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Tecnica : I segreti del motore a scoppio

 

Valvole, condotti di aspirazione e scarico

 
 

Le valvole sono organi meccanici adibiti all’apertura e chiusura di sezioni di passaggio per l’afflusso di gas dal condotto di aspirazione al cilindro e dal cilindro al condotto di scarico. Sono comandate tramite alberi a camme in testa o tramite meccanismi ad aste e bilancieri (più antiquati e meno utilizzati oggi).

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 della valvola stessa i gas subiscono una forte deflessione causa di irreversibilità e turbolenze.

Un'analisi accurata può essere condotta con codici numerici di simulazione della gasdinamica tridimensionale o tramite sperimentazione con tecniche di visualizzazione quali 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 quella che di solito viene definita è 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 sui cosiddetti banchi di flussaggio che possono essere schematizzati come in figura.

Figura 1: Elementi costituenti un banco di flussaggio.

La testata viene collegata, da un lato con un ambiente in cui regna la pressione totale (cioè in condizioni stazionarie) e dall'altro con un ambiente a pressione  (dove il fluido è in moto) e la portata massica di aria viene misurata per diverse posizioni dell'alzata valvola h, cioè dello spostamento in direzione assiale dalla posizione di riposo. Se durante la misura l’alzata della valvola è 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 o 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 (p/4.dM), altri invece scelgono l'area della superficie cilindrica con diametro di base pari al diametro massimo della valvola ed altezza uguale all'alzata valvola (p. dM.h)

Figura 2: Particolare delle grandezze geometriche caratteristiche della sezione del condotto in prossimità della sede valvola.

La differenza fondamentale quindi tra le due convenzioni risiede 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 delle valvole

Il coefficiente di efflusso Cdf ha qualitativamente l'andamento di figura al variare del rapporto alzata valvola/diametro del condotto:

Figura 3: Andamento qualitativo del coefficiente di efflusso; caso di valvola di aspirazione (moto dal condotto al cilindro).

Per alzate piccole il flusso è ben guidato ma gli attriti sulle superfici bagnate sono preponderanti e l'area effettiva di passaggio è minore dell'area presa come riferimento;

All'aumentare dell'alzata gli attriti hanno un peso decrescente mentre il flusso si mantiene relativamente ben guidato;

In corrispondenza di alzate maggiori la forte deflessione subita dal flusso causa una contrazione della vena  ed un aumento considerevole delle dissipazioni.
 


In pratica l'area va moltiplicata per un fattore riduttivo circa pari a
, in cui  è la metà dell'angolo al vertice del cono della valvola.
 
 

Fattori che influenzano il coefficiente di efflusso

Nelle figure che seguono sono riportati gli andamenti del coefficiente di efflusso Cdf ottenuti sperimentalmente al variare di alcuni fattori, quali:

- Angolo al vertice del cono valvola.

Le figure qui di seguito mostrano il Cdf in funzione del rapporto alzata/diametro valvola h/dM per due diversi angoli al vertice del cono della valvola 2.q supponendo di mantenere costante il rapporto s/dM tra l'altezza della sede e il diametro della valvola (vd. figura).

Figura 4: Definizione di angolo del cono e di spessore s della sede valvola.

 

Figura 5: Coefficiente di efflusso Cdf al variare del rapporto alzata/diametro della sede valvola per due diversi valori dell’angolo del cono (moto dal condotto al cilindro).

 

Figura 6: Coefficiente di efflusso Cdf al variare del rapporto alzata/diametro della sede valvola per due diversi valori dell’angolo del cono e per due configurazioni della sede valvola (moto dal cilindro al condotto).

Alle piccole alzate il coefficiente di efflusso Cdf è leggermente più elevato quando l'angolo di apertura del cono è grande (120°) perché l'area effettiva di efflusso cresce circa secondo quando h/dM è piccolo. All'aspirazione, al crescere dell'alzata valvola il coefficiente di efflusso non dipende più dall'angolo q, mentre allo scarico le maggiori aperture del cono risultano penalizzanti a causa della flessione della vena fluida che non è più guidata bene. E' da notare anche l'interesse ad arrotondare tutti gli spigoli della sede valvola.

-  Raggio di curvatura del condotto in prossimità della valvola

La figura che segue presenta due diverse configurazioni del condotto in prossimità della valvola. A sinistra è riportata una configurazione in cui il raggio di curvatura del condotto è piccolo e quindi si ha 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 ulteriormente 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 al cilindro, sia che si considerino valvole di scarico in cui il flusso è dal cilindro al condotto. La strozzatura dovuta al supporto valvola è ineliminabile: in sua assenza la valvola avrebbe flessioni dovute alle forze generate dai gas di scarico. E’ necessaria una corretta progettazione della guida per evitare eccessive turbolenze nel moto del fluido.

Figura 7: 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 perdite superiori al condotto di destra. In quest’ultimo la sede della guida valvola non risulta ottimizzata in quanto si protende eccessivamente nel condotto costituendo un ostacolo al flusso dei gas.

 

Figura 8: Influenza della conformazione del condotto in prossimità della valvola (moto dal condotto al cilindro).

 

Figura 9: Influenza della conformazione del condotto in prossimità della valvola (moto dal cilindro al condotto).

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 dare lavoro. Questo è più gravoso nei motori diesel dove il carico, ovvero la quantità di coppia o potenza richiesta non è regolato da una valvola a farfalla che dosa la portata d’aria ma dalla quantità di combustibile iniettato. In tali 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. D’altro canto elevate perdite allo scarico provocano un’eccessiva contropressione: ovvero durante il moto di risalita il pistone può incontrare una resistenza eccessiva da parte dei gas.

 
 

Area della sezione efficace

L'area della sezione efficace è definita

             

Ed è l’area che avrebbe la sezione di efflusso se, a parità di portata, tutto il processo avvenisse reversibilmente. Essa è facilmente calcolabile ad 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.

Figura 10: Curva di alzata valvola e andamento dell’area efficace in funzione dell’angolo di rotazione (andamento qualitativo).

 
 

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 stesso. 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 quest’ultimo 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 e scarico siano elevate e che la permeabilità del sistema sia elevata per evitare strozzature e perdite di carico eccessive. 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 (vd. Figura ):

 

1.   AAS: angolo di Anticipo dell'Apertura dello Scarico (ingl EO: exhaust open) misurato a partire dal PMI,

2.   RCS: angolo di Ritardo della Chiusura dello Scarico (ingl. EC: exhaust close), misurato a partire dal PMS,

3.   AAA: angolo di Anticipo dell'Apertura dell'Aspirazione (ingl IO: intake open), misurato a partire dal PMS,

4.   RCA: angolo di Ritardo della Chiusura dell'Aspirazione (ingl IC: intake close), misurato a partire dal PMI.  
 

Figura 11: Tipico andamento delle leggi di apertura delle valvole di aspirazione e scarico. Sono evidenziati gli angoli di apertura e chiusura di ciascuna valvola e la loro posizione rispetto al Punto Morto Superiore (PMS) e al Punto Morto Inferiore (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 “tranquilla” 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 operata principalmente minimizzando la somma del lavoro perso in espansione e del lavoro perso durante la risalita del pistone per la 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.
 

Figura 12: Influenza dell’angolo di anticipo allo scarico (AAS) sulla pressione nel cilindro e quindi sul lavoro di pompaggio.


La figura che segue mostra che la somma delle perdite per interruzione dell'espansione e per espulsione dei gas combusti alla risalita del pistone (prima parte del lavaggio) ha 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 tal 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.
 
 

Figura 13: Andamento del lavoro perso al variare dell’angolo AAS in quattro diverse configurazioni.


I benefici dell’angolo di incrocio sono connessi 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 è 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 dare): all’apertura della valvola di aspirazione viene generata un’onda di espansione che si muove dalla valvola al filtro di aspirazione, ovvero l’onda “risale la 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 a metà circa della fase di aspirazione.

Nella realtà il fenomeno è più complesso di quanto qui descritto perché le onde si propagano in un mezzo (il gas) non in quiete ma perturbato dal passaggio di onde precedenti. Tuttavia quanto qui qualitativamente illustrato 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 svariati 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 famiglie:

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 meglio sfruttare i consistenti effetti inerziali.
 

Figura 14: Principio di funzionamento di alcuni sistemi a fasatura variabile.


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 sul’intera legge di alzata.

 

Sistemi di distribuzione a geometria variabile.

Un altro accorgimento spesso adottato per ottenere gli stessi benefici consiste nel modificare la lunghezza dei condotti di aspirazione al variare del regime in modo da mantenere fasato 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 tali dispositivi su motori di classe medio‑alta nonostante l'incremento di costo e la maggior complessità costruttiva (con i problemi di affidabilità che possono derivarne).
 

Figura 15: Schema di propagazione delle onde nel condotto di aspirazione.

 
 

testo ed immagini di : perfect.dark@tiscalinet.it 

 

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