I motori nella tecnica automobilistica · specifico del motore convenzionale a distribuzione...

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I motori nella tecnica automobilistica

SISTEMI DI DISTRIBUZIONE A PARAMETRI VARIABILI

Appunti di O. Acton

ATA Ligure – Q01/ maggio 2007


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 7

3 – La distribuzione “VTEC” della HONDA 14

4 - La distribuzione “VANOS” della BMW 26

5 – La distribuzione “VALVETRONIC” della BMW 33

6 – La distribuzione “UNIAIR” della FIAT 41

La figura in copertina è tratta da edizione on-line del Notiziario Centro Ricerche Fiat


1 - SISTEMI DI DISTRIBUZIONE A FASATURA VARIABILE NEI MOTORI ACOMBUSTIONE INTERNA ALTERNATIVI

E’ noto come i parametri che nel motore a combustione interna alternativo individuano ildiagramma 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 indefinitiva le capacità operative della macchina: ne segue che al variare dei parametri del diagrammadi distribuzione variano le principali caratteristiche funzionali del motore come il processo dicombustione, la potenza e la coppia motrice.

Poiché i fenomeni fuidodinamici all’aspirazione ed allo scarico sono fortemente influenzatidalla velocità di rotazione del motore (che determina di fatto la portata dei fluidi), ne segue cheanche i valori dei parametri del diagramma di distribuzione “ottimo” sono legati al regime dellamacchina. Un eventuale intervento sul diagramma di distribuzione al variare della velocità -mantenendo una geometria tradizionale del sistema di controllo delle correnti fluide che entrano edescono 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 dirotazione del motore il necessario incremento delle sezioni delle luci potrebbe essere realizzatomediante una regolazione della “alzata” delle valvole che potrebbe variare in funzione della velocitàdel motore. In fig. 1.1 è riportato indicativamente (e senza effettivo riferimento ai valori degliangoli di apertura) la possibile variazione di alzata che si eseguirebbe nel passaggio dalle basse allealte 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.


Questa soluzione, tuttavia, non soltanto presenta difficoltà non lievi per la realizzazione, maha dei limiti oggettivi nella entità della variazione della alzata (e quindi della sezione di passaggiodel fluido) dovuti alla stessa geometria della sistemazione della valvola sul condotto che devecontrollare.

Per valutare l’utilità delle seconda soluzione - variazione dei tempi di apertura - è il caso diricordare 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 dueluci sono dotate di bassa velocità: la limitata energia cinetica delle due correnti fa sì che i due flussiseguano leggi dipendenti fondamentalmente soltanto dalle differenze di pressione che si creano tramonte e valle delle rispettive luci. In queste condizioni, quindi, i periodi di apertura delle due luci èbene 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 altevelocità dei flussi attraverso le due valvole, il flusso è condizionato – oltre che dalla differenza dipressione – da fenomeni dinamici legati alla alta energia cinetica assunta dalle due correnti. Inqueste condizioni è possibile utilizzare l'azione dinamica dei gas di scarico in uscita per realizzareun flusso più veloce della corrente in aspirazione, ottenendo quindi un migliore riempimento concarica fresca del cilindro. Per far ciò è necessario regolare i periodi di apertura delle due valvole inmodo 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 fluideall’aspirazione ed allo scarico per adeguarsi alla variazione delle condizioni dinamiche del ricambiodi carica per ottenere in ogni regime un riempimento “ottimo” del cilindro pur mantenendo invariatii periodi di apertura delle valvole. Infatti se si è in grado di “spostare” angolarmente la posizionedelle camme che comandano l’apertura delle valvole, è possibile far sì che il periodo di aperturacontemporanea di queste – e quindi l’incrocio – vari al variare della velocità del motore ottenendoquindi il risultato richiesto. In fig. 1.2 si riportano indicativamente gli andamenti delle aperture dellevalvole in questo secondo caso.

Fig. 1.2 - Andamento indicativo delle aperture delle valvole nel caso di regolazione di fase.


Le difficoltà costruttive che si incontrano nella realizzazione di un meccanismo che permettadi adeguare la distribuzione alle condizioni di funzionamento del motore si evidenziarono fin daiprimi tentativi che risalgono già ai primi decenni dello sviluppo del motori a combustione internaalternativi. Si realizzarono quindi per uno stesso motore diversi sistemi di distribuzione a parametrifissi, con valori di compromesso, che permettessero un buon funzionamento nei diversi campi diregimi 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 distribuzioneadatta a velocità medie (p.e. per una vettura offerta per uso familiare), ovvero con una distribuzioneche presenta forti incroci ed alte alzate delle valvole ben adatta ad un veicolo utilizzato a velocitàelevate (p.e. una auto da rally). Nell’un caso come nell’altro il motore presenterà caratteristichedegradate nei campi di funzionamento esterni a quello per il quale è stato finalizzato. Nel primocaso dell'esempio il motore presenterà ai regimi elevati consumi specifici più alti ed una potenza (ecoppia) minore di quella che le sue caratteristiche dimensionali potrebbero far presumere. Nelsecondo caso, a fronte di potenze (e coppie) particolarmente elevati (con consumi specificirelativamente limitati) alle alte velocità, il motore presenterà alle basse velocità difficoltà funzionalicome difficoltà di avviamento e marcia irregolare.

Si può affermare che la quasi totalità dei motori finora costruiti sono dotati di sistemi didistribuzione con parametri fissi, demandando rare volte l’adeguamento alla variabilità dellecondizioni di funzionamento a sistemi di variazione delle caratteristiche dimensionali (e inparticolare 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 levalvole.

L’applicazione di sistemi di distribuzione a fasatura variabile presenta una complessitàmeccanica non trascurabile ed esige sistemi di controllo particolarmente evoluti. Proprio per questimotivi le prime utilizzazioni furono riservate per motori “speciali” come quelli utilizzati su mezzida competizione: in questi casi la maggiore difficoltà costruttiva, la minore durata e il maggiorecosto erano ben compensate dall’incremento delle caratteristiche operative del motore che potevapresentare andamenti delle curve di potenza e di coppia particolarmente favorevoli.

In questi ultimi anni alcune importanti Case costruttrici normalmente impegnate inproduzioni di massa, dopo timidi tentativi di realizzare sistemi di distribuzione a parametri variabiliper motori destinati a vetture di uso particolare, hanno introdotto nuovi sistemi di distribuzione afasatura variabile che stanno dimostrando di rispondere alle aspettative in essi riposte ed inparticolare alle esigenze del mercato di ridurre i consumi di combustibile ed alla richiesta delleautorità di limitare l’inquinamento dell’ambiente.

Anche se i principi di funzionamento di questi sistemi erano in genere noti (e brevettati) giàda tempo, la loro utilizzazione in produzione di massa è stata facilitata sicuramente dalla sempre piùaffinata meccanica costruttiva dei veicoli (ed in particolare dei motori), che ha facilitato l’adozionedi gruppi meccanici di alta precisione e realizzati con materiali di alte caratteristiche, senza conquesto incidere sensibilmente sia sui costi di produzione che sulle caratteristiche di durata e diaffidabilità dell’unità motrice.

La richiesta sempre più pressante delle autorità di controllo di caratteristiche ecologichesempre più spinte al parco di autoveicoli, ha avuto un ruolo determinante poiché l’adozione disistemi a fasatura variabile permette una risposta adeguata. Infatti una regolazione delladistribuzione che tenga conto contemporaneamente di diversi parametri funzionali del motore (qualivelocità carico, temperatura ambiente, temperatura del motore, acc.) permette un controllo moltoefficace delle emissioni del motore.

Se il controllo delle emissioni può considerarsi il fattore che ha indotto le Caseautomobilistiche ad impegnarsi inizialmente all’applicazione di sistemi di distribuzione a parametri


variabili su modelli di autoveicoli di alte caratteristiche, i risultati ottenuti sulla affidabilità deisistemi adottati ha poi spinto gli stessi costruttori a considerarne l’applicazione anche per ilcontrollo del riempimento di carica fresca dei cilindri e per il miglioramento della curva di coppia alvariare della velocità del motore.

Anche con l’utilizzazione di sistemi di controllo elettronico del motore, in alcune dellesoluzioni costruttive messe a punto è ora possibile regolare la chiusura della valvola di aspirazionetenendo conto di molti parametri funzionali del motore, così da ottimizzare il funzionamento dellamacchina su buona parte dei regimi di utilizzazione. Si ottiene quindi un motore ad accensionecomandata che presenta un andamento delle caratteristiche funzionali nettamente superiore a quellospecifico del motore convenzionale a distribuzione “fissa”.

Negli “appunti” che seguono si riportano – nel modo più semplice - le descrizioni di alcunidei sistemi a fasatura variabile adottati (o in corso di messa a punto) da alcune Case costruttrici perloro 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 questaesposizione non vuol essere esaustiva, ma vuole soltanto richiamare la curiosità degli appassionatialla tecnica automobilistica e motoristica sui particolari costruttivi di alcune delle soluzioni adottateper 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, maessenzialmente sui principi funzionali e sulle soluzioni costruttive che sono state adottate, con soloqualche cenno sui risultati ottenuti. L’esposizione, quindi, ha il solo scopo di una informazione dibase sulla loro costruzione e sul loro funzionamento, con una particolare attenzione alla esposizionecorretta dei principi di funzionamento, che spesso sono trascurati nelle numerose descrizioni chesono a disposizione sia on-line che su fogli informativi.

Negli “appunti” vengono citati siti web dai quali si può procedere eventualmente ad unampliamento del tema, mentre soltanto lo studio dei testi sui motori a combustione internaalternativi - dai classici ai più recenti - può permetterne un approfondimento. Vengono anche citatele fonti delle figure riportate, che in genere sono state parzialmente modificate per renderle piùfacilmente leggibili.

Si vuole infine ringraziare il prof. Massimo Capobianco per le osservazioni sul testo ed ipuntuali suggerimenti avanzati.


2 - DISTRIBUZIONE A VARIATORE DI FASE DI ALFA ROMEO

La Alfa Romeo fu di fatto la prima Casa automobilistica ad adottare il variatore dellafasatura degli alberi a camme dei sui motori fin dall'inizio degli anni '80, aprendo le applicazioniche poi furono ampiamente sviluppate da altre e più grandi Case costruttrici.

Anche se il sistema era stato concepito fondamentalmente per migliorare le caratteristicheoperative del propulsore, in effetti le motivazioni che ne indussero una più ampia applicazionefurono i limiti sempre più ristretti per gli inquinanti che la normativa statunitense poneva con ilpassare degli anni, che creavano non poche difficoltà alla permanenza di vetture della Casa nelmercato americano.

Infatti la possibilità di variare la fasatura della distribuzione, adeguando cioè i periodi diintroduzione e di scarico del fluido motore al regime della macchina, avrebbe permesso nonsoltanto di limitare (se non annullare) lo scarico di idrocarburi incombusti, ma anche di introdurrenel cilindro una massa di carica fresca ben correlata alla richiesta effettiva delle prestazioni e conrapporti aria/combustibile correttamente dosati per processi di combustione ottimizzati rispetto allecondizioni fluododinamiche e termiche di funzionamento del motore.

Già dagli anni '70 cominciarono ad essere emesse normative (specie in California) aventi loscopo 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 potevanoridurre sensibilmente le emissioni di CO e di HC, con l'EGR era possibile intervenire sull'entitàdegli NOx. Ma mentre l'adozione della marmitta catalitica non presentava particolari difficoltà, l'usodi un EGR efficiente poteva condizionare la struttura funzionale del motore e quindi era facilmenteadottabile 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 partedei gas combusti: tramite la regolazione di una valvola, infatti, una parte dei gas viene reimmessanel cilindro così da miscelarsi con la carica fresca (aria più combustile) proveniente dal condotto diaspirazione. Come è facilmente comprensibile, l'operazione non presenta particolari difficoltà setutti i cilindri sono serviti da un unico collettore di aspirazione la cui portata è controllata daun'unica valvola a farfalla, ma diventa di difficile (se non impossibile) realizzazione se il condottodi aspirazione di ogni singolo cilindro è controllato da una specifica valvola. Infatti l'eventualesistemazione di tubazioni di riciclo in parallelo ai singoli condotti di aspirazione causa uncollegamento fluidodinamico tra questi, annullando quindi l'efficacia della regolazione delle singolevalvole farfalla.

Ed era proprio la caratteristica di essere dotati di valvole a farfalla sui singoli cilindri chedistingueva 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 spessoanche più carburatori che alimentavano coppie o singoli cilindri.

In queste condizioni l'adozione dell'EGR risultava di fatto impossibile a meno di adottare ununico 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 delrilascio 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 influivanegativamente sulla curva di coppia motrice ai regimi medio-bassi.


Per superare il problema venne presa in considerazione la possibilità di dotare i motori dellevetture destinate al mercato americano di un sistema di distribuzione che consentisse di variarel'incrocio in funzione della velocità di rotazione della macchina, così da poter mantenerne alto ilvalore alle velocità elevate e poi ridurlo alle velocità inferiori, così da evitare la caduta della coppiamotrice a quei regimi.

Il prima soluzione adottata prendeva in considerazione la sistemazione all'estremitàdell'albero a camme di aspirazione di un gruppo meccanico che permetteva di modificare laposizione 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 adattaalle basse velocità. Nella parte centrale della puleggia è alloggiato un manicotto dotatoesternamente 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 assialmentesull'estremità dell'albero a camme sotto l'azione di olio lubrificante in pressione che agisce sulla suasuperficie frontale e di conseguenza causa la rotazione dell'albero rispetto alla puleggia aumentandol'anticipo all'aspirazione. Successivamente il manicotto può ritornare nella posizione iniziale -riducendo quindi l'angolo di sfasamento - alle basse velocità quando viene ridotta la pressionedell'olio e sotto la spinta di una molla di richiamo.

La fig. 2.2 illustra le condizioni del variatore alle alte velocità.


Fig. 2.2 - Variatore di fase in posizione per alte velocità.

I risultati ottenuti con questo sistema furono soddisfacenti ed i modelli esportati negli StatiUniti da Alfa Romeo poterono mantenere quasi inalterate le loro caratteristiche di utilizzazioneriducendo le emissioni entro i limiti imposti dalle normative vigenti nel 1980.

Tuttavia la soluzione adottata, a fronte di una realizzazione meccanica fondamentalmentesemplice e poco ingombrante, presentava sensibili limitazioni funzionali dovute sia alla pocasensibilità e precisione del sistema di controllo di tipo meccanico (che talvolta causava fenomeni dipoca stabilità del sistema), sia alla sua non trascurabile inerzia. A ciò si aggiungeva che la legge divariazione dell'angolo di sfasamento dell'albero a camme veniva condizionata una volta per tuttedalle caratteristiche meccaniche del gruppo mobile costituito dal manicotto scorrevole (con la suamassa ed il suo attrito sulle due superfici coassiali di contatto con l'albero a camme e con lapuleggia dentata di trascinamento) e dalla molla di ritorno: una volta dimensionato il gruppo, lalegge di sfasamento era fissata per tutto il campo di velocità in funzione della pressione dell'olio cheagiva 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 dellevalvole agli alti regimi e contemporaneamente bassi incroci alle velocità medio basse, con laconseguenza di più alte emissioni relative di inquinanti in queste condizioni di marcia.

Questi inconvenienti divennero evidenti quando, dopo pochi anni (1982-83), le disposizionirelative al controllo degli inquinanti divennero più restrittive e imposero una ulteriore riduzionedelle 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 modifichemeccaniche del sistema già adottato con una lavorazione più accurata, ma si doveva modificare ilmetodo di controllo in maniera da realizzare una legge di variazione della fasatura adeguata allalimitazione 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 dicontrollo (pressione del liquido agente sul manicotto funzione della velocità e molla di richiamo), fudecisa la loro separazione funzionale. Fu mantenuta la struttura meccanica del sistema di modificadella sfasatura (manicotto con dentatura elicoidale e molla di richiamo), ma si demandò laregolazione della pressione dell'olio ad una elettrovalvola controlla da un sistema elettronico cosìche la sua legge di intervento potesse seguire l'andamento più conveniente per ottenere le emissionidi inquinanti richieste ai diversi regimi del motore e indipendente sia dalle caratteristiche dellamolla di richiamo che dalla pressione del liquido operatore.

Ciò fu ottenuto inserendo una valvola a cassetto controllata da un elettromagnete che, infunzione della sua posizione, era in grado di far affluire o meno olio in pressione nella cameraprospiciente la superficie anteriore del manicotto scorrevole. Una centralina elettronica - chericeveva segnali legati alla velocità del motore ed ad altre condizioni di funzionamento (posizionedelle valvole a farfalla, ecc.) - agiva sull’elettromagnete e quindi sulla valvola a cassetto seguendole 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 dueposizioni 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 farseguire al sistema tutti i valori più opportuni per ogni regime di rotazione non soltanto risolse leesigenze 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 subìmodifiche nella sua configurazione complessiva, mentre rimase inalterato il concetto del suofunzionamento. Per ottenere maggiore libertà nella sua sistemazione, fu separata meccanicamente lavalvola di controllo dell'olio dal corpo del vero e proprio variatore, ottenendo anche una riduzionedell'ingombro longitudinale del motore. In altri termini si separò anche meccanicamente (oltre cheelettronicamente) tutta la parte destinata a fornire i segnali destinati al controllo della posizione delvariatore 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 sistemazionedel sistema di controllo elettro-idraulico e del sistema idro-meccanico che fu ampiamente adottatosu molti modelli della Casa.

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Fig. 2.5 - Sistemazione del servomeccanismo elettro-idraulico separatodal 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 acamma sia sul solo albero delle camme di aspirazione, che - in altri modelli - su entrambi gli alberia 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 adutilizzare il sistema di controllo degli alberi a camme sulle produzioni di serie. Il principioutilizzato è stato successivamente adottato da altre Case che lo hanno montato anche su motoridestinati 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 sono rielaborazioni da 1)le figg. 2.5, 2.6 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 controllodella fasatura nei motori a combustione interna alternativi montati su autovetture applicandoliinizialmente su auto da rally - seguendo quindi una scelta che anche altre Case stavanosperimentando - per le quali i vantaggi che si potevano ottenere sulle caratteristiche di potenza e dicoppia ben ricompensavano i maggiori costi costruttivi e dove la riduzione di affidabilità rispetto aisistemi tradizionali di distribuzione era accettabile grazie ai limitati periodi di funzionamento deimotori.

Ma la Casa giapponese, che alla fine degli anni '90 stava iniziando una azione di inserimentodella sua produzione nel mercato statunitense, ritenne possibile sfruttare l'esperienza accumulata nelcampo sportivo dotando alcune serie di vetture da turismo di distribuzione a fasatura variabile alloscopo di utilizzare le loro migliori caratteristiche non soltanto per presentare in quel mercato autocon motori brillanti (relativamente alle cilindrate adottate), ma anche - ed ancor più - per ottenereun livello di emissioni particolarmente ridotto e ben allineato alle richieste sempre più stringenti chele autorità locali stavano man mano mettendo a punto.

Se le scelte iniziali adottate da Honda per il controllo della distribuzione dei motori eranostate dettate pragmaticamente da soluzioni che consentivano una regolazione limitata a fronte diuna realizzazione costruttiva semplice e "robusta", i sistemi messi a punto erano potenzialmente ingrado di miglioramenti sensibili man mano che l'aspetto costruttivo ed i sistemi di controllo fosseroin grado di permetterli. E questo approccio estremamente pratico è ben messo in evidenza daisuccessivi sistemi messi sul mercato, la cui scelta della Casa nel tempo è strettamente legata alleesigenze 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'industriasegue in funzione delle richieste del mercato con prodotti che si ritengono in ogni caso del tuttoaffidabili, 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 Casaha successivamente adottato, riportando anche schemi e disegni pubblicati dalla Honda e/o datecnici che hanno già ampiamente trattato questo argomento, cercando di mettere in evidenza i puntiessenziali su cui si basa il loro funzionamento, che non sempre è riferito chiaramente nellaletteratura a disposizione.

Tutti i sistemi di distribuzione a fasatura variabile della Honda hanno preso spunto dalcosiddetto VTEC (Variable Timing Electronic Control) che è il primo sistema introdotto incostruzioni di serie da Honda per variare il diagramma di distribuzione di un motore alternativo acombustione 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 darally), l’affidabilità dimostrata dal sistema scelto indusse la Casa alla sua applicazione su vetture diserie (Civic) vendute in USA e Canada, nelle quali si ottenne un buon incremento della potenza aglialti regimi ed ottimi consumi alle velocità intermedie, con indubbi vantaggi anche dal punto di vistadell'inquinamento.

Il primo sistema VTEC utilizzato da Honda permetteva la disponibilità di due diversidiagrammi di distribuzione, ottimizzati rispettivamente per le basse/medie velocità di rotazione eper le alte velocità, che entravano in azione mediante un servomeccanismo asservito alla pressionedell’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, unaper la marcia per i regimi “bassi” e l’altra per i regimi “alti”. Le due camme agiscono su due diversibilancieri 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 inseritoun pistoncino metallico, che in stato di "riposo" rimane nello spessore del bilanciere: una adeguatapressione dell’olio lubrificante (che perviene al bilanciere attraverso l'asse su cui oscilla) puòspingere il pistoncino a sporgere dalla parete laterale del bilanciere stesso ed inserirsi in un appositoincavo 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, ilpistoncino viene trattenuto all'interno del cilindretto ricavato nel bilanciere della camma “bassa” equindi 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 undeterminato 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 idue bilancieri fa si che il bilanciere che agisce sulla valvola è costretto a muoversi secondo iparametri adatti agli alti regimi trasmessi dal profilo della camma "alta", mentre la differenzadimensionale tra la camma "alta" e la camma "bassa" assicura l'assenza di interferenze tra il motodel 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 dallacamma “alta” tramite il corrispondente bilanciere "monco". In queste condizioni, grazie allemaggiori 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 applicazionepresenta tuttavia qualche complicazione per una realizzazione meccanicamente valida e quindi lesoluzioni successivamente adottate da Honda hanno avuto lo scopo o di semplificarne lacostruzione per ridurne il costo di costruzione o di modificarne parzialmente il funzionamento pergiungere ad una regolazione della distribuzione sempre più legata alle condizioni di marcia delmotore.

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 16valvole) a due alberi a camme (DOHC - Double OverHead Camshaft) preposti rispettivamente almoto 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 deidue bilancieri che comandano le valvole da parte di pistoncini che fuoriescono ai due lati delbilanciere "monco" controllato dalla camma di "alta": in queste condizioni i due bilancieri cheazionano le valvole sono controllati dalla camma "alta".

Il sistema si presenta concettualmente semplice, ma esige 6 camme per cilindro, richiedendoquindi una soluzione costruttiva complessa, per la verità resa più semplice dalla disposizionesufficientemente distanziata delle valvole di ogni coppia già adottata da Honda precedentemente inmotori 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 realizzarepropulsori con potenze massime dello stesso ordine di quelle raggiunte da motori sovralimentati e dicilindrata maggiore, mantenendo un andamento delle caratteristiche alla velocità medio-basse chene permettono una maggiore guidabilità.

Si deve notare che la soluzione DOHC VTEC disponendo di due alberi a camme dedicatirispettivamente alle valvole di aspirazione e di scarico, permette una ampia scelta nella regolazionedel diagramma di distribuzione delle due serie di valvole e quindi delle curve caratteristiche delmotore, 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 motoredotato di un solo albero a camme (SOHC - Simple OverHead Camshaft) e dotato di 4 valvole percilindro. La soluzione costruttiva si presenta più semplice, ma si rinuncia alla regolazione deidiagrammi di distribuzione delle valvole di scarico, riservando il VTEC alle sole valvole diaspirazione.

Anche in questo caso Honda ha utilizzato i criteri costruttivi di suoi motori ad un solo alberoa camme, nei quali - al fine di posizionare adeguatamente la candela d'accensione - i bilancieri - equindi le relative camme - che comandano le valvole di aspirazione erano sistemati ad una certadistanza l'uno dall'altro. Ciò ha consentito modifiche costruttive limitate per inserire tre le duecamme una terza camma destinata alla distribuzione alle alte velocità.

La soluzione adottata si può descrivere come segue. Ogni cilindro è servito da un gruppo di5 camme (figg. 3.3 e 3.4):

- 2 camme - identiche e sistemate alle due estremità del gruppo di 5 - tramite i relativibilancieri azionano le valvole di scarico a tutti i regimi del motore;

- 2 camme - identiche e spaziate tra di loro, sistemate tra le due precedenti - comandanocon i relativi bilancieri le valvole di aspirazione;

-

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- 1 camma - al centro del gruppo - costituisce la camma per la regolazione delladistribuzione alla aspirazione: sul bilanciere "monco" che ne segue il profilo sonosistemati due pistoncini che ai regimi più alti fuoriescono dai lati del bilanciere edagganciano i due bilancieri delle valvole di aspirazione, costringendoli a lasciare ilprofilo 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 muovonorispettivamente le valvole di scarico e di aspirazione. Quando il motore passa a regimi elevati, ilsistema idraulico agisce sui pistoncini di aggancio che collegano i bilancieri delle valvole diaspirazione al bilanciere "monco" centrale: in queste condizioni, mentre le valvole di scaricoseguono un diagramma di distribuzione inalterato, le valvole di aspirazione possono essere aperteper un angolo maggiore e contemporaneamente effettuare una alzata maggiore, permettendo unmaggiore riempimento del cilindro con i conseguenti incrementi di potenza e di coppia.

I vantaggi rispetto al DOHC VTEC sono inferiori, ma la soluzione costruttiva risultanotevolmente 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 VTECA - valvole di aspirazioneS - valvole di scaricoC - albero a cammeM - 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 dellamiscelazione della carica fresca nel cilindro adeguando le sezioni di passaggio alla minore portatadi fluido.

In questo caso, contrariamente ai precedenti, il numero delle camme è pari al numero dellevalvole (fig. 3.5). Di queste le valvole di scarico sono sempre comandate da due camme identichetramite 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 fannocapo 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 unprofilo 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 caricafresca entra nel cilindro dalla valvola a grande alzata, mentre attraverso la piccola luce che aprel'altra valvola passa un getto d'aria miscelata a tutto il combustibile che rifornisce solo il condottointeressato. Si ottiene quindi un flusso di carica molto ricca che grazie alla sua alta velocità assicuraun'ottima miscelazione ed evaporazione ed anche una adeguata stratificazione del combustibile, chepermette di assicurare consumi specifici particolarmente ridotti.

Quando il motore passa a regimi più elevati (oltre 2500-3000 giri/min), un pistoncinosistemato sul bilanciere della valvola a più grande alzata aggancia il bilanciere della valvola a bassaalzata, trascinando quindi la rispettiva valvola con la sua legge di moto: in queste condizioni ilriempimento del cilindro si adegua alla maggiore velocità, mentre la buona miscelazione dellacarica 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 motorioperanti con una sola valvola di aspirazione ai regimi bassi e con due agli alti (sistemando unacamma 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 miglioredella introduzione della carica fresca nel cilindro. Esso è caratterizzato dalla sistemazione di 3diverse camme per ogni coppia di valvole di aspirazione, di 2 bilancieri azionanti le valvole e di unbilanciere "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 duecamme delle quali una disegnata per le medie velocità e l'altra permette soltanto minime alzate dellavalvola corrispondente, che hanno lo scopo di evitare la formazione di depositi sulla battuta dellavalvola. In queste condizioni la sezione di ingresso della carica fresca corrisponde di fatto allasezione 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 sistemaidraulico di controllo fa fuoriuscire un pistoncino dal bilanciere della valvola a più forte alzata cheaggancia l'altro bilanciere: in queste condizioni entrambe le valvole di aspirazione si muovonoassieme secondo una legge adeguata alle velocità intermedie ed il cilindro è servito da entrambi icondotti di aspirazione.

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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 giàoperanti all'unisono: in queste condizioni, grazie alle più elevate alzate ed ai più ampi angoli, i duebilancieri che comandano le valvole operano secondo le leggi di moto dettate dalla camma per iregimi elevati, adattando quindi i flussi della carica fresca alle esigenze della maggiore portatarichiesta dal motore.


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Controllando con un sistema elettronico il passaggio ai successivi stadi all’aumentare dellavelocità 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 vieneriportato, indicativamente, l’andamento della curva di potenza.

Fig. 3.9 – Andamento indicativo delle curve di potenza in un motoredotato di un sistema 3-stage VTEC

Il sistema, la cui realizzazione presenta una maggiore complessità rispetto ai sistemi giàvisti, si è dimostrato tuttavia ben adatto all'applicazione su motori diversi con buoni risultatioperativi.

Il i - VTEC

Il i-VTEC costituisce l’evoluzione più recente dei sistemi di fasatura variabile della Honda econsiste nell’accoppiamento dei VTEC descritti ai punti precedenti con un sistema di controllo dellaposizione dell’albero a camme di aspirazione mediante un meccanismo del tutto simile a quelli giàadottati da altre Case costruttrici (Alfa Romeo, BMW, ecc.).

Il risultato ottenuto è del tutto rimarchevole in quanto il controllo elettronico del complessosistema permette di regolare il funzionamento del motore non soltanto relativamente allecaratteristiche fondamentali di impiego (potenza e coppia), ma anche riuscendo ad ottenere ottimastabilità anche con rapporti aria/combustibile particolarmente alti e quindi con riduzione deiconsumi 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 dacompetizione che da turismo sistemi di variazione della fasatura più elaborati di quelli sopraillustrati.

Anche se i risultati ottenuti sono sicuramente molto interessanti, ai fini di una panoramicalegata ai principi funzionali utilizzati poco è cambiato dai sistemi visti.

Progressi sensibili si sono avuti nelle lavorazioni meccaniche (e nei materiali) chepermettono una ripetibilità di condizioni di funzionamento non realizzabile fino a qualche annoaddietro.

Ma un ruolo molto importante (se non addirittura determinante) ha assunto sempre più lamessa 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 delveicolo, 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 menoinquinanti può essere agevolata dalla adozione della fasatura variabile, si può prevedere che nelprossimo futuro sempre più motori saranno dotati di questa regolazione.


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 sono rielaborazioni da 3)le figg. 3.6, 3.7, 3.8 sono rielaborazioni da 1)le figg. 3.10, 3.11 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 variabilespicca la BMW che ha appunto applicato il suo sistema VANOS prima a vetture particolarmentesportive (vedi M3 ed M59), per poi adottarlo per le vetture da turismo di alta classe (serie 5 e serie7) e più recentemente anche per quelle delle classi inferiori.

La BMW introdusse la distribuzione VANOS (Variable Nockenwellen-Spreizung) fin dal1992 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 propulsoreera quello di modificare il diagramma di distribuzione al fine di ottenere potenze e coppie elevateagli alti regimi, assicurando contemporaneamente un funzionamento sicuro e regolare alle basse emedie velocità.

Nelle prime applicazioni fu presa in considerazione soltanto la regolazione del flussoall'aspirazione (VANOS semplice), mentre successivamente il sistema fu completato con il "double-VANOS" che permette la regolazione sia dell'aspirazione che dello scarico.

Il principio seguito si basa sulla variazione della posizione angolare dell'albero a cammeinteressato rispetto all'albero motore al variare della velocità di quest'ultimo ed anche in funzionedella coppia richiesta al motore. Poiché la regolazione della posizione angolare degli alberi acamme è controllata da un sistema elettronico, possono essere inserite quali fattori della regolazioneanche altre grandezze funzionali del motore (rapporto aria/combustibile, anticipo, temperatura edumidità dell'aria aspirata, ecc.). In ogni caso, come è evidente, se viene variata la fasaturadell'albero a camme interessato, vengono modificati contemporaneamente e dello stesso valore gliangoli 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 = funzionedell'angolo motore) rimane identica.

Il sistema che permette la modifica della fasatura consiste in un opportuno collegamentomeccanico tra la puleggia collegata all'albero a camme, trainata dalla catena di distribuzione, el'albero a camme: in altre parole il sistema consente lo spostamento angolare della puleggia rispettoall'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 devemuovere l'albero a camme) è dotata al centro di un ampio foro che presenta una dentatura elicoidaledi diametro sufficiente per permettere l'inserimento (tra puleggia ed albero a camme) di unmanicotto M dotato all'esterno di una dentatura elicoidale che si impegna con quella della puleggiaed all'interno di una dentatura rettilinea che può scorrere sulla dentatura analoga di cui è dotatal'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 facendoscorrere assialmente il manicotto, così che ad ogni sua posizione assiale corrisponde unadeterminata posizione angolare relativa tra puleggia ed albero a camme.

La fig. 4.2 – che riporta lo spaccato di un gruppo VANOS applicato direttamente ad unalbero 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 ela 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 sensibilifondamentalmente per l’esigenza di una regolazione precisa ed affidabile della posizione angolaredella puleggia trascinata dalla catena della distribuzione rispetto all’albero a camme, come benmette in evidenza la complessa soluzione adottata dalla BMW.

La Casa costruttrice, in effetti, adottò inizialmente il sistema soltanto per la regolazione dellafasatura dell’albero a camme delle valvole di aspirazione, soluzione che permetteva da un latol’introduzione di un solo sistema di regolazione e dall’altro manteneva relativamente semplificata lacinematica 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 duecatene di distribuzione: una prima catena collega l’albero motore con l’albero a camme di scaricomediante 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 – èil caso di notarlo - all’estremità dello stesso albero a camme di scarico e trasmette la fasaturaall’albero a camme di aspirazione tramite una catena che trascina una puleggia rigidamente montatasu 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 cuiposizione assiale è controllata da olio (del sistema di lubrificazione) inviato ad alta pressione daapposita 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 puleggiadentata 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 montatarigidamente all’estremità dell’albero a camme di aspirazione, che quindi riceve il valore angolaredella fasatura determinata dallo scorrimento del manicotto che agisce sulla posizione della primapuleggia. La stessa fig.5, ripresa da una illustrazione BMW on-line, illustra pure l’insieme dellasoluzione costruttiva dando anche un’idea della complessità del sistema di regolazione sistematoall’estremità dell’albero di scarico.

In effetti diverse sono state le soluzioni costruttive adottate da BMW per la sistemazione delgruppo VANOS sui motori che l'hanno adottata. Come esempio valgano le figure riportate di seguitoche 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 dentatae 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 VANOScontrollato da un sistema elettromagnetico che agisce sulla posizione del "manicotto" doppiamentedentato sistemato tra puleggia ed albero.

Nella fig. 4.6 si vede la sistemazione delle pulegge che collegano i due alberi a camme, conil gruppo VANOS aperto che mette in evidenza la puleggia, il manicotto dentato e l'estremitàdell'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: sinota all'estremità dell'albero a camme di aspirazione (a destra) il gruppo VANOS chiuso, cheappunto 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 trai due alberi a camme ed anche la puleggia dentata (e senza catena) montata sull'albero a camme discarico che riceve il moto dall'albero motore, che lo spaccato riportato di fig. 4.9 illustrachiaramente.

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 lafasatura delle valvole di aspirazione ad un determinato valore quando il motore è in "folle" per poimettere in azione il meccanismo di regolazione appena inizia l'erogazione di potenza. In genere imotori con il VANOS semplice sono regolati per assumere due diversi valori della fasatura incorrispondenza di due valori fissati della velocità di rotazione; anche se questa soluzione rinunciaad una regolazione "fine" della fase di aspirazione, permette di realizzare il sistema di controllo inmaniera semplice e con pressioni del gruppo idraulico non molto elevate senza sensibili riflessisulle caratteristiche operative della macchina.

Nella soluzione che con il generale uso dell’inglese prende il nome di "double-VANOS" (intedesco doppel-VANOS) ognuno dei due alberi a camme è dotato del sistema di regolazione e puòquindi variare la sua fasatura indipendentemente, permettendo quindi una forte variazione dellecondizioni fluodinamiche delle fasi di aspirazione e di scarico e quindi anche della interazione tra ledue fasi con riflessi – oltre che sul riempimento del cilindro - sulle condizioni del fluido residuonella camera di combustione.

Anche se l'esigenza di una regolazione fine e ben definita della posizione reciproca dei duealberi richiede un circuito idraulico a più di 100 bar con le conseguenti complicazioni costruttive efunzionali, il "double-VANOS" consente al motore di fornire una maggiore coppia alle bassevelocità ed una maggiore potenza alle alte. Così - rispetto alla soluzione con VANOS semplice - ilregime di massima coppia viene abbassato di circa 400 giri/min, mentre la massima potenza vieneraggiunta ad una velocità maggiore di circa 200 giri/min, con una curva della coppia sempresuperiore nel campo 1500 - 3000 giri/min.

Un altro vantaggio del contemporaneo controllo della fasatura dei due alberi a cammeriguarda la possibilità di una regolazione della ricchezza della miscela aspirata nel periodo diriscaldamento del motore, permettendo quindi di ridurre sensibilmente il periodo di entrata inazione del convertitore catalitico posto sul condotto di scarico. Alle velocità medie, poi, lapossibilità 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)


1) – http://www.kfz-schule.de2) – home.vanadoo.nl3) - www.gti16.com4) - www.6enligne.net5) - www.asia.vtec.net

Figure

la fig. 4.1 è tratta da 6)le figg. 4.2, 4.3 sono rielaborazioni da 2)la fig. 4.4 è una rielaborazione da 1)le figg. 4.5, 4.6 ,4.7 sono rielaborazioni da 4)la fig. 4.8 è tratta da 5)la fig. 4.9 è tratta da 3)

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5 - LA DISTRIBUZIONE "VALVETRONIC" DELLA BMW

Con l'applicazione della distribuzione VANOS la BMW introduceva anche nei sui modelli digrande serie un sistema per il controllo angolare dei diagrammi di distribuzione mediante i qualiotteneva una regolazione della potenza (e della coppia) meglio distribuita su tutta la gamma deiregimi coperta dal motore. Tuttavia, sia nella applicazione "semplice" che opera sulle sole valvoledi aspirazione che nella soluzione "doppia" che interessa anche le valvole di scarico, questasoluzione se migliora le condizioni operative del motore presenta il limite di operare soltantosull'angolo della fasatura del diagramma di distribuzione.

Vengono migliorate le condizioni di interazione tra i flussi in aspirazione ed in scarico dalcilindro - ovvero i gradi di "incrocio" - ma non viene controllata la legge del movimento dellevalvole in funzione dell'angolo motore. Migliora il comportamento della macchina in campi piùampi di funzionamento, ma rimane difficoltoso il controllo corretto del rapporto aria/combustibileal variare della coppia erogata. Si migliorano, quindi, i consumi, ma non a tutti i regimi ed inmaniera non sempre sensibile.

Per risolvere anche questo problema BMW ha messo a punto fino alla applicazioneindustriale un ulteriore sistema di regolazione della distribuzione (Valvetronic) che si basa sulcontrollo della legge della alzata delle valvole. Accoppiando la distribuzione VANOS con ilValvetronic la Casa tedesca ha quindi messo sul mercato delle sue vetture di grande produzione unmotore in grado di modificare i diagrammi di distribuzione nella fasatura e nella alzata delle valvolesu tutto il campo di velocità di rotazione, ottenendo interessanti vantaggi non soltanto sui consumie sull'andamento della caratteristiche di potenza e di coppia, ma riducendo sensibilmente leemissioni allo scarico.

Il Valvetronic consiste in un sistema cinematico di comando della valvola di aspirazioneche, tramite il posizionamento di apposito meccanismo mediante controllo elettronico, permette divariare l'alzata della valvola pur lasciando l'azione sulla valvola stessa sempre alla stessa cammadell'albero di distribuzione.

Uno schema semplificato della soluzione "classica" delle distribuzione che vienenormalmente 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 fulcrosull'estremità (4) - con l'estremità (3) spinge lo stelo (5) della valvola in contrapposizione con lamolla di richiamo (7). La valvola (8), quindi, assume un moto che è diretta funzione del profilodella 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 cilindroda parte della carica fresca - che determina di fatto l'entità di energia chimica introdotta e diconseguenza 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 perditadi 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 dellaalzata della valvola, ma la legge del suo movimento rimane inalterata e perciò la presenza dellavalvola 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 valvolamodificando il gruppo cinematico che collega la camma dell'albero di distribuzione alla estremitàsuperiore dello stelo della valvola. Se si vuole mantenere inalterato il sistema di comando direttodella valvola da parte del bilanciere (2) è necessario l'inserimento di un sistema meccanico tra lacamma (1) ed il bilanciere in grado di modificare opportunamente la legge del movimento diquest'ultimo. La soluzione adottata da BMW è stata quella di inserire una leva oscillante dotatainferiormente 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) -

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debitamente conformata - sulla posizione del punto centrale del bilanciere (2), che può quindimuovere la valvola.

Ma l'inserimento di un meccanismo tra camma e bilanciere permette quindi di muovere lavalvola con una legge determinata non soltanto dalla forma della estremità inferiore della levaoscillante, ma anche dalla legge del suo movimento.

E' su questa proprietà che si basa il sistema adottato: infatti modificando la posizione delcentro di rotazione della leva (asse (11)) varia la legge di "trasferimento" del moto indotto dallacamma (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 unvalore 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 funzionedell'angolo motore.

Fig. 5.3 - Inserimento di un meccanismo che determina la legge di "trasferimento" del motodalla camma al bilanciere.

La fig, 5.3 schematizza la soluzione adottata. Una ulteriore eccentrico (13) con la suaposizione angolare determina la posizione del centro di rotazione (11) della leva oscillante e quindifissa 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 cammaazionata dall'albero di distribuzione permette, con il semplice posizionamento angolaredell'eccentrico (13), di modificare la legge del moto della valvola, la quale può passare da unaposizione di virtuale chiusura fino alla legge con la massima alzata. Grazie a questa possibilità, sipuò demandare alla valvola di aspirazione anche la regolazione del flusso entrante e quindi vienemeno 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 angolaredell'albero di distribuzione permette infine di "posizionare" la legge di alzata della valvola convalori angolari scelti in funzione delle caratteristiche funzionali richieste al motore, raggiungendoun 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, evidenziapoi la possibilità di un semplice controllo contemporaneo di tutta la serie di valvole corrispondentidi una linea di cilindri. Infatti gli eccentrici che agiscono sulle valvole di aspirazione della linea dicilindri possono essere vincolati ad un unico alberino che segue le testate e che con la sua posizioneangolare determina contemporaneamente le condizioni funzionali dei meccanismi di tutte levalvole. Come indica la figura la posizione angolare dell'alberino degli eccentrici (13) può esserecontrollata 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 ilmotore.

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 èmosso 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 sistemazionedefinitiva del gruppo di comando della valvola, mentre nella fig. 5.6 si riporta uno spaccato cheinteressa la soluzione globale adottata da BMW per tutte le valvole di ogni cilindro (aspirazione escarico). Da entrambe le figure si rileva come la leva oscillante in effetti raggiunge dimensioniabbastanza rilevanti e quindi è notevole la compattezza realizzata a fronte di una non lievecomplessità 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 aspirazioneraggiunge gli obiettivi desiderati soltanto con la contemporanea adozione del sistema double-VANOS per il controllo della fasatura degli alberi di distribuzione, nella fig. 5.7 viene riportata unaillustrazione BMW del complesso. E’ messo in evidenza il semplice sistema di trascinamento dellepullegge dentate montate sui due alberi a camme, la cui posizione – rispetto alle pulegge – ècontrollata da due gruppi VANOS suggeriti dai due ringrossi aderenti alle pulegge stesse. Si rilevainoltre la disposizione del motore elettrico di controllo del Valvetronic che opera sull’albero deglieccentrici sistemato tra i due alberi a camme principali, come era pure chiaramente indicato nellaFig. 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 lapossibilità di controllare l'alzata della valvola di aspirazione fino alla chiusura permette didemandare alla valvola stessa l'azione di regolazione del flusso di carica fresca normalmente svoltadalla valvola a farfalla, con vantaggi non trascurabili. Da un lato questa soluzione permette diridurre le perdite di carico sulla condotta di aspirazione favorendo un sensibile incremento delcoefficiente di riempimento e quindi della potenza erogata. Dall'altro la chiusura delle valvola puòridurre 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 suuna autovettura), aumentando l'efficienza del motore.

Rilevando che il Valvetronic difficilmente può essere applicato per motori a regimi superioria 6000 giri/min, la Casa costruttrice indica che il nuovo sistema di distribuzione presenta le seguenticaratteristiche 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 aiforti 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 fluidorefrigerante sullo stesso albero


1) BMW - Technology - http://www.bmwworld.com2) Autospeed - http://autospeed.drive.com.au3) Autoinstall - http://www.autoinstall.com

Figure

le figg. 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 sono rielaborazioni da (1)le figg. 5.5, 5.6, 5.7 sono tratte da (2)

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DISTRIBUZIONE “UNIAIR” DELLA FIAT

Una soluzione di distribuzione variabile che segue un criterio costruttivo e funzionalenettamente diverso dai precedenti è quella studiata e proposta da FIAT, presso il cui CentroRicerche viene indicata con la denominazione Uniair.

Il brevetto richiesto nei primi anni ’90 si basa sulla utilizzazione di un sistema idraulico peril comando ed il controllo di una valvola, evidenziando la possibilità di determinare la legge delmovimento di questa operando sulle condizioni (efflusso e pressione) del liquido a cui ne vienedemandato l’azionamento.

Le linee generali del principio di funzionamento sono piuttosto semplici e prendono lospunto dai sistemi di comando idraulico delle valvole che la Casa costruttrice aveva da tempoutilizzato sui suoi motori. L’idea originale riguarda appunto il controllo delle condizioni del liquidodi trasmissione del moto che, come detto, costituiscono un fattore di posibile modifica delle leggi dimoto dell’organo della distribuzione.

Schematicamente il funzionamento del sistema è il seguente. La camma montata sull’albero della distribuzione agisce – in maniera tradizionale - su unpiattello 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 motodirettamente all’estremità superiore dello stelo della valvola, causandone quindi il movimento diapertura e chiusura. Quindi, se il volume del liquido è mantenuto costante, la legge del moto dellevalvola 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 diuna piccola camera che fa capo ad un valvola (a cassetto) la cui posizione di apertura o chiusura ècontrollata da un elettromagnete e proprio dalla posizione di questa valvola a cassetto dipende latrasmissione 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 suapressione (accolto da un apposito vano, dal quale può poi rientrare nel cilindroall’inversione del moto dello stantuffo);

- se la valvola a cassetto viene chiusa dopo l’inizio dello spostamento dello stantuffomosso dalla camma, solo allora inizia il movimento della valvola motore, che cessaquando la valvola a cassetto viene riaperta;

- l’azione del liquido (e quindi della camma) sulla valvola motore inizia sempre allachiusura della valvola a cassetto e cessa quando questa viene aperta.

Anche se il principio di funzionamento si presenta estremamente semplice, la realizzazione eil controllo del sistema presenta problematiche non facili da superare se non con studi teorici esperimentali di grande impegno, tanto che FIAT – tramite il suo Centro Ricerche – lavora da anniper 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 gruppodi ricerca sull’argomento finanziato dalla UE al quale hanno partecipato tra gli altri MagnetiMarelli, 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 locompongono (vedi anche figura di copertina). La scelta di utilizzare un sistema elettro-idraulico inluogo di un possibile sistema elettromagnetico può essere dovuto da un lato alla notevole esperienzache il Centro Ricerche Fiat aveva già accumulato sui sistemi del genere nella messa a punto e nellosviluppo dei sistemi di iniezione per motori diesel (Common rail) e dall'altro dai notevoli problemiche 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 invai 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 delcarico.

Fig. 6.1 - Il sistema Uniair ed i suoi componenti fondamentali.

A conferma di questa possibilità basta valutare, per esempio, le leggi di alzata dellavalvola di aspirazione con due metodi di controllo della valvola elettromagnetica che controllal'entrata in pressione del liquido idraulico che trasmette il moto dallo stantuffo mosso dalla cammaalla valvola dal motore.

In fig.6.2 sono riportati indicativamente gli andamenti del moto della valvola se il sistematiene costante l'istante di chiusura dell'elettrovalvola di controllo (e quindi l'angolo motorecorrispondente) 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 ecorrispondentemente si riduce il valore della massima dell'alzata della valvola, che però iniziasempre con lo stesso valore dell'angolo motore. Nel caso della valvola di aspirazione si può quindiiniziare l'aspirazione effettiva della carica fresca sempre allo stesso punto del ciclo, ma si puòvariare la sua massa entrante: la valvola può quindi funzionare come organo regolatore della caricadel cilindro e perciò della potenza erogata, consentendo quindi l'eliminazione della valvola afarfalla 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 riduzionedel periodo di apertura venga ridotto agendo su entrambi i tempi di chiusura e di aperturadell'elettrovalvola. Si vede qui come il valore della massima alzata della valvola, che anche inquesto caso si riduce al diminuire del periodo di azione può corrispondere in ogni condizionesempre 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 delmotore da parte dell’Uniair sono immediatamente evidenti, la messa a punto del sistema ed ilcontrollo 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 delgruppo elettroidraulico ha evidenziato l’influenza determinante di parametri (quali ad esempio ladensità e la viscosità dell’olio che determina il sul moto della valvola) i cui valori possono variarecon leggi correlate in modo complesso alle condizioni fisico-termiche del sistema e che nello stessotempo condizionano in modo significativo la legge del moto della valvola e quindi la sua azione sulfunzionamento del motore.

Dall’altro la stessa “libertà” di scelta della legge del moto della valvola ha messo inevidenza la necessità di una approfondita valutazione della sua influenza sul comportamentofunzionale 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 sufficienteconoscenza 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 nuovosistema di controllo del motore, che necessariamente presenta un architettura diversa da quellautilizzata nel caso di controllo delle valvole mediante sistemi meccanici.

In un motore convenzionale in genere si utilizza un unico sistema di controllo del motoreche riguarda i parametri relativi all’immissione dell’aria, all’accensione, all’EGR, allasovralimentazione ed alla combustione (eventualmente tramite sottosistemi di attuazionedell’iniezione di combustibile).

Per un motore dotato di Uniair si è ritenuto invece opportuno adottare un sistema dicontrollo composto da due sezioni dedicate rispettivamente al controllo del motore (“EngineControl Unit”) ed al controllo dell’aria (“Air Control Unit”). L’Engine Control Unit opera ancorasu tutti i più importanti parametri del motore salvo l’introduzione della carica fresca: il controllo diquesta 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 confarfalla e valvole tradizionali, il controllo della combustione ha ora l’opportunità di condizionare ilmoto 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 delmoto della carica fresca, con riferimento ad un nuovo modello (relativo ad un motoresenza la regolazione con valvola a farfalla, dotato di due valvole per cilindro cheprovvedono a controllare la portata della carica fresca e la sua turbolenza) di cui si ècurata l’implementazione;

- il secondo blocco provvede al controllo del moto della valvola, con il fine di garantirel’effettiva attuazione dell’apertura e della chiusura agli angoli motore richiesti per ognicondizione di funzionamento: fattore decisivo per il moto della valvola si sono rivelate laviscosità e la densità dell’olio e quindi al rilevamento della sua temperatura è statodedicato 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 modelloimplementato) 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 modellospecifico implementato), delle condizioni ambientali e delle caratteristiche fisiche attuali dell’olioche opera nel sistema elettro-idraulico, fornisce i segnali per l’azionamento della valvola diaspirazione.

Per poter far fronte alle eventuali modifiche che il sistema di azionamento della valvola puòsubire 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 informazioniaffinché 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 adottenere un ottimo controllo sulla combustione, mentre l’entità dell’alzata delle valvole può essereproficuamente modificata al variare del carico e della velocità del motore, giungendo – senecessario – 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)

1 Avviamento/marcia in folle:preparazione miscela, ottimizzazione combustione, riduzione rumore

2 Bassi carichi:controllo emissioni, controllo combustione, disattivazione cilindri

3 Carichi parziali:ottimizzazione pompaggio, miglioramento combustione

4 Alta coppia:ottimizzazione del coefficiente di riempimento

5 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 dimovimento della valvola (rispetto alla legge di massima alzate e massima apertura possibili) nellezone del campo di funzionamento del motore in cui l’azione dell’Uniair può svolgere una azioneparticolarmente interessante.

Senza entrare nei particolari, si vogliono qui indicare alcune delle condizioni difunzionamento che possono essere realizzate.

Ai carichi parziali si possono adottare strategie diverse per incrementare l’efficienza delmotore. Un ritardo all’apertura delle valvole ha un impatto positivo sia sulla combustione che sulrendimento meccanico.

Nel caso di anticipo della chiusura di entrambe le valvole la combustione può esserepeggiorata a causa della eccessiva espansione che comporta più bassi valore di temperatura e dipressione nel cilindro. Ma un leggero sfasamento nella chiusura delle due valvole – facilmenteottenibile con Uniair - riduce sensibilmente gli effetti negativi sulla combustione grazie all’aumentodella turbolenza dell’aria entrante.

Un’altra interessante strategia consiste nell’anticipare la chiusura di una delle valvole: sihanno benefici per il forte swirl che si crea nel flusso entrante e per la riduzione di energianecessaria. La strategia più conveniente è comunque combinare il vantaggio dell’anticipo - cheriduce le perdite di pompaggio - con il ritardo alla chiusura – che migliora la turbolenza e lacombustione. E’ poi possibile influenzare il flusso di calore rilasciato dal cilindro regolando lalegge di alzata delle valvole.

Alcuni risultati ottenuti su motori a benzina a 4 cilindri e 16 valvole indicano, secondo laCasa costruttrice i seguenti vantaggi dell’adozione del controllo UNIAIR sulle valvole diaspirazione:

- la diminuzione dei consumi rientra nel campo 7 – 9 % a seconda delle condizioni difunzionamento;

- l’utilizzazione dell’Uniair non comporta limitazioni di sorta rispetto alle caratteristichedi coppia e potenza originali;

- la pressione media effettiva viene incrementata di circa il 20% ai bassi regimi, del 9% airegimi intermedi ed intorno al 5% agli alti regimi;

- le emissioni del motore rientrano pienamente nelle normative EURO 4, ma l’adozione diUniair permette un più rapido riscaldamento in fase di avviamento e una entrata infunzione 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 dellevalvola all'aspirazione realizzato con soluzioni soltanto meccaniche, l'Uniair sembra avere unpotenziale di sviluppo ben più ampio grazie alla ampiezza delle regolazioni che un controlloelettronico 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 perautovetture 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 technologyand its potential for the future challenges of spark ignited engines”,

Centro Ricerche Fiat, 20032) C. Vafidis, “The aplication of an electro-hydraulic VVA system on passenger car C.R. Diesel engine”, Centro Ricerche Fiat, 2000.


3) www.italiaspeed.com4) lnx.stiloclub.it

5) Notiziario Centro Ricerche Fiat - n. 5, 2002 e segg.

Figure

la fig. di copertina è tratta da 5)la fig. 6.1 è una rielaborazione da 3) e 5)le figg. 6.2, 6.3 sono rielaborazioni da 5)le figg. 6.4, 6.5 sono rielaborazioni da 1)

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