I segreti della fasatura variabile

Il termine “fasatura variabile” è ormai di uso comune anche in campo moto. Ma di che cosa si tratta? Si utilizza per descrivere un sistema di azionamento delle valvole di aspirazione e/o scarico, presente nei motori a combustione interna a quattro tempi, comandato da alberi camme a geometria variabile, che quindi sono in grado di anticipare o ritardare l’apertura delle valvole stesse ed in alcuni casi anche la loro alzata. Un passo indietro: per chi non lo sapesse, l’albero a camme è un asse a cui sono applicate radialmente una o più camme (dette anche ogive) che “spingono” le valvole agendo su dei bilancieri. L’albero viene messo in rotazione grazie ad un sistema chiamato distribuzione che può essere a cinghia, a catena o a cascata di ingranaggi, che a sua volta prende il moto dall’albero motore. La geometria delle camme influenza la durata di apertura (espressa in gradi rispetto all’albero motore) e l’alzata delle valvole (espressa in millimetri). Un altro parametro importante è la posizione dell’ingranaggio dell’asse di aspirazione rispetto all’ingranaggio dell’asse di scarico; controllando questa variabile si può modificare l’incrocio valvole, ovvero quel periodo di albero motore (sempre espresso in gradi) in cui le valvole di aspirazione e le valvole di scarico sono aperte simultaneamente. Nelle moto da competizione si tende ad ampliare questo periodo per aumentare il riempimento dei cilindri a regimi elevati sfruttando il moto dei gas combusti i quali, fuoriuscendo nella fase di scarico, generano una depressione che aiuta ad immettere la carica fresca dai condotti di aspirazione (a discapito dei bassi regimi), mentre nei veicoli stradali si tende ad utilizzare angoli di incrocio ridotti per avere un’erogazione più dolce e prestazioni migliori a regimi intermedi. Per ottenere i vantaggi dell'una e dell'altra soluzione, si adotta la fasatura variabile.

Non è una novità assoluta in ambito motoristico: già da parecchi anni in ambito automobilistico, ma sulle moto è stato introdotto solo in tempi relativamente recenti. È stata Honda, con la CBR400F del 1983, a utilizzare per prima un sistema di alimentazione variabile: il VTEC azionava 2 o 4 valvole al variare del regime di rotazione. In tempi più recenti (2008) la Kawasaki ha evoluto il concetto con un meccanismo di fasatura variabile sulla sport-tourer 1400GTR. Oggi quasi tutte le Case adottano varianti di questo sistema, ma tutti puntano allo stesso obbiettivo: ottimizzare la combustione in un range più ampio di regimi di rotazione. Questo significa ridurre i consumi, aumentare le prestazioni, migliorare la risposta del comando del gas e il comfort di guida. Le camme “classiche”, per loro stessa natura, sono progettate per rendere al meglio in un determinato arco di giri, solitamente abbastanza ristretto, a seconda della tipologia di veicolo sul quale sono applicate. Per fare un esempio: si usa dire che le moto supersportive hanno un profilo camma “molto spinto”, ciò sta a significare che le camme sono calibrate per lavorare efficacemente a giri elevati per esprimere la massima potenza sviluppabile dal motore. Purtroppo questa configurazione può causare alcuni problemi se applicata ad una moto che viene utilizzata anche in ambito turistico; è vero che ci ritroveremo con un motore molto prestante e che ama girare alto, ma di contro avremo una risposta ai bassi regimi meno efficace, ed inoltre si verificherà un innalzamento degli inquinanti che potrebbero non permettere l’omologazione del veicolo. Una configurazione delle camme più conservativa permette di rientrare più agevolmente nei limiti imposti dalle norme sull’inquinamento e ben si accorda a motori sfruttabili nell’utilizzo quotidiano. Ma le prestazioni ne soffrono. La fasatura variabile risolve - almeno in teoria - tutti questi problemi, donando al motore caratteri differenti, sfruttabili in diverse situazioni di utilizzo. L’altra faccia della medaglia però è l’aumento della complessità del sistema di distribuzione, con conseguente crescita dei costi di produzione e probabile diminuzione dell’affidabilità. Tuttavia, con le recenti tecnologie a disposizione, anche questi aspetti sono ormai facilmente controllabili.

Nel grafico qui sotto spieghiamo come funzionano i periodi di apertura delle valvole. Sull’asse delle ascisse (orizzontale) troviamo il periodo, espresso in gradi di rotazione dell’albero motore, in cui le valvole sono azionate, mentre sull’asse delle ordinate (verticale) troviamo l’alzata delle valvole espressa in millimetri. L’area delimitata dall’intersezione dei due grafici di aspirazione e scarico si riferisce al periodo in cui si verifica l’incrocio valvole, detto anche overlap, in cui sia quelle di aspirazione sia quelle scarico sono aperte: mentre gli ultimi gas combusti viaggiano verso lo scarico, la camera di combustione si riempie di miscela fresca aria/benzina.

Lo Shiftcam (utilizzato sia sui Boxer 1250, sia sul 4 in linea della S 1000 RR) è un sistema elettroattuato in grado di variare sia la fasatura sia l’alzata delle valvole di aspirazione. Tenendo conto del regime e dell’apertura del gas, l'attuatore "guida" con due perni (che si attivano uno alla volta) che scorrono in apposite gole, tutto l'albero di distribuzione, facendolo traslare assialmente e facendo quindi lavorare, di volta in volta, camme affiancate, ma con profili diversi. Una particolarità di questo sistema è che le camme “soft”, oltre ad un diagramma diverso da quelle "hard", hanno anche due alzate differenti tra di loro per migliorare la combustione.
Pregi:

• Ottimizzazione della combustione migliore rispetto ai sistemi che si azionano solo in base al regime di rotazione

Difetti:

• Maggiori costi di produzione; agisce solo sull’aspirazione

Il sistema di Borgo Panigale (lo troviamo su Multistrada, Diavel e X-Diavel) viene applicato sia all’aspirazione sia allo scarico ed è molto simile, nel concetto, a quello Kawasaki. Anche il DVT infatti agisce sulla fasatura tramite due rotori coassiali sugli alberi a camme. In questo caso le camere a lobi sono riempite di olio non attraverso il comando di una centralina, ma sfruttando il cambio di pressione generato dall’aumentare del regime del motore.
Pregi:

• Costi di produzione contenuti; agisce su entrambi gli assi a camme

Difetti:

• L’alzata non viene modificata; il sistema non tiene conto dell’apertura dell’acceleratore

La Honda è stata la prima grande Casa ad utilizzare un sistema di distribuzione variabile su una moto, la 4 cilindri CBR400F del 1983. Il meccanismo non agisce né sulla fasatura né sull’alzata, bensì fa aprire, a diversi regimi, due o quattro valvole per ciascun cilindro, e quindi gestisce la portata di carburante in entrata e uscita. L'esempio sopra è riferito alla VFR800F del 2002. Ai bassi regimi il motore utilizza solo una valvola di aspirazione e una di scarico, mentre le altre due rimangono a riposo. Il sistema VTEC è attivato tramite due perni azionati da un circuito idraulico: a partire dai 6.250/6.750 giri/min (sempre per il motore della VFR800F) la pressione dell’olio aumenta e questo “spinge” i due hydraulic pin in posizione operativa. Honda ha allo studio altri sistemi di variazione di fase e di altezza delle valvole: il più recente, coperto da brevetto, sposta entrambi gli assi a camme di aspirazione e scarico attraverso un perno azionato da un solenoide. Questo dispositivo dovrebbe venire utilizzato sul motore di nuova supersportiva 1.000 a 4 cilindri.
Pregi:

• Semplicità costruttiva

Difetti:

• Brusco cambio di erogazione

La fasatura variabile della Casa di Iwata è stata utilizzata sulla 1400GTR e si attiva tramite due rotori coassiali sulla aspirazione (foto sotto): uno è applicato sull’asse a camme, l’altro sulla puleggia della distribuzione. L’azionamento è comandato dalla centralina elettronica, che tiene conto di regime di rotazione e apertura del comando del gas: un attuatore posto sulla testa dell’albero a camme (foto a destra) immette olio ad alta pressione nelle camere a lobi dei rotori, variando così la loro posizione e, conseguentemente, la fasatura.
Pregi:

• Costi di produzione contenuti

Difetti:

• L’alzata non viene modificata, agisce solo sull’aspirazione

Questo progetto (utilizzato sulla sportiva GSX-R1000) punta sulla leggerezza e la semplicità, realizzando una sorta di variatore applicato al lato aspirazione secondo il concetto usato da Ducati e Kawasaki. L’attivazione però è gestita meccanicamente da due ruote dentate, una con canali radiali e l’altra con canali a spirale, che contengono delle sfere. Queste, al variare del regime di rotazione, scorrono lungo i condotti sfalsando l’ingranaggio con i condotti a spirali rispetto all’altro: in questo modo variano la fasatura. La Casa giapponese ha in cantiere anche un sistema che interviene sull'asse a camme di scarico, sempre per variare la fasatura e non l'alzata delle valvole, ma il controllo è idraulico e legato alla pressione dell'olio di lubrificazione.
Pregi:

• Costi di realizzazione contenuti; erogazione lineare

Difetti:

• L’alzata non viene modificata; il sistema varia in considerazione solo del regime di rotazione

La sportiva YZF-R125 e gli scooter Nmax 125 e Tricity 155 si avvalgono di questo meccanismo semplice che ricalca - vagamente - il VTEC automobilistico della Honda, ma anziché dalla pressione dell'olio, è azionato da un solenoide. L'apertura delle valvole è gestita da bilancieri che ricevono il moto dalle camme e sull’albero sono appaiate camme con differenti configurazioni. Sotto un dato regime (7.400 giri/min sulla YZF-R125) lavora solo il bilanciere abbinato alla camma più "tranquilla"; superato questo limite, il solenoide spinge un perno, il quale a sua volta "aggancia" il bilanciere a secondario a contatto con la camma con fasatura più spinta.
Pregi:

• Numero ridotto di componenti, leggerezza

Difetti:

• Cambio di erogazione poco progressivo se si utilizzano camme molto differenti tra loro