Le valvole del motore sono componenti meccanici utilizzati nei motori a combustione interna per consentire o limitare il flusso di fluido o gas da e verso le camere di combustione o i cilindri durante il funzionamento del motore. Funzionalmente, si comportano in modo simile a molti altri tipi di valvole in quanto bloccano o fanno passare il flusso, tuttavia sono un dispositivo puramente meccanico che si interfaccia con altri componenti del motore come i bilancieri per poter aprire e chiudere nella sequenza corretta e con il tempismo corretto.
Il termine valvola del motore può anche riferirsi a un tipo di valvola di ritegno utilizzata per l'iniezione d'aria come parte dei sistemi di controllo delle emissioni e di ricircolo dei gas di scarico nei veicoli. Questo tipo di valvola motore non verrà affrontato in questo articolo.
Le valvole del motore sono comuni a molti tipi di motori a combustione, indipendentemente dal fatto che utilizzino un carburante come benzina, diesel, cherosene, gas naturale (GNL) o propano (LP). I tipi di motore variano in base al numero di cilindri che sono le camere di combustione che generano potenza dall'accensione del carburante. Variano anche dal tipo di funzionamento (2 tempi o 4 tempi) e dalla disposizione delle valvole all'interno del motore [valvola in testa (OHV), camma in testa (OHC) o valvola in blocco (VIB)] .
Questo articolo descriverà brevemente il funzionamento delle valvole del motore nei tipici motori a combustione, oltre a presentare informazioni sui tipi di valvole, sul loro design e sui materiali. Ulteriori informazioni su altri tipi di valvole possono essere trovate nella nostra guida relativa Comprensione delle valvole.
Nomenclatura della valvola del motore
La maggior parte delle valvole del motore sono progettate come valvole a fungo a causa del loro movimento di schiocco su e giù e presentano una testa della valvola a profilo conico che si adatta a una sede della valvola lavorata per sigillare il passaggio di fluidi o gas. Sono anche chiamate valvole a fungo per via della forma particolare della testa della valvola. La figura 1 mostra la nomenclatura per i diversi elementi in una tipica valvola del motore.
Diagramma che mostra la nomenclatura di una valvola a fungo.
Figura 1 - Nomenclatura per una valvola motore a fungo standard.
Credito immagine: https://dieselnet.com
I due elementi primari sono lo stelo della valvola e la testa della valvola. La testa contiene un raccordo che conduce in una faccia della sede che viene lavorata con un angolo specificato per corrispondere alla lavorazione della sede della valvola a cui corrisponderà. La sede della faccia della valvola sulla sede della valvola è ciò che fornisce la tenuta alla valvola contro la pressione di combustione.
Lo stelo della valvola collega la valvola agli elementi meccanici nel motore che azionano la valvola creando una forza per spostare lo stelo contro la pressione di sede fornita da una molla della valvola. La scanalatura del fermo viene utilizzata per mantenere la molla in posizione e la punta dello stelo della valvola viene ripetutamente contattata da un bilanciere, punteria o sollevatore che aziona la valvola.
Funzionamento del motore
I motori a combustione interna a quattro tempi oa quattro tempi utilizzano due tipi principali di valvole: la valvola di aspirazione e la valvola di scarico. Le valvole di aspirazione vengono aperte per consentire il flusso di una miscela aria/carburante nei cilindri del motore prima della compressione e dell'accensione, mentre le valvole di scarico si aprono per consentire l'espulsione dei gas di scarico dal processo di combustione dopo l'accensione.
Nel funzionamento normale, un albero a gomiti nel motore a cui sono fissati i pistoni è legato a un albero a camme come parte di una disposizione del treno di valvole per il motore. Il movimento dell'albero motore trasferisce il movimento all'albero a camme attraverso una catena di distribuzione, una cinghia di distribuzione o un altro meccanismo a ingranaggi. La fasatura e l'allineamento tra la posizione dell'albero motore (che stabilisce la posizione del pistone nel cilindro) e la posizione dell'albero a camme (che determina la posizione delle valvole per il cilindro) è fondamentale non solo per le massime prestazioni del motore ma anche per evitare interferenze tra pistoni e valvole nei motori ad alta compressione.
Nel ciclo di aspirazione, il pistone del cilindro di aspirazione si abbassa quando la valvola di aspirazione si apre. Il movimento del pistone crea una pressione negativa che aiuta ad aspirare la miscela aria/carburante nel cilindro. Subito dopo che il pistone raggiunge la posizione più bassa nel cilindro (nota come punto morto inferiore), la valvola di aspirazione si chiude. Nel ciclo di compressione, la valvola di aspirazione è chiusa per sigillare il cilindro mentre il pistone sale nel cilindro nella posizione più alta (nota come punto morto superiore), che comprime la miscela aria/carburante a un piccolo volume. Questa azione di compressione serve a fornire una pressione maggiore contro il pistone quando il carburante viene acceso ea preriscaldare la miscela per favorire una combustione efficiente del carburante. Nel ciclo di alimentazione, la miscela aria/carburante si accende creando un'esplosione che costringe il pistone a tornare nella posizione più bassa e trasferisce l'energia chimica rilasciata bruciando la miscela aria/carburante nel movimento di rotazione dell'albero motore. Il ciclo di scarico ha il pistone che sale di nuovo verso l'alto nel cilindro mentre la valvola di aspirazione rimane chiusa e la valvola di scarico è ora aperta. La pressione creata dal pistone aiuta a forzare i gas di scarico fuori dal cilindro attraverso la valvola di scarico e nel collettore di scarico. Al collettore di scarico sono collegati l'impianto di scarico, una serie di tubi che include un silenziatore per ridurre il rumore acustico e un sistema di catalizzatore per gestire le emissioni dalla combustione del motore. Una volta che il pistone raggiunge la parte superiore del cilindro nel ciclo di scarico, la valvola di scarico inizia a chiudersi e la valvola di aspirazione inizia ad aprirsi, ricominciando il processo. Si noti che la pressione del cilindro in aspirazione aiuta a mantenere aperta la valvola di aspirazione e l'alta pressione nel ciclo di compressione aiuta a mantenere chiuse entrambe le valvole.
Nei motori con più cilindri, gli stessi quattro cicli si ripetono in ciascuno dei cilindri ma in sequenza in modo che il motore dimostri una potenza regolare e riduca al minimo il rumore e le vibrazioni. La sequenza del movimento del pistone, del movimento della valvola e dell'accensione viene eseguita attraverso il preciso design meccanico e la temporizzazione elettrica dei segnali di accensione alle candele che accendono la miscela aria/carburante.
Movimento della valvola del motore
Il movimento delle valvole del motore è guidato dall'albero a camme del motore, che contiene una serie di lobi o camme che servono a creare un movimento lineare della valvola dalla rotazione dell'albero a camme. Il numero di lobi delle camme sull'albero a camme è uguale al numero di valvole nel motore. Quando l'albero a camme si trova nella testata del cilindro, il motore è chiamato design a camme in testa (OHC); quando l'albero a camme si trova nel blocco motore, il motore è chiamato design a valvola in testa (OHV). Indipendentemente dal design del motore, il movimento di base delle valvole del motore avviene tramite la camma che scorre contro un sollevatore o una punteria che fornisce una forza che preme contro lo stelo della valvola e comprime la molla della valvola, rimuovendo così la tensione della molla che mantiene la valvola in la posizione chiusa. Questo movimento dello stelo della valvola solleva la valvola dalla sede nella testata e apre la valvola. Una volta che l'albero a camme ruota ulteriormente e il lobo della camma si sposta in modo che la parte eccentrica non sia più direttamente in contatto con l'alzavalvola o la punteria, la pressione della molla chiude la valvola mentre lo stelo della valvola scorre sulla parte centrale del lobo della camma.
Mantenere il corretto gioco delle valvole tra lo stelo della valvola e il bilanciere o la camma è estremamente importante per il corretto funzionamento delle valvole. È necessario uno spazio minimo per consentire l'espansione delle parti metalliche quando la temperatura del motore aumenta durante il funzionamento. I valori di gioco specifici variano da motore a motore e il mancato mantenimento di un gioco adeguato può avere gravi conseguenze per il funzionamento e le prestazioni del motore. Se il gioco delle valvole è troppo grande, le valvole si apriranno più tardi che in modo ottimale e si chiuderanno prima, il che può ridurre le prestazioni del motore e aumentare il rumore del motore. Se il gioco delle valvole è troppo piccolo, le valvole non si chiuderanno completamente, il che può causare una perdita di compressione. Gli alzavalvole idraulici sono autocompensanti e possono eliminare la necessità di regolazioni del gioco delle valvole.
I moderni motori a combustione possono utilizzare un numero diverso di valvole per cilindro a seconda del design e dell'applicazione. I motori più piccoli come quelli utilizzati nei tosaerba possono avere solo una valvola di aspirazione e una valvola di scarico. I motori dei veicoli più grandi come i motori a 4, 6 o 8 cilindri possono utilizzare quattro valvole per cilindro o talvolta cinque.
Materiali della valvola del motore
Le valvole del motore sono uno dei componenti dei motori a combustione interna molto sollecitati. La necessità di un funzionamento affidabile del motore impone che le valvole del motore siano in grado di esibire resistenza all'esposizione ripetuta e continua ad alta temperatura, alta pressione dalla camera di combustione e carichi meccanici e sollecitazioni dalla dinamica del motore.
Le valvole di aspirazione dei motori a combustione interna sono sottoposte a minori sollecitazioni termiche a causa degli effetti di raffreddamento della miscela aria/carburante in ingresso che passa dalla valvola durante il ciclo di aspirazione. Le valvole di scarico, al contrario, sono esposte a livelli più elevati di stress termico trovandosi nel percorso dei gas di scarico durante il ciclo di scarico del motore. Inoltre, il fatto che la valvola di scarico sia aperta durante il ciclo di scarico e non a contatto con la testata del cilindro significa che la minore massa termica della faccia di combustione e della testa della valvola ha un potenziale maggiore per un rapido cambiamento di temperatura.
Le valvole di aspirazione, a causa delle loro temperature di esercizio inferiori, sono generalmente realizzate con materiali come cromo, nichel o acciaio al tungsteno. Le valvole di scarico a temperatura più elevata possono utilizzare metalli più resistenti al calore come nicromo, silicio-cromo o leghe di cobalto-cromo.
Le facce delle valvole esposte a temperature più elevate sono talvolta rese più durevoli dalla saldatura della stellite, che è una lega di cobalto e cromo, alla faccia della valvola.
Altri tipi di materiali utilizzati per la fabbricazione delle valvole del motore includono acciaio inossidabile, titanio e leghe tribali.
Inoltre, possono essere applicati rivestimenti e finiture superficiali per migliorare le proprietà meccaniche e le caratteristiche di usura delle valvole del motore. Esempi di ciò includono la cromatura, la fosfatazione, il rivestimento in nitruro e la finitura a spirale.
Tipi di valvole del motore
Oltre alla caratterizzazione delle valvole del motore in base alla funzione (aspirazione rispetto allo scarico), esistono diversi tipi specifici di valvole del motore in base al design e ai materiali. I principali tipi di valvole motore includono:
Valvole motore monometalliche
Valvole motore bimetalliche
Valvole motore cave
Le valvole del motore monometallico, come suggerisce il nome, sono fabbricate da un unico materiale che forma sia lo stelo della valvola che la testa della valvola. Questi tipi di valvole del motore forniscono un'elevata resistenza al calore e mostrano buone capacità antifrizione.
Le valvole del motore bimetallico, note anche come valvole del motore bimetallico, sono realizzate unendo due materiali diversi utilizzando un processo di saldatura ad attrito per creare una valvola con acciaio austenitico sulla testa della valvola e acciaio martensitico per lo stelo della valvola. Le proprietà di ciascuno di questi acciai hanno uno scopo ottimale, in cui l'acciaio austenitico sulla testa della valvola fornisce resistenza alle alte temperature e resistenza alla corrosione e l'acciaio martensitico per lo stelo della valvola offre un'elevata resistenza alla trazione e resistenza all'usura abrasiva.
Le valvole del motore cavo sono una speciale valvola bimetallica che contiene una cavità cava riempita di sodio. Il sodio si liquefa quando la temperatura della valvola aumenta e viene fatto circolare dal movimento della valvola, che aiuta a dissipare il calore dalla testa della valvola più calda. Il design cavo facilita un maggiore trasferimento di calore attraverso lo stelo rispetto alle valvole solide perché il materiale dello stelo martensitico è un conduttore di calore migliore rispetto al materiale della testa austenitica. Le valvole cave sono particolarmente adatte per l'uso nei motori moderni che forniscono più potenza da motori più piccoli e più densi che hanno temperature dei gas di scarico più elevate che le valvole solide non sono in grado di gestire. Queste temperature di scarico più elevate sono il risultato di diverse condizioni, tra cui:
Il desiderio di un processo di combustione magra che riduca le emissioni di gas serra
Design del motore con rapporti di compressione più elevati e pressioni di combustione più elevate che offrono una maggiore efficienza
Design del collettore integrato che supportano i turbocompressori per maggiori prestazioni del motore da motori più piccoli
Esistono molti altri tipi di design delle valvole del motore. Le cosiddette valvole a manicotto sono costituite da un tubo o manicotto che si trova tra la parete del cilindro e il pistone e che scorre o ruota azionato da un albero a camme come con altre valvole del motore. Il movimento della valvola a manicotto fa sì che le luci che sono tagliate nel manicotto si allineino con le porte corrispondenti nella parete del cilindro in diversi punti del ciclo del motore, funzionando così come una semplice valvola di aspirazione e scarico del motore senza la complessità di bilancieri e sollevatori.
Specifiche della valvola del motore
Le valvole tipiche del motore sono specificate dai parametri descritti di seguito. Si noti che questi dati sono intesi a scopo informativo ed essere consapevoli che possono esistere variazioni nei parametri utilizzati per specificare le valvole del motore da produttore a produttore. Comprendendo le specifiche, gli acquirenti sono meglio attrezzati per impegnarsi in discussioni sulle loro esigenze specifiche con i fornitori di valvole del motore.
