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tecnica motoristica

Le teste a quattro valvole

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Questa soluzione tecnica offre più vantaggi di quanto non si pensi usualmente

Le teste a quattro valvole

Da molto tempo a questa parte tutti i motori dalle prestazioni elevate sono dotati di quattro valvole per cilindro. Le ragioni di questa scelta appaiono chiare: rispetto allo schema a due valvole, le sezioni di passaggio a disposizione dei gas sono maggiori e inoltre è possibile raggiungere regimi di rotazione più alti, dato che le singole valvole hanno un peso minore. Ma è davvero tutto qui o ci sono altre considerazioni importanti da fare? Per illustrare la situazione, ecco una serie di considerazioni relative alle teste a quattro e a quelle a due valvole per cilindro (sempre a parità di alesaggio). 

Un vantaggio importante delle teste 4 valvole è costituito dalla possibilità di collocare la candela nella posizione ideale, ovvero al centro della camera (in foto un elemento BMW)

 

Occorre subito dire che quando si impiegano quattro valvole le sezioni geometriche di passaggio sono maggiori. Questo però è vero solo al di sotto di un certo angolo tra le valvole stesse, che però è piuttosto elevato (ben 68°). Valori di questo genere da tempo non vengono più presi in considerazione dai progettisti. Si adottavano una volta, e allora, per ottenere un rapporto di compressione elevato (cosa indispensabile nei motori di alte prestazioni), occorreva dotare il cielo del pistone di una notevole bombatura. Ciò faceva assumere alla camera di combustione una conformazione svantaggiosa ai fini del rendimento termico. Il rapporto superficie/volume peggiorava, e il percorso del fronte di fiamma diventava più “tormentato”. Inoltre i condotti di aspirazione presentavano una accentuata curvatura nella parte terminale, subito a ridosso della valvola, il che era svantaggioso ai fini del rendimento volumetrico.

Dunque, per i moderni motori aspirati di alte prestazioni sono essenziali condotti pressoché rettilinei e camere di combustione compatte e dalla geometria “pulita”. È pertanto necessario che l’angolo tra le valvole sia piuttosto ridotto. Ciò rende particolarmente vantaggiosa l’adozione di quattro valvole per cilindro. In genere, con gli angoli tra le valvole usualmente adottati, portando il numero delle valvole da due a quattro si ha un aumento della sezione di passaggio dell’ordine del 30%. Nei motori di potenza specifica più elevata, oggi gli angoli tra i due piani sui quali giacciono le valvole sono dell’ordine di 20° – 28°, mentre in quelli meno spinti si possono adottare angoli maggiori, che talvolta arrivano anche dalle parti dei 40°.

Come ben mostrato in questo spaccato relativo a un motore bialbero Ford, nei motori moderni di prestazioni elevate la soluzione ormai standardizzata prevede l’impiego di quattro valvole per ogni cilindro

 

Nelle teste a quattro valvole le sezioni di passaggio non solo sono maggiori, ma il loro valore massimo viene raggiunto con una alzata minore, e questo è un vantaggio molto importante. Quando il sollevamento della valvola raggiunge un valore dell’ordine del 27% del diametro del fungo, la sezione a disposizione dei gas nel passaggio tra valvola e sede eguaglia quella minima del condotto, che si trova immediatamente a monte di tale zona. Ai fini della respirazione, il fattore limitante da quel punto in poi, anche continuando a sollevare la valvola, diventa quindi la sezione ristretta del condotto. Questo non vuol dire che nei motori di potenza specifica molto alta non convenga adottare alzate superiori. L’importante è far sollevare la valvola rapidamente, in modo da raggiungere al più presto sezioni di passaggio assai ampie. Per arrivare a disporre della massima sezione geometricamente disponibile, adottando quattro valvole sono quindi sufficienti alzate notevolmente inferiori a quelle che occorrono quando le valvole di ogni cilindro sono due. Infatti, poiché le valvole sono più piccole, una alzata eguale come percentuale del diametro del fungo è in effetti minore come valore assoluto. Si tratta di un vantaggio molto considerevole.

Il grafico mostra come da un certo angolo in giù la soluzione a quattro valvole (curva blu) consenta di ottenere sezioni di passaggio maggiori rispetto a quella a due (curva rossa). Le due curve si incrociano in corrispondenza di un angolo tra le valvole di ben 68°, decisamente troppo elevato per gli standard odierni!

 

Nei motori aspirati di serie, in campo auto generalmente le alzate massime delle valvole sono dell’ordine di 0,26-0,29 volte il diametro del fungo. Negli straordinari quadricilindrici di 1000 cm3 da 200 cavalli delle moto più sportive si arriva invece a 0,30-0,33. Nei motori delle superbike si raggiungono valori di oltre 0,36, non lontani quindi da quelli superiori a 0,38 dei V10 e dei V8 di Formula Uno dei primi anni Duemila.

Una cosa alla quale forse si pensa poco è che impiegando quattro valvole per cilindro al posto di due si hanno minori perdite per pompaggio. I gas vengono cioè aspirati ed espulsi dai cilindri più agevolmente, il che contribuisce a migliorare il rendimento meccanico, in particolare nei motori che raggiungono regimi di rotazione molto elevati.

5- L’alzata massima è la distanza dalla sede alla quale il fungo viene portato quando la valvola è completamente aperta. In questo disegno (da un manuale Honda) è indicata dalle due frecce

Lo schema usuale per i motori a quattro valvole prevede che esse giacciano su due piani inclinati tra loro (con quelle di aspirazione da un lato e quelle di scarico dall’altro). In questo modo, la camera di combustione non ha una forma emisferica ma a tetto. Il rapporto superficie/volume è lievemente peggiore, ma la cosa è compensata dalla posizione perfettamente centrale della candela. Il rendimento della camera è quindi analogo a quello che si ottiene con una geometria perfettamente emisferica. Largamente noto ed apprezzato è il fatto che impiegando quattro valvole per cilindro è possibile raggiungere regimi di rotazione che, fermo restando tutto il resto, sono più elevati di quelli ai quali lo stesso motore potrebbe girare con una testa a due valvole. Le parti in moto alterno della distribuzione (valvole, bilancieri o punterie, parte delle molle) sono infatti nettamente più leggere.

Sezione del gruppo testa/cilindro di un moderno motore aspirato di altissime prestazioni. L’angolo tra i due piani sui quali giacciono le quattro valvole è molto ridotto e la camera è decisamente compatta

La somma totale dei loro pesi è maggiore, ma la massa in gioco per ogni singola valvola è minore. Va infine ricordato che, rispetto alle teste a due valvole, quelle a quattro presentano vantaggi anche sotto un altro aspetto: essendo più piccole, le valvole di scarico si raffreddano più agevolmente e risultano meno esposte al rischio di distorsioni.        

  • roberto.pasquali, Meldola (FC)

    Mi spiegate gentilmente perché nell' ambito delle prestazioni estreme ( moto dragster 4 cilindri da 1500 cc sovralimentate da 1000 cavalli ) viene ancora largamente utilizzata la scelta a sole valvole ?
  • carlo.caroni, Albavilla (CO)

    come al solito una spiegazione semplice,chiara ed ineccepibile.mi aspetterei,adesso,un excursus sulle applicazioni nella storia delle quattro valvole(dalla Peugeot Grand Prix del 1912 ai motori di Keith Duckworth,il padre dei propulsori moderni)...chiedo troppo?
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