Motorsport

Valvole tradizionali

Le valvole a fungo alloggiate nella testata governano il passaggio dei gas che entrano ed escono dai cilindri aprendosi e chiudendosi nei momenti opportuni secondo il moto loro impartito dall'albero a camme. Quando sono in posizione di chiusura devono garantire una perfetta tenuta e questo per 50 volte al secondo se il motore sta ruotando a 6000 giri/minuto. Ogni valvola è costituita da uno stelo e da una testa detta anche fungo; la superficie di tenuta ovvero quella che, quando la valvola è chiusa, va a poggiare sulla sede, è tronco conica ed ha un'inclinazione di 45° nella maggior parte dei casi di motori stradali (vedremo poi che per motori da corsa le sfaccettature possono essere aumentate di numero per migliorare i flussi dei gas).

 

Valvole al sodio

Una certa diffusione nei motori sportivi e in quelli sovralimentati, hanno le valvole di scarico al sodio nelle quali lo stelo è cavo e viene riempito parzialmente (circa il 60% del volume ricavato contiene sodio metallico mentre il restante 40% contiene aria) con del sodio metallico o sali di litio e potassio. Tali sostanze a temperatura ordinaria si trovano allo stato solido ma, quando la valvola raggiunge la temperatua di esercizio, fondono generando un trasferimento di calore che va dal fungo della valvola di scarico verso lo stelo della stessa distribuendo il calore su una maggiore superficie che abbraccia anche il guida-valvole. Si ottiene in questo modo un migliore smaltimento di calore (il sodio fonde a 98°C) portando il calore dalla zona più vicina alla camera di scoppio, alla zona soprastante con una diminuzione della temperatura che in alcuni punti dello stelo raggiunge i 100°C. Frequente è anche l'adozione di valvole bimetalliche nelle quali lo stelo realizzato in acciaio al cromo-silicio o nichel-cromo-silicio, viene unito mediante saldatura per attrito al fungo in acciaio austenitico.

 

Sollecitazioni termiche

Le valvole di aspirazione funzionano a temperature “relativemente” contenute in quanto sono raffreddate dalla carica fresca. Nonostante ciò stiamo parlando di valori che si aggirano intorno ai 300-400°C ovvero temperature tali da permettere la decomposizione e l’ossidazione del carburante e del lubrificante con conseguente formazione di depositi. Le valvole di scarico, oltre ad essere sottoposte a temperature decisamente più elevate, incontrano il problema di una disuniformità delle temperature in gioco. La possibilità di refrigerazione, infatti, è limitata alla zona della sede ed alla guida dello stelo. Alle sollecitazioni termiche inoltre si aggiungono le sollecitazioni meccaniche causate dai continui urti del fungo della valvola sulla sede della valvola stessa. Vanno poi considerate le sollecitazioni meccaniche agenti sui puntali di comando sullo stelo. Ciò si traduce in deformazioni per una non uniforme distribuzione del calore con conseguenti non uniformi dilatazioni; erosioni di natura meccanica per l’assenza di durezza del flusso di gas; corrosioni di natura chimica per l’aggressività dei fluidi quali oli e carburanti; rottura sia per le corrosioni che per la perdita di resistenza a caldo. Le deformazioni termiche innescano un circolo vizioso poiché aumentano la fuga dei gas laddove la tenuta risulta imperfetta ed è proprio in tali punti (tra valvola e sede) che le valvole tendono a riscaldarsi maggiormente ed a corrodersi. La soluzione adottata per aumentare l’uniformità dei valori delle temperature in gioco consiste nel dotare le valvole di scarico di una cavità contenente sodio metallico o sali di litio e potassio. Tali sostanze a temperatura ordinaria si trovano allo stato solido ma, quando la valvola raggiunge la temperatua di esercizio, fondono operando un trasferimento di calore dal fungo della valvola verso lo stelo e di conseguenza anche verso il guida-valvole.

 

Valvole rotanti Bishop

Il sistema Bishop Rotary Valve (BRV) è composto da una serie assiale di valvole rotanti singole per ogni cilindro le quali sono in grado di provvedere sia all’ammissione che all’espulsione dei gas. Il loro asse è perpendicolare a quello dell’albero motore. Sono realizzate in acciaio e montate su cuscinetti in grado di permetter loro di raggiungere agevolmente elevati regimi di rotazione. Appositi elementi di tenuta impediscono al liquido refrigerante ed all’olio lubrificante di entrare nella parte interna della valvola e quindi in ogni cilindro del motore. Ogni valvola è azionata da un ingranaggio. Si ha pertanto una “cascata orizzontale di ingranaggi” che possiamo accomunare alla logica della cascata di ingranaggi attualmente utilizzata nei motori di F1 (link). Il diametro esterno della valvola rotativa è pari a circa il 70% del diametro del cilindro del motore. Gli ingombri pertanto non sono tali da dover obbligare gli ingegneri a riprogettare l’intero motore. Le valvole ruotano ad una velocità pari alla metà di quella dell’albero motore. Importante fattore è l’annullamento delle inerzie che hanno afflitto tutti i progettisti sin da quando è stato inventato il motore a 4 tempi con le valvole a fungo azionate dal complesso sistema di alberi a camme, bicchierini, molle, ecc… Ciò che in passato ha frenato gran parte dei tecnici impegnati nello sviluppo di valvole rotanti era il problema della tenuta dei fluidi (mantenere olio lubrificante e liquido refrigerante lontanto da miscela aria/benzina e gas combusti) ed il problema della distorsione del corpo valvola in seguito alle notevoli sollecitazioni termiche. Quest’ultimo problema ancora oggi inevitabilmente si verifica ma potrebbe temporaneamente passare in secondo piano laddove l’impiego di tali valvole è destinato ai motori più esasperati del mondo… quelli di F1.

Le valvole rotanti presentano numerosi vantaggi ma, inevitabilmente, anche alcuni svantaggi. Il problema delle dilatazioni termiche di ogni valvola rotativa nel suo alloggio pone infatti dei limiti meccanici ben precisi. In passato si utilizzavano dei manicotti leggermente precaricati contro la superficie di ogni valvola per impedire il trafilaggio dell’olio lubrificante e dei gas. Tali manicotti però hanno manifestato importanti problemi in quanto non permettevano una distribuzione uniforme del velo d’olio tra la superficie della valvola ed il manicotto stesso. Questo fenomeno, combinato con la scarsa capacità di tali manicotti di ospitare distorsioni locali delle valvole rotative, ha portato ad elevati attriti e conseguenti (ed ovvi) grippaggi. Nel sistema BRV (Bishop Rotary Valve) il piccolo gioco radiale tra  il diametro esterno della valvola e la sua sede è progettato per garantire che qualsiasi distorsione termica o meccanica indotta sulla valvola non porti mai a contatti e quindi a grippaggi indesiderati.  Allo stesso tempo però il gioco radiale deve essere il più contenuto possibile per non compromettere la funzione di tenuta dei gas. Questo approccio è stato un successo immediato ed ha consentito un rapido sviluppo privo di problemi di attrito, lubrificazione e grippaggio.

L'insieme degli elementi di tenuta per i gas si compone di due anelli di tenuta assiale e due guarnizioni circonferenziali adiacenti alla finestra; tali organi sono alloggiati nella testa della sede della valvola rotativa e precaricati contro la periferia della valvola stessa. Questi sigilli funzionano in modo simile alle fasce elastiche. A differenza dei tradizionali segmenti del pistone, tali organi di tenuta sono sottoposti ad una velocità costante di scorrimento e senza inversione di direzione per tutto il ciclo. Questa disposizione consente l’uso di finestre molto lunghe, un requisito essenziale per l’aspirazione di grandi portate di aria in motori ad elevate prestazioni. La lunghezza della finestra determina il tasso di apertura e chiusura della valvola e la zona di flusso completamente aperta. Nelle valvole rotanti la lunghezza della finestra determina la velocità di apertura e chiusura delle stesse, nonché l’intervallo di completa apertura. Le velocità di apertura e chiusura delle valvole dei moderni motori di F1 sono molto alte e possono essere confrontate sono con quelle ottenibili dalle valvole rotanti. Queste hanno una lunghezza della finestra d’ammissione pari ad oltre il 77% del diametro (alesaggio) del cilindro.

Le valvole rotanti hanno il condotto dell’aria assiale e quindi parallelo alla finestra d’ammissione e perpendicolare all’asse del cilindro. Questo porta erroneamente a pensare che un motore dotato di valvole rotanti non possa “respirare” bene come un motore dotato di normali valvole a fungo. In realtà gran parte dell’aria passa obliquamente attraverso la finestra d’ammissione. Ciò è ben illustrato nell’immagine CFD. Il flusso d’aria è ruotato di circa 35° prima che passi attraverso la finestra d’ammissione. Subito dopo la sua rotazione è di circa 80°. La completa rotazione del flusso, affinchè esso diventi parallelo all’asse del cilindro (rotazione di 90°), avviene nel cilindro stesso. Il flusso obliquo è un fattore a svantaggio del coefficiente d’efflusso delle valvole (link), tuttavia a tale svantaggio si contrappone il vantaggio dell’assenza di una valvola a fungo e quindi il vantaggio di un passaggio per l’aria completamente libero. Questi due fattori tendono a compensarsi. Mentre il coefficiente d’efflusso* (strettamente legato all’area della finestra della valvola in camera di combustione) delle valvole di una volta era di solo 0.54 (a valvola completamente aperta), l’evoluzione tecnica ha permesso di migliorarlo fino a 0.72 sugli attuali motori di F1.

E’ inoltre importante notare che il flusso obliquo genera, una volta raggiunto il cilindro, un moto turbolento in grado di favorire una miscelazione aria/carburante ottimale ed una conseguente migliore combustione. Il flusso turbolento viene generato grazie alla geometria delle valvole rotanti Bishop senza alcuna perdita di rendimento volumetrico al contrario dei motori con normali valvole a fungo. Inoltre  è stato osservato che tale flusso favorisce una più rapida combustione. Un motore di serie dei primi anni ‘90 aveva una durata dell’accensione (intesa come rotazione dell’albero motore) di circa 15°, successivamente i migliori motori a quattro valvole per cilindro ridussero questi tempi a meno della metà. Un motore ad elevate prestazioni con valvole rotanti Bishop abbassa ulteriormente questi limiti.

 

Sedi valvole

Sedi valvole ordinarie

Descrizione in preparazione...

Sedi valvole sinterizzate

Oggi i motori hanno potenze specifiche sempre più elevate. Questo non accade per reale utilità ma per questioni di concorrenza e pubblicità. I motori più pepati presenti in commercio sono così sottoposti a sollecitazioni termiche e meccaniche che spesso sono tanto alte quanto inutili. Per porre rimedio ai problemi tecnici che ne derivano (microsaldatura valvole-sedi valvole, erosione…), tali motori vengono corredati di sedi valvole costituite da materiale sinterizzato (metallurgia delle polveri). La sinterizzazione è un trattamento termico che consiste nel riscaldamento di pezzi ottenuti per pressatura al fine di migliorare la coesione delle particelle per diffusione e ricristallizzazione. In tal modo migliorano nettamente le proprietà meccaniche dei pezzi trattati. Ma il problema delle elevate temperature non è legato solo ai motori “spinti”, bensì anche ai tranquilli motori alimentati a metano. Quest’ultimi, pur offrendo prestazioni limitate rispetto ai motori alimentati a benzina o gasolio, sviluppano temperature elevatissime in camera di combustione con conseguenze poco piacevoli per valvole, sedi valvole, guarnizione della testata e pistoni. Vi sono diversi tipi di sedi valvole sinterizzate. Due in particolar modo sono piuttosto interessanti. Un primo tipo, costituito da una miscela di carburo di tungsteno finemente dispersa in una matrice di acciaio legato e temprato, offre un’elevata durezza ed allo stesso tempo un’ottima lavorabilità. Un secondo tipo, costituito da un acciaio al carburo di tungsteno nella cui matrice sono inclusi particolari additivi ceramici appositamente messi a punto e resistenti alle elevate temperature, offre una elevata resistenza all’usura che viene mantenuta anche a temperature estremamente elevate. Grazie alla notevole quantità di queste particelle lubrificanti annegate nella lega, le sedi valvola per elevate temperature sono particolarmente adatte per carburanti “secchi” come propano, gas di petrolio liquefatto (GPL) oppure metano. Le caratteristiche del materiale impediscono la “microsaldatura“ dell’anello sede sulla superficie della valvola, eliminando così la prima causa di usura per erosione. Le sedi valvole per elevate temperature sono pertanto indicate per motori a gas, a gas di petrolio liquefatto, per motori da competizione nonché per motori turbocompressi sottoposti ad elevatissime sollecitazioni.

 

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