Disegno in sezione dell'azionamento della valvola FlexWork. Credito:Empa
Il treno valvole è "l'organo respiratorio" dei motori a combustione:gestisce l'aspirazione dell'aria fresca e lo scarico dei gas di scarico, che viene indicato come "scambio di gas". Oggi, a tale scopo nella produzione in serie vengono utilizzati solo alberi a camme a comando meccanico, spesso dotato di un meccanismo aggiuntivo, alcuni dei quali sono piuttosto complessi. Questo permette di modificare uno schema di movimento della valvola dato dall'albero a camme, che non è possibile senza un aumento dell'attrito. Allo stesso tempo, la flessibilità non è data nella misura desiderata. Ciò che è richiesto, tra le altre cose per l'adattamento alle mutevoli proprietà del carburante, sono i movimenti rapidi delle valvole anche a basse velocità, adattamenti della corsa e fasatura delle valvole ampiamente variabile selettiva per cilindro.
Scambio di gas ottimizzato e minor attrito consentono di risparmiare carburante
Patrik Soltic e il suo team presso il laboratorio Automotive Powertrain Technologies dell'Empa, insieme allo specialista di idraulica Wolfgang Schneider, ha inventato e sviluppato un treno valvole elettroidraulico che è significativamente più flessibile rispetto all'odierna tecnologia di produzione in serie. Le valvole sono azionate idraulicamente e controllate elettricamente tramite una bobina magnetica. Non appena scorre una corrente di controllo, si apre una valvola idraulica appositamente progettata, consentendo al fluido idraulico di aprire la valvola di scambio del gas nella misura desiderata in millisecondi contro una molla. Quando la corrente è spenta, la valvola di scambio del gas viene richiusa dalla forza della molla e alimenta gran parte dell'energia idraulica necessaria per riaprirsi nel sistema idraulico. Il sistema raggiunge un fabbisogno energetico significativamente inferiore in un'ampia gamma di funzionamento rispetto ai sistemi azionati da albero a camme. Insieme a uno scambio di gas ottimizzato, il consumo di carburante del motore ad accensione comandata di prova è inferiore di circa il 20 percento rispetto al controllo convenzionale della valvola che utilizza una valvola a farfalla in combinazione con alberi a camme nel campo di carico basso tipico delle autovetture.
Adattabile ai combustibili rinnovabili
Selezionando i parametri di funzionamento, i tempi di apertura e chiusura così come l'alzata delle valvole per ogni cilindro possono essere scelti completamente illimitati. Ciò significa che ogni condizione di funzionamento del motore può essere variata di ciclo in ciclo, ad esempio tramite il controllo intelligente del carico, selezionando la quantità di gas residuo rimasto nella bombola (ricircolo gas di scarico), o disattivando i cilindri non necessari senza che il conducente se ne accorga. Ciò rende il motore altamente adattabile ai nuovi combustibili rinnovabili:combustibili contenenti ossigeno come metanolo o etanolo, Per esempio, lasciare più gas residuo nella bombola. Gas naturale, il biogas e il syngas generati dall'energia eolica e solare offrono maggiori proprietà antidetonanti, e anche il treno valvole può reagire in modo flessibile a questo. Inoltre, concetti di combustione alternativi possono anche essere implementati relativamente facilmente, ad esempio autoaccensione omogenea:una miscela aria-carburante si accende al momento giusto senza scintille di accensione ponendo le condizioni corrette verso la fine della compressione. La miscela viene bruciata quasi senza inquinamento.
Modello dell'azionamento della valvola FlexWork, montato su un motore di serie. Credito:Empa
Testata senza olio
Un'altra specialità del sistema allestito all'Empa è la scelta del fluido idraulico:invece di usare l'olio come di consueto, una miscela di acqua e glicole, cioè acqua di raffreddamento del motore, può essere utilizzato. Grazie alle sue proprietà fisiche, questo mezzo è molto adatto per sistemi idraulici a commutazione rapida, in quanto è molto rigido e quindi crea minori perdite idrauliche. Ciò rende la testata del cilindro completamente priva di olio, che può consentire di utilizzare un olio motore più economico con intervalli di cambio prolungati per il resto del motore.
Diversi mesi di test di funzionamento
Nell'ambito del progetto "FlexWork" finanziato dall'UFE, il nuovo treno valvole è stato messo in funzione in un motore di un'autovettura alimentato a gas naturale e derivato da un motore VW 1.4l TSI. I componenti necessari sono stati prodotti dall'officina dell'Empa. Il sistema di controllo del motore di prova è stato sviluppato dagli stessi ricercatori dell'Empa. Il treno valvole è in funzione su un banco prova motori Empa dall'ottobre 2018 ed è già sopravvissuto in modo impeccabile a molti milioni di cicli nel funzionamento del motore acceso.
Il controllo della valvola FlexWork richiede solo componenti a basso costo. Non costoso, valvole di commutazione molto veloci e non sono necessari sensori complessi. Il sistema del treno valvole è stato presentato agli esperti tecnici nella rivista MTZ in tutto il mondo il 16 agosto. L'Empa sta discutendo con i produttori di motori per il trasferimento di questa tecnologia, che è adatto non solo per motori a combustione ma anche per compressori.
