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Come funziona il VTEC

Premessa
Con la distribuzione variabile il propulsore può sfoggiare una doppia personalità, vigorosa e potente in ogni condizione. La Honda, con il suo VTEC, si è spinta ben oltre la fasatura variabile, aprendo la strada ad un nuovo concetto di erogazione della potenza.

Immagine prova al Banco Honda Accord VTEC Come già detto più volte, ogni propulsore ha il suo "carattere" ma non è detto che debba restare tale! Gli interventi che riguardano la testata, come sappiamo sono quelli che influiscono in modo determinante sul rendimento globale ed è per questo che elaboratori e case automobilistiche si sono sempre dati da fare per intervenire sulla fasatura e l'alzata delle valvole. La palma del migliore in questo settore è senza dubbio da assegnare alla Honda, che con il suo VTEC è riuscita a donare ai suoi motori una doppia personalità. In pratica ogni albero a camme si comporta come se fossero due! E' l'intelligenza elettronica di bordo a decidere quando è il caso di trasformare il dottor Jeckyll in mister Hyde! Con un "semplice" ma geniale stratagemma si riesce a tenere a "riposo" uno dei bilancieri che, all'occorrenza, viene chiamato a lavorare insieme ad una camma dal profilo sportivo. In questo modo il propulsore fino ad un determinato numero di giri può azionare le valvole con camme dal profilo "tranquillo", elargendo generosamente tutta la coppia di cui dispone, dedicandosi all'ottenimento della massima potenza soltanto quando gli viene richiesto: geniale!

Immagine Vano motore Honda Accord VTEC La Casa nipponica, che si era posta l'obiettivo di fondere in una sola unità propulsiva il vigore di un tranquillo motore di serie e l'impeto di uno sportivo, con il VTEC è riuscita nella difficile impresa lasciando di stucco tutta la concorrenza.

Forza e potenza
Agli albori dell'automobilismo, un regime di soli mille giri costituiva la massima velocità di rotazione possibile per un motore; molti anni più tardi lo stesso valore è appena sufficiente a tenerlo in moto al minimo! I moderni propulsori di grande serie raggiungono regimi di rotazione superiori ai 6000 g/m, anche se si potrebbe fare di più (come dimostrano ampiamente i più performanti tra i VTEC)… ma bisogna fare i conti con i consumi di carburante e soprattutto con le emissioni inquinanti.

E' indubbio che i costruttori si siano dati da fare per avere potenze sempre maggiori, seguendo molte strade e beneficiando di materiali e tecnologie sempre più all'avanguardia, ma con tutte le limitazioni (costi compresi) si è avuta una certa difficoltà nel migliorare la potenza specifica dei motori ad alti regimi di rotazione. Storicamente i progettisti si trovano di fronte sempre allo stesso problema: trovare un'adeguata potenza agli alti giri senza intaccare l'erogazione ai regimi di rotazione inferiori. Infatti se si spremono troppi cavalli dal motore è facile creare un "buco" nella ripartizione della potenza, perché il motore può offrire il "meglio di sé" soltanto in un range di giri ristretto. Dallo stesso propulsore quindi, per l'intero arco di giri di funzionamento, non si riesce mai a disporre di un'ottima grinta, abbinata ad eccellente fluidità e "pastosità" d'erogazione.

Vano motore Honda  S2000 VTEC Con una serie d'interventi si può ottenere una cosa o l'altra, ma con i metodi tradizionali è praticamente impossibile pretendere qualcosa di più di un semplice compromesso. Intervenendo soprattutto sulla geometria della testata e variando le alzate delle valvole, i tempi della loro apertura, l'istante in cui iniziano ad aprirsi e chiudersi e le sezioni di passaggio della miscela (sfruttando ad esempio la soluzione plurivalvole), è possibile trasformare un propulsore "lento" ma inarrestabile in un puledro da corsa o viceversa. Per tentare una via diversa da quella del compromesso l'Alfa Romeo, prima di tutti gli altri costruttori, ha sperimentato e messo in produzione la distribuzione variabile. Queste però, come abbiamo già visto, risolvevano il problema solo in parte, perché spostavano soltanto l'istante d'apertura e chiusura delle valvole d'aspirazione, senza modificarne il lasso di tempo in cui rimanevano aperte e l'alzata massima. Ciò fu possibile soltanto alla fine degli anni '80 (cioè dieci anni dopo quanto messo a punto dall'Alfa) grazie all'impegno della Honda. Fu lei che tracciò la via della distribuzione variabile a controllo elettronico con il suo geniale VTEC, frutto degli studi compiuti sui propulsori da Formula 1. Ebbene sì, ancora una volta le competizioni hanno apportato il loro determinante contributo all'evoluzione motoristica, alla faccia di quelli che non capiscono perché si debbano fare le corse! Dopo otto anni di studi e ricerche, nel 1989, è arrivato il VTEC a bordo della Civic CRX, un dispositivo in grado di variare i parametri fondamentali della distribuzione in modo efficace, affidabile e con costi non proibitivi.

Questa vettura sbalordì tutti per la sua potenza massima: 160 cavalli a 7600 g/m, ottenuti da una propulsore di soli 1,6 litri di cubatura… come a dire una potenza specifica di 100 CV/litro: roba da supercar Ferrari! Il VTEC, dall'architettura relativamente "semplice", si è evoluto, creando una famiglia di sistemi di distribuzione variabile che si differenziano per scopi, prestazioni, costi e destinazioni. Questo dispositivo, pur fornendo prestazioni eccezionali, si rivelava comunque costoso per via della sua complessità (almeno per quanto riguarda la produzione di grande serie), in quanto agiva contemporaneamente sulle valvole d'aspirazione e di scarico. La Honda cercò allora una strada alternativa, senza pretendere potenze stratosferiche (ma ad ogni modo elevate), per semplificare il dispositivo ed abbassare i costi di produzione. Al capostipite, il VTEC DOHC (doppio albero a camme in testa) con 4 valvole per cilindro, si affiancò dunque il VTEC SOHC (monoalbero a camme in testa) per raggiungere lo scopo. La sua cilindrata restò invariata: 1,6 litri, mentre la potenza, benché inferiore a quella del DOHC, era di tutto rispetto: 125 cavalli a 6500 g/m, mentre la coppia, dai 2000 giri in su, si manteneva almeno al 90% di quella massima! La distribuzione rimase a 4 valvole per cilindro, ma variavano l'alzata ed i tempi d'apertura soltanto delle valvole d'aspirazione. Si dimezzarono così "i compiti" del suo predecessore ma mantenendo enormi vantaggi rispetto alle soluzioni plurivalvole della concorrenza. Non contenti, alla Honda hanno pensato d'utilizzare il dispositivo anche per altre finalità, come ridurre i consumi e limitare le emissioni inquinanti. Nacque così il VTEC-E (dove "E" sta per Economy) che privilegia questi aspetti escludendo (a basso regime) una delle 4 valvole, sfruttando le turbolenze per funzionare con combustione magra (con un rapporto stechiometrico fino a 23,5:1, contro quello canonico di 14,7:1!!!).

Come funziona il VTEC
Sappiamo che per variare i parametri fondamentali della distribuzione, cioè l'istante d'apertura, chiusura e alzata delle valvole, si può adottare un albero a camme dai profili più "spinti" che permette di "alzare" di più la valvola modificando così anche il lasso di tempo in cui rimane aperta. Inoltre la fase d'incrocio, istante in cui le valvole di scarico e aspirazione restano aperte contemporaneamente, risulta più lunga, determinando un'accresciuta capacità di respirazione del propulsore ai regimi di rotazione superiori. Il prezzo da pagare, quando si adottando alberi con camme dal profilo sportivo è, come già visto, la perdita di fluidità e corposità dell'erogazione della coppia ai regimi medio-bassi.

Immagine Honda Integra Con il dispositivo VTEC Honda però è possibile dotare la distribuzione di camme con profili diversi da utilizzarsi al momento opportuno! Analizziamo il primo di questi dispositivi, quello DOHC, destinato cioè ai propulsori con doppio albero a camme in testa. Questa unità con 4 valvole per cilindro, per comandare una coppia di valvole utilizza tre bilancieri (e quindi 3 camme), due esterni ed uno centrale che interviene soltanto all'occorrenza. I bilancieri esterni (e quindi le camme corrispondenti) guidano la "danza delle valvole" fino ad un regime di rotazione di 5300 giri/minuto. Oltre questo valore, un meccanismo bada a rendere solidale il terzo bilanciere, quello centrale, animato dalla camma con profilo sportivo (più alta e "paffuta" delle altre due), agli altri due. Il terzo bilanciere in realtà si è sempre mosso fin dai bassi regimi, ma girava "a vuoto" dato che le valvole sono azionate dagli altri due. A "bloccare" i tre bilancieri ci pensano due perni (o se volete pistoncini) comandati idraulicamente per mezzo di una elettrovalvola che li mette in comunicazione con una pompa dell'olio. Naturalmente è la centralina elettronica ad impartire i comandi al dispositivo di bloccaggio, in base alle informazioni ricevute da sensori piazzati in punti strategici. Per comprendere meglio il funzionamento del dispositivo sono certamente più indicate le illustrazioni a corredo dell'articolo, piuttosto che una descrizione a parole; vediamo comunque di fornire altre indicazioni. Immagine Traversi Honda S2000 I bilancieri del sistema VTEC sono dotati di una sede cilindrica attraverso la quale possono scorrere i perni di bloccaggio quando la pressione dell'olio aumenta a causa dell'apertura dell'elettrovalvola.

L'ultimo contiene anche una molla che provvede, una volta cessata la spinta dell'olio, a riportare automaticamente tutto in posizione di riposo. Lo "sblocco" dei bilancieri avviene quando si alza il piede dall'acceleratore ed il regime di rotazione scende a circa 4900-5100 g/m. Quando si passa dal "programma" turistico a quello sportivo e viceversa, non si avverte un cambiamento brutale, ma tutto avviene in maniera estremamente fluida e dolce come se nulla di meccanico si fosse "mosso": soltanto le prestazioni cambiano!

La famiglia VTEC
Utilizzare il dispositivo VTEC per due alberi a camme, quello che comanda le valvole d'aspirazione e l'altro che comanda quelle di scarico, è costoso ed ingombrante; allora si è cercato di "semplificare" il sistema lasciando ad un solo albero (VTEC SOHC) il compito di gestire la distribuzione.

Immagine Vano motore VTEC Così facendo si riesce a modificare soltanto la fasatura e l'alzata valvole dell'aspirazione, ma ciò è sufficiente per dare al motore una "verve" sportiva. L'efficace distribuzione variabile è stata utilizzata dalla Honda anche per ridurre i consumi di carburante e le emissioni inquinanti. Il suo nome è VTEC-E ed aziona un dispositivo simile a quelli già visti, con una distribuzione a 4 valvole che però ne lascia a "riposo" una fino a 2500 giri/minuto. In pratica ai regimi di rotazione medio-alti la distribuzione è a 4 valvole, mentre a quelli bassi è a 3 valvole per cilindro (una d'aspirazione e due di scarico). La magia di questa soluzione in ogni modo non sta nel fatto che varia il numero delle valvole, ma che la particolare geometria del sistema permette al propulsore di funzionare con miscela magra (rapporto aria-benzina di circa 25:1) ai bassi regimi di rotazione. Immagine Vano motore VTEC Sfruttando magistralmente le turbolenze e la stratificazione della carica nella fase finale di compressione si è ottenuta la riduzione dei consumi sperata, fermo restando la buona potenza massima (90 cavalli) erogata dal propulsore di soli 1,5 litri. Alla Honda comunque il VTEC è sempre in continuo aggiornamento per migliorare il funzionamento dei sistemi di distribuzione variabile. Si assiste così al continuo "ritocco" del diametro delle valvole, dei profili delle camme, ecc, anche perché con il tempo, altri motori con cilindrata diversa sono entrati a far parte della famiglia VTEC.

L'ultimo nato, il 2 litri della Honda S2000, sfoggia l'incredibile potenza di 120 CV/litro, sconosciuta ai motori aspirati di grande e piccola serie (ovviamente esclusi quelli da competizione!). La ragguardevole potenza di 240 cavalli a 8.300 g/m (da far invidia ai 2000 cc turbocompressi) è stata ottenuta grazie ad una serie di aggiustamenti e ritocchi, tra cui il più importante è l'impiego di bilanciere a dito muniti di rullino anziché di pattino come sui precedenti VTEC.

Prospettive future
Per il momento la distribuzione variabile a controllo elettronico rappresenta il top in materia, la Honda ha tracciato la giusta strada ed altri costruttori stanno battendo sia questa, sia altre nuove vie per cercare di equipararne le potenzialità e le prestazioni. Tutti comunque stanno aspettando un ulteriore passo che renda la distribuzione svincolata dall'azionamento meccanico. Se si riuscisse ad azionare elettricamente le valvole, spetterebbe ad una centralina il compito di individuare i tempi giusti d'apertura e l'alzata più favorevole. Così facendo inoltre le valvole si aprirebbero in tempi brevissimi e non gradualmente come accade ora! Molti studi si stanno effettuando in materia e molti sono i prototipi che stanno girando al banco prova alla ricerca di nuovi dispositivi di controllo della distribuzione. Tuttavia per arrivare ad una tecnologia affidabile, da industrializzare nel giro di poco tempo, c'è però ancora molto lavoro da fare. Forse saranno proprio le competizioni a dare i frutti sperati… incrociamo le dita!

Immagine spaccato VTEC Vtec-1: Lo spaccato del VTEC che equipaggia la Honda S2000, accreditata di una potenza esorbitante per un propulsore aspirato: 240 cavalli a 8.300 g/m (nel pieno rispetto delle severissime normative californiane in materia di emissioni inquinanti!). Questo dispositivo rispetto ai suoi antenati impiega bilancieri a dito muniti di rulli (colorati in viola), al posto di quelli dotati di pattini. Fino ai 5.850 giri/ minuto, le valvole sono azionate dai bilancieri laterali colorati di blu; oltre questo regime di rotazione un dispositivo a comando elettroidraulico rende solidali i tre bilancieri. Dato che la camma verde ha un profilo molto più spinto di quelle azzurre ai suoi lati, i bilancieri sono costretti a seguire la sua alzata. Pertanto la camma ed il bilanciere centrale comandano la coppia di valvole relative: questo vale sia per l'aspirazione, sia per lo scarico, realizzati in modo analogo.

Diagramma andamento apertura valvole VTEC Vtec-2: L'andamento del diagramma di alzata delle valvole sul VTEC DOHC Honda della prima generazione. Come si può notare i profili delle camme di aspirazione e di scarico non sono uguali neppure nelle alzate, sia nella modalità normale sia in quella sportiva. Ai bassi regimi di rotazione non è presente l'incrocio delle valvole, mentre in modalità sportiva (oltre i 5.300 giri/m) c'è ed è notevole. Da notare inoltre che l'entità dell'alzata delle valvole ad alti regimi di rotazione è praticamente raddoppiata!

Particolare VTEC della S2000 Vtec-3 : Il particolare del dispositivo VTEC impiegato sulla Honda S2000. I 2 pistoncini marroni muovendosi lungo l'asse indicato dalle frecce rosse rendono solidali i tre bilancieri. L'olio sotto pressione che fuoriesce dal foro raffigurato con la lettera "A" costringe i due perni affiancati a spostarsi, bloccando i bilancieri come se fossero un tutt'uno. I perni infatti hanno la stessa larghezza dei bilancieri che li ospitano al loro interno, pertanto spostandosi si comportano come se fossero un unico perno molto più lungo, in grado di rendere solidale tutto il meccanismo di comando delle due valvole laterali. I bilancieri a questo punto seguono la maggiore alzata della camma centrale più sportiva. Con la lettera "B" viene indicata la molla che, quando viene a mancare la pressione dell'olio, ha il compito di riportare in posizione di riposo i due perni affiancati. Quando questo accade il bilanciere centrale continua a seguire il moto imposto dalla sua camma ma senza azionare le valvole (muovendosi a vuoto). Queste ultime infatti riprendono a seguire il moto impartito dalle camme laterali con il profilo molto più "tranquillo".

Schema principio funzionamento VTEC Vtec-4 : Lo schema mostra il principio di funzionamento del dispositivo VTEC ai bassi e medi regimi di rotazione del propulsore. Quando l'elettrovalvola di controllo della pressione olio è chiusa, i perni sono alloggiati all'interno del relativo bilanciere, forzati in questa posizione dalla molla di richiamo raffigurata in rosso. Delle tre camme (e tre bilancieri) di ogni albero, in questo frangente, soltanto quelle alle estremità (verdi) comandano le due valvole sottostanti. Questo si verifica in maniera analoga sia sul lato dell'aspirazione sia su quello dello scarico.

Schema principio funzionamento VTEC Vtec-5: Lo schema mostra il principio di funzionamento del dispositivo VTEC agli alti regimi di rotazione del propulsore. Intorno ai 5.300 g/m (VTEC Honda Civic VTI) la centralina, sulla base di alcune indicazioni fornite dai sensori, apre l'elettrovalvola dell'olio che comanda la modalità di funzionamento sportivo. La spinta del fluido raggiunge i pistoncini facendogli vincere la forza della molla di contrasto. I perni in questa posizione bloccano i tre bilancieri, rendendo attivo quello centrale (azzurro) comandato dalla camma più sportiva (rossa), contraddistinta dall'imponente alzata. Ad alti regimi di rotazione le valvole sono dunque azionate dalla camma sportiva rossa, come se le altre due (verde scuro) non esistessero, invece ci sono ma girano senza poter trasmettere il moto ai relativi bilancieri.

Spaccato VTEC Economy Vtec-6: Lo spaccato del VTEC-E, dove "E" sta per Economy, il cui principio di funzionamento è molto diverso da quello dei VTEC DOHC e SOHC. Questo dispositivo non ha l'obiettivo di coniugare coppia e potenza come negli altri casi, ma mira invece al contenimento dei consumi senza sacrificare troppo la potenza massima. Pur disponendo di 4 valvole per cilindro, il VTEC-E interviene soltanto su quelle di aspirazione, lasciandone una a riposo fino a circa 2.500 giri/min. In pratica fino ad un certo regime di rotazione il motore è di fatto un tre valvole per cilindro (due di scarico ed una di aspirazione). Quando i giri salgono, la seconda valvola di aspirazione segue il moto della sua compagna grazie ad un pistoncino che si muove bloccando i due bilancieri (secondo uno schema semplificato della classica architettura VTEC). Quando il propulsore funziona con una sola valvola di aspirazione, può sfruttare le turbolenze che si vengono a creare nel cilindro. Queste ultime permettono il funzionamento con miscele estremamente magre che altrimenti non potrebbero essere bruciate. I benefici in termini di consumo si fanno sentire ad andatura ridotta… poi il propulsore monoalbero di soli 1,5 litri si comporta come gli altri, esibendo una buona potenza massima: 90 cavalli a 5.500 giri/min.
Informazioni e immagini tratti dal sito:
www.elaborare.com
Autore: Piero Plini
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