Sulla scia delle drastiche regolamentazioni per ridurre le emissioni di gas esausto e migliorare l’economia basata sui combustibili, le aziende manifatturiere stanno spendendo molto tempo per migliorare il processo di combustione : hanno provato ad aprire prima le valvole d’immissione (denominato ciclo Miller), hanno provato a chiuderle dopo (comunemente denominato ciclo Atkinson) e hanno anche provato a creare un motore ibrido candele/compressione (accensione con carica di compressione omogenea) – tutti tentativi che hanno avuto poco successo.

Il problema è che queste variazioni al motore a ciclo Otto sono effettive solo sotto specifiche condizioni, il che significa che per mantenere le prestazioni di un motore sotto un ampio spettro operativo la fasatura variabile delle valvole è essenziale – non solo la durata deve essere variabile su richiesta, ma deve essere quasi infinitamente variabile: una sfida difficile per i motori a combustione interna con distribuzione meccanica!

Dato che un albero a camme ha un solo lobo per valvola, la durata di apertura e l’alzata delle valvole sono fisse. E mentre molti motori moderni usano la fasatura di distribuzione, la regolazione dell’alzata e della durata delle valvole durante il funzionamento ha avuto un successo limitato. 

Alcune aziende manifatturiere usano sistemi con più lobi sull’albero a camme, ma questo è ancora un compromesso visto che solo pochi profili possono operare contemporaneamente. 

Sostituzione dell’albero a camme con attuatori pneumatici-idraulici-elettrici 

Non è il caso per i motori con albero a camme, che utilizzano attuatori pneumatici-idraulici-elettrici, sostituire l’albero a camme tradizionale per controllare l’operatività delle valvole in un motore a combustione interna. Questo porta ad un controllo molto più preciso e completamente personalizzabile della durata e dell’alzata delle valvole, sia nella parte di aspirazione che di scarico: l’alzata e la durata delle valvole possono essere regolate liberatamene da valvola a valvola e da ciclo a ciclo. Sono possibili anche multipli eventi di portata per ciclo o,addirittura, nessun evento per ciclo – disabilitando completamente il cilindro. 

Ma mentre questo sistema offre un controllo completo sulle funzioni di aspirazione e di scarico, offrendo anche più compattezza e riduzione di massa (su un motore a 4 cilindri in linea – 20 kg in massa, 50mm in altezza e 70mm in lunghezza), è cruciale un controllo preciso sulla pressione pneumatica e su quella idraulica per avere un sistema efficace. 

La mappatura della pressione durante lo sviluppo 

Affinché si possa effettuare la mappatura delle pressioni operative richieste dalle valvole a diverse velocità del motore e a diversi carichi, è di vitale importanza che le pressioni siano misurate accuratamente in tempo reale. 

Questa è di per sé un’impresa non da poco: non solo i sensori di pressione usati devono essere accurati su un largo intervallo di temperature operative, ma devono essere compatti, resistenti alle vibrazioni ed essere in grado di resistere alle esposizioni di oli i caldi e altre sostanze chimiche presenti tipicamente in un motore. 

Con solo una manciata di fornitori nel mondo capaci di fornire trasmettitori di pressione di grado di laboratorio di alta qualità, è importante che ogni squadra di sviluppo mappi i sensori scelti per una distribuzione meccanica senza albero a camme con una traccia collaudata. 

Con questa tecnologia è importante che la pressione pneumatica, utilizzata per attuare l’apertura e la chiusura delle valvole, e la pressione idraulica, che si comporta come uno smorzatore e permette di tenere la valvola aperta, siano accuratamente mappate durante lo sviluppo. 

Queste pressione mappate saranno controllate grazie a un’unità di controllo elettronico che determinerà l’alzata, l’accelerazione e la durata in base al carico sul motore, alla velocità e alle condizioni ambientali. 

Se la squadra di sviluppo ottiene la mappatura di questo complesso processo nella maniera appropriata, la ricompensa è impressionante: è possibile estrarre oltre 170 kW e 320Nm di coppia da un motore a quattro cilindri da 1,6 litri,che equivale al 47 percento di potenza maggiore e al 45 percento di coppia in più rispetto a un motore equipaggiato da un albero a camme, migliorando,inoltre, del 15% il chilometraggio. 

In conclusione, mentre l’albero a camme è stato nel cuore dei motori a quattro tempi per oltre un secolo, in un prossimo futuro le valvole a pressione idro-pneumatica possono alimentare la corsa dello sviluppo di migliori motori a combustione interna.