che ad ogni sua posizione assiale corrisponde una
determinata posizione angolare relativa tra puleggia ed albero a camme.
La fig. 4.2 – che riporta lo spaccato di un gruppo VANOS applicato direttamente ad un
albero a camme di aspirazione – mette in evidenza la compattezza della soluzione costruttiva,
mentre la fig. 4.3 illustra i componenti fondamentali del sistema di regolazione VANOS smontati e
la fig. 4.4 lo stesso gruppo di componenti montati.
Fig. 4.2 - Il gruppo VANOS applicato direttamente ad una albero a camme di aspirazione.
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Fig. 4.3 – Gli ingranaggi del VANOS
Fig. 4.4 – Gli ingranaggi del VANOS montati
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Se il principio di funzionamento è semplice, la sua realizzazione presenta difficoltà sensibili
fondamentalmente per l’esigenza di una regolazione precisa ed affidabile della posizione angolare
della puleggia trascinata dalla catena della distribuzione rispetto all’albero a camme, come ben
mette in evidenza la complessa soluzione adottata dalla BMW.
La Casa costruttrice, in effetti, adottò inizialmente il sistema soltanto per la regolazione della
fasatura dell’albero a camme delle valvole di aspirazione, soluzione che permetteva da un lato
l’introduzione di un solo sistema di regolazione e dall’altro manteneva relativamente semplificata la
cinematica di collegamento tra l’albero motore e i due alberi a camme (VANOS semplice).
In questo caso il collegamento tra albero motore ed alberi a camme è realizzata con due
catene di distribuzione: una prima catena collega l’albero motore con l’albero a camme di scarico
mediante una puleggia calettata rigidamente su questi, che risulta quindi a fasatura fissa.
Il meccanismo di regolazione della fasatura dell’asse a camme di aspirazione è montato – è
il caso di notarlo - all’estremità dello stesso albero a camme di scarico e trasmette la fasatura
all’albero a camme di aspirazione tramite una catena che trascina una puleggia rigidamente montata
su quell’albero.
Come si vede in fig. 4.5, il meccanismo di regolazione consiste un una specie di piccola
“campana” montata all’estremità dell’albero a camme di scarico (e coassiale con esso) la cui
posizione assiale è controllata da olio (del sistema di lubrificazione) inviato ad alta pressione da
apposita pompa: il suo spostamento determina la posizione del manicotto a doppia dentatura che,
scorrendo sulla estremità rigata dell’albero, modifica la posizione angolare di una seconda puleggia
dentata montata su di esso.
Fig. 4.5 - Il VANOS semplice nella applicazione al solo albero a camme di aspirazione
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Questa puleggia è collegata, come già si è detto, con catena al una analoga puleggia montata
rigidamente all’estremità dell’albero a camme di aspirazione, che quindi riceve il valore angolare
della fasatura determinata dallo scorrimento del manicotto che agisce sulla posizione della prima
puleggia. La stessa fig.5, ripresa da una illustrazione BMW on-line, illustra pure l’insieme della
soluzione costruttiva dando anche un’idea della complessità del sistema di regolazione sistemato
all’estremità dell’albero di scarico.
In effetti diverse sono state le soluzioni costruttive adottate da BMW per la sistemazione del
gruppo VANOS sui motori che l'hanno adottata. Come esempio valgano le figure riportate di seguito
che illustrano una sequenza degli elementi VANOS diversa da quella prima illustrata.
Nel nuovo caso, infatti, il moto proveniente dall'albero motore viene trasmesso, con catena,
prima all'albero a camme di scarico (come nel caso precedente) e poi tramite altra puleggia dentata
e catena ad una puleggia dentata di uguale diametro montata sull'albero a camme di aspirazione.
Questa seconda puleggia, però, è collegata al suo albero di distribuzione tramite un gruppo VANOS
controllato da un sistema elettromagnetico che agisce sulla posizione del "manicotto" doppiamente
dentato sistemato tra puleggia ed albero.
Nella fig. 4.6 si vede la sistemazione delle pulegge che collegano i due alberi a camme, con
il gruppo VANOS aperto che mette in evidenza la puleggia, il manicotto dentato e l'estremità
dell'albero a camme di aspirazione.
Fig. 4.6 - Le pulegge degli alberi di distribuzione, con - a destra - il gruppo VANOS aperto.
Le successiva fig. 4.7 mostra tutto il sistema di distribuzione completamente montato: si
nota all'estremità dell'albero a camme di aspirazione (a destra) il gruppo VANOS chiuso, che
appunto permette lo sfasamento di quest'albero rispetto all'albero a camme di scarico.
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Fig. 4.7 - Sistema VANOS completamente montato.
La fig. 4.8 che segue mette in evidenza, oltre al Gruppo VANOS montato, il collegamento tra
i due alberi a camme ed anche la puleggia dentata (e senza catena) montata sull'albero a camme di
scarico che riceve il moto dall'albero motore, che lo spaccato riportato di fig. 4.9 illustra
chiaramente.
Fig. 4.8 - Gruppo VANOS montato e puleggia di collegamento dell'albero
a camme di scarico.
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Fig. 4.9 - Spaccato della sistemazione del VANOS sull'albero a camme di aspirazione.
Il controllo della centralina elettronica tiene conto del regime del motore, posizionando la
fasatura delle valvole di aspirazione ad un determinato valore quando il motore è in "folle" per poi
mettere in azione il meccanismo di regolazione appena inizia l'erogazione di potenza. In genere i
motori con il VANOS semplice sono regolati per assumere due diversi valori della fasatura in
corrispondenza di due valori fissati della velocità di rotazione; anche se questa soluzione rinuncia
ad una regolazione "fine" della fase di aspirazione, permette di realizzare il sistema di controllo in
maniera semplice e con pressioni del gruppo idraulico non molto elevate senza sensibili riflessi
sulle caratteristiche operative della macchina.
Nella soluzione che con il generale uso dell’inglese prende il nome di "double-VANOS" (in
tedesco doppel-VANOS) ognuno dei due alberi a camme è dotato del sistema di regolazione e può
quindi variare la sua fasatura indipendentemente, permettendo quindi una forte variazione delle
condizioni fluodinamiche delle fasi di aspirazione e di scarico e quindi anche della interazione tra le
due fasi con riflessi – oltre che sul riempimento del cilindro - sulle condizioni del fluido residuo
nella camera di combustione.
Anche se l'esigenza di una regolazione fine e ben definita della posizione reciproca dei due
alberi richiede un circuito idraulico a più di 100 bar con le conseguenti complicazioni costruttive e
funzionali, il "double-VANOS" consente al motore di fornire una maggiore coppia alle basse
velocità ed una maggiore potenza alle alte. Così - rispetto alla soluzione con VANOS semplice - il
regime di massima coppia viene abbassato di circa 400 giri/min, mentre la massima potenza viene
raggiunta ad una velocità maggiore di circa 200 giri/min, con una curva della coppia sempre
superiore nel campo 1500 - 3000 giri/min.
Un altro vantaggio del contemporaneo controllo della fasatura dei due alberi a camme
riguarda la possibilità di una regolazione della ricchezza della miscela aspirata nel periodo di
riscaldamento del motore, permettendo quindi di ridurre sensibilmente il periodo di entrata in
azione del convertitore catalitico posto sul condotto di scarico. Alle velocità medie, poi, la
possibilità di controllare la ricircolazione nel cilindro consente di ridurre sensibilmente i consumi.
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La fig. 4.10 illustra un motore BMW dotato di distribuzione VANOS.
Fig. 4.10 – Un motore BMW dotato di distribuzione VANOS
(motore derivato dal M 52: 6 cilindri, 2171 cm3,
125 kW a 6100 giri/min, 210 Nm a 3500 giri/min)
Bibliografia on-line
1)
2)
3)
4)
5)
– http://www.kfz-schule.de
– home.vanadoo.nl
- www.gti16.com
- www.6enligne.net
- www.asia.vtec.net
Figure
la fig.
le figg.
la fig.
le figg.
la fig.
la fig.
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4.1
4.2, 4.3
4.4
4.5, 4.6 ,4.7
4.8
4.9
è tratta da 6)
sono rielaborazioni da 2)
è una rielaborazione da 1)
sono rielaborazioni da 4)
è tratta da 5)
è tratta da 3)
33/48
5 - LA DISTRIBUZIONE "VALVETRONIC" DELLA BMW
Con l'applicazione della distribuzione VANOS la BMW introduceva anche nei sui modelli di
grande serie un sistema per il controllo angolare dei diagrammi di distribuzione mediante i quali
otteneva una regolazione della potenza (e della coppia) meglio distribuita su tutta la gamma dei
regimi coperta dal motore. Tuttavia, sia nella applicazione "semplice" che opera sulle sole valvole
di aspirazione che nella soluzione "doppia" che interessa anche le valvole di scarico, questa
soluzione se migliora le condizioni operative del motore presenta il limite di operare soltanto
sull'angolo della fasatura del diagramma di distribuzione.
Vengono migliorate le condizioni di interazione tra i flussi in aspirazione ed in scarico dal
cilindro - ovvero i gradi di "incrocio" - ma non viene controllata la legge del movimento delle
valvole in funzione dell'angolo motore. Migliora il comportamento della macchina in campi più
ampi di funzionamento, ma rimane difficoltoso il controllo corretto del rapporto aria/combustibile
al variare della coppia erogata. Si migliorano, quindi, i consumi, ma non a tutti i regimi ed in
maniera non sempre sensibile.
Per risolvere anche questo problema BMW ha messo a punto fino alla applicazione
industriale un ulteriore sistema di regolazione della distribuzione (Valvetronic) che si basa sul
controllo della legge della alzata delle valvole. Accoppiando la distribuzione VANOS con il
Valvetronic la Casa tedesca ha quindi messo sul mercato delle sue vetture di grande produzione un
motore in grado di modificare i diagrammi di distribuzione nella fasatura e nella alzata delle valvole
su tutto il campo di velocità di rotazione, ottenendo interessanti vantaggi non soltanto sui consumi
e sull'andamento della caratteristiche di potenza e di coppia, ma riducendo sensibilmente le
emissioni allo scarico.
Il Valvetronic consiste in un sistema cinematico di comando della valvola di aspirazione
che, tramite il posizionamento di apposito meccanismo mediante controllo elettronico, permette di
variare l'alzata della valvola pur lasciando l'azione sulla valvola stessa sempre alla stessa camma
dell'albero di distribuzione.
Uno schema semplificato della soluzione "classica" delle distribuzione che viene
normalmente adottata da BMW per il comando della valvola di aspirazione è riportata nella fig. 5.1.
La camma (1) agisce sul rullino (6) posto sul bilanciere a leva (2) e questi - facendo fulcro
sull'estremità (4) - con l'estremità (3) spinge lo stelo (5) della valvola in contrapposizione con la
molla di richiamo (7). La valvola (8), quindi, assume un moto che è diretta funzione del profilo
della camma (1).
La durata e la legge del movimento della valvola (in funzione dell'angolo di manovella)
sono quindi costanti a tutti i regimi del motore. Per modificare il grado di riempimento del cilindro
da parte della carica fresca - che determina di fatto l'entità di energia chimica introdotta e di
conseguenza anche la coppia erogata - è necessario dotare il complesso di una ulteriore valvola, la
"valvola a farfalla" (9), la cui posizione - controllata dal cosiddetto "acceleratore" - varia la perdita
di carico che incontra il flusso entrante e quindi la sua portata.
Come si è ricordato, con la soluzione VANOS è possibile modificare l'angolo di inizio della
alzata della valvola, ma la legge del suo movimento rimane inalterata e perciò la presenza della
valvola a farfalla resta essenziale per la regolazione.
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Fig. 5.1 - Soluzione "classica" per il comando di una valvola.
Il sistema Valvetronic consente invece di variare la legge dell'alzata della valvola
modificando il gruppo cinematico che collega la camma dell'albero di distribuzione alla estremità
superiore dello stelo della valvola. Se si vuole mantenere inalterato il sistema di comando diretto
della valvola da parte del bilanciere (2) è necessario l'inserimento di un sistema meccanico tra la
camma (1) ed il bilanciere in grado di modificare opportunamente la legge del movimento di
quest'ultimo. La soluzione adottata da BMW è stata quella di inserire una leva oscillante dotata
inferiormente di camma la cui sistemazione nel gruppo cinematico è illustrata in fig. 5.2.
Fig. 5.2 - Meccanismo in grado di "trasferire" la legge di moto della camma al bilanciere.
La figura mette in evidenza come l'azione della camma (1) sulla leva oscillante (10),
incernierata superiormente all'asse (11), permette a questa di agire con l'estremità inferiore (12) Acton-VVA-05/07
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debitamente conformata - sulla posizione del punto centrale del bilanciere (2), che può quindi
muovere la valvola.
Ma l'inserimento di un meccanismo tra camma e bilanciere permette quindi di muovere la
valvola con una legge determinata non soltanto dalla forma della estremità inferiore della leva
oscillante, ma anche dalla legge del suo movimento.
E' su questa proprietà che si basa il sistema adottato: infatti modificando la posizione del
centro di rotazione della leva (asse (11)) varia la legge di "trasferimento" del moto indotto dalla
camma (1) al moto del bilanciere e quindi anche al moto della valvola.
Il definitiva, ad ogni posizione dell'asse di rotazione della leva oscillante corrisponde un
valore diverso della alzata massima della valvola e, grazie alla forma della camma di distribuzione,
una diversa "ampiezza" della campana che rappresenta la legge del moto della valvola in funzione
dell'angolo motore.
Fig. 5.3 - Inserimento di un meccanismo che determina la legge di "trasferimento" del moto
dalla camma al bilanciere.
La fig, 5.3 schematizza la soluzione adottata. Una ulteriore eccentrico (13) con la sua
posizione angolare determina la posizione del centro di rotazione (11) della leva oscillante e quindi
fissa sia il valore dell'alzata massima della valvola che la sua legge di moto.
In definitiva la catena cinematica che trasferisce la legge del moto impostata dalla camma
azionata dall'albero di distribuzione permette, con il semplice posizionamento angolare
dell'eccentrico (13), di modificare la legge del moto della valvola, la quale può passare da una
posizione di virtuale chiusura fino alla legge con la massima alzata. Grazie a questa possibilità, si
può demandare alla valvola di aspirazione anche la regolazione del flusso entrante e quindi viene
meno la necessità della valvola a farfalla, che in effetti non è indicata in figura.
La contemporanea adozione di un sistema VANOS per il controllo della posizione angolare
dell'albero di distribuzione permette infine di "posizionare" la legge di alzata della valvola con
valori angolari scelti in funzione delle caratteristiche funzionali richieste al motore, raggiungendo
un controllo estremamente ampio delle condizioni di efflusso della carica fresca.
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La sistemazione meccanica dell'eccentrico (13), che meglio è precisata in fig. 5.4, evidenzia
poi la possibilità di un semplice controllo contemporaneo di tutta la serie di valvole corrispondenti
di una linea di cilindri. Infatti gli eccentrici che agiscono sulle valvole di aspirazione della linea di
cilindri possono essere vincolati ad un unico alberino che segue le testate e che con la sua posizione
angolare determina contemporaneamente le condizioni funzionali dei meccanismi di tutte le
valvole. Come indica la figura la posizione angolare dell'alberino degli eccentrici (13) può essere
controllata facilmente, tramite un accoppiamento ad ingranaggi (15), da un motore passo-passo (14)
che riceve i segnali necessari per il suo posizionamento dalla centralina elettronica che controlla il
motore.
Fig. 5.4 - Sistema di controllo contemporaneo delle caratteristiche di moto della valvole.
Nella figura sono evidenziate le posizioni delle camme (1) sull'albero di distribuzione - che è
mosso attraverso un sistema VANOS - delle leve oscillanti dotate inferiormente da una camma (2),
delle molle di richiamo e infine le valvole di aspirazione (8).
Nella fig. 5.5, che segue, viene riprodotta – forse più chiaramente - la sistemazione
definitiva del gruppo di comando della valvola, mentre nella fig. 5.6 si riporta uno spaccato che
interessa la soluzione globale adottata da BMW per tutte le valvole di ogni cilindro (aspirazione e
scarico). Da entrambe le figure si rileva come la leva oscillante in effetti raggiunge dimensioni
abbastanza rilevanti e quindi è notevole la compattezza realizzata a fronte di una non lieve
complessità della distribuzione.
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.
….
Fig. 5.5 – Il complesso del sistema Valvetronic in cui è evidente la conformazione
della leva con camma che comanda il bilanciere e la sua molla di richiamo.
Fig. 5.6 – Sezione della testata in corrispondenza della valvole
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Dato che la soluzione Valvetronic per il controllo della valvola di aspirazione
raggiunge gli obiettivi desiderati soltanto con la contemporanea adozione del sistema doubleVANOS per il controllo della fasatura degli alberi di distribuzione, nella fig. 5.7 viene riportata una
illustrazione BMW del complesso. E’ messo in evidenza il semplice sistema di trascinamento delle
pullegge dentate montate sui due alberi a camme, la cui posizione – rispetto alle pulegge – è
controllata da due gruppi VANOS suggeriti dai due ringrossi aderenti alle pulegge stesse. Si rileva
inoltre la disposizione del motore elettrico di controllo del Valvetronic che opera sull’albero degli
eccentrici sistemato tra i due alberi a camme principali, come era pure chiaramente indicato nella
Fig. 5.4.
Fig. 5.7 – Il sistema di distribuzione double-VANOS con il Valvetronic su un motore
BMW a 4 cilindri.
Senza poi entrare in merito ad altre caratteristiche del sistema, è il caso di rilevare che la
possibilità di controllare l'alzata della valvola di aspirazione fino alla chiusura permette di
demandare alla valvola stessa l'azione di regolazione del flusso di carica fresca normalmente svolta
dalla valvola a farfalla, con vantaggi non trascurabili. Da un lato questa soluzione permette di
ridurre le perdite di carico sulla condotta di aspirazione favorendo un sensibile incremento del
coefficiente di riempimento e quindi della potenza erogata. Dall'altro la chiusura delle valvola può
ridurre nettamente le cosiddette "perdite di pompaggio" in tutti i regimi che comportano una
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erogazione di potenza inferiore alla massima (e cioè in quasi tutti i regimi praticamente utilizzati su
una autovettura), aumentando l'efficienza del motore.
Rilevando che il Valvetronic difficilmente può essere applicato per motori a regimi superiori
a 6000 giri/min, la Casa costruttrice indica che il nuovo sistema di distribuzione presenta le seguenti
caratteristiche principali:
-
il valore della alzata della valvola di aspirazione regolabile da 0 a 9,7 mm
il tempo necessario per la completa corsa angolare dell’eccentrico di controllo 300 ms
in combinazione con il sistema double-VANOS l’angolo di fasatura rispetto all’albero
motore può variare di 60°
la finitura di lavorazione della camma della leva oscillante è pari a 0,008 mm
la camma dell'eccentrico che controlla la regolazione è lavorata con tolleranze di pochi
centesimi di mm
Tra i vantaggi sono elencati (oltre quelli già ricordati):
-
una forte riduzione della temperatura del liquido di raffreddamento nella testata grazie ai
forti incroci possibili a tutti i regimi
la riduzione della potenza della pompa del sistema di raffreddamento
la riduzione del riscaldamento del fluido del sistema sterzante e della potenza necessaria
per la pompa idraulica
la riduzione della temperatura dell’olio lubrificante sistemando uno scambiatore tra
fluido refrigerante e olio, montando le pompe del sistema idraulico e del fluido
refrigerante sullo stesso albero
Bibliografia on-line
1) BMW - Technology
2) Autospeed
3) Autoinstall
- http://www.bmwworld.com
- http://autospeed.drive.com.au
- http://www.autoinstall.com
Figure
le figg. 5.1, 5.2, 5.3, 5.4
le figg. 5.5, 5.6, 5.7
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sono rielaborazioni da (1)
sono tratte da (2)
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DISTRIBUZIONE “UNIAIR” DELLA FIAT
Una soluzione di distribuzione variabile che segue un criterio costruttivo e funzionale
nettamente diverso dai precedenti è quella studiata e proposta da FIAT, presso il cui Centro
Ricerche viene indicata con la denominazione Uniair.
Il brevetto richiesto nei primi anni ’90 si basa sulla utilizzazione di un sistema idraulico per
il comando ed il controllo di una valvola, evidenziando la possibilità di determinare la legge del
movimento di questa operando sulle condizioni (efflusso e pressione) del liquido a cui ne viene
demandato l’azionamento.
Le linee generali del principio di funzionamento sono piuttosto semplici e prendono lo
spunto dai sistemi di comando idraulico delle valvole che la Casa costruttrice aveva da tempo
utilizzato sui suoi motori. L’idea originale riguarda appunto il controllo delle condizioni del liquido
di trasmissione del moto che, come detto, costituiscono un fattore di posibile modifica delle leggi di
moto dell’organo della distribuzione.
Schematicamente il funzionamento del sistema è il seguente.
La camma montata sull’albero della distribuzione agisce – in maniera tradizionale - su un
piattello che è solidale con un piccolo stantuffo dotato di molla di richiamo. Lo stantuffo,
muovendosi in un cilindro, agisce su un liquido idraulico che lo riempie e che trasmette il moto
direttamente all’estremità superiore dello stelo della valvola, causandone quindi il movimento di
apertura e chiusura. Quindi, se il volume del liquido è mantenuto costante, la legge del moto delle
valvola risulta uguale o proporzionale al moto delle stantuffo mosso dalla camma.
Ma nel sistema Uniair il cilindro in cui opera lo stantuffo mosso dalla camma è dotato di
una piccola camera che fa capo ad un valvola (a cassetto) la cui posizione di apertura o chiusura è
controllata da un elettromagnete e proprio dalla posizione di questa valvola a cassetto dipende la
trasmissione del moto dello stantuffo alla valvola motore.
E’ evidente, infatti, che:
- se la valvola a cassetto rimane chiusa, la valvola motore si muove con legge omologa a
quella dello stantuffo mosso dalla camma;
- se la valvola a cassetto rimane aperta l’azione dello stantuffo non è trasmessa alla
valvola motore perché il liquido si riversa al di fuori del cilindro senza aumentare la sua
pressione (accolto da un apposito vano, dal quale può poi rientrare nel cilindro
all’inversione del moto dello stantuffo);
- se la valvola a cassetto viene chiusa dopo l’inizio dello spostamento dello stantuffo
mosso dalla camma, solo allora inizia il movimento della valvola motore, che cessa
quando la valvola a cassetto viene riaperta;
- l’azione del liquido (e quindi della camma) sulla valvola motore inizia sempre alla
chiusura della valvola a cassetto e cessa quando questa viene aperta.
Anche se il principio di funzionamento si presenta estremamente semplice, la realizzazione e
il controllo del sistema presenta problematiche non facili da superare se non con studi teorici e
sperimentali di grande impegno, tanto che FIAT – tramite il suo Centro Ricerche – lavora da anni
per giungere alla messa a punto di un sistema adatto ad una utilizzazione su grande scala. Dopo aver
“incassato” un prestigioso riconoscimento da parte dell’Associazione Automobilistica Europea
(ACEA) per l’apporto innovativo del prodotto proposto, il Centro Ricerche Fiat ha creato un gruppo
di ricerca sull’argomento finanziato dalla UE al quale hanno partecipato tra gli altri Magneti
Marelli, PSA e Daimler-Chrisler.
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In Fig. 6.1 è riportato un disegno indicativo dell'Uniair che mette in evidenza le parti che lo
compongono (vedi anche figura di copertina). La scelta di utilizzare un sistema elettro-idraulico in
luogo di un possibile sistema elettromagnetico può essere dovuto da un lato alla notevole esperienza
che il Centro Ricerche Fiat aveva già accumulato sui sistemi del genere nella messa a punto e nello
sviluppo dei sistemi di iniezione per motori diesel (Common rail) e dall'altro dai notevoli problemi
che il controllo completamente elettrico (già più volte tentato anche in passata da altri costruttori)
presenta.
Si deve inoltre tener presente che con un sistema come quello scelto è possibile - almeno in
vai teorica - controllare il moto della valvola (p.e. di aspirazione) entro una vasta gamma di leggi,
così da risolvere diversi problemi della distribuzione al variare sia della velocità di rotazione che del
carico.
Fig. 6.1 - Il sistema Uniair ed i suoi componenti fondamentali.
A conferma di questa possibilità basta valutare, per esempio, le leggi di alzata della
valvola di aspirazione con due metodi di controllo della valvola elettromagnetica che controlla
l'entrata in pressione del liquido idraulico che trasmette il moto dallo stantuffo mosso dalla camma
alla valvola dal motore.
In fig.6.2 sono riportati indicativamente gli andamenti del moto della valvola se il sistema
tiene costante l'istante di chiusura dell'elettrovalvola di controllo (e quindi l'angolo motore
corrispondente) e varia il tempo (e quindi l'angolo) della successiva apertura. Il periodo di alzata
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della valvola diminuisce man mano che viene anticipato lo scarico del fluido di controllo e
corrispondentemente si riduce il valore della massima dell'alzata della valvola, che però inizia
sempre con lo stesso valore dell'angolo motore. Nel caso della valvola di aspirazione si può quindi
iniziare l'aspirazione effettiva della carica fresca sempre allo stesso punto del ciclo, ma si può
variare la sua massa entrante: la valvola può quindi funzionare come organo regolatore della carica
del cilindro e perciò della potenza erogata, consentendo quindi l'eliminazione della valvola a
farfalla sul condotto di aspirazione. con il vantaggio di minori perdite di "pompaggio".
Fig. 6.2 - Influenza della variazione dell'apertura (B) dell'elettrovalvola.
La fig. 6.3, invece, mostra la possibile legge del moto della valvola nel caso che la riduzione
del periodo di apertura venga ridotto agendo su entrambi i tempi di chiusura e di apertura
dell'elettrovalvola. Si vede qui come il valore della massima alzata della valvola, che anche in
questo caso si riduce al diminuire del periodo di azione può corrispondere in ogni condizione
sempre sullo stesso angolo motore.
Fig . 6.3 - Influenza della variazione della chiusura (A) e dell'apertura (B) dell'elettrovalvola.
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Il controllo dell’Uniair
Se il principio di funzionamento e le potenzialità di modulazione nel funzionamento del
motore da parte dell’Uniair sono immediatamente evidenti, la messa a punto del sistema ed il
controllo della sua azione sulla macchina motrice si sono dimostrati particolarmente complessi.
Da un lato – a fronte di uno schema di principio molto semplice – il funzionamento del
gruppo elettroidraulico ha evidenziato l’influenza determinante di parametri (quali ad esempio la
densità e la viscosità dell’olio che determina il sul moto della valvola) i cui valori possono variare
con leggi correlate in modo complesso alle condizioni fisico-termiche del sistema e che nello stesso
tempo condizionano in modo significativo la legge del moto della valvola e quindi la sua azione sul
funzionamento del motore.
Dall’altro la stessa “libertà” di scelta della legge del moto della valvola ha messo in
evidenza la necessità di una approfondita valutazione della sua influenza sul comportamento
funzionale del motore nelle diverse condizioni di marcia (avviamento, bassi ed alti carichi, ecc.),
richiedendo quindi una impegnativa campagna di studi sperimentali per giungere ad una sufficiente
conoscenza delle potenzialità del sistema al fine di giungere ad una sua oculata applicazione.
L’insieme degli studi su questi argomenti ha consentito la messa a punto di un nuovo
sistema di controllo del motore, che necessariamente presenta un architettura diversa da quella
utilizzata nel caso di controllo delle valvole mediante sistemi meccanici.
In un motore convenzionale in genere si utilizza un unico sistema di controllo del motore
che riguarda i parametri relativi all’immissione dell’aria, all’accensione, all’EGR, alla
sovralimentazione ed alla combustione (eventualmente tramite sottosistemi di attuazione
dell’iniezione di combustibile).
Per un motore dotato di Uniair si è ritenuto invece opportuno adottare un sistema di
controllo composto da due sezioni dedicate rispettivamente al controllo del motore (“Engine
Control Unit”) ed al controllo dell’aria (“Air Control Unit”). L’Engine Control Unit opera ancora
su tutti i più importanti parametri del motore salvo l’introduzione della carica fresca: il controllo di
questa grandezza è demandato all’Air Control Unit che, tramite una linea dedicata veloce,
colloquia con l’Engine Control Unit a cui fornisce i risultati delle sue analisi.
In questa maniera, diversamente dal sistema adottato nel caso di semplice motore con
farfalla e valvole tradizionali, il controllo della combustione ha ora l’opportunità di condizionare il
moto della carica fresca e la sua turbolenza, sfruttando le caratteristiche funzionali dell’UNIAIR.
In effetti l’Air Control Unit è costituito da due blocchi (fig. 6.4):
-
-
il primo blocco provvede al calcolo della portata massica dell’aria ed alla valutazione del
moto della carica fresca, con riferimento ad un nuovo modello (relativo ad un motore
senza la regolazione con valvola a farfalla, dotato di due valvole per cilindro che
provvedono a controllare la portata della carica fresca e la sua turbolenza) di cui si è
curata l’implementazione;
il secondo blocco provvede al controllo del moto della valvola, con il fine di garantire
l’effettiva attuazione dell’apertura e della chiusura agli angoli motore richiesti per ogni
condizione di funzionamento: fattore decisivo per il moto della valvola si sono rivelate la
viscosità e la densità dell’olio e quindi al rilevamento della sua temperatura è stato
dedicato uno specifico sensore.
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Fig. 6.4 –Schema di massima del sistema di controllo.
MCI – motore a combustione interna
ECU – Engine Control Unit
ACU – Air Control Unit
USV – Uniair Solenoid Valves
Il funzionamento indicativo del sistema di controllo può essere così descritto.
Quando l’Engine Control Unit riceve una certa richiesta di carico (per esempio da parte
dell’acceleratore) il segnale viene trasformato (in base alle caratteristiche del modello
implementato) in una richiesta di massa d’aria e del modo con cui questa può essere realizzata:
questi dati vengono trasmessi all’Air Control Unit.
Questo blocco, tenendo conto delle caratteristiche del gruppo Uniair (secondo il modello
specifico implementato), delle condizioni ambientali e delle caratteristiche fisiche attuali dell’olio
che opera nel sistema elettro-idraulico, fornisce i segnali per l’azionamento della valvola di
aspirazione.
Per poter far fronte alle eventuali modifiche che il sistema di azionamento della valvola può
subire durante tutta la sua vita, l’Air Control Unit esegue una continua diagnosi del suo stato e
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provvede alle necessarie compensazioni, comunicando all’Engine Control Unit tutte le informazioni
affinché possa eseguire al meglio i calcoli dei parametri necessari per l’ottimizzazione dei transitori.
Con l’attuazione indipendente del moto di due valvole di aspirazione per cilindro si riesce ad
ottenere un ottimo controllo sulla combustione, mentre l’entità dell’alzata delle valvole può essere
proficuamente modificata al variare del carico e della velocità del motore, giungendo – se
necessario – all’isolamento del cilindro, riducendone drasticamente le perdite per pompaggio.
Fig. 6.5 – Rappresentazione indicativa del controllo sul moto della valvola di aspirazione
(n = velocità di rotazione; C = coppia motrice)
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Avviamento/marcia in folle:
preparazione miscela, ottimizzazione combustione, riduzione rumore
Bassi carichi:
controllo emissioni, controllo combustione, disattivazione cilindri
Carichi parziali:
ottimizzazione pompaggio, miglioramento combustione
Alta coppia:
ottimizzazione del coefficiente di riempimento
Massima potenza:
piena alzata e massima durata.
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In fig. 6.5 sono riportate indicativamente con schizzi grafici che indicano la legge di
movimento della valvola (rispetto alla legge di massima alzate e massima apertura possibili) nelle
zone del campo di funzionamento del motore in cui l’azione dell’Uniair può svolgere una azione
particolarmente interessante.
Senza entrare nei particolari, si vogliono qui indicare alcune delle condizioni di
funzionamento che possono essere realizzate.
Ai carichi parziali si possono adottare strategie diverse per incrementare l’efficienza del
motore. Un ritardo all’apertura delle valvole ha un impatto positivo sia sulla combustione che sul
rendimento meccanico.
Nel caso di anticipo della chiusura di entrambe le valvole la combustione può essere
peggiorata a causa della eccessiva espansione che comporta più bassi valore di temperatura e di
pressione nel cilindro. Ma un leggero sfasamento nella chiusura delle due valvole – facilmente
ottenibile con Uniair - riduce sensibilmente gli effetti negativi sulla combustione grazie all’aumento
della turbolenza dell’aria entrante.
Un’altra interessante strategia consiste nell’anticipare la chiusura di una delle valvole: si
hanno benefici per il forte swirl che si crea nel flusso entrante e per la riduzione di energia
necessaria. La strategia più conveniente è comunque combinare il vantaggio dell’anticipo - che
riduce le perdite di pompaggio - con il ritardo alla chiusura – che migliora la turbolenza e la
combustione. E’ poi possibile influenzare il flusso di calore rilasciato dal cilindro regolando la
legge di alzata delle valvole.
Alcuni risultati ottenuti su motori a benzina a 4 cilindri e 16 valvole indicano, secondo la
Casa costruttrice i seguenti vantaggi dell’adozione del controllo UNIAIR sulle valvole di
aspirazione:
-
-
la diminuzione dei consumi rientra nel campo 7 – 9 % a seconda delle condizioni di
funzionamento;
l’utilizzazione dell’Uniair non comporta limitazioni di sorta rispetto alle caratteristiche
di coppia e potenza originali;
la pressione media effettiva viene incrementata di circa il 20% ai bassi regimi, del 9% ai
regimi intermedi ed intorno al 5% agli alti regimi;
le emissioni del motore rientrano pienamente nelle normative EURO 4, ma l’adozione di
Uniair permette un più rapido riscaldamento in fase di avviamento e una entrata in
funzione del sistema catalitico più rapida;
un buon avviamento a bassa temperatura è assicurato fino a –30 °C.
Se questi valori sono confrontabili con quelli ottenibili da altri sistemi di controllo delle
valvola all'aspirazione realizzato con soluzioni soltanto meccaniche, l'Uniair sembra avere un
potenziale di sviluppo ben più ampio grazie alla ampiezza delle regolazioni che un controllo
elettronico ben articolato può imporre, tenendo conto di molteplici parametri funzionali del motore.
Una sua ampia applicazione che viene prevista entro breve tempo su diversi modelli di motori per
autovetture potrà dare una indicazione concreta delle sua possibilità.
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Bibliografia
1) L.Bernard, A. Ferrari, A. Pisoni, “Variable valve actuation: a survey on the technology
and its potential for the future challenges of spark ignited engines”,
Centro Ricerche Fiat, 2003
2) C. Vafidis, “The aplication of an electro-hydraulic VVA system on passenger
car C.R. Diesel engine”, Centro Ricerche Fiat, 2000.
Bibliografia on-line
3) www.italiaspeed.com
4) lnx.stiloclub.it
5) Notiziario Centro Ricerche Fiat - n. 5, 2002 e segg.
Figure
la fig. di copertina
la fig. 6.1
le figg. 6.2, 6.3
le figg. 6.4, 6.5
è tratta da 5)
è una rielaborazione da 3) e 5)
sono rielaborazioni da 5)
sono rielaborazioni da 1)
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