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La tecnologia Valvetronic di BMW

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Categoria: Tecnica Auto

In un motore migliorare il consumo di carburante significa sostanzialmente aumentarne il rendimento.

Per ottenere ciò ci sono tre possibilità tecniche attuabili:

  • aumento del rendimento del motore: iniezione diretta con eccedenza d’aria, sovralimentazione, collettori a geometria variabile, ecc...
  • riduzione delle perdite per attrito: migliore qualità degli oli, bilancieri a rullo, migliorie meccaniche in genere, ...
  • esclusione delle perdite dovute alle alternanze di carico: comando delle valvole ad apertura variabile e conseguente esclusione della valvola a farfalla.

Tra queste tre possibilità l’esclusione delle perdite per alternanze di carico è quella che rappresenta il maggior potenziale di miglioramento e, in linea di principio, è applicabile a ogni motore comandato dalla farfalla.

Il principio è semplice: durante la discesa dei pistoni quando sono in fase di aspirazione il motore compie un lavoro negativo. Perde cioè parte della potenza generata dai pistoni in fase di compressione per trascinare quelli in fase di aspirazione. Questa perdita è accresciuta dalla presenza di ostruzioni lungo il condotto di aspirazione, ed in particolare dalla presenza della valvola a farfalla.

Il comando di carico privo di farfalla abbinato a un comando valvole interamente variabile offre un potenziale di riduzione del consumo di carburante che si avvicina a un motore a ciclo Otto equipaggiato con iniezione diretta senza inconvenienti essenziali.

Il comando interamente variabile della corsa delle valvole di aspirazione (atto ad eliminare la valvola a farfalla) in combinazione con un variatore di fase sia sull’aspirazione che sullo scarico, è denominato da BMW "Valvetronic". Un sistema analogo è stato successivamente sviluppato da Fiat che lo ha chiamato Multiair. Questo però, a differenza del Valvetronic consente di pilotare le valvole singolarmente, cosa che nel sistema BMW non è possibile.

Principio di funzionamento del Valvetronic

Il principio di funzionamento del Valvetronic è semplice: eliminando la valvola a farfalla si riduce una zona nella quale l'aria tende ad essere "frenata", la pressione quindi, resta costante fino alle valvole di aspirazione e quindi le perdite di carico si concentrano soltanto su quest'ultime. In un normale motore invece, la farfalla costituisce un punto di ostruzione, quindi il riempimento del cilindro ne risente. Nel Valvetronic invece, il cilindro ha un maggior riempimento volumetrico.

Ma se la farfalla in aspirazione non c'è, chi gestisce la potenza del motore? La risposta è: sono le valvole che variano la quantità di aria che entra nei cilindri.

La corsa delle valvole di aspirazione viene regolata in funzione del fabbisogno d’aria del motopropulsore e, in tale condizione, la valvola a farfalla viene tenuta completamente aperta.

In breve sintesi, i vantaggi derivano dalla riduzione delle perdite di pompaggio che accrescono il rendimento del motore del 10 - 14%: infatti, ai minimi regimi di rotazione del motore, la depressione conseguente alla chiusura quasi immediata (cioè molto anticipata) delle valvole di aspirazione, aiuta la fase di compressione (se ne recupera il lavoro).

Inoltre, a differenza di ciò che accade con i sistemi di iniezione diretta di benzina, la miscela resta sempre a rapporto stechiometrico, il che facilita la catalizzazione e di conseguenza migliora le emissioni inquinanti.

Il Valvetronic è un sistema “rivoluzionario” che ha richiesto ben 10 anni di studio, ricerca e industrializzazione da parte di BMW e che ha ottenuto importantissimi riconoscimenti tecnici a livello internazionale.

La “vecchia” farfalla svanisce per lasciar posto ad un inedito sistema di controllo dell’alzata delle valvole di aspirazione. In questo modo BMW riduce lo “svantaggio tecnologico” dei motori a ciclo Otto nei  confronti dei motori alimentati a gasolio. Con il Valvetronic, infatti, si ottiene il benefico effetto di limitare le perdite di carico dovute alla presenza del corpo farfallato all’interno dell’impianto di aspirazione.

Tale processo ovviamente è anche spiegabile tecnicamente, come si può rilevare dal seguente diagramma (diagramma Pressione – Volume):

P

Pressione

PMS

Punto Morto Superiore

PMI

Punto Morto Inferiore

AA

Valvola di aspirazione aperta

AC

Valvola di aspirazione chiusa

SA

Valvola di scarico aperta

SC

Valvola di scarico chiusa

MA

Momento di accensione

1

Lavoro

2

Potenza di compressione


 

 

 

 

 

 

 

 

 

Diagramma di alternanza di carico a confronto: senza Valvetronic (a sx) e con Valvetronic (a dx)

L’area del grafico denominata “Guadagno” è la potenza guadagnata nella combustione del carburante; l’area denominata “Perdita” è il lavoro di alternanza di carico.

Nella fase di aspirazione del motore Valvetronic la valvola a farfalla viene quasi sempre tenuta completamente aperta. Il comando di carico avviene attraverso il punto di chiusura della valvola.

A confronto con un motore “tradizionale”, in cui il comando di carico avviene tramite la rotazione della valvola a farfalla, nell’impianto di aspirazione non viene generata depressione, cioè il fabbisogno di energia per generare la depressione viene eliminato.

Gamma BMW del Valvetronic

Il motore N42. A sinistra in evidenza il sistema Valvetronic.

La nuova generazione di motori Valvetronic, denominati “NG4”, vide la progressiva sostituzione dei motori 4 cilindri denominati “M43TU” con l’introduzione dei “Model year 2001”: prima mondiale, infatti, fu la BMW 316 Compact E46, nella primavera 2001, che ha visto l’adozione di questa unità propulsiva.

Nella fase iniziale, il Valvetronic fu proposto solo sulle motorizzazioni 4 cilindri denominate “N42” dando il via, progressivamente, ad una rapida estensione di tale tecnologia su praticamente il resto della produzione motoristica BMW, esclusi, ovviamente, i Diesel.

Questa nuova famiglia di motori oltre all’impiego del Valvetronic vide parallelamente l’abbinamento di un doppio Vanos (VAriable NOckenwelle Spreizung), ovvero del doppio variatore di fase (aspirazione e scarico) e dell’impianto di aspirazione differenziato, denominato DISA, a manicotti scorrevoli che migliora in modo significativo il rendimento del motore. Lo spostamento dei manicotti scorrevoli è comandato dalla DMEattraverso un motorino elettrico da 12 V con ingranaggiointegrato. La commutazione sulla corsa di aspirazione corta avviene infunzione del regime a 4500 g/min.

Sistema DISA: 1. Manicotti scorrevoli, 2.Motorino elettrico, 3.Raccordo valvola a farfalla, 4.Impianto di aspirazione

info: In caso di avaria del DISA il sistema resta fermo nella rispettivaposizione. Il guidatore se ne accorge a causa della perdita dipotenza e della ridotta velocità finale.

IL SISTEMA DI VARIAZIONE DELL'ALZATA DELLE VALVOLE DI ASPIRAZIONE

La variazione del flusso dell'aria in ingresso ai cilindri avviene sollevando le valvole da 1 fino a 9 millimetri. Quando il motore deve essere accelerato l'apertura delle valvole è completa. Il comando della variazione della corsa delle valvole avviene tramite un motore elettrico che viene comandato dalla DME attraverso una centralina separata.

Motorino elettrico per la variazione dell'albero a eccentrici

Gruppo VANOS lato di scarico; 2.Gruppo VANOS lato di ammissione; 3.Albero a camme di scarico; 4.Albero a camme diammissione; 5.Albero a eccentrici;6.Leva intermedia; 7.Molla di fermo della leva intermedia; 8.Sensore albero a eccentrici

Mediante un ingranaggio a vite viene ruotato un albero a eccentrici, alloggiato in un ponte di supporto (cam-carrier).

Nella ruota magnetica (11) sull'albero a eccentrici (5) sono alloggiati potenti magneti che, tramite un sensore dell'albero a eccentrici, consentono di determinare l'esatta posizione dell'albero (5). La ruota magnetica è fissata sull'albero a eccentrici con una vite di acciaio legato non magnetica. Non si deve utilizzare in nessun caso una vite magnetica, poiché altrimenti il sensore dell'albero fornisce valori errati.

 

Funzionamento della variazione della corsa delle valvole

Il Valvetronic prevede un albero a camme classico che lavora su una  leva, a sua volta, interposta tra i bilancieri ed un albero dotato di rotazione eccentrica. Quest’ultimo, azionato da un apposito motore elettrico, varia la posizione della leva modificando l’alzata delle valvole. Si può facilmente intuire quanto sia complessa e articolata la cinematica in gioco in tale dispositivo meccanico; ciò nonostante il sistema di regolazione dell’alzata delle valvole è preciso e velocissimo: basti pensare che il sistema è in grado di regolare l’alzata della valvola dal valore minimo a quello massimo (e viceversa) in meno di 300 ms.

Meccanismo di regolazione dell'alzata delle valvole

La variazione della corsa valvole è realizzata mediante una leva intermedia tra l'albero a camme, il bilanciere a rullo e l'albero a eccentrici. Attraverso l'albero a eccentrici e la leva intermedia viene variato il rapporto di trasmissione. L'azionamento dell'albero a eccentrici viene effettuato da un motorino elettrico tramite il comando a vite. La DME prescrive un valore nominale e il Valvetronic lo regola. La conferma proviene da un sensore dell'albero a eccentrici che misura la posizione dell'albero a eccentrici.


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