Innanzitutto, è probabilmente importante rivedere cosa fanno le valvole e come dovrebbero funzionare su un motore a combustione interna a quattro tempi.
Cosa fanno le valvole
Fondamentalmente ci sono valvole di aspirazione e valvole di scarico con un minimo di ciascuna per pistone, ma le auto F1 (e molte auto stradali moderne) ne usano due. La seguente descrizione utilizzerà "valvola" singolarmente, ma si dovrebbe comprendere che nei motori multivalvola, le valvole funzionano in sincronia, ovvero se il motore ha una o due valvole di aspirazione, si trovano nella stessa posizione in ciascuna istante nel tempo.
La valvola di aspirazione consente la miscela carburante / aria nel cilindro mentre il pistone si sposta verso il basso (lontano dalla valvola) e quindi si chiude in modo che la miscela possa essere compressa dal pistone in aumento. Viene quindi innescato da una scintilla e la mini-esplosione che ne risulta spinge il pistone indietro. Questo è il colpo di potere. Infine, il pistone ritorna all'apertura della valvola di scarico e il gas di scarico viene espulso dal cilindro.
Come funzionano
Come dovrebbe essere ovvio dalla descrizione di cui sopra, le valvole devono essere esattamente sincronizzate con il funzionamento dei pistoni che si muovono su e giù. Se dovessero uscire dalla sincronizzazione, il motore avrebbe meno potenza (se sono leggermente fuori tempo), o non funzionerebbe affatto (se sono gravemente fuori tempo) o distruggerebbe il motore causando il crash dei pistoni le valvole, piegando o rompendo le valvole (in alcuni modelli). Per molti decenni, e fino ai tempi attuali, la maggior parte dei motori utilizza le camme per spingere la valvola verso il basso (aprendola) e le molle per richiuderla. È economico, affidabile, efficiente e ben collaudato, ma ci sono dei limiti.
Andiamo a correre!
Quando i regimi del motore salgono, le valvole devono andare più veloci. Un'auto F1 è progettata per ruotare fino a 15.000 giri / min in base alle normative vigenti; le auto delle stagioni precedenti erano ancora più elevate. Le auto tipiche da strada hanno una "linea rossa" intorno alla metà. ("Linea rossa" si riferisce a una linea rossa effettiva sul contagiri che dovrebbe indicare "se si supera questo punto, è probabile che si verifichino gravi danni al motore!") Quando un motore gira così velocemente, la molla diventa un problema. Innanzitutto, deve agire molto rapidamente. Possiamo fare in modo che la valvola si chiuda più velocemente usando una molla più rigida, ma quindi dobbiamo spendere più energia comprimendo la molla ogni volta che la camma ruota per chiudere la valvola. Inoltre, è stato scoperto che a determinate velocità del motore vicino alla frequenza di risonanza della molla, le valvole non si chiudono rapidamente come dovrebbero, quindi alcuni motori da corsa usano due o tre molle concentriche con frequenze di risonanza diverse per superare questo.
Primavera a Parigi
Un approccio che è stato utilizzato con successo dalla Renault in origine (sì, so che in realtà non hanno sede a Parigi, ma non ho potuto resistere all'utilizzo della voce) e poco dopo da tutti i produttori di motori F1 era una valvola pneumatica. In sostanza, è solo un diaframma riempito con un gas inerte come l'azoto che agisce come una molla, ma più veloce. Hanno anche il vantaggio di un peso inferiore, che è sempre di interesse per gli ingegneri delle corse. Tieni presente che mentre le valvole pneumatiche potrebbero essere utilizzate a RPM più bassi, il problema che devono risolvere è a RPM così elevati molto superiori a quelli che la berlina di famiglia potrebbe sopportare, quindi è per questo che non sono (ancora) utilizzati su strada macchine. C'è anche un sistema chiamato " desmodromico ""che utilizza essenzialmente due lobi a camma: uno per aprire la valvola e un altro per chiuderla. Per quanto ne sappia, non è mai stato usato in F1 ( perdonami Fangio, perché ho peccato! La Mercedes-Benz W196 del 1954 impiegava desmodromica valvole), e l'utente principale è la Ducati nelle loro motociclette. Questo è già abbastanza lungo, quindi non lo descriverò qui.
Possiamo fare ancora meglio?
Il sistema di cam che ho descritto funziona bene, ma è un compromesso. I tempi e la durata dei periodi di apertura di ciascuna valvola sono fissati dalla forma dei lobi dell'albero a camme e dalla velocità del motore. Ad un certo punto della gamma RPM del motore, un particolare albero a camme fornisce la durata e i tempi ottimali, ma solo a quel punto. Per ogni altra velocità del motore, sarà subottimale in termini di efficienza, potenza o entrambi. Idealmente, vorremmo un migliore controllo delle valvole per garantire le impostazioni ideali a più di un valore RPM specifico.
Come possiamo migliorare il controllo delle valvole?
Esistono diversi modi per risolvere questo problema. Un modo semplice per farlo è quello di avere due lobi a camma per valvola e utilizzare un attuatore che cambia quello che effettivamente apre la valvola. Questo è essenzialmente esattamente ciò che fa il sistema VTEC di Honda . Possiamo fare ancora meglio variando continuamente i tempi delle camme, cosa che fanno i sistemi Toyota VVT-i, VANOS della BMW e Porsche Variocam della Porsche. Tutti hanno la possibilità di variare leggermente i tempi della camma in modo che il motore funzioni alla massima potenza in una gamma molto più ampia di regimi del motore.
Va bene, ma possiamo immaginare di andare ancora oltre. Ancora meglio sarebbe eliminare completamente la camma e utilizzare, ad esempio, un solenoide sotto il controllo del computer. Ovviamente sia il solenoide che il computer che lo controlla dovrebbero duplicare con precisione i tempi attualmente forniti meccanicamente dalle camme, ma ha un vantaggio potenziale significativo sia nel risparmio di peso che nel controllo estremamente flessibile che consente regolazioni dinamiche momento per momento di fasatura della valvola. Tuttavia, ciò si è rivelato molto difficile da ottenere in modo affidabile, quindi non sono stati ancora prodotti motori di produzione che utilizzano questo tipo di tecnologia. Si dice che Koenigsegg sia vicino, ma pochi di noi potranno permetterselo.
Quale sistema di valvole variabile viene utilizzato in F1?
La risposta potrebbe sorprenderti: nessuno di loro . Se leggi i regolamenti tecnici di Formula 1 2016 (e chi no ?!) vedrai questo:
5.9.2 Non sono consentiti i sistemi di fasatura variabile della valvola e del profilo di sollevamento della valvola variabile.
Guidare orgoglioso!
Così il gioco è fatto. Sebbene ci sia molta tecnologia interessante nei motori F1, tra cui le "molle" della valvola pneumatica, puoi guidare tranquillamente per strada nel tuo Honda Prelude 1999 grigio-primer con il parafango mancante e il cofano ammaccato sapendo che il tuo motore in realtà incorpora una tecnologia che no l'attuale vettura F1 ha - fasatura variabile della valvola.