I segreti del motore 4T a fasatura variabile
La fasatura è fondamentale
I sistemi di fasatura variabile della distribuzione sono studiati per aumentare il rendimento dei motori 4T motociclistici (e non solo) a combustione interna. Prima di iniziare con la spiegazione facciamo però un ripasso: uno dei componenti più importanti in questo tipo di propulsori è il comando della distribuzione, il sistema che aziona e controlla le valvole di aspirazione e scarico. La soluzione classica sfrutta assi a camme (gli “alberi” trasmettono coppia, al contrario degli “assi”), azionati in vario modo dall’albero motore, che aprono le valvole di aspirazione e scarico, richiamate in sede normalmente da molle concentriche ai loro steli-guida. Si tratta di un sistema “chiuso” quindi, che sottrae una certa entità di energia al propulsore, per poterne creare una quantità maggiore. Fondamentali per il rendimento del motore sono il numero delle valvole, la loro dimensione, il disegno, il diametro e la lunghezza dei condotti di aspirazione e scarico. Una volta fissati questi parametri, si rivela fondamentale la “fasatura” del motore, ovvero l’anticipo e il ritardo di apertura e chiusura delle valvole, l'alzata e la durata. Con alzata s’intende la distanza massima che il bordo di tenuta della valvola raggiunge durante il suo moto. La durata è misurata solitamente con l’angolo di rotazione dell’albero motore e indica per quanto tempo (o quanto “angolo”) la valvola mantiene l’alzata. Per conseguire il miglior riempimento del cilindro da parte dei gas freschi (e la miglior evacuazione di quelli esausti) si ricorre all’anticipo di apertura e al ritardo di chiusura delle valvole rispetto al punto ideale d’inizio delle diverse fasi, rappresentato dai Punto Morto Superiore (PMS) e Punto Morto Inferiore (PMI).
Per il massimo rendimento del motore
Facciamo un esempio: la valvola di aspirazione non apre il condotto nel momento in cui il pistone inizia la discesa dal Punto Morto Superiore al Punto Morto Inferiore durante l’aspirazione, ma un “attimo” prima e allo stesso modo non chiude il condotto al termine esatto della discesa del pistone, al PMI, ma un “attimo” dopo. Questo perché la colonna di gas in entrata possiede un’inerzia che ritarda l’inizio del suo movimento, provocato dalla depressione generata dal pistone che scende nel cilindro. Per lo stesso motivo, la colonna dei gas freschi continua a entrare nel cilindro spinta dalla propria inerzia anche quando il pistone ha iniziato la risalita verso il PMS. Lo stesso discorso è riferibile ai gas esausti in uscita dal cilindro e al ritardo e anticipo della chiusura della valvola di scarico. Utilizzando più valvole di aspirazione e di scarico, dimensionando opportunamente i condotti e le stesse valvole e disegnando al meglio il profilo delle camme si raggiunge il massimo rendimento del motore. Il punto dolente di un sistema classico di attuazione delle valvole è che tutto questo vale per un dato numero di giri. Allontanandosi da questo regime, ci si allontana anche dal rendimento massimo e quindi il progettista deve scendere a grandi compromessi nello stabilire il regime di rotazione del motore al quale il propulsore dà il proprio “massimo”, in modo da ottenere una potenza accettabile per l’utilizzo ai bassi, medi e alti regimi. La soluzione a questo dilemma è data dai sistemi di fasatura variabile della distribuzione, in grado di modificare i parametri fondamentali di riferimento per ricavare il rendimento massimo del motore a regimi di giri anche molto distanti tra loro. Le soluzioni tecniche cui si ricorre sono di diverso tipo e di efficacia differente, e la loro scelta è dettata da ragioni d’ingombro, complicazione eccessiva del propulsore e, ovviamente, costo.
Anticipo o ritardo?
Sul motore si può intervenire variando l’alzata, anticipando o ritardando i punti di apertura e chiusura delle valvole, o ancora utilizzando solo una delle 2 valvole di aspirazione (nel caso di motori 4 valvole per cilindro, ovviamente) o escludendo addirittura uno o più cilindri tramite l’attuazione degli assi a camme. I sistemi più utilizzati in campo motociclistico sono quelli di tipo centrifugo, per la compattezza degli attuatori e per la possibilità di variare più parametri della distribuzione. Alcuni esempi in campo motociclistico sono il Ducati Variable Timing (DVT, Multistrada 1260 e XDiavel), Kawasaki Variable Timing (GTR1400), Suzuki SR-VVT (GSX-R1000R), Honda Vtec (VFR800) e Yamaha VVA (N-Max 125-155 e Tricity 155)… ma sulle differenti caratteristiche tecniche adottate da ognuno ci torneremo in seguito.
L’ottimizzazione delle prestazioni dei motori motociclistici avviene tramite l’elettronica di gestione del motore: in prospettiva, però, vi sono sistemi (come quello a gestione elettronica già brevettato da Suzuki) che consentiranno di migliorare ancora il rendimento dei motori a ogni regime. Addirittura è possibile, utilizzando un sistema di controllo dell’alzata delle valvole, arrivare all'eliminazione completa delle valvole a farfalla nel condotto di aspirazione, demandando totalmente il compito di parzializzare la quantità d’aria in ingresso alle sole valvole nella testata, magari abbinando il tutto a sistemi di iniezione diretta in camera di combustione del carburante.