Vita infernale

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Nei motori a quattro tempi, tanto diesel quanto a ciclo Otto, il passaggio dei gas che entrano ed escono dai cilindri è controllato da valvole a fungo. Questi componenti sono costituiti da uno stelo, che scorre dentro una guida, e da un fungo che, in posizione di chiusura, va a poggiare con la sua parte più esterna contro una sede troncoconica, facendo tenuta. Quando la valvola è aperta, si solleva dalla sede e l’aria di aspirazione o i gas combusti (se si tratta di una valvola di scarico) possono passare. L’apertura è determinata dal movimento di un eccentrico dell’albero a camme, che agisce su di un organo intermedio (punteria o bilanciere), il quale a sua volta preme sulla estremità della valvola. A riportare quest’ultima in posizione di chiusura provvede una apposita molla (spesso doppia).La parte periferica del fungo è dotata di una superficie di tenuta troncoconica che, a valvola chiusa, poggia contro la corrispondente superficie della sede, di norma ricavata in un inserto anulare installato nella testa con forte interferenza. Solo alcune teste in ghisa sono dotate di sedi integrali. In quelle in lega di alluminio, materiale dalla durezza modesta, è necessario impiegare sedi e guide riportate.

Sollecitazioni termiche
Le sollecitazioni termiche sono molto differenti per le valvole di aspirazione e quelle di scarico. Le prime infatti possono godere di una vigorosa refrigerazione da parte dell’aria che le lambisce per entrare nei cilindri durante la fase di ammissione. Per le valvole di scarico invece durante il periodo di apertura la situazione è drammatica; a lambirle infatti sono i gas combusti, la cui temperatura è altissima. Per il raffreddamento in questo caso si può contare solo sul contatto con la sede (una volta in posizione di chiusura) e, in misura minore, sul calore che lo stelo può trasmettere alla guida. Di conseguenza, le temperature alle quali lavorano le valvole di scarico possono essere quasi proibitive (oltre 750 °C nella maggior parte dei moderni motori a ciclo Otto, che salgono a più di 800 °C nelle realizzazioni di prestazioni più elevate o in presenza di sovralimentazione).

Materiali
Le valvole di aspirazione possono essere realizzate con acciai relativamente economici, mentre per quelle di scarico si utilizzano acciai austenitici assai più costosi, specificamente sviluppati per questo tipo di impiego o superleghe. La progettazione e la fabbricazione vengono effettuate da ditte specializzate in questo settore specifico. Per le valvole di aspirazione, nel caso di motori non molto sollecitati, sono tuttora impiegati acciai martensitici, legati con cromo e silicio o con elementi come il molibdeno e il vanadio. Per impieghi più gravosi si utilizzano però gli acciai austenitici, nei quali il ferro è presente nella forma allotropica gamma (struttura cristallina con cella elementare cubica a facce centrate) invece che alfa (cella elementare cubica a corpo centrato), come accade per gli altri acciai.
Nella grande maggioranza delle valvole di scarico si impiegano proprio acciai austenitici, in grado di lavorare a temperature elevate, alle quali mantengono una apprezzabile resistenza a trazione, una buona durezza e una adeguata resistenza allo scorrimento viscoso (creep). In questo caso gli elementi di lega più utilizzati sono il cromo, presente in una misura spesso superiore al 20%, il nichel, il manganese e spesso anche minori quantità di niobio e/o di vanadio. Per impieghi estremamente severi si impiegano superleghe di origine aeronautica a base di nichel come il Nimonic e l’Inconel.
Un’ampia diffusione hanno le valvole bimetalliche, nelle quali lo stelo è in acciaio martensitico (dalla notevole durezza e dalla ottima resistenza all’usura) mentre il fungo è in acciaio austenitico. Le due parti sono unite mediante saldatura per attrito, oggi effettuata con macchine automatiche piazzate lungo la linea di produzione. Nei motori da competizione si impiegano valvole in lega di titanio, notevolmente più leggere, a parità di dimensioni, rispetto a quelle in acciaio o in superlega. Questo materiale, assai costoso, è impiegato da alcuni anni a questa parte anche su diverse moto supersportive destinate a normale circolazione su strada e su alcuni modelli da cross.

Rivestimenti
La superficie di tenuta troncoconica del fungo, che in genere ha una inclinazione di 45°, assicura una perfetta ermeticità quando la valvola è in posizione di chiusura ed esercita una apprezzabile azione “autocentrante” durante il ritorno in sede. Onde agevolare lo smaltimento del calore, di norma allo scarico la superficie di contatto valvola-sede ha una larghezza maggiore, rispetto a quanto accade dal lato di aspirazione (ove essa è più stretta al fine di agevolare il flusso gassoso). Lo stelo della valvola scorre all’interno della guida in condizioni di lubrificazione assai lontane da quelle ideali. Al fine di ottenere una grande durata e di allontanare ogni rischio di ingranamento esso é dotato di una elevata finitura superficiale ed è rivestito con un sottile strato di cromo duro, applicato galvanicamente. In molti casi è necessario depositare sulla periferia del fungo un riporto di materiale duro e resistente alla corrosione, nel quale é poi ricavata la superficie di tenuta, mediante operazione di rettifica. Tale rivestimento è in genere applicato mediante saldatura. I materiali utilizzati sono delle leghe (la più famosa è la Stellite) a base di cobalto, di nichel o di ferro appositamente studiate per questo tipo di impiego.
Le valvole in titanio vengono protette dalla ossidazione ad alta temperatura e dall’usura mediante applicazione di rivestimenti duri e dal ridotto coefficiente di attrito (indispensabile per allontanare ogni rischio di grippaggio nella guida), che vengono applicati con procedimenti PVD o PACVD. In questo caso i materiali impiegati sono il nitruro di titanio, il nitruro di cromo e, in certi casi, il DLC (Diamond Like Carbon), e gli spessori sono dell’ordine di qualche micron soltanto. A collegare la valvola con lo scodellino posto superiormente alla molla provvedono due semiconi che si vanno a impegnare da un lato nell’apposito canalino (talvolta a più gole) praticato in prossimità della estremità superiore dello stelo e dall’altro, con azione a cuneo, nell’alloggiamento esistente nello scodellino stesso.

Fabbricazione delle valvole
Le valvole sono fabbricate per forgiatura, partendo in genere da una barra di piccolo diametro, che viene opportunamente tagliata. La linea di produzione prevede, dopo il trattamento termico e l’eventuale saldatura (se le valvole sono bimetalliche) una serie di lavorazioni di rettifica e svariati controlli dimensionali e geometrici, che vengono effettuati on-line in automatico. Per ridurre il peso delle valvole, in certi casi si ricorre alla foratura assiale dello stelo. Nei motori sovralimentati delle ultime generazioni le sollecitazioni termiche sono talmente elevate da far tornare prepotentemente d’attualità le valvole con stelo cavo (ma talvolta la cavità si estende anche all’interno del fungo) parzialmente riempito con sodio, metallo dal punto di fusione assai basso e quindi liquido alla temperatura di normale funzionamento. In questo modo, grazie a un vero e proprio “effetto shaker” buona parte del calore assorbito dal fungo viene trasferita alla parte superiore dello stelo, ove può essere smaltita grazie al contatto con la guida. L’abbassamento di temperatura che si ottiene grazie a questa soluzione è dell’ordine di 80 – 150 °C.

Alte temperature
Durante la combustione i gas all’interno della camera raggiungono una temperatura che nella maggior parte dei casi è prossima a 2500 °C ed esercitano una pressione elevatissima sulle pareti metalliche, e quindi anche sui funghi delle valvole. Nei motori di serie a ciclo Otto aspirati di alte prestazioni oggi sono relativamente comuni valori superiori agli 80 bar, e in quelli sovralimentati si possono anche superare i 120 bar. Nei diesel turbo delle ultime generazioni si può arrivare addirittura a più di 180 bar. Si tratta di valori impressionanti che, se si prende ad esempio una valvola da 32 mm di diametro, si traducono rispettivamente in forze dell’ordine di 640 kg, 960 kg e quasi una tonnellata e mezza che il fungo deve sopportare (e che si “scaricano” su di esso con estrema rapidità). I cicli di lavoro si susseguono di continuo; in un moderno motore di alte prestazioni in 100.000 km ogni valvola si apre e si chiude anche più di 120 milioni di volte!

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