Valvole elettro-idrauliche: come cambiano i motori senza l’albero a camme

Sappiamo bene che il funzionamento di un motore a 4 tempi dipende strettamente dalla distribuzione, che ne determina anche buona parte del “carattere”. Con il tempo si è selezionata la soluzione con gli alberi a camme che comandano le valvole (leggi com’è fatta la distribuzione del motore). Questa configurazione si è continuamente evoluta sia nei materiali sia nella tecnica allo scopo di aumentare le prestazioni e l’efficienza del motore. La chiave di tutto è riuscire a controllare in maniera flessibile il movimento delle valvole ed è questo lo scopo del sistema FlexWork. Ma cosa succede se a un motore si toglie l’albero a camme che comanda le valvole? E’ proprio la soluzione che  usa valvole elettro-idrauliche  sviluppata presso gli Swiss Federal Laboratories For Materials, Science and Technology (Empa). Vediamo come funziona.

LIBERTÀ DI CONTROLLARE

Come hanno fatto i ricercatori dell’Empa a sviluppare una distribuzione senza albero a camme? La risposta è un sistema elettroidraulico di azionamento delle valvole. Il FlexWork promette di regolare liberamente sia l’alzata sia la fasatura con un meccanismo descritto come “robusto ed economico”. Questa tecnologia dovrebbe riuscire a ridurre fino al 20% il consumo di carburante nelle condizioni di basso carico del motore che, in effetti, sono quelle più frequenti. Il movimento delle valvole è ottenuto con un pistoncino idraulico i cui spostamenti sono controllati da una valvola azionata elettricamente da un solenoide. Quando il segnale di controllo scorre nel solenoide la valvola si apre e il fluido idraulico aziona  il pistoncino che muove la valvola del motore. Il movimento inizia in pochi millisecondi e si possono controllare sia l’alzata sia la fasatura della singola valvola.

EMPA FLEXWORK, I VANTAGGI

Quando il segnale di controllo viene interrotto il pistoncino torna indietro grazie alla consueta molla valvola. La forza della molla mantiene in pressione il fluido idraulico durante il ritorno, permettendo di recuperare energia idraulica utile per i cicli successivi. Come fanno altri sistemi, anche l’Empa FlexWork permette di fare a meno della valvola a farfalla ma promette vari altri vantaggi. Un motore senza alberi a camme risparmia energia perché si elimina molto attrito: quello che si genera per farli ruotare (catena, cinghia e relativi tenditori non ci sono) così come le classiche punterie e i bilancieri. Questi elementi, presenti ad esempio nel sistema Hyundai CVVD, sono sostituiti da semplici solenoidi e leggeri pistoncini. Certo, occorre mettere in pressione il fluido idraulico ma l’operazione è energeticamente “economica” grazie al già citato recupero d’energia. Il controllo del carico del motore avviene ciclo per ciclo e il ritorno delle valvole è morbido, minimizzando l’usura. L’alzata massima può essere controllata tramite la pressione o con un semplice meccanismo di limitazione meccanica.

VALVOLE ELETTRO-IDRAULICHE, AD ACQUA

Ma il sistema FlexWork ha un’altra particolarità: può funzionare con vari fluidi idraulici, compresa la miscela acqua/glicole usata per raffreddare i motori. Essa è molto adatta ai sistemi idraulici che commutano velocemente perché crea meno attriti rispetto all’olio usato ad esempio nel sistema Multiair. In questo modo un motore senza albero a camme potrebbe avere una testata oil-less, con il vantaggio di utilizzare meno olio motore allungando anche gli intervalli di sostituzione. La disattivazione cilindri sarebbe “nativa” (basta azzerare l’alzata) mentre la flessibilità della fasatura adatta facilmente il motore ai carburanti rinnovabili. Quelli ricchi di Ossigeno, ad esempio il metanolo e l’etanolo, permettono di avere un’apertura ritardata delle valvole di scarico. Il metano, il biometano e gas simili hanno maggiori proprietà antidetonanti e la distribuzione può sfruttare questa potenzialità.

I TEST AL BANCO DELLE VALVOLE ELETTRO-IDRAULICHE

La distribuzione FlexWork è stata provata su un motore di serie a metano  e derivato da un Volkswagen TSI da 1.4 litri simile a quello della Golf Variant. Empa ha sviluppato internamente sia i componenti meccanici sia il sistema di controllo del motore. Questo propulsore sperimentale ha iniziato a girare al banco dall’ottobre del 2018 e ha già compito milioni di cicli di funzionamento senza problemi. La sua flessibilità ne consente inoltre l’utilizzo su qualsiasi macchina che abbia la distribuzione a valvole comandate, come i compressori. Empa, che sta dialogando con diverse Case, dichiara inoltre una riduzione dei consumi di più del 5% nei già efficienti powertrain ibridi e del 15% nei cicli di omologazione al banco .