E gli Alberi a Camme?
Nei motori endotermici a 4 tempi l’ingresso della miscela di aria e combustibile all’interno dei cilindri e la successiva uscita dei gas di combustione, è regolata dalla presenza di valvole. Nella configurazione più semplice esiste, per ogni cilindro, una valvola destinata al suo caricamento e una necessaria per lo svuotamento.
Di più larga diffusione, in ambito automobilistico, è l’utilizzo di 4 valvole per cilindro, di cui 2 per il carico e 2 per lo scarico. La configurazione a 4 valvole garantisce un miglior caricamento del cilindro e quindi migliori rendimenti del motore, soprattutto se utilizzato in modo un po’ più sportivo, ambito in cui si possono trovare anche tipologie a 5 valvole.
L’apertura e la chiusura delle valvole deve quindi essere coordinata con l’albero motore, che regola la posizione dei pistoni all’interno dei cilindri. La gestione del sistema è delegata, tramite l’utilizzo di cinghie, catene e ingranaggi vari, al collegamento dell’albero a motore con l’albero a camme, il quale gira alla metà della velocità del primo. L’albero a camme, nella meccanica del veicolo, è assimilabile ad un albero motore in cui sono presenti dei profili eccentrici, le camme appunto, poste in corrispondenza di ogni valvola, che con il loro movimento determinano l’apertura delle valvole.
Fino a qui sembrerebbe tutto semplice, almeno a livello teorico.
In realtà la gestione effettiva di un motore non è così semplice. I problemi che sorgono sono infatti molteplici. Innanzitutto il motore non può avere un funzionamento lineare come potrebbe sembrare. La velocità con cui si movimentano le valvole e la durata della loro apertura influiscono notevolmente sulle prestazioni del motore in termini di coppia, potenza e resa. Sempre da questo punto di vista coppia e potenza devono essere anche gestite in base alla modalità di utilizzo del motore, ossia se sta funzionando a bassi o alti regimi, se si ha bisogno di forti o brevi accelerazioni.
Anche se queste necessità possono essere regolate in altro modo dal punto di vista elettronico, ci si rende sempre più conto che dietro un elemento così semplice esiste una complessità sempre più crescente all’aumentare delle prestazioni richieste al motore e del suo range di funzionamento. A tutto questo si uniscono le sempre più pressanti normative antinquinamento che richiedono un funzionamento sempre più sofisticato del motore.
Per gli alberi a camme e le relative valvole di regolazione con il tempo si sono sempre più sviluppati sistemi di gestione e regolazione che hanno portato ad un indiscusso miglioramento dell’efficienza dei motori. Dell’aumento del numero di valvole si è già parlato, delle valvole a fasatura variabile, e dei relativi motori che le adottano, ne parleremo in un altro articolo. E così via.
Altro problema da considerare nell’adozione di queste tecnologie: la regolazione delle valvole, gestita dall’albero a camme, richiede numero di parti in movimento, in particolare in rotazione, che richiedono una lubrificazione continua. Tutto questo quindi comporta problemi di inquinamento (i lubrificanti) e perdite di rendimento complessivo del motore (parti in movimento).
Fino ad oggi. E nel futuro?
Una alternativa a questa impostazione dei motori a quattro tempi è stata proposta dalla Koenigsegg che la introdurrà per la prima volta su un veicolo di serie, se così si può chiamare, ossia sulla sua nuova auto: la Gemera.
Il sistema è proposto dalla Freevalve Technology Company (https://www.freevalve.com) nata da un’idea del fondatore della Koenigsegg, Christian von Koenigsegg, e volta a introdurre questa tecnologia in tutti i motori a 4 tempi. Il miglioramento delle prestazioni richieste, unito alla riduzione dei consumi promessi, garantirebbe un prolungamento della vita dell’utlizzo dei motori endotermici che, per ora, non sono ancora del tutto sostituibili dai motori ibridi, nonostante quello che i proclami attuali dei governi sembrano indicare.
Veniamo ora al motore freevalve.
Il concetto di motore Frevalve, anche conosciuto in inglese come “fully variable valve actuation”, che in italiano potrebbe essere tradotto in motore con valvole a controllo totale, offre la possibilità di controllare il movimento di ogni singola valvola in modo completamente indipendente da quello delle altre. Il carico e scarico di ogni cilindro, con i relativi tempi di gestione, verrebbe quindi regolato in modo completamente autonomo, con possibilità di programmare il funzionamento delle valvole in base al regime del motore e al tipo di utilizzo richiesto. Il sistema in questo caso può essere gestito favorendo sia le prestazioni sia i consumi, e quindi riducendo l’inquinamento.
Come si vede dalle immagini, il motore freevalve elimina completamente l’albero a camme e tutti gli ingranaggi connessi. Ogni valvola è un elemento a se, dotato di impianto elettronico, meccanico e idraulico per gestirne il funzionamento, introducendo, a differenza dei precedenti sistemi “camless”, basati su attuatori di tipo elettro-magnetico o elettro-idraulico, un sistema misto elettro-idraulico-pneumatico in associazione a sensori tecnologicamente avanzati, regolati da intelligenza artificiale. L’introduzione di quest’ultima tecnologia permette anche la regolazione in tempo reale del funzionamento delle valvole (alzata, velocità apertura, tempo di apertura, etc.) in base alle esigenze del veicolo e allo stile di guida, favorendo sempre più le prestazione e i consumi allo stesso tempo.
Rispetto allo schema classico con albero a camme, mancano gli ingranaggi e i manovellismi esterni, e il motore riduce il suo peso e la sua dimensione. Gli attriti di questi sistemi di gestione delle valvole spariscono o, almeno, si riducono enormemente, guadagnando in termini di rendita complessiva del motore.
La possibilità di gestire apertura e chiusura delle valvole, oltre alla loro velocità di movimentazione, ha portato a risultati ottimali indiscussi.
Le prove condotte su un motore endotermico tradizionale, un 1.6 litri 4 cilindri, hanno portato ad un incremento della potenza del 45% e ad un aumento della coppia del 47%, senza intervenire sul motore se non per ospitare la nuova testata. Il peso complessivo è risultato essere di circa 20 kg inferiore.
La tecnologia Freevalve ha mostrato anche una riduzione dei consumi dell’ordine del 15%. Questo è dovuto soprattutto al miglioramento della risposta del motore nei momenti di avvio e nei primi momenti della marcia quando la temperatura di funzionamento non è ancora ottimale. Questo risultato è inoltre molto importante nei motori ibridi in cui un’unità endotermica affianca e supporta quella elettrica, e in cui il motore, soprattutto in ambito urbano a basse velocità, potrebbe essere sottoposto a continui fasi di stop/partenza.
Dal punto di vista dell’inquinamento i primi test hanno mostrato ottimi risultati anche per l’impiego di carburanti quali metanolo, etanolo e butanolo, a tutto vantaggio dell’ambiente.
Tutto rose e fiori? Non proprio. Al momento la tecnologia è molto di nicchia: l’impiego di intelligenza artificiale, strutture molto delicate e costi di produzione troppo elevati, anche per una produzione più elevata. Tutti questi fattori rendono questa tecnologia troppo costosa per essere applicata su tutti i veicoli… non a caso per ora verrà applicata solo alle future Gemera.
Speriamo in futuro che il salto alla grande produzione ci sia. D’altra parte solo qualche anno fa i sistemi di sicurezza basati sulla guida autonoma o assistita sembravano fantascienza per pochi.
E per documentarsi meglio?
Per chi ha voglia di navigare un po’ nel web consiglio di visitare direttamente il sito internet di Freevalve (https://www.freevalve.com). Le stesse immagini del motore proposto sono prese da questo sito. Poi, perchè no, un giro sul sito della Koenigsegg è doveroso farlo… Vi lascio il link diretto: https://www.koenigsegg.com/
Per approfondimenti tecnologici molto ben fatto e studiato è il sito di Autotecnica. Molto più approfondito del mio e fatto da gente che “ne capisce” di auto. Cliccate quì per dettagli: https://www.autotecnica.org/koenigsegg-gemera-ibrida-col-motore-freevalve/
Notizie sul funzionamento del motore? La solita Wikipedia aiuta sempre: https://it.wikipedia.org/wiki/Albero_a_camme
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