Valvole cave raffreddate al sodio: dalla pista per i motori turbocompressi

Le valvole di un motore endotermico a 4 tempi sono fra gli organi sottoposti alle maggiori sollecitazioni termiche e meccaniche. In particolare, quelle di scarico devono resistere alle altissime temperature dei gas combusti  e all'azione erosiva dei prodotti della combustione. Mentre le valvole di aspirazione vengono efficacemente raffreddate dall'aria aspirata o dalla miscela fresca aria-carburante in entrata, quelle di scarico si raffreddano parzialmente solo in fase di chiusura trasmettendo il calore alla sede ricavata nella testata e in misura minore attraverso lo stelo e la guida-valvola.

LEGHE SPECIALI – Generalmente, le valvole di aspirazione sono in acciaio temperato al nichel-cromo-tungsteno-silicio, con superficie rettificata, lappata (processo di lucidatura) per favorire la minima resistenza allo strisciamento in moto alterno. Le valvole di scarico, lambite dai gas combusti, devono resistere, come detto, a temperature molto elevate (circa 900°C). Sono realizzate in acciai speciali austenitici al nichel-cromo-manganese-molibdeno, talvolta con riporto superficiale di indurimento (nitrurazione, rivestimento in stellite). Nei motori di alte prestazioni si fa ricorso a valvole di scarico in leghe speciali ad alto tenore di nichel-cromo come il Nimonic  l'Inconel, il Nickelvac. In genere  le valvole vengono sottoposte a trattamento galvanico onde far depositare un sottile strato superficiale di cromo duro.

LE VALVOLE AL SODIO – Un sistema raffinato ed efficace utilizzato per raffreddare le valvole di scarico consiste nello sfruttare le caratteristiche del sodio alle  alte temperature.  A tale scopo, le valvole di scarico, al loro interno, sono  cave e parzialmente riempite di sodio (circa il 60% del volume della cavità), metallo che diventa liquido a poco meno di 100°C. Il sodio liquido, spostandosi all'interno della valvola durante il veloce moto alterno, trasferisce parte del forte calore della testa al gambo (e da qui alla testata tramite le guide valvole), abbassando, in tal modo, la temperatura della valvola di circa 70-100°C. Le valvole di scarico al sodio sono state utilizzate in passato fin dagli anni '30  in molti motori aeronautici (tra cui i Fiat stellari A 74 14 cilindri e A80 18 cilindri impiegati su diversi aerei militari italiani durante la 2^ Guerra Mondiale) e da molti decenni sono presenti in vari motori da competizione o sportivi di auto (ad esempio, l'Alfa Romeo Giulia bialbero) e, più raramente di moto (ciò a causa dei ridotti diametri degli steli valvole dei motori motociclistici di limitata cilindrata unitaria). In luogo del sodio, è possibile usare sali di litio e potassio. Il diametro della testa delle valvole di scarico è sempre minore rispetto a quello delle valvole di aspirazione; ciò consente un più agevole smaltimento del calore, oltre ad assecondare esigenze fluodinamiche. Infatti, i gas combusti vengono espulsi con grande facilità data la loro pressione residua (5-8 bar), ben superiore a quella atmosferica. Ai fini di un miglior rendimento volumetrico, infine, si cerca di facilitare l'ingresso della miscela aria-benzina aspirata con valvole di diametro maggiore. Nei moderni motori da competizione si impiegano valvole in lega di titanio, materiale con elevate caratteristiche di durezza e resistenza alla corrosione e più leggero dell'acciaio del 40%. Federal-Mogul Powertrain, divisione di Federal-Mogul Holdings Corporation , esporrà per la prima volta in occasione del prossimo IAA Show 2015 di Francoforte la tecnologia recentemente acquisita riguardante le valvole.

FINO A 150 °C IN MENO – Tra i componenti prodotti dalla divisione Global Valvetrain della società, troviamo le valvole raffreddate al Sodio con diametri dello stelo estremamente piccoli: assicurano un peso ridotto e una maggiore resistenza alle alte temperature, che rappresenta un fattore potenzialmente limitante nei motori downsized sovralimentati. “Poiché i costruttori di veicoli sono costantemente alla ricerca di una riduzione delle emissioni di CO2 tramite motori più efficienti, spesso downsized o con turbocompressori, le temperature e le pressioni nei cilindri sono in aumento” afferma Guido Bayard, Director, Global Valvetrain Technology, Federal-Mogul Powertrain. Contrariamente a una valvola tradizionale con stelo pieno, che trasmette circa il 75% del calore attraverso la testa e la sede, la tecnologia cava di Federal-Mogul Powertrain riduce di circa il 50% il flusso di calore attraverso la testa della valvola, trasmettendone una percentuale maggiore attraverso lo stelo. Questo consente alla testa della valvola di operare a temperature inferiori (da 80°C fino a 150°C). Utilizzate principalmente come valvole di scarico per favorire la riduzione della temperatura, le valvole cave possono essere impiegate anche in aspirazione, per risparmiare peso. Inoltre la tecnologia è totalmente compatibile con i trattamenti correnti impiegati per assicurare la resistenza all'usura quali la nitrurazione, la cromatura e il riporto di stellite.

STELI MOLTO SOTTILI – Grazie a innovative macchine ad alta precisione per la foratura, combinate con tecniche per la saldatura per attrito, Federal-Mogul è in grado di produrre steli valvola cavi anche di soli 5mm di diametro che possono essere impiegati anche su motori con ridotti alesaggi, come i downsized o motori motociclistici ad alte prestazioni. Per rendere disponibile anche per le autovetture di serie questa tecnologia, già impiegata da anni in campo sportivo, sono state necessarie competenze di processo capaci di garantire sia i necessari livelli di qualità e robustezza, sia costi accessibili. L'utilizzo di un solo passaggio di saldatura per attrito  per chiudere la cavità  è stato determinante per ottenere una soluzione progettuale allo stato dell'arte in grado, al tempo stesso, di poter essere prodotta in serie.