MotoGP, la tecnica: il sistema delle valvole pneumatiche nel dettaglio

di Paul Emile Viel/paddock-gp

Nel 1986 la Renault aveva sviluppato un motore di Formula 1 con il ritorno alle valvole pneumatiche. Il loro utilizzo risolveva così tanti problemi che tutti gli altri produttori adottarono rapidamente questo sistema. E da più di dieci anni questa tecnologia è presente anche in MotoGP. Ma come funziona e perché è così efficace?

Non è un aspetto così misterioso. L’unica differenza tra un sistema di distribuzione convenzionale, con alberi a camme e molle valvole, e un sistema ad aria è che le molle elicoidali in acciaio sono sostituite da aria compressa. In entrambi i casi, la molla forza la valvola e il suo seguicamma a rimanere sempre in contatto con il profilo del lobo della camma. Con le molle ad aria, come con le molle elicoidali in acciaio, la molla tiene semplicemente il treno di valvole nel percorso dettato dal lobo della camma.

Sistema di molle in metallo

In un sistema a molla in metallo, il lobo della camma preme contro la superficie superiore dello stelo della valvola. Appena sotto la coda della valvola, una linguetta tiene in posizione una coppetta. Al di sotto di questa si trovano una o due molle elicoidali pressurizzate che consentono alla valvola di ritornare nella sua sede.

(traduzione, nell’ordine: coda, linguetta, coppetta, collegamento, molla, guide per valvole, rondella di sostegno della molla, angolo di portata, collare, sede della valvola, testa e portata della valvola, altezza di sollevamento). 

Sistema pneumatico “a molla” 

Il ritorno della valvola pneumatica utilizza, come suggerisce il nome, un gas come molla per chiudere le valvole di un motore. Il funzionamento è simile a quello sopra descritto, con una differenza. La molla metallica infatti è scomparsa e al posto della coppetta c’è un pistone il cui bordo esterno è sigillato. Sotto questo pistone viene mantenuta una moderata pressione del gas da 5 a 10 bar. Anche la coda della valvola è ugualmente sigillato alla sua guida.

(traduzione, da sinistra a destra: guarnizione di tenuta, valvola chiusa, canale d’aria, guarnizione di tenuta, valvola aperta). 

La pressione sotto il pistone è mantenuta dall’azoto gassoso. Che agisce tramite un riduttore di pressione e pressurizza i volumi sotto tutti i pistoni tramite valvole unidirezionali.

Sui prototipi MotoGP che utilizzano le valvole pneumatiche (tutti i costruttori, tranne Ducati che utilizza una distribuzione desmodromica) il serbatoio di azoto viene caricato da un compressore. La sua capacità è compresa tra 250 e 1000cc, è realizzato in alluminio/fibra di carbonio e pressurizzato tra 200 e 300 bar. Alla sua uscita, un regolatore pneumatico a due stadi, con le sue elettrovalvole, regolerà con cura la pressione nel sistema.

Una volta caricato questo serbatoio, il motore può funzionare per circa un’ora senza bisogno di essere ricaricato.

Perché sono diventate necessarie le valvole pneumatiche?

La potenza del motore è ampiamente proporzionale alla cilindrata, alla velocità del motore e alla pressione di combustione media. La cilindrata è quasi sempre limitata dal regolamento e la pressione di combustione media ha da tempo raggiunto il suo limite nei motori non sovralimentati. Questo lascia principalmente il regime del motore come strumento disponibile per aumentarne la potenza. Ed in MotoGP il massimo è di circa 18.000 giri/min!

All’aumentare del numero di giri, aumenta anche il movimento della valvola. Uno dei problemi è gestire la loro accelerazione e rallentamento. Un modo per ridurli è aprirli meno e tenerli aperti più a lungo, il che riduce la loro accelerazione. Ma la riduzione del sollevamento delle valvole blocca il flusso. Più a lungo le valvole sono aperte, più viene sacrificata la potenza a medio e basso regime. Infatti, a bassa velocità, il flusso di aspirazione si muove più lentamente, quindi diventa più facile per il pistone, risalendo nella sua corsa di compressione, fermarsi e invertire il flusso. Questo, pompando parte della carica di aspirazione, riduce la coppia del motore.

Le squadre utilizzavano molle valvole in acciaio sempre più dure, consentendo accelerazioni delle valvole più elevate. Oltre a sfruttare il materiale a percentuali sempre più elevate del suo limite di elasticità. Di conseguenza i processi di perdita di carico e di fatica del metallo ne hanno gradualmente ridotto. Al punto che i team dovevano cambiarle ogni giorno per evitare guasti al motore causati da molle rotte, dal movimento incontrollato delle valvole e da collisioni pistone-valvola (chiamate “panico delle valvole”).

Perché una vita così breve? Innanzitutto le molle in acciaio, anche se “predisposte” per limitare la perdita di carico, la perdono progressivamente man mano che il metallo cede.

Secondo: un lobo della camma fa accelerare rapidamente la valvola e la molla. Le spire della molla, che hanno massa ed inerzia, tendono ad accumularsi contro il dispositivo di ritenuta. Quindi rimbalzano non appena l’accelerazione (che avviene al primo quarto di apertura della valvola) dà luogo alla decelerazione necessaria per fermare la valvola al massimo della sua ascesa. Abbiamo quindi un’onda d’urto che rimbalza da un’estremità all’altra della molla, più volte per ciclo motore.

Uno dei maggiori vantaggi delle molle pneumatiche è che sono molto progressive. Possono fornire la pressione necessaria per impedire il galleggiamento della valvola senza la necessità di una pressione molto elevata.

Alla fine, era chiaro che le molle in acciaio portavano grossi limiti alle prestazioni del motore. All’epoca, alla Renault F1, i team tecnici svilupparono le molle pneumatiche in sostituzione di quelle in acciaio, lanciando il loro sistema per la prima volta nel 1986.

Esistono anche sistemi idraulici, idropneumatici o elettromagnetici per l’apertura e la chiusura delle valvole. Finora però nessuno è risultato in grado di controllare precisamente le valvole su motori da gara ad alte prestazioni. La cosa più difficile è rallentare gradualmente la valvola man mano che si avvicina alla sua sede. Non si può permettere che si chiuda all’improvviso: pochi cicli di tale violenza distruggono la tenuta della valvola. Ne rompono quindi la testa della valvola, con conseguente guasto del motore. I sistemi a camme continuano a fare il lavoro migliore in questo settore.

L’articolo originale su paddock-gp