Distribuzione rotante per il 4T

Una sfida tecnica che ha appassionato i progettisti fin dagli inizi del secolo scorso ha trovato una forma che promette di essere industrializzabile

Tra le soluzioni inventate negli anni per eliminare il cinematismo di azionamento delle valvole sul motore a quattro tempi, quella che utilizza una valvola a manicotto rotante, o tipo Cross, dal nome tecnico inglese che più di altri ha profuso energie in questo sistema fin dagli anni ’20, è quella che probabilmente più delle altre ha appassionato i tecnici motoristi. Non è stata l’unica, poiché ricordo, almeno trent’anni fa, di aver provato al banco un motore per aeromodelli, credo di 15 cm3, con un distributore rotante ad asse verticale, in pratica un fungo rovesciato, nel quale erano praticate le due luci di aspirazione e scarico e che riusciva a riprodurre piuttosto bene una camera di scoppio di forma troncoconica. Ma sui motori di piccola o piccolissima cilindrata, in genere sono meno sensibili alle perdite per attrito e alle deformazioni meccaniche. Diverso è il discorso quando si sale di cilindrata e quindi con le dimensioni. Non sono poi mancati, in aeronautica, illustri esempi di distribuzione a fodero (o a cilindro oscillante), poco adatti però ad applicazioni motociclistiche o, in genere, a motori di piccola cilindrata unitaria e a cilindro rotante, tra i quali ricordiamo lo stellare BMW 801 e lo Junkers KM8. Quella che vogliamo presentare, è la soluzione studiata dal tecnico tedesco Arno Hofmann, non nuovo a sperimentazioni inusuali su motori a quattro tempi avendo ormai oltre 15 anni di esperienza diretta con applicazioni basate dapprima sul monocilindrico BMW 650 e successivamente sul V-twin Moto Guzzi.

Tipicamente, i motori con distributore rotativo hanno aspirazione e scarico allineati su un asse trasversale, per semplificare il sistema di azionamento della valvola. Questo è il lato scarico del motore Hofmann, col tubo che è obbligato a una serie di curve piuttosto strette.

Anche sul lato aspirazione lo spazio disponibile costringe il collettore tra carburatore e condotto a una curva a 90°. L’utilizzo di un sistema a iniezione con un compatto corpo farfallato consentirebbe l’applicazione del gomito sul lato verso il filtro, con qualche vantaggio fluidodinamico.

I motori con distributore rotante non sono una novità e hanno trovato qualche applicazione anche in campo aeronautico, in particolare in alcune realizzazione tedesche come il motore stellare BMW 801 del quale riproduciamo una sbiadita foto d’epoca che mette a confronto il numero di componenti con la soluzione tradizionale.

Vantaggi evidenti
La distribuzione a valvola rotante ha l’evidente vantaggio di consentire la drastica riduzione dei componenti la distribuzione, con l’eliminazione di quelli in moto alternato che azionano le tradizionali valvole a fungo. Le aste e i bilancieri nei motori con questo tipo di distribuzione oppure i bilancieri mossi dai profili delle camme per i motori mono e bialbero in testa (anche se in quest’ultimo caso c’è la soluzione con azionamento diretto delle valvole che non prevede bilancieri intermedi). Ovviamente spariscono anche le valvole, le relative molle di ritorno (quasi sempre doppie e concentriche) e tutti i relativi componenti per l’assemblaggio. Secondo le valutazioni di Hofmann, che è arrivato a una soluzione finale industrializzabile applicata a un monocilindrico bialbero MZ 125, la riduzione delle dimensioni della testa (e di conseguenza il suo peso) può essere compresa tra il 25 e il 50% a seconda del tipo di raffreddamento utilizzato. Oltre a questo, l’eliminazione delle parti in moto alterno comporta una riduzione della rumorosità meccanica.
Per definizione la valvola rotante è un sistema desmodromico, ovvero le fasi di aspirazione e scarico seguono leggi meccaniche precise, assegnate in fase di progetto e basate sulle dimensioni, sulla posizione e sulla forma delle luci di aspirazione e scarico, similmente a ciò che avviene per un motore a due tempi con aspirazione regolata da valvola a disco rotante oppure dal pistone. Tipicamente la valvola (ma le soluzione proposte negli anni sono più d’una) consiste in un tamburo cavo nel quale sono ricavati i passaggi per l’aspirazione e lo scarico. L’asse di rotazione è trasversale, per cui può essere azionato dall’albero motore per mezzo di una cinghia dentata o una catena, come avviene sulla maggior parte dei mono e bialbero moderni prodotti in grande serie. Questo è un indubbio vantaggio, poiché secondo quanto sperimentato da Hofmann, il suo gruppo termico speciale può essere installato su un carter commerciale senza bisogno di modifiche, nemmeno al sistema di raffreddamento, che può essere a liquido oppure ad aria. Inoltre può essere mantenuto il sistema di alimentazione originale, sia esso a carburatore oppure a iniezione, poiché da questo punto di vista nulla cambia rispetto a un motore ortodosso.

Il primo tentativo di Hofmann fu fatto nel 1997 sul motore monocilindrico BMW 650, siglato HDSM 650. Nel 2002 fu realizzato un altro prototipo su base Moto Guzzi, l’HDSM 950.

Figura 1. Il gruppo termico Hofmann sezionato secondo un piano verticale. E’ così possibile individuare i componenti principali del sistema ed apprezzare la semplicità costruttiva. La tecnologia sta nei materiali, nelle lavorazioni meccaniche, nei trattamenti termici e superficiali e nell’efficienza delle tenute radiali rotanti.

Nella vista posteriore è evidente l’ingombro trasversale della testa, coi condotti di aspirazione e scarico che misurano poco meno della larghezza totale del motore.

Nel prototipo realizzato per effettuare lo sviluppo, tutto è stato ricavato dal pieno. Si noti il dispositivo tendicatena, posto sul lato destro.

L’analisi critica
Analizzando la soluzione più nel dettaglio, occorre fare alcune considerazioni che sono poi alla base del parziale insuccesso che fino ad oggi hanno avuto i distributori rotanti per 4T, coi quali si cimentò, almeno a livello concettuale, anche l’inglese Norton negli anni ’50 nel vano tentativo di opporsi col suo monocilindrico Manx alle nostre quattro cilindri Gilera ed MV Agusta. Consideriamo innanzitutto l’inerzia: per consentire passaggi idonei alla miscela fresca e ai gas esausti, la sezione interna del cilindro deve essere sufficientemente grande, anche perché questo è uno dei vantaggi del sistema rispetto a quello tradizionale. Questo porta inevitabilmente a un dimensioni esterne (che, come si vede dal disegno e dalla foto non sono cilindriche ma sagomate) importante per assicurare un’adeguato spessore e con esso la necessaria stabilità dimensionale. La valvola, infatti, è sottoposta a regimi termici assai differenti lungo la sua superficie, condizione ben comprensibile analizzando la figura 1, in cui si può vedere il disegno del gruppo termico sezionato secondo un piano verticale: il distributore rotante (rotary valve) da un lato (inlet port) è raffreddata dall’ingresso della miscela sempre fresca proveniente dall’aspirazione mentre sul lato opposto (exhaust port) è sottoposta alle alte temperature dei gas combusti. Questo comporta riscaldamenti localizzati che inducono dilatazioni termiche diverse, pur considerando che a regime costante la temperatura della valvola tende a stabilizzarsi pur mantenendo una distribuzione asimmetrica. Ma nei transitori e in fase di primo avviamento le asimmetrie termiche possono raggiungere livelli tali da mettere in crisi le tenute. Queste ultime (sealing system in figura 1) sono la chiave di volta del sistema e la parte su cui Hofmann ha sviluppato il suo brevetto e che sono ovviamente “top secret”. Quello che ci è stato comunicato è che il cilindro cavo è realizzato in lega leggera con un trattamento superficiale di tipo ceramico. Anche le sedi sono in materiale ceramico e sono lubrificate a secco con lubrificante a base grafitica. La valvola, azionata da una catena, gira alla metà dei giri delll’albero motore, che in questo caso, secondo quanto indiocato da Hofmann, sono 9.500.

Nel confronto con la testa originale (nell’inserto) la testa Hofmann è decisamente più compatta.

Come si vede la testa è divisa secondo un piano orizzontale passante per l’asse della valvola. Si noti la doppia accensione e la forma “a tromba” della camera di scoppio (ben apprezzabile nel contrasto col fondo bianco della testa), vista anche su taluni motori a 2 tempi di alte prestazioni. Forma e dimensioni delle luci lasciano ampi margini per la sperimentazione. Il diametro dei condotti, tenuto conto della cilindrata, è decisamente esuberante. Sulla sinistra si vede il vano di passaggio della catena di trasmissione.

 

Prestazioni comparabili
Come visibile sul diagramma comparativo che ci ha fornito il costruttore, le prestazioni sono comparabili. Il regime del minimo può essere ridotto di alcune centinaia di giri a dimostrazione dei minori attriti nel sistema di distribuzione. Il rapporto di compressione del motore è stato portato a valori superiori a 14:1 senza che si generi detonazione. La combustione può essere tenuta piuttosto magra con valori di lambda pari a 1,4. In questa configurazione, sempre secondo i dati di Hofmann, i test sulla moto hanno evidenziato una riduzione del consumo pari a circa il 20% (da 3,23 a 2,6 litri/100 km). In questo momento, nonostante in linea di principio la soluzione Hofmann sia applicabile a qualunque motore monocilindrico, sembra ideale per motori di cilindrata da 100 a 250 cm3 che potrebbero beneficiare di una riduzione di costo industriale della testata completa di organi della distribuzione e su consumi più ridotti.
Indubbiamente una proposta interessante che meriterebbe un’analisi da qualche costruttore di motori, per verificare quanto dichiarato dall’entusiasta inventore che abbiamo incontrato durante lo scorso EICMA. Senza dubbio le innovazioni nel campo dei motori sono sempre non facili da far accettare, sia perché vanno a ledere un establishment industriale ben consolidato, sia per la diffidenza cronica di chi ha grosse responsabilità di bilancio verso innovazioni dal non sicuro ritorno economico.

Un’altra immagine della MZ 125 SM su cui è stato sperimentato il motore Hofmann.

Nel confronto tra le curve di coppia e di potenza per le due soluzioni il motore HDSM ne esce a testa alta, con un limite di potenza solo ai regimi più alti (circa 2 CV) ma una “schiena” più corposa tra i 5.000 e gli 8.000 giri/min e una coppia max di valore confrontabile ma ottenuta a regime inferiore.
Hofmann-Drehschiebermotoren (HDSM)
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