La fasatura della distribuzione è un parametro cruciale nel funzionamento di un motore a combustione interna, determinando i tempi esatti di apertura e chiusura delle valvole di aspirazione e scarico. Questo processo, che influenza direttamente la "respirazione" del motore, è fondamentale per ottimizzare prestazioni, consumi ed emissioni. In particolare, per quanto riguarda Volkswagen e i suoi moderni propulsori, la gestione dell'angolo di fasatura ha assunto un ruolo sempre più centrale, specialmente in relazione alle stringenti normative antinquinamento.
Comprendere la Fasatura: Le Basi della Distribuzione
Con il termine "distribuzione" si intende l'insieme degli organi meccanici che permettono al motore di respirare la miscela di aria/benzina ed espellerla alla fine del ciclo di combustione sotto forma di gas. Le valvole, azionate da uno o più alberi a camme, consentono 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. Le camme hanno un profilo eccentrico e sono inserite in alberi che girano a una velocità che è la metà di quella dell'albero motore, dato che ogni ciclo - aspirazione/compressione/scoppio/scarico - si svolge in due giri. I due parametri che le camme determinano sono l'alzata e la fasatura: in base al loro profilo, infatti, le valvole si muovono per una certa quantità di spazio (alzata, espressa in millimetri) e per un definito periodo di tempo (fasatura, espressa in gradi di rotazione dell'albero motore).
La fasatura di una valvola viene normalmente 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. 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, infine, 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 Cuore della Fasatura: L'Angolo di Incrocio
Questa "danza" 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: la sua estensione definisce l'angolo di incrocio, che è il parametro fondamentale da controllare per "fasare" la distribuzione di un motore. 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. All'atto pratico, quindi, 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 (velocità: oltre 300 m/s) esercitano sulla carica in ingresso, a favore del riempimento della camera di combustione.
Un parametro fondamentale per gli ingegneri motoristi è l'incrocio, periodo 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). Riassumendo in maniera 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 utilizzano incroci ridotti. Per fare un paio di esempi, nelle moto da corsa si va ben oltre i 50°, nel caso di motori stradali si può arrivare quasi a 0°. Come si vede da entrambi i diagrammi, la fasatura delle valvole determina un certo angolo d'incrocio.
I Limiti della Fasatura Fissa
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 prediliranno 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.
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La Fasatura Variabile: La Soluzione ai Compromessi
La fasatura variabile è quindi la chiave per avere propulsori potenti e nello stesso tempo "trattabili". 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. Il "carattere" di un motore dipende molto da come, quanto e quando si muovono le valvole.
Una distribuzione ideale dovrebbe essere completamente scollegata dall'albero motore e per ogni esigenza poter decidere il miglior valore d'incrocio. Così, si potrebbero ottenere altissimi valori di potenza specifica, grande elasticità e consumi irrisori in base a quello che il pilota richiede. L'alternativa più semplice e realizzabile è la fasatura variabile, un sistema che permette di aumentare o diminuire l'incrocio a seconda delle esigenze. Alcuni sistemi hanno due camme per ogni valvola, una più piccola e l'altra più grande, e in base alle esigenze (quindi a seconda del regime o del grado di rotazione dell'acceleratore) viene utilizzata l'una o l'altra camma. È il caso, per esempio, dei sistemi Honda e BMW. L'attivazione di questi sistemi è elettronica: è la centralina a decidere se utilizzare la camma più spinta o quella più soft.
Altri sistemi, grazie a una puleggia, ruotano l'asse a camme di aspirazione per creare uno sfalsamento maggiore (o minore) con quello di scarico e di conseguenza aumentare o diminuire l'incrocio. È il caso di Ducati e anche qui è la centralina a regolare tutto. Attualmente, l'unico sistema ad attivazione puramente meccanica (e quindi più leggero) è quello di Suzuki, utilizzato sulla GSX-R1000, che grazie a un sistema con due ruote dentate genera uno sfalsamento tra i due assi a camme, come il sistema Ducati. Con qualunque sistema, comunque, il risultato è il medesimo: erogazione estremamente generosa ai bassi regimi ed esplosiva agli alti.
Sviluppi Storici e Tecnologici della Fasatura Variabile
Il sistema di 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.
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 (brusco e poco gestibile il 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 dalla 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.
L'olio motore è quindi importante perché aziona tutti questi componenti idraulici ed è anche usato nel sistema Vanos e in tanti altri.
L'Innovazione Multiair di FCA e le Soluzioni Volkswagen
La diretta evoluzione dell'idea BMW è stato il sistema elettro-idraulico Fiat Multiair, presentato nel 2009. La soluzione Fiat 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 un'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 Porche è piuttosto raffinato, dato che implementa sia la fasatura variabile sia alzate differenti delle valvole, ma inizialmente i sistemi non erano così raffinati. In pratica ci si è focalizzati sulla fasatura variabile ottenuta con rotazioni relative degli alberi a camme rispetto alle ruote che li trascinano e che sono sincronizzate con l'albero motore. Ancora più radicale è il sistema Multiair, 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.
A partire dal 2016, è stata introdotta la gamma EA211 EVO con motori 1,0 e 1,5 per aderire, inizialmente, alle normative EURO 6D Temp e poi alle attuali EURO 6. Le normative antinquinamento di omologazione del veicolo impongono che il motore funzioni sempre entro certi parametri di combustione ben stabiliti, con una tolleranza molto bassa.
La Messa in Fase in Volkswagen e l'Importanza della Precisione
Volkswagen afferma che la cinghia è esente da manutenzione, ma il costruttore dichiara anche che la cinghia va invece sostituita in caso di uso gravoso della vettura, per fare un esempio nell'impiego in circuiti cittadini che corrisponde, quindi, alla situazione di migliaia di veicoli. La messa in fase è una procedura delicata che richiede precisione. Se la messa in fase viene fatta solo meccanicamente, senza usare la strumentazione adeguata, inizialmente il motore funziona in maniera regolare, senza mostrare alcun problema. Ma sarà facile che il cliente, dopo 500 - 600 chilometri percorsi, tornerà in officina con la spia MIL accesa e con il motore in funzionamento di protezione. Con una distribuzione non perfettamente in fase, seppur di poco, la centralina iniezione adatta la carburazione ma rapidamente finisce con l'andare oltre i limiti imposti, come detto molto stretti.
Brevemente, per eseguire una messa in fase senza tacche, occorre sapere il calettamento, cioè quanti gradi dopo il PMS si verifica la massima alzata della valvola di aspirazione e quanti gradi prima del PMS nel caso della valvola di scarico. È semplice, ti serve oltre al goniometro anche un comparatore, con il quale individui il PMS, dopo di che posizioni l'albero a camme alla massima alzata e sposti di tot gradi l'albero motore. Il calettamento si calcola prendendo la durata dell'aspirazione (nel caso dell'aspirazione) dividendo per due e sottraendo l'anticipo di apertura dell'aspirazione, quindi: (280 : 2) - 28 = 140 - 28 = 112°. Abbiamo il punto di massima alzata a 112° dopo il PMS!
Per la misurazione della fasatura, per i motori a benzina il goniometro si mette sull'albero motore e il comparatore si mette al posto della candela nel primo cilindro. Per i motori diesel, la procedura sarà simile, ma il punto di riferimento del comparatore sarà adattato.
Per una messa in fase precisa, si deve allineare la tacca sulla puleggia albero motore con quella sul basamento (pistone 1° cilindro al PMS), inserendo poi un perno di blocco nell'apposito foro (chiuso da una vite) vicino alla pompa dell'olio. Ora si deve reinserire il perno di blocco e portare di nuovo l'albero motore a battuta. Leggendo sul software gli angoli degli alberi a camme, difficilmente si avranno i valori costruttivi. Per fare ciò, rimuovere il coperchio dei due alberi a camme, con l'apposito attrezzo bloccare le pulegge ed allentarne poi le viti di serraggio. Infatti, per rientrare nella tolleranza voluta dal costruttore, si ruoti a mano (o con l'aiuto di una chiave esagonale) una alla volta ciascuno degli alberi, osservandone la posizione sul monitor. Per controllo, ruotare l'albero motore di due giri in senso orario.
Esempi di Sistemi di Fasatura Variabile in Diverse Marche
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. Le differenze emergono alla guida, con una risposta dell'acceleratore più pronta e una sensazione di maggiore corposità del motore già ai primi metri. Rispetto agli altri costruttori che, come H-D, utilizzano distribuzioni a fasatura variabile, la tecnologia impiegata dalla Casa americana risulta relativamente semplice.
BMW: 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, 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.
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Tipi di Fasatura Variabile e Loro Obiettivi
Il diagramma di fasatura della distribuzione è un parametro che non necessariamente deve rimanere quello di serie. La variazione può essere casuale o voluta. Casuale in caso di errato montaggio degli organi di distribuzione.
Anticipare l'apertura della valvola di scarico significa agevolare l'evacuazione dei gas, il che rende il motore più disposto agli alti giri. Un'apertura ritardata della valvola di scarico rende più disponibile il motore ai bassi regimi. Un'apertura troppo anticipata della valvola di aspirazione fa sì che i gas freschi vengano ostacolati dai gas combusti ancora presenti e questo impedisce un corretto riempimento soprattutto ai bassi regimi. Questa è la parte più importante di tutta la fasatura. L'angolo di chiusura stabilisce il numero di giri al quale avviene il miglior riempimento.
Un motore a fasatura variabile ha uno schema di distribuzione che varia al variare dei regimi. Generalmente si utilizzano degli ausili idraulici o speciali alberi a camme che in determinate condizioni o modificano la fasatura o il numero di valvole che lavorano, consentendo di ottimizzare le prestazioni e i consumi (riducendo quindi anche l'inquinamento).
- EIVC (early intake valve closing): sistema che mira a ridurre le perdite per pompaggio anticipando la chiusura della valvola di aspirazione al calare del carico.
- LEVC (late exhaust valve closing): sistema analogo all'EIVC che mira alla regolazione del carico ma che in questo caso, invece che ridurre solamente la massa di aria chiudendo anticipatamente la valvola, va a riempire parte del cilindro con gas combusti della combustione precedente (EGR) riducendo la carica di aria fresca aspirabile.
Verso il Futuro: Il Sistema "Camless"
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.
La fasatura d'aspirazione e di scarico non sono simmetriche. La misurazione della fasatura può essere necessaria per controllare il corretto sincronismo della distribuzione, dell'usura delle camme e dell'appropriatezza delle stesse per determinati utilizzi.
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