Motorsport
Tecnica evoluzione
Approfondimenti sulle valvole
Efflusso dei gas attraverso la valvola
Le valvole, nel loro moto, mettono a disposizione dei gas una sezione di passaggio di area variabile. Le condizioni di efflusso attraverso la valvola costituiscono un fenomeno piuttosto complesso perché in prossimità del fungo i gas subiscono una forte deflessione, causa di irreversibilità e turbolenze. Un'analisi accurata può essere condotta solo con simulazioni numeriche della gasdinamica tridimensionale o tramite sperimentazione, con tecniche di visualizzazione come l'anemometria laser. Al motorista più spesso interessa poter definire dei parametri globali che sintetizzino i complessi fenomeni in gioco e forniscano delle utili indicazioni in fase di progettazione. Per questo normalmente è sufficiente definire un parametro che misuri la "permeabilità" del complesso valvola-sede o della testata del motore nel suo insieme, cioè l'attitudine della valvola a far fluire una portata di gas tra due ambienti a pressione diversa. La permeabilità viene misurata su opportuni banchi di flussaggio, che possono essere schematizzati come in figura. La testata viene collegata da un lato con un ambiente in cui regna una pressione totale (cioè in condizioni stazionarie) maggiore, mentre dall'altro con un ambiente a pressione minore (dove il fluido è in moto).
La portata massica di aria viene misurata per diverse posizioni dell'alzata valvola ‘h’, cioè per diversi valori dello spostamento in direzione assiale dalla posizione di riposo. Se durante la misura l’alzata della valvola rimane costante, si parla di banco di flussaggio stazionario, se invece la valvola è mantenuta in movimento dall’albero a camme l’apparecchiatura si chiama banco di flussaggio instazionario oppure dinamico. La portata così misurata viene confrontata con la portata che fluirebbe in condizioni isentropiche attraverso un ugello di sezione "equivalente". Tale ugello non è però definito in modo univoco: alcuni ricercatori assumono come ugello equivalente quello di area pari all'area della sezione normale del condotto in corrispondenza della valvola:
Altri invece scelgono un’area proporzionale al diametro massimo della valvola e all'alzata valvola 
.
La differenza fondamentale quindi tra le due convenzioni consiste nell'aver scelto una sezione di riferimento costante nel primo caso e variabile con l'alzata nel secondo. Il rapporto tra la portata misurata e la portata ideale di riferimento genera un coefficiente adimensionale che viene chiamato “coefficiente di efflusso”. Il coefficiente di efflusso ottenuto utilizzando la prima delle due portate di riferimento (quella con un'area costante) verrà indicato con ‘Cd’ nel seguito, mentre quello ottenuto utilizzando la seconda (area variabile con l'alzata) verrà indicato con ‘Cdf’.
Andamento del coefficiente ‘Cdf’ al variare dell'alzata valvola
Il coefficiente di efflusso Cdf, al variare del rapporto alzata valvola/diametro del condotto (pensato come cilindrico), assume, qualitativamente, l'andamento riportato nella figura:
Per alzate piccole il flusso risulta ben guidato, ma gli attriti sulle superfici bagnate sono preponderanti e l'area effettiva di passaggio è minore dell'area presa come riferimento (l'area viene moltiplicata per un fattore riduttivo circa pari a sinq, in cui q è la metà dell'angolo al vertice del cono della valvola).
All'aumentare dell'alzata gli attriti hanno via via un peso decrescente, mentre il flusso si mantiene relativamente ben guidato. In corrispondenza ad alzate maggiori la forte deflessione subita dal flusso causa una contrazione della vena ed un aumento considerevole delle dissipazioni.
L’angolo al vertice del cono valvola è infatti un fattore che influenza il coefficiente di efflusso: l’andamento del fattore Cdf in funzione del rapporto alzata/diametro valvola (h/dM), per due diversi angoli al vertice del cono della valvola (2q) e supponendo di mantenere costante il rapporto tra l'altezza della sede e il diametro della valvola (s/dM) risulta:
Per piccole alzate il coefficiente di efflusso risulta leggermente più elevato quando l'angolo di apertura del cono è grande (120°) perché l'area effettiva di efflusso cresce circa secondo sinq. All'aspirazione, al crescere dell'alzata valvola il coefficiente di efflusso non dipende più dall'angolo q, mentre allo scarico maggiori aperture del cono risultano penalizzanti a causa della flessione della vena fluida che non viene più guidata bene. Si noti anche la convenienza nell’arrotondamento di tutti gli spigoli della sede valvola. Il raggio di curvatura del condotto in prossimità della valvola ha una forte influenza sulle perdite di carico in tale area: il condotto della figura di sinistra provoca infatti perdite superiori al condotto di destra. In quest’ultimo la sede della guida valvola non risulta ben disposta: si protende eccessivamente nel condotto costituendo un ostacolo al flusso dei gas.
La configurazione di sinistra presenta un raggio di curvatura del condotto piccolo, con un "gomito" relativamente stretto in prossimità della valvola; nella configurazione di destra il raggio di curvatura è invece più ampio. Le prove sperimentali confermano quanto suggerito dall'intuizione: il coefficiente di efflusso Cdf è più elevato nel caso di ampi raggi di curvatura del condotto e migliora se si riduce la strozzatura in corrispondenza del supporto della guida valvola. L'andamento è simile, sia che si tratti di valvole di aspirazione con flusso dal condotto verso cilindro, sia che si considerino valvole di scarico in cui il flusso avviene dal cilindro al condotto. La strozzatura dovuta al supporto valvola non è eliminabile: senza questo supporto la valvola subirebbe azioni di flessione dovute alle forze generate dai gas di scarico. E’ necessaria quindi una corretta progettazione della guida per evitare eccessive turbolenze nel moto del fluido.
Le valvole di aspirazione sono più grandi e in numero maggiore (per motori plurivalvole) di quelle di scarico perché una perdita di carico del fluido all’aspirazione compromette la capacità del motore di produrre lavoro. Questo aspetto risulta più gravoso nei motori diesel dove il carico, ovvero la quantità di coppia o potenza richiesta, non è regolato da una valvola a farfalla capace di dosare la portata d’aria, bensì dalla quantità di combustibile iniettato. In questi motori, detti “ad accensione spontanea”, la combustione è data dall’elevata pressione dell’aria in ingresso che genera l’accensione spontanea della miscela aria/combustibile: tanto maggiori saranno le perdite di carico in termini di pressione, tanto minore sarà la pressione nel cilindro e tanto più difficoltosa sarà la combustione. Viceversa elevate perdite allo scarico provocano un’eccessiva contropressione: durante il moto di risalita il pistone può incontrare infatti una resistenza eccessiva da parte dei gas.
Area della sezione efficace
L'area della sezione efficace è definita come:
e risulta essere l’area che avrebbe la sezione di efflusso se, a parità di portata, tutto il processo avvenisse reversibilmente. L'area della sezione efficace è facilmente calcolabile in ogni posizione angolare, quando è nota la legge di alzata della valvola. L'integrale della curva dell'area efficace tra gli angoli di apertura e di chiusura fornisce una valutazione della “permeabilità” del sistema considerato, cioè della sua attitudine a far fluire una portata sotto salti di pressione prefissati.
Fasatura delle valvole
La fasatura delle valvole in un motore a 4 tempi, cioè la scelta degli angoli di apertura e chiusura delle valvole, è un aspetto dal quale dipendono molte delle caratteristiche del motore. La sua ottimizzazione è un processo che va di pari passo con l'ottimizzazione dei condotti di aspirazione e scarico, la cui geometria influisce fortemente su tutto il processo di sostituzione del fluido di lavoro, fenomeno tipicamente instazionario. Quanto più un motore è destinato a funzionare a regimi elevati, tanto più è importante che le aree delle sezioni equivalenti di aspirazione/scarico siano elevate e che la permeabilità del sistema sia elevata per evitare strozzature ed eccessive perdite di carico. Per questo, compatibilmente con l'insorgere di fenomeni collaterali indesiderati, si cercherà di aumentare quanto più possibile la durata angolare delle fasi di aspirazione e scarico. Gli angoli che definiscono la fasatura sono:
AAS: angolo di Anticipo dell'Apertura dello Scarico (ingl EO: exhaust open) misurato a partire dal PMI,
RCS: angolo di Ritardo della Chiusura dello Scarico (ingl. EC: exhaust close), misurato a partire dal PMS,
AAA: angolo di Anticipo dell'Apertura dell'Aspirazione (ingl IO: intake open), misurato a partire dal PMS,
RCA: angolo di Ritardo della Chiusura dell'Aspirazione (ingl IC: intake close), misurato a partire dal PMI.
Gli angoli di fasatura della distribuzione vengono generalmente indicati partendo dal PMS durante la fase di incrocio (contemporanea apertura di aspirazione e scarico). Su una vettura “stradale” si potrà avere una fasatura 10-50-50-10 (rispettivamente per RCS, RCA, AAS, AAA), su un’autovettura più sportiva una fasatura 30-70-70-30 e su autovetture da competizione con elevati regimi di funzionamento una 50-90-90-50. Nel primo caso l'incrocio dura soltanto 10+10 gradi di rotazione dell'albero a gomiti (da AAA a RCS), mentre nell'ultimo il periodo di contemporanea apertura delle valvole di aspirazione e scarico dura ben 50+50 gradi. La scelta dell'angolo AAS è realizzata principalmente seguendo la minimizzazione della somma del lavoro perso in espansione e del lavoro perso durante la risalita del pistone per via della presenza di una pressione nel cilindro superiore alla pressione atmosferica. Come mostra la figura, che si riferisce ad un motore Diesel, un anticipo eccessivo causa una elevata perdita di lavoro di espansione ma anche una diminuzione del lavoro di espulsione dei gas combusti. Viceversa un anticipo insufficiente permette di raccogliere un maggior lavoro durante l'espansione ma la risalita del pistone avviene quando la pressione nel cilindro è ancora eccessivamente elevata.
La figura che segue mostra invece come la somma delle perdite per interruzione dell'espansione e per espulsione dei gas combusti alla risalita del pistone (prima parte del lavaggio) abbia un minimo in corrispondenza dell'angolo AAS ottimale (curva superiore). Le perdite e il valore dell’angolo AAS ottimale diminuiscono quando aumentano le dimensioni della valvola e quando viene ottimizzato il progetto del condotto di scarico in prossimità della valvola; in questo caso infatti lo scarico spontaneo ha una minor durata angolare. Per lo stesso motivo, un'ulteriore sensibile diminuzione delle perdite e dell'AAS ottimo si verifica al diminuire del regime di rotazione.
I benefici dell’angolo dell’incrocio sono legati allo sfruttamento della depressione che si crea nel cilindro alla fine della fase di scarico a causa dell’inerzia della colonna dei gas combusti. Durante questa fase l’ingresso della carica fresca risulta così favorito dalla fuoriuscita dei gas caldi verso lo scarico. Poiché l’inerzia dei gas è maggiore ai regimi elevati, mentre il tempo disponibile per il ricambio del gas diminuisce al crescere del regime, l’angolo di incrocio tende ad aumentare nei motori destinati a funzionare ad elevati regimi. Si noti però che, alle basse velocità di rotazione, un incrocio elevato può portare alla fuoriuscita della carica fresca attraverso la valvola di scarico (con conseguente diminuzione del rendimento ed aumento delle emissioni di inquinanti se la carica fresca aspirata contiene anche il carburante). E’ possibile sfruttare l’apertura delle valvole per generare una leggera sovralimentazione, che porta ad un benefico riempimento del cilindro (maggiore è la quantità d’aria aspirata, maggiore è il lavoro che il motore è in grado di produrre): all’apertura della valvola di aspirazione viene generata un’onda di espansione che si muove dalla valvola al filtro di aspirazione, ovvero nel senso “opposto” alla corrente. L’onda di compressione così generata si muove verso la valvola e, se perviene alla sezione terminale del condotto quando la valvola è ancora aperta, si ottiene un beneficio sul riempimento. Si potrebbe mostrare che il beneficio è massimo quando il ritorno avviene in corrispondenza delle massime alzate della valvola, cioè circa a metà della fase di aspirazione. Nella realtà il fenomeno è più complesso di quanto sia qui descritto perché le onde si propagano in un mezzo (il gas) non in quiete, ma perturbato dal passaggio di onde precedenti. Tuttavia quanto qualitativamente intuito mantiene la sua validità. L’effetto così ottenuto viene detto “accordo in aspirazione”. Per ottenere un buon accordo all'aspirazione, in un intervallo più elevato di regimi, sono attualmente piuttosto diffusi dei sistemi in cui vengono modificati gli angoli di fasatura della distribuzione al variare della velocità di rotazione del motore (sistemi di distribuzione a fasatura variabile) e/o la geometria dei condotti di aspirazione (sistemi di distribuzione a geomteria variabile).
Sistemi di distribuzione a fasatura variabile
Poiché generalmente si interviene sulla fasatura delle sole valvole di aspirazione, tali sistemi sono caratterizzati dall’avere alberi a camme separati per aspirazione e scarico. Si possono individuare due principali tipi di distribuzione a fasatura variabile:
Tipo A. Sistemi in cui l'albero a camme di aspirazione può essere sfasato rigidamente al raggiungimento di un prefissato regime di soglia. In questo modo è possibile aumentare il RCA (e diminuire della stessa quantità l'AAA) ai regimi più elevati in modo da sfruttare meglio i consistenti effetti inerziali.
Tipo B. Sistemi in cui, al raggiungimento di un regime prefissato, il profilo di alzata delle valvole passa da una configurazione ottimizzata per i bassi regimi ad una più adatta ai regimi elevati. Tali dispositivi, che a seconda del costruttore assumono denominazioni diverse (VVT Variable Valve Timing, CPS Cam Profile Switching, ecc.) sono caratterizzati da un’intrinseca maggiore flessibilità dei precedenti perché, oltre che sulla fase è possibile intervenire sull’intera legge di alzata.
Sistemi di aspirazione a geometria variabile
Un altro accorgimento spesso adottato per ottenere i medesimi benefici consiste nel modificare la lunghezza dei condotti di aspirazione al variare del regime in modo da mantenere in fase tra loro il ritorno dell'onda di compressione con l'istante di massima apertura della valvola di aspirazione.
I due accorgimenti, fasatura variabile e geometria variabile, posso anche essere adottati contemporaneamente. I benefici che si ottengono in termini di riempimento e coppia sono significativi ed attualmente giustificano l'adozione di questi dispositivi nei motori di classe medio-alta nonostante l'incremento di costo e la maggior complessità costruttiva (con i problemi di affidabilità che possono derivarne).
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