COME FUNZIONA LA FASATURA VARIABILE
Il taglio sulle emissioni per le moto previsto dall’imminente normativa Euro 5 sarà drastico (ce ne ha parlato approfonditamente Stefano Cordara nel suo punto di Corda) e le aziende stanno implorando i propri ingegneri: come tenere alte le prestazioni dei motori dovendo rispettare limiti così severi sulle emissioni? Una delle possibili soluzioni è l’utilizzo della distribuzione con fasatura (ed eventualmente anche alzata) variabile, una tecnologia diffusa da molto tempo nel mondo delle auto, ma relativamente nuova tra le moto. Come funziona? Quali sono i migliori sistemi sul mercato?Basi meccanicheCon il termine distribuzione s’intende l’insieme delle componenti meccaniche che permettono al motore di “aspirare” la miscela di aria/benzina ed espellerla a fine ciclo, dopo averla fatta esplodere, sotto forma di gas combusti.
In un motore a combustione interna le fasi che si susseguono durante una rotazione dell’albero motore sono suddivise in modo preciso. L’immissione della miscela aria/benzina nel cilindro e lo scarico dei gas combusti sono gestiti dalle valvole, che a loro volta sono azionate da un asse a camme collegato direttamente all’albero motore. In un motore tradizionale i tempi di apertura e chiusura delle valvole sono fissi e rappresentano per forza di cose un compromesso. Con la fasatura variabile, invece, si possono ottimizzare sia il funzionamento ai bassi sia agli alti regimi variando appunto la fase, cioè l’angolo in cui le valvole si aprono e si chiudono. In questo modo migliora la potenza e allo stesso tempo la regolarità dell’erogazione. Vediamo come.L’alzata è espressa in millimetri e rappresenta lo scostamento massimo delle valvole. Alzata e fasatura sono estremamente importanti per determinare non solo le prestazioni massime di un motore, ma anche il suo carattere e il rendimento globale.
Facciamoci una cammaAlzata e fasatura sono determinate dal disegno del profilo delle camme. Si tratta di organi meccanici fondamentali, che grazie al loro profilo eccentrico trasformano il moto rotatorio del motore nel moto alternativo delle valvole. Le camme spingono letteralmente le valvole e sono posizionate su assi rotanti che prendono il movimento dal motore attraverso diversi sistemi: cinghia e puleggia, catena o cascata d’ingranaggi (soluzione destinata ai veicoli da corsa).Obiettivi ingegneristiciObiettivo dei motoristi è garantire il maggior riempimento (e successivo svuotamento) della camera di combustione in qualunque condizione. Parametro fondamentale su cui gli ingegneri possono intervenire è il cosiddetto incrocio, espresso in gradi, durante il quale sono aperte sia le valvole di aspirazione, sia quelle di scarico (si verifica tra la fine della fase di scarico e l’inizio della fase di aspirazione). Esistono numerosi trattati d’ingegneria su come determinare il corretto valore d’incrocio in base alle esigenze di un motore: riassumendo in maniera molto approssimativa, possiamo dire che i motori con elevata potenza specifica prediligono alti valori d’incrocio, al contrario motori ai quali è richiesta un’erogazione elastica devono utilizzare angoli d’incrocio ridotti. In entrambi i casi, comunque, agli ingegneri tocca raggiungere un compromesso perché stabilito il diagramma di distribuzione, il valore d’incrocio è fisso.Belle ideeLa distribuzione ideale dovrebbe essere completamente scollegata dall’albero motore e per ogni condizione poter decidere quanto e per quanto tempo aprire ogni singola valvola. Motori del genere (chiamati camless: senza camme) sono stati progettati e in parte anche realizzati nel mondo auto, utilizzando degli attuatori a controllo elettronico per movimentare le valvole, ma al momento non sono ancora riusciti ad essere prodotti su larga scala a causa degli elevati costi e della minore affidabilità rispetto a un sistema tradizionale. L’alternativa più semplice e realizzabile è la fasatura variabile.Storicamente introdotta da Alfa Romeo nei primi anni ’80, la fasatura variabile è un sistema che permette di aumentare o diminuire l’incrocio a seconda delle esigenze. Come? Gli ingegneri negli anni si sono sbizzarriti, con il risultato che ogni azienda oggi ha un sistema con un nome e un principio di funzionamento diverso. Alcuni sistemi hanno due camme per ogni valvola, altri ancora grazie a una puleggia ruotano uno dei due assi a camme per cambiare l’angolo d’incrocio. Ognuno di questi sistemi merita un’adeguata spiegazione: ecco perché abbiamo selezionato gli attuali sistemi di fasatura variabile e li abbiamo descritti uno a uno, classificandoli in ordine alfabetico: buona lettura.BMW ShiftCamL’ultimo arrivato in ordine cronologico è anche il primo dell’alfabeto: è il sistema BMW ShiftCam, montato sul nuovo bicilindrico Boxer da 1254 cc che equipaggia al momento la R 1250 GS (e la sorella Adventure) e il 4 cilindri della S 1000 RR 2019 e che agisce sulle sole valvole di aspirazione. Per sapere quali sensazioni regali al pilota vi rimandiamo alle prove di Stefano (GS) e di Marco (GS Adventure): qui invece analizziamo la tecnica.Il principio su cui si sono basati gli ingegneri di Monaco è stato quello di ottimizzare la combustione in qualunque condizione di regime ma soprattutto di carico. I sistemi variabili classici attuano il cambio fase solo in funzione del regime del motore, senza tenere conto invece di quelli che BMW chiama i rider wishes (“voleri del pilota”), ovvero quanto carico il pilota fornisce al motore attraverso la manopola del gas. La motivazione è semplice ma a quanto pare non scontata (dato che sono gli unici a farlo): con il metodo classico si migliora la combustione solo in condizioni di pieno carico (ossia a gas tutto aperto), senza ottimizzare i carichi parziali che costituiscono il 99,9% della guida stradale (anche quella più sportiva). Perciò, ecco l’idea: la centralina utilizza la camma soft o quella più spinta sulla base della coppia di valori regime/percentuale di carico, ottimizzando così la combustione in qualunque condizione di guida. E c’è di più: le camme soft hanno un profilo diverso l’una dall’altra (solitamente invece sono identiche), generando quindi fasature e alzate differenti. Così migliora il mescolamento della miscela all’interno della camera e la combustione è ancora più omogenea (senza addentrarci oltre, una miscela omogenea e ben distribuita aumenta molto il rendimento del motore: crescono le prestazioni, calano i consumi).
Il meccanismo del cambio fase è concettualmente semplice, meno la sua spiegazione: all’estremità degli assi a camme c’è una vite senza fine. Sotto questa è nascosto un perno che all’occorrenza s’inserisce nel filetto. La vite gira, si avvita sul perno e fa traslare tutto l’asse. Confusi? Il video qui sotto potrebbe chiarirvi le idee…https://www.youtube.com/watch?v=C8IqAjSWGPE Ducati DVTIl sistema Ducati si chiama DVT (Desmodromic Valve Timing) e lavora sull’iconica distribuzione desmodromica, credo religioso per tutti i ducatisti DOC, che in alcuni casi arrivano addirittura a tatuarsela sul corpo. Oggi lo utilizzano Multistrada 1260, XDiavel e la nuova Diavel 1260 ed è stato una rivoluzione: grazie a due variatori di fase per ogni cilindro (uno attivo in aspirazione, l’altro sullo scarico: è la prima moto ad agire su entrambi gli assi) l’incrocio può variare da un minimo di quasi 0° (ideale per le basse andature e per rientrare nei limiti delle normative sull’inquinamento) fino a un massimo di oltre 45°.Meccanicamente parlando, ciascun variatore è un guscio composto da due rotori: il primo prende il moto direttamente dalla puleggia di distribuzione e lo trasmette al secondo, più interno, che però può ruotare rispetto al primo e quindi aumentare o diminuire l’incrocio perché movimenta l’asse a camme. Questo sfalsamento tra i due rotori è attuato da un circuito idraulico che sfrutta l’olio motore: all’aumentare del regime aumenta anche la pressione dell’olio, che grazie a canali appositi (e controllati elettronicamente) spinge letteralmente il rotore interno, che ruota e genera sfalsamento. Il risultato? I valori assoluti di alzata e fasatura non cambiano, perché i profili delle camme restano identici, ma l’incrocio aumenta progressivamente all’aumentare del regime e al pilota non arriva mai una sensazione di “cambio fase”. Anche in questo caso, un’occhiata al video tecnico può chiarire parecchi dubbi. https://www.youtube.com/watch?v=Xf9tT2TIJaI Honda VTECIl nome VTEC ha fatto sognare milioni di appassionati di auto sportive dagli anni 90 in poi. Considerato questo successo planetario, Honda (che è stata tra le prime aziende a implementare la tecnologia della distribuzione variabile) ha pensato di utilizzare il VTEC anche sulle moto (la prima ad adottarlo è stata la VFR del 2002), non riuscendo mai però a far troppa breccia nel cuore dei motociclisti. Il motivo? Il cambio fase (che in realtà è un vero e proprio cambio di distribuzione, da due a quattro valvole per cilindro) avveniva troppo bruscamente. Anno dopo anno, i tecnici Honda sono riusciti ad addolcire questo “passaggio” da due a quattro valvole, che tuttavia è sempre rimasto evidente.
Il sistema è abbastanza semplice e diverso dal sistema VTEC utilizzato sulle auto: ai regimi più bassi lavorano solo due valvole, una in aspirazione, una in scarico. Oltre i 6.500 giri però un sistema idraulico spinge due perni che attivano la seconda punteria (è l’organo meccanico interposto tra la valvola e la camma: in questo caso, sotto la zona VTEC gira a vuoto), che in questo modo movimenta l’altra valvola. In questo caso la combustione viene ottimizzata prendendo in considerazione solo il regime del motore e non viene modificato il valore d’incrocio ma addirittura la portata di miscela in entrata e in uscita. Questo è uno dei motivi per cui il passaggio da un tipo di distribuzione all’altro è ben avvertibile da parte del pilota, anche nelle versioni più moderne e addolcite nell’erogazione.Suzuki SR-VVTSuzuki è stata la prima azienda a utilizzare la fasatura variabile su un motore sportivo come il 4 cilindri della GSX-R1000, ed è per questo che il loro sistema doveva necessariamente essere semplice e leggero. Si chiama SR-VVT (Suzuki Racing Variable Valve Timing System) e agisce sulle valvole di aspirazione: è ad attivazione puramente meccanica ed è l’unico della lista a non richiedere l’intervento della centralina o di un circuito elettroidraulico. Il risultato che ottiene è simile al sistema DVT di Ducati (cambia l’incrocio, non il profilo delle camme), ma in modo differente.Tra l’asse a camme e la puleggia è interposto un guscio composto da due ruote dentate, la prima con canali radiali, la seconda con canali a spirale. Il moto viene trasferito da una ruota dentata all’altra attraverso delle sfere metalliche, posizionate tra le due ruote dentate all’interno dei canali e tenute in sede da un sistema a molle. All’aumentare del regime le sfere vincono la forza delle molle per l’effetto della forza centrifuga (è lo stesso principio con cui funziona il variatore sugli scooter o il cambio CVT) e vengono spinte verso l’esterno dei canali: così si genera uno sfalsamento tra le due ruote dentate (e quindi aumenta l’incrocio perché si posticipa l’apertura della valvola). Se il regime diminuisce, invece, il sistema a molla riporta le sfere nella sede originale e le due ruote dentate tornano in fase.Per come funziona il sistema, non c’è mai un momento preciso di cambio fase perché l’incrocio aumenta progressivamente dal minimo e fino al limitatore. Progressiva è anche la sensazione che arriva al pilota, che può contare su un’erogazione estremamente lineare: dolce ai bassi regimi, esplosiva agli alti. Il video qui sotto comunque chiarirà la spiegazione. https://www.youtube.com/watch?v=VofnlSAith0 Yamaha VVAAll’azienda di Iwata va il merito di aver introdotto la tecnologia della fasatura variabile (qui chiamata Yamaha VVA: Variable Valve Actuation) nel mondo dei mezzi a variatore: l’hanno fatto prima con lo scooter NMax per poi equipaggiare anche il Tricity e, infine, la nuova YZF-R125, prima moto 125 a poter vantare questo tipo di distribuzione. Il loro sistema, che agisce su una distribuzione monoalbero (un solo asse a camme movimenta le valvole di aspirazione e scarico) è semplice ma geniale. Le due valvole di aspirazione sono comandate da due camme dal profilo differente e attenzione: ciascuna camma comanda entrambe le valvole, ma in momenti diversi. La prima camma è disegnata per ottimizzare la combustione fino a 6.000 giri, mentre la seconda, che interviene grazie a un perno attuato da un solenoide, è pensata per i regimi più elevati e modifica sia l’alzata sia la fasatura delle valvole di aspirazione.
Tra l’altro, nel caso di uno scooter, il carico (l’apertura dell’acceleratore) e il regime sono strettamente correlati per via del variatore: più si accelera, più il regime è alto, anche a bassa velocità. In questo modo la combustione viene ottimizzata non solo in base al regime ma anche in base al carico imposto. Date un’occhiata al video qui sotto e tutto vi apparirà più chiaro. https://www.youtube.com/watch?v=_jlUqdueytU
