Fasatura variabile: descrizione e funzionamento

L’espressione “fasatura variabile” (“Variable timing” in inglese) sta ad indicare la modalità con cui viene gestito il sistema di distribuzione, vale a dire, il regime di rotazione dell’albero a “camme” e quindi delle valvole di aspirazione e scarico.
L’espressione chiave che sta alla base di quest’articolo è quindi “fasatura variabile”.
Ma cosa significa “fasatura“?

Fasatura (di distribuzione) è per definizione il “momento” ottimale in cui si realizzano l’apertura e la chiusura delle valvole di aspirazione e scarico, rispetto ad una posizione definita del pistone. La “fasatura”è ottenuta grazie alla sincronizzazione dell’albero a “camme” con l’albero motore, tramite componenti meccanici come ingranaggi, cinghie o catene. E’ proprio questa dipendenza dall’albero motore che limita l’efficienza della fasatura fissa e quindi del gruppo termico, costringendo i progettisti ad inventare un sistema variabile di distribuzione.

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Caratteristiche tecniche della fasatura:

Cerchiamo di capire, innanzitutto, come funziona il sistema di distribuzione. La sua funzione principale è quella di garantire il corretto funzionamento delle quattro fasi del ciclo dei motori a 4 tempi e gestire i cosiddetti “incroci”. Gli “incroci”, come suggerisce il termine stesso, sono fasi in cui avviene la apertura/chiusura della valvola di aspirazione con la corrispettiva chiusura/apertura della valvola di scarico, in modo perfettamente combinato (ad incrocio). 

La valvola di aspirazione permette introduzione di fluido (miscela aria-benzina per motori a ciclo Otto, solo aria per quelli a ciclo Diesel) nella camera di combustione del cilindro; avviene lo scoppio tramite la reazione chimica “esplosiva” ad alti valori di pressione (in base al rapporto volumetrico di compressione del motore) ed infine, i prodotti di tale reazione diventeranno gas combusti, i quali verranno espulsi dal cilindro tramite l’apertura della valvola di scarico. Le valvole sono azionate da uno o più alberi a camme, i quali sono collegati tramite ingranaggi, cinghie o catene all’albero motore, garantendo la completa sincronia di funzionamento.

In parole povere, una valvola non può aprirsi o chiudersi in anticipo o in ritardo rispetto ad una posizione predefinita del pistone, causando danni o malfunzionamenti; al contrario, è tutto perfettamente sincronizzato in modo tale che le valvole vengano azionate al momento giusto. Il singolo o i più alberi a camme azionano le valvole per contatto diretto con dei profili ad eccentrico, chiamati appunto “camme“, calettati su un asse. Sul profilo della valvola vi è una “molla” che ha la funzione di richiamarla alla sua configurazione d’equilibrio (valvola chiusa).

Angoli e profili:

La fasatura di una valvola è definita da due valori: l’angolo di anticipo (o ritardo) di apertura rispetto al PMI (punto morto inferiore) e l’angolo di anticipo (o ritardo) di chiusura rispetto al PMS (punto morto superiore). L’angolo di anticipo è definito come il momento in cui la valvola termina la sua corsa fino a raggiungere la posizione di completa chiusura/apertura. Sono proprio i valori dell’angolo di anticipo a caratterizzare la fasatura di un motore, determinando gli istanti in cui la valvola inizia il suo moto di apertura (da completamente chiusa) o chiusura (da completamente aperta).

La velocità della valvola durante il moto di apertura/chiusura dipende dal profilo della camma che la aziona: più “appuntito” sarà tale profilo, più veloce sarà la fase di apertura/chiusura della valvola; caso contrario, otterremo una velocità di fase inferiore (ciò non indica necessariamente inefficenza). Il profilo delle camme, opportunamente progettato, dovrà garantire la fase di incrocio, definita precedentemente, affinché avvenga l’effetto “risucchio” che i gas combusti in uscita (dal cilindro) esercitano sul fluido in ingresso, garantendo un maggior riempimento della camera di combustione, per unità di volume.

Riportiamo in figura un diagramma di distribuzione per la fasatura.

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Difetti della fasatura fissa:

Dopo aver opportunamente definito le grandezze in gioco ed il funzionamento, cerchiamo di capire quali sono i limiti della fasatura fissa.

Durante le fasi del ciclo si generano inefficienze dovute alle “perdite per laminazione“, ossia perdite che si verificano quando la valvola è parzialmente aperta, portando il fluido a risentire di una sorta di resistenza dovuta alla “strozzatura” (valvola semi-aperta nel condotto di aspirazione). Se le camme fossero appuntite si avrebbe un azionamento istantaneo delle valvole, facendo diminuire le perdite e garantendo una maggior potenza a parità di cilindrata; il tutto a scapito della resistenza del gruppo endotermico. Pertanto la fasatura di tipo fisso tende a definire il “carattere” del propulsore, limitando la “flessibilità” molto richiesta nel campo motoristico. Motori sportivi prediligeranno gli alti giri ed una fasatura molto spinta, con un elevato angolo di incrocio, guadagnando in potenza e perdendo in guidabilità e coppia ai regimi bassi. I motori più “turistici” risentiranno del problema opposto.
Da tale limite si è passati alla fasatura variabile: scopriamone l’evoluzione.

Fasatura variabile:

Il sistema di fasatura varabile delle valvole è adottato ormai da tutte le case costruttrici sotto nomi e sigle differenti. La prima applicazione al mondo di tale sistema su un’automobile di serie è italiana e riguarda la casa automobilistica milanese Alfa Romeo, la quale montò tale innovativo sistema sulla Spider Duetto nel 1980. La variazione di fase era realizzata dallo spostamento assiale di un manicotto lungo l’albero a camme, che modificava così la sua rotazione.

Soluzioni delle principali case costruttrici:

Successivamente le principali case costruttrici si attivarono per la progettazione di un sistema analogo. La Honda brevettò il sistema VTEC (Variable Valve Timing e Lift Electronic Control) montandolo sulla Integra nel 1989. L’idea Honda era quella di gestire due diversi profili per il controllo delle valvole di aspirazione (2 per cilindro): uno per i regimi medio-bassi e l’altra per i regimi alti. Il sistema era comandato idraulicamente da tre camme e due bilancieri (complessivamente due esterni ed uno centrale) che si azionavano indipendentemente a seconda dei giri del motore: ai bassi regimi le valvole venivano azionate dai bilancieri esterni, mentre una camma dal profilo più pronunciato muoveva il bilanciere centrale oltre un certo numero di giri motore, aumentando la velocità di apertura della valvola e quindi la potenza erogata.

La Honda grazie al sistema VTEC disponeva di due differenti tipi di fasatura variabile a seconda dei giri, garantendo una potenza specifica di 100 CV/litro. Il sistema risultava poco gestibile nel cambio di erogazione, pertanto fu superato con il LeitMotiv che garantì la variabilità della fasatura in modo continuo e non brusco come il VTEC. Nacquero così numerosi sistemi, citiamo solo i più importanti dal punto di vista innovativo: VVT (Variable Valve Timing) della Toyota, BMW iVanos, Valvetronic BMW, il VarioCam Porche fino al recente MultiAir Fiat. Ferrari introdusse alberi a camme con profilo variabile lungo la lunghezza del lobo, che traslavano assialmente per ottenere diagrammi di distribuzione differenti. Il passo fondamentale per la creazione di un sistema di variazione continuo ed efficiente fu la realizzazione dell’ampiezza variabile dell’alzata valvola. In altre parole, con questa soluzione il pedale del gas è in grado di controllare direttamente le valvole di aspirazione.

In figura, il sistema VTEC.

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• BMW, col sistema Valvetronic (2001), interpone dei bilancieri tra la valvola e l’albero a camme, azionandoli con un motore elettrico. Il movimento dei bilancieri (comandati elettronicamente dalla centralina) permette di variare l’alzata delle valvole di aspirazione (2 per cilindro) in maniera assolutamente indipendente dal regime di rotazione e dal “carico” del motore. L’evoluzione del Valvetronic BMW è stato il sistema elettro-idraulico Fiat MultiAir, presentato nel 2009.

Dagli innovativi sistemi elettro-idraulici si tende sempre più verso il CAMLESS (“senza camme” tradotto in italiano) per svincolare completamente la dipendenza delle camme nel sistema di distribuzione.

• Il sistema MultiAir è strutturato con un tradizionale albero a camme lato scarico ed un’ulteriore camma meccanica che agisce su un solenoide on/off. Vi è del volume d’olio (componente idraulica del sistema) che viene movimentato per azionare le valvole di aspirazione. Se la valvola on/off è chiusa, l’olio si comporta come un corpo rigido e trasmette alle valvole la legge di alzata imposta dalla camma (vale a dire il sistema classico di funzionamento); quando la valvola on/off commuta, invece, l’olio defluisce nel serbatoio e la valvola stessa si chiude per effetto della forza di richiamo della molla. Questa valvola a solenoide garantisce diverse fasature a seconda del “carico” motore: agli alti regimi la valvola rimane sempre chiusa e l’apertura delle valvole è garantita dal profilo della camma meccanica; a basso regime, viceversa, si può ritardare l’apertura della valvole di aspirazione posticipando la chiusura della valvola on/off.

Nuova fasatura variabile: Addio albero a camme

• Il sistema CAMLESS, come già accennato, si propone di eliminare il legame fisico che c’è tra albero motore ed albero a camme. Tale soluzione avviene col passaggio da un sistema elettro-idraulico ad un sistema elettromagnetico, in cui le valvole vengono azionate dalla forza esercitata da un campo magnetico variabile generato da solenoidi, gestiti a loro volta da una ECU (Electronic Control Unit). Tale sistema è in grado di ridurre gli alti consumi energetici a scapito della sicurezza: il malfunzionamento dei solenoidi potrebbe portare le valvole ad impattare il pistone. Il sistema elettro-magnetico è ancora un concept, che potrebbe in futuro diventare realtà.

Il sistema CAMLESS più recente in commercio è stato progettato dalla Koenigsegg-Cargine Engineering: il sistema Free Valve Techology.

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