Il ciclo operativo teorico di un motore a quattro tempi comprende la fase di aspirazione, la fase di compressione, la fase di combustione ed espansione e la fase di scarico. Per ragioni di semplicità, si utilizza lo stesso ciclo teorico per tutti i motori automobilistici. Tuttavia, per far sì che ogni cilindro si riempia e si svuoti dei gas nel modo più efficiente possibile in ogni momento specifico (anche a regimi e carichi diversi), l'angolo a cui le valvole si aprono e si chiudono deve discostarsi dal ciclo teorico. Ed è qui che entrano in gioco il sistema VVT o a fasatura variabile della valvola e i solenoidi VVT. Continuate a leggere per scoprire il funzionamento e la geometria di questi importanti componenti.
Ritardo e inerzia
Come spiegato nell'introduzione, i tempi di apertura e chiusura della valvola devono differire leggermente dal ciclo teorico al fine di ottimizzare il processo di aspirazione e scarico dei gas dal cilindro. Tale processo è, a sua volta, influenzato sia dal ritardo e che dall'inerzia.
- Ritardo: le valvole non si aprono istantaneamente. Può essere necessaria una rotazione dell'albero motore di 20-30° affinché si aprano completamente. In assenza di azioni correttive, si verificherebbero ritardi sia nella fase di aspirazione che nella fase di scarico:
- se, nella fase di aspirazione, il pistone inizia la discesa e la valvola di aspirazione non è ancora aperta a causa del citato ritardo, si crea un vuoto all'interno del cilindro. Questo rende più difficile per il pistone iniziare la sua corsa di discesa e pertanto riduce le prestazioni del motore.
- Di conseguenza, se il pistone inizia la sua corsa di risalita nella fase di scarico e la valvola non è aperta a causa del ritardo, la pressione all'interno del cilindro respinge la risalita del pistone, riducendo anche in questo caso le prestazioni del motore.
- Inerzia: inoltre, quando una valvola si apre, i gas "esitano" un po' prima di iniziare a spostarsi. Anche questo fenomeno genera un piccolo ritardo all'inizio del processo (riempimento o svuotamento del cilindro).
Normale apertura della valvola in assenza di sistema VVT
Il seguente grafico mostra la geometria fissa di un veicolo senza sistema a fasatura variabile della valvola (sistema VVT) in cui il PMS si riferisce al punto morto superiore e il PMI al punto morto inferiore:
Diagramma della normale apertura della valvola in assenza di sistema VVT
- IVO o valvola di aspirazione aperta (in blu) Al fine di evitare ritardi e quindi permettere ai gas di aspirazione di entrare nel cilindro il più rapidamente possibile, la valvola di aspirazione si apre un po' prima che il pistone arrivi al PMS.
- IVC o valvola di aspirazione chiusa (in blu)
La valvola di aspirazione si chiude un po' dopo che il pistone ha superato il PMI. In questo modo, si approfitta dell'inerzia dei gas, ottimizzando così il processo di riempimento dei cilindri.
- EVO o valvola di scarico aperta (in arancione) Al termine della corsa di discesa, sebbene la pressione all'interno del cilindro sia diminuita poiché i gas hanno spinto il pistone verso il basso, per far sì che il pistone non incontri alcuna resistenza durante la sua corsa di risalita la valvola di scarico si apre prima che il pistone raggiunga il PMI.
- EVC o valvola di scarico chiusa (in arancione) Per garantire che tutti i gas combusti siano stati espulsi e che l'aria rimanente all'interno del cilindro sia completamente pulita, la chiusura della valvola di scarico viene ritardata un po'.
Come si può vedere nel diagramma, vi è una sovrapposizione (in verde): un breve istante in cui le valvole di aspirazione e di scarico sono aperte contemporaneamente.
Il sistema VVT o sistema a fasatura variabile
Il funzionamento del sistema VVT
Poiché la velocità dei motori automobilistici non è costante, il diagramma delle relative fasi dovrebbe idealmente variare di conseguenza. In altre parole: gli angoli di chiusura e di apertura della valvola dovrebbero adattarsi a valori che massimizzino i processi di svuotamento e riempimento del cilindro in base alla velocità del motore.
Il sistema VVT influisce sulla fasatura delle valvole con l'aiuto di uno sfasatore situato all'estremità dell'albero a camme. Questo dispositivo è azionato dalla centralina del motore per mezzo di un flusso di olio controllato dalla valvola solenoide.
I principali vantaggi di questo sistema sono:
- consumo di carburante ridotto
- aumento di coppia e potenza
- riduzione delle emissioni
Soprattutto sui motori a benzina
Il Sistema VVT fu introdotto su veicoli asiatici ed europei tra la fine degli anni 80 e l'inizio degli anni 90. A metà degli anni 2000 questo sistema divenne più diffuso e iniziò a essere utilizzato da tutte le principali case costruttrici. Oggigiorno, questo sistema viene normalmente installato sui motori a benzina (sebbene non su tutti), ma può anche trovarsi in alcuni motori diesel. Malgrado l'effettiva denominazione utilizzata per il sistema vari da casa a casa e sebbene possano esistere alcune piccole differenze, il principio di funzionamento è praticamente lo stesso:
- Honda: VTEC
- Toyota: VVT-i
- BMW: VANOS
- Ford: Ti-VCT
- Kia-Hyundai: CVVT
- Porsche: VARIO CAM
- VAG: TGV
- …
Valvola solenoide e altri componenti del sistema VVT
I componenti principali di un sistema a fasatura variabile della valvola sono:
I componenti principali di un sistema VVT
- ECU
- Sensori di giri
- Variatore di fase
- Alberi a camme
- Valvole solenoidi
- Tubo olio
Funzionamento del variatore di fase
Il variatore di fase adatta l'angolo a cui le valvole si aprono. Consiste nei seguenti componenti:
Componenti del variatore di fase
- Rotore interno: questo componente è fissato all'albero a camme.
- Alloggiamento esterno: questo componente è fissato al galoppino dentato della trasmissione.
- Gallerie: questi componenti sono attivamente riempiti di olio in una direzione o nell'altra delle pale del rotore interno. In questo modo il rotore interno ruota rispetto all'alloggiamento esterno, anticipando o ritardando i tempi di apertura delle valvole.
Ebbene, questo flusso di olio in una direzione o nell'altra delle gallerie è controllato dalla valvola solenoide. Come vedremo nel prosieguo di questo articolo, la valvola solenoide consente all'olio di fluire nei condotti verso le gallerie in base al segnale a modulazione di ampiezza di impulso (PWM) che riceve dalla centralina.
Funzionamento della valvola solenoide
La valvola solenoide, a sua volta, consiste nei seguenti componenti:
Componenti della valvola solenoide
- Linea di mandata olio
- Ritorno olio
- Linee olio verso l'albero a camme
- Pistone
- Bobina solenoide
- Connettore elettrico
Valvola solenoide: posizioni
Il sistema VVT è spesso installato per funzionare con l'albero a camme di aspirazione, sebbene in alcuni veicoli può anche trovarsi associato all'albero a camme di scarico. I motori ad alte prestazioni, per esempio, funzionano con sistemi più complessi capaci di variare il sollevamento delle camme. Quindi, le valvole solenoidi possono trovarsi in molti punti diversi.
1. Solenoide in posizione di "ritardo"
Il solenoide può essere in posizione di "ritardo":
Solenoide in posizione di "ritardo"
Quando il motore è a regime minimo, la valvola solenoide sposta il suo stantuffo interno, consentendo il passaggio dell'olio che riempie un lato delle gallerie e il suo ritorno al pozzetto dall'altro lato. Il risultato è che le valvole si aprono un po' più tardi nel ciclo del motore.
Ritardare l'apertura della valvola di aspirazione impedisce ai gas combusti di entrare nel collettore di aspirazione a regime minimo. Permette anche di risparmiare carburante: il motore può continuare a girare in modo fluido senza dover aumentare il numero di giri.
2. Solenoide in posizione di "anticipo"
Il solenoide può anche essere in posizione di "anticipo":
[immagine6] Solenoide in posizione di "anticipo"
A regimi alti, il solenoide si sposta in posizione opposta, invertendo il flusso di olio e facendo in modo che l'albero a camme si sposti nella sua massima posizione di "anticipo".
Quando il motore gira a regimi alti, il cilindro impiega molto meno tempo a riempirsi. Pertanto, se si anticipa l'apertura della valvola si garantisce al gas di aspirazione di iniziare a entrare nel cilindro ancora prima che il pistone abbia raggiunto il PMS. Ovviamente, anticipando l'apertura si anticipa anche la chiusura. In questo caso però, per via del regime del motore, il cilindro ha ancora tempo per riempirsi sufficientemente, garantendo prestazioni ottimali e approfittando dell'inerzia dei gas che circolano a velocità più elevate.
3. Solenoide in posizione di "attesa"
Inoltre, il solenoide può anche essere in posizione di "attesa":
Solenoide in posizione di "attesa"
Gli alberi a camme sono dotati di sensori Hall. Questi sensori comunicano alla centralina la loro esatta posizione rispetto all'albero motore. In questo modo, la centralina può determinare la posizione della valvola solenoide che è richiesta in ciascun momento. La calcola confrontando segnali di ingresso (come regime del motore, posizione dell'acceleratore, ecc.) con la mappatura che ha in memoria. Quando si raggiunge l'anticipo desiderato, il solenoide va in posizione di attesa. Pertanto, blocca il flusso di olio in entrambe le direzioni mantenendo l'albero a camme a un determinato angolo rispetto alla ruota dentata dell'albero a camme.
Quando il motore gira a regime intermedio o in altre situazioni particolari, la centralina può determinare una posizione di "anticipo intermedio" dell'albero a camme per un funzionamento ottimale del motore in quel momento. Le posizioni intermedie aiutano a ridurre i livelli di NOx e quindi hanno sul motore un effetto simile a quello dei sistemi di ricircolo dei gas di scarico (EGR). Solitamente installati sui motori diesel, i sistemi EGR permettono il ritorno di una quantità di gas di scarico nel collettore di aspirazione. Quando rientrano nella camera di combustione, abbassano la temperatura consentendo di generare meno NOx.
Guasti del sistema VVT
Problemi di pressione dell'olio
Il guasto idraulico più frequente è costituito dalla pressione dell'olio bassa o assente. Spesso è dovuta a una cattiva manutenzione dell'olio che trasporta detriti e poltiglia. Quando queste impurità si depositano nel prefiltro del canale di mandata dell'olio della valvola solenoide restringono il flusso di olio. Di conseguenza, il sistema funziona lentamente o non funziona affatto. Inoltre, le particelle possono passare attraverso il filtro provocando il grippaggio della valvola solenoide in una delle sue posizioni.
Il problema della pressione troppo bassa può aggravarsi nel caso in cui l'olio non abbia la viscosità corretta o vi sia un altro guasto nell'impianto di lubrificazione.
Problemi di pressione dell'olio
Guasti elettrici
Le valvole solenoidi possono inoltre essere soggette a guasti elettrici. La bobina può guastarsi impedendo il funzionamento della valvola. In ogni caso, è buona pratica controllare i cavi che portano alla valvola, per evitare di sostituire inutilmente un componente che è in buone condizioni.
La centralina del motore utilizza i sensori di posizione dell'albero a camme e dell'albero motore per valutare il funzionamento del sistema. In caso di anomalia, genera un codice di guasto e attiva la spia di diagnosi motore.
[immagine9] Spia di diagnosi motore