Il cuore pulsante di ogni motore a combustione interna risiede nella sua capacità di orchestrare con precisione l'afflusso di aria e carburante e l'espulsione dei gas di scarico. Questo delicato equilibrio è gestito dalla distribuzione, un sistema meccanico composto da valvole e alberi a camme, che stabilisce il "respiro" del motore regolando l'apertura e la chiusura dei condotti. L'albero a camme a fasatura variabile, come quello presente sulla Renault Clio 182, rappresenta una delle innovazioni più significative in questo campo, consentendo di ottimizzare dinamicamente le prestazioni e l'efficienza del propulsore in funzione del regime di rotazione.
Cos'è l'Albero a Camme e la Fasatura delle Valvole
L'albero a camme è un elemento metallico rotante sul quale sono ricavate una o più protuberanze eccentriche, o lobi, per ogni cilindro del motore. Queste camme, grazie alla loro forma specifica, agiscono come il direttore d'orchestra del meccanismo valvolare, sollevando i bilancieri, le punterie o le valvole a intervalli precisi durante la rotazione dell'albero. Il nome "albero a camme" deriva dal francese antico "came", a sua volta dal neerlandese "kamm", che significa "pettine", in quanto le camme ricordano i denti di un pettine disposti lungo l'asse. Questo nome descrive perfettamente la funzione del componente: "pettinare", ovvero orchestrare con precisione, l'apertura e la chiusura delle valvole del motore.
La fasatura in campo motoristico si definisce come il momento in cui si realizzano l'apertura e la chiusura delle valvole di aspirazione e scarico, rispetto a una posizione definita dell'albero motore e del pistone. Le valvole permettono l'introduzione di carica fresca (miscela aria-benzina per il ciclo Otto, solo aria per il Diesel) all'interno del cilindro e l'espulsione dei gas di scarico dopo la combustione. Esse sono azionate da uno o più alberi a camme, collegati all'albero motore tramite ingranaggi, cinghie o catene. La fasatura di una valvola viene normalmente definita da due valori: l'angolo di anticipo (o ritardo) di apertura rispetto al Punto Morto Inferiore (PMI) e l'angolo di anticipo (o ritardo) di chiusura rispetto al Punto Morto Superiore (PMS). 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.
Immaginando di vedere ruotare l'albero motore come le lancette di un orologio, nella rotazione dell'albero a gomiti il PMS del pistone corrisponde alle ore 12 e il PMI alle ore 6. Durante la corsa "verso l'alto" del pistone, una valvola di aspirazione comincia ad aprirsi tipicamente 10°-20° prima del PMS, e termina la fase di chiusura circa 30°-40° dopo il PMI; una valvola di scarico, invece, comincia ad aprirsi circa 30°-40° prima del PMI e si chiude 5°-10° dopo il PMS. I valori di fasatura identificano gli istanti in cui la valvola inizia il suo moto di apertura (da completamente chiusa) o chiusura (da completamente aperta), mentre la velocità con cui le valvole completano la propria corsa dipende dal profilo della camma che le aziona.
Il Punto Chiave: La Fase di Incrocio e i Limiti della Fasatura Fissa
Questa "danza" delle valvole si progetta attraverso il diagramma di distribuzione, con il quale gli ingegneri determinano il campo in cui le valvole di aspirazione e scarico restano aperte contemporaneamente. L'estensione di questo campo definisce l'angolo di incrocio, un parametro fondamentale da controllare per "fasare" la distribuzione di un motore. All'atto pratico, le valvole di aspirazione cominciano ad aprirsi prima che quelle di scarico siano completamente chiuse, realizzando così un effetto di "risucchio" che i gas combusti in uscita dal cilindro (con velocità oltre 300 m/s) esercitano sulla carica in ingresso, a favore del riempimento della camera di combustione. Questa "sovrapposizione" si chiama incrocio ed è piuttosto ampia nei motori che amano girare in alto; infatti, i motori da corsa, ottimizzati per le massime prestazioni, a volte non riescono neanche a tenere il minimo.
Consideriamo, ad esempio, la fase di immissione d'aria nel cilindro. L'apertura della valvola di aspirazione inizia al primo contatto con la camma e aumenta fino a raggiungere un massimo in corrispondenza di metà corsa del pistone. Questa posizione viene mantenuta per un certo angolo di rotazione dell'albero motore, permettendo l'ingresso della carica. Durante questo ciclo, però, si generano delle inefficienze, imputabili principalmente alle cosiddette "perdite per laminazione" che si presentano a valvola parzialmente aperta. Si tratta, in parole povere, della resistenza che il fluido incontra passando in una "strozzatura", che non esisterebbe se le camme fossero molto appuntite e azionassero così le valvole in maniera istantanea.
Lo stesso ragionamento può essere esteso alla valvola di scarico e può aiutare a capire quale concetto stia dietro alla definizione della fasatura di un motore: il criterio fondamentale di progettazione risiede infatti nell'esigenza di far convivere due aspetti contrastanti. Da un lato, l'ampio range di utilizzo del motore richiederebbe valvole capaci di "lavorare" al meglio in diverse posizioni della propria corsa; d'altro canto si intuisce come il sistema funzioni bene solo in determinate condizioni. Tenendo conto di questo limite, la distribuzione a fasatura fissa definisce univocamente il carattere che si vuol dare al propulsore, al cui interno il flusso d'aria entrante in camera di combustione cambia al variare del regime di rotazione. I motori sportivi prediligeranno così gli alti giri e avranno pertanto una fasatura molto "spinta", con un elevato angolo di incrocio: ne guadagnerà la potenza massima, a scapito di guidabilità e coppia ai bassi regimi. I propulsori più "turistici" soffriranno invece del problema opposto: sono queste le considerazioni che hanno portato i motoristi a concepire la fasatura variabile.
Car Tech 101: spiegazione della fasatura variabile delle valvole
L'Introduzione della Fasatura Variabile: Dalla Clio 182 alle Moderne Applicazioni
La distribuzione a fasatura variabile nei motori a combustione interna consente di modificare dinamicamente il momento di apertura e chiusura delle valvole che permettono l'aspirazione della miscela e la fuoriuscita dei gas di scarico, in funzione del regime del motore. Il sistema agisce regolando la posizione dell'albero a camme rispetto all'albero motore, ottimizzando così il riempimento della camera di combustione con la miscela aria-benzina e la combustione stessa. Tale azione, andando ad ottimizzare il rendimento della combustione, porta a significativi miglioramenti in termini di performance: più coppia ai bassi regimi, erogazione più fluida e minor consumo di carburante.
La fasatura variabile delle valvole trova la sua prima applicazione su un'automobile di serie nel 1980, l'Alfa Romeo Spider 1750 destinata al mercato americano. L'obiettivo era quello di rispettare le severe limitazioni sulle emissioni inquinanti, mantenendo alti i valori di coppia e potenza del bialbero sul più ampio campo di utilizzo possibile. La variazione di fase era realizzata dallo spostamento assiale di un manicotto lungo l'albero a camme, che modificava così la sua rotazione. Da allora, molti Costruttori hanno sviluppato dispositivi analoghi, battezzati ognuno con un nome diverso: possiamo citare il VTEC Honda, il VVT Toyota, l'i Vanos e il Valvetronic BMW, il VarioCam Porsche, fino ad arrivare al più recente MultiAir Fiat. Le soluzioni tecniche adottate spaziano dalle architetture più semplici, con due configurazioni specifiche per bassi e alti regimi, a quelle più complesse, capaci di variare la fasatura in maniera continua lungo tutto l'arco di utilizzo del motore.
Evoluzione dei Sistemi di Fasatura Variabile: Dal VTEC al Multiair
Il brevetto Honda fu denominato VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) e debuttò nel 1989 sulla Integra. L'idea fu quella di prevedere due diversi profili per il controllo delle valvole di aspirazione (due per cilindro), uno per i regimi medio-bassi, l'altro per gli alti, comandati idraulicamente da tre camme e due bilancieri (due esterni, uno centrale). Ai bassi regimi le valvole venivano azionate dai bilancieri esterni, mentre una camma dal profilo più spinto muoveva il bilanciere centrale oltre un certo regime del motore. A differenza della soluzione Alfa Romeo, quindi, il VTEC Honda poteva disporre di due leggi di fasatura ("turistica" e "sportiva"), diverse tra loro per durata e alzata delle valvole. In questo modo Honda lanciò sul mercato i primi motori aspirati capaci di potenze specifiche di 100 CV/litro, pur mantenendo una buona guidabilità ai regimi più "umani".
Il superamento del principale limite del VTEC (il brusco e poco gestibile cambiamento di erogazione tra una fasatura e l'altra) fu il leitmotiv che caratterizzò le realizzazioni successive, tutte orientate a far variare la fasatura in maniera continua: nacquero il Toyota VVT e il BMW iVanos. Ferrari introdusse gli alberi a camme con profilo variabile lungo la lunghezza del lobo, che traslavano assialmente per ottenere diagrammi di distribuzione differenti.
Il passo successivo fu la realizzazione dell'ampiezza variabile dell'alzata valvola. Il principale vantaggio di questo step evolutivo è stato quello di eliminare le perdite di pompaggio generate della laminazione indotta dalla valvola a farfalla. In altre parole, con questa soluzione il pedale del gas controlla direttamente le valvole di aspirazione. Primo esempio di tale tecnologia è stato il Valvetronic BMW, introdotto nel 2001, che interpone dei bilancieri tra la valvola e l'albero a camme, azionandoli con un motore elettrico. Il movimento dei bilancieri permette di variare l'alzata delle due valvole di aspirazione per cilindro in maniera indipendente, a prescindere dal regime di rotazione e dal "carico" del motore. La diretta evoluzione dell'idea BMW è stato il sistema elettro-idraulico Fiat Multiair, presentato nel 2009.
Il Multiair e il Futuro "Camless"
La soluzione Fiat Multiair conserva l'albero a camme lato scarico "tradizionale", dotato di un'ulteriore camma meccanica che agisce su un solenoide di tipo on/off. Il volume d'olio che viene così movimentato può azionare le valvole di aspirazione, oppure defluire in un serbatoio, a seconda delle condizioni di funzionamento del propulsore. 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 (al pari di un sistema tradizionale); quando la valvola on/off commuta, invece, l'olio defluisce nel serbatoio e la valvola stessa si chiude per effetto della forza della molla di richiamo.
È così dunque che si può modificare la fasatura a seconda del "carico motore": ad esempio, per ottenere le massime prestazioni, la valvola a solenoide rimane sempre chiusa e la piena apertura delle valvole è realizzata seguendo il profilo della camma meccanica; a basso regime, viceversa, si può ritardare l'apertura delle valvole di aspirazione posticipando la chiusura della valvola on/off. È possibile poi realizzare una apertura multipla durante lo stesso ciclo attraverso successivi azionamenti del solenoide. Come per il Valvetronic BMW, pertanto, la valvola a farfalla per la regolazione della quantità d'aria immessa non è più necessaria, ma è ancora presente per particolari condizioni di funzionamento "a freddo" del motore e come recovery solution in caso di malfunzionamenti. Il sistema Multiair è piuttosto radicale, creato da FCA in collaborazione con Schaeffler e arrivato alla sua terza versione, attualmente adottata sui motori Firefly 4 cilindri per l'Europa e gli USA.
Nonostante i grandi progressi della tecnologia, i sistemi che abbiamo illustrato mantengono sempre, chi più chi meno, un certo legame "fisico" con l'albero motore (c'è sempre una trasmissione tra albero a camme e albero motore), ragion per cui la variabilità della fasatura può avvenire solo entro certi limiti. Tra le sfide più affascinanti per i motoristi, ci sarà la realizzazione di sistemi completamente svincolati da altri organi mobili, in grado di gestire con assoluta indipendenza - apertura, chiusura, durata - tutte le fasi che regolano il moto delle valvole. Da alcuni anni, girano sui banchi prova delle Case prototipi di motori in cui le valvole si muovono sotto le forze di un campo magnetico (distribuzione camless), generato da solenoidi supervisionati da una ECU (Electronic Control Unit): si ottengono così infiniti diagrammi di distribuzione. Risolti gli alti consumi energetici attualmente riscontrabili, il limite risiede nella scarsa affidabilità raggiunta: il mancato azionamento dei solenoidi, infatti, lascia libera la valvola di impattare contro il pistone.
L'Albero a Camme in Testa: SOHC e DOHC
L'albero a camme, essendo un elemento cruciale dei motori termici, è posizionato in modi diversi a seconda dell'architettura del motore. Le camme possono agire direttamente sulle valvole, tramite i bicchierini, oppure spingere i bilancieri, piccole leve che hanno un'estremità vincolata mentre l'altra muove la valvola. Questo posizionamento ha il sostanziale vantaggio, rispetto all'albero a camme nel basamento, di non aver bisogno delle aste (pushrod) che portano il movimento delle camme fino alla testata. Le aste sono infatti pesanti e non consentono elevati regimi di rotazione perché a un certo punto la loro inerzia impedisce di seguire il profilo delle camme.
I motori più semplici utilizzano un solo albero a camme in testa (SOHC - Single OverHead Camshaft), anche se ormai è prassi usarne due, uno per le valvole di aspirazione e l'altro per quelle di scarico (DOHC - Double OverHead Camshaft). L'albero a camme in testa, direttamente sopra le valvole, riduce la massa delle parti in movimento, consentendo regimi di rotazione del motore più elevati e una maggiore precisione nell'azionamento delle valvole. Nel caso del doppio albero a camme in testa, uno aziona le valvole di aspirazione e l'altro le valvole di scarico. I motori delle automobili sono praticamente tutti a 4 tempi e quindi le valvole devono muoversi ogni 2 giri perché le varie fasi - aspirazione, compressione, scoppio e scarico - si sviluppano in due rotazioni complete dell'albero motore. Le camme sono inserite in alberi che girano a una velocità che è la metà di quella dell'albero motore, dato che ogni ciclo si svolge in 2 giri.
L'Importanza dell'Olio Motore e del Sensore CMP
L'olio motore è di fondamentale importanza non solo per la lubrificazione, ma anche perché aziona molti componenti idraulici presenti nei sistemi di fasatura variabile, come il sistema Vanos di BMW e variatori di fase in altri motori. Variatori di fase, sempre più spesso presenti, ruotano di qualche grado l'albero a camme rispetto alla puleggia che lo fa girare: la variazione del diagramma della distribuzione che si ottiene migliora l'erogazione e i consumi.
L'avanzata dei controlli elettronici nei motori ha riguardato anche l'albero a camme, che ha "guadagnato" un sensore della sua posizione rispetto a quella dell'albero a gomiti. Il sensore dell'albero a camme (sensore CMP, Camshaft Position Sensor) si trova generalmente vicino alla testata del motore, in prossimità dell'albero a camme stesso. Tuttavia, la posizione esatta può variare significativamente a seconda della marca e del modello dell'auto. Può essere all'estremità della testata, lateralmente sulla testata, vicino alla puleggia dell'albero a camme o nel coperchio della distribuzione. Se questo sensore funziona male, probabilmente si accenderà una spia di avaria motore e il propulsore avrà un calo di potenza e un peggioramento nel consumo, ma anche il cambio automatico potrebbe manifestare incertezze.
Materiali e Segni di Usura
Gli alberi a camme sono sottoposti a sollecitazioni meccaniche significative e devono operare in un ambiente caldo e lubrificato: vengono realizzati con materiali di alta qualità, come acciaio forgiato o ghisa speciale. Le camme vengono periodicamente in contatto con i bicchierini o con i bilancieri e questo porta a una certa usura.
Una certa usura è comunque ineliminabile e, se è tale da alterare la fasatura, si manifesta con perdita di potenza, scoppiettii allo scarico e nel collettore di aspirazione, particelle metalliche nell'olio e mancate accensioni in uno o più cilindri. Il rumore del motore insolito, come un ticchettio metallico, un battito o un rumore di sferragliamento proveniente dalla parte superiore del motore, può essere un altro segnale di problemi all'albero a camme.
Esempi di Sistemi di Fasatura Variabile in Diverse Case Automobilistiche e Motociclistiche
La tecnologia di fasatura variabile è stata adottata e sviluppata da numerosi produttori, ognuno con le proprie interpretazioni e innovazioni.
Harley-Davidson: Ha da poco introdotto questa tecnologia, già vista sui modelli CVO, anche sulle Street Glide Limited e Road Glide Limited. Il sistema lavora con una rotazione massima di 40 gradi dell'albero motore, equivalenti a 20 gradi dell'albero a camme, consentendo un controllo preciso della sovrapposizione delle valvole. Il risultato è un migliore afflusso di miscela aria-carburante, che si traduce in una coppia più piena soprattutto ai bassi regimi. I valori massimi restano invariati: 109 CV di potenza a 5.020 giri e 175 Nm di coppia a 3.500 giri, ma la curva di coppia risulta più regolare e sfruttabile. Rispetto ad altri costruttori che utilizzano distribuzioni a fasatura variabile, la tecnologia impiegata dalla Casa americana risulta relativamente semplice. Dal punto di vista estetico, non ci sono cambiamenti per i modelli Street e Road Glide, che mantengono i loro segni distintivi, ovvero la carenatura batwing montata sul manubrio per la prima e la carena "a naso di squalo" fissata al telaio per la seconda. Le differenze emergono alla guida, con una risposta dell'acceleratore più pronta e una sensazione di maggiore corposità del motore già ai primi metri.
BMW (motociclistico): È quella che ha sviluppato il sistema di fasatura variabile più evoluto nel panorama motociclistico. La tecnologia ShiftCam combina la variazione della fasatura, quindi l'angolo, con la variazione dell'alzata delle valvole di aspirazione. L'albero a camme è composto da più elementi e presenta due profili di camma differenti: uno ottimizzato per i bassi e medi regimi, l'altro per gli alti regimi. Un attuatore comandato elettronicamente sposta assialmente l'albero a camme, facendo lavorare alternativamente uno dei due profili. Inoltre, i lobi non sono simmetrici: una valvola si apre leggermente prima dell'altra, migliorando l'afflusso della miscela nella camera di combustione.
Ducati: Ha una lunga storia con la fasatura variabile. Nel 2015 ha introdotto il sistema DVT (Desmodromic Variable Timing) sul motore Testastretta, controllando idraulicamente sia l'albero a camme di aspirazione sia quello di scarico. Questo consentiva un'ampia regolazione della fasatura e della sovrapposizione delle valvole, migliorando coppia, fluidità e consumi. Con il nuovo motore V2 di 890 cm³ (che equipaggia Monster, Multistrada V2, Panigale V2 e Streetfighter V2, anche in versione S), la Casa bolognese ha però cambiato strategia: il sistema IVT (Intake Variable Timing) agisce solo sull'albero a camme di aspirazione, tramite un attuatore elettrico.
KTM: Il sistema Cam-Shift di KTM è concettualmente simile allo ShiftCam di BMW. Questa tecnologia viene utilizzata sull'ultima evoluzione del bicilindrico a V di 1.350 cm³ e prevede un albero a camme di aspirazione con due profili distinti. A seconda del regime e delle condizioni di utilizzo, un attuatore sposta assialmente una sezione dell'albero a camme, modificando il profilo che aziona le valvole. In questo modo si ottiene, a detta degli ingegneri austriaci, una risposta più dolce e corposa ai bassi regimi, senza rinunciare a prestazioni elevate quando il motore sale di giri. Anche in questo caso, oltre alla fasatura, viene influenzata indirettamente l'alzata delle valvole.
Suzuki: Ha adottato già diversi anni fa una soluzione più semplice e compatta, che fece il suo debutto sulla supersportiva GSX-R 1000 R m.y 2017. Il sistema utilizza la pressione dell'olio motore per ruotare l'albero a camme di aspirazione rispetto all'albero motore. In questo modo vengono modificati la fasatura e la sovrapposizione delle valvole in funzione del regime. Il vantaggio di questo approccio è la ridotta complessità meccanica, unita a un significativo miglioramento della coppia, che raggiunge valori notevoli per un motore di 999 cm³.
Yamaha: Utilizza la tecnologia VVA (Variable Valve Actuation), attualmente applicata soprattutto ai motori monocilindrici di piccola cilindrata. Il sistema prevede due profili di camma differenti sull'albero a camme di aspirazione: uno pensato per i bassi regimi, l'altro per gli alti. A differenza di BMW e KTM, Yamaha non sposta l'albero a camme, ma interviene sui bilancieri che azionano le valvole. Un meccanismo dedicato seleziona quale profilo di camma viene effettivamente utilizzato. Questa soluzione consente di migliorare l'erogazione su tutto l'arco di utilizzo del motore, mantenendo costi e ingombri contenuti. L'idea era quella di combinare i vantaggi di un motore a due valvole per cilindro ai bassi regimi con quelli di un quattro valvole agli alti. Fino a circa 6.800 giri/min, solo due valvole per cilindro venivano azionate. Superata questa soglia, il sistema attivava anche le altre due.