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Perchè le valvole di aspirazione sono più grandi di quelle di scarico?

Rubrica: Le domande dei lettori | Curiosità della tecnica da corsa

Titolo o argomento: Differenza diametro valvole in un motore a c.i.
Rispondendo a: Alessio

Non si tratta di una priorità legata ai soli motori da competizione, anche i motori stradali hanno le valvole di aspirazione con un diametro leggermente più grande per quella di aspirazione. Generalmente il diametro della valvola di scarico è minore del 10-15% rispetto a quello della valvola di aspirazione. Le ragioni di tale scelta sono legate prevalentemente al coefficiente di riempimento ed alle sollecitazioni termiche. Il diametro delle valvole di aspirazione ha un peso maggiore sull’ottenimento di un buon coefficiente di riempimento (λv), questo significa che il progettista sacrifica volentieri il diametro delle valvole di scarico a favore di quelle di aspirazione al fine di ottenere migliori prestazioni del motore. Lo spazio in camera di combustione è limitato e non si può avere tutto. D’altra parte, la riduzione del diametro delle valvole di scarico, offre un rovescio della medaglia favorevole in quanto le valvole di scarico hanno due importanti problemi che, guarda caso, si risolvono proprio riducendone il diametro: le sollecitazioni termiche e la tenuta. Essendo la valvola di scarico maggiormente sollecitata termicamente rispetto alla valvola di aspirazione, un diametro minore favorisce lo smaltimento del calore per cessione verso la guida e la sede della valvola stessa. Inoltre diminuendo il diametro della valvola di scarico si riducono i suoi problemi di tenuta.

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Dimensionamento della testata (parte quinta): le valvole di scarico

Differenza diametro valvole

Generalmente la differenza tra il diametro della valvola di aspirazione e quella di scarico,
si aggira attorno al 10-15% a vantaggio della valvola di aspirazione. A sinistra lo schema
nel caso delle due valvole per cilindro, a destra quello delle quattro valvole per cilindro.
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Carichi termici sulle valvole di un motore a combustione interna

Rubrica: Incominciamo a parlare di automobili
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Le valvole di aspirazione funzionano a temperature “relativemente” contenute in quanto sono raffreddate dalla carica fresca. Nonostante ciò stiamo parlando di valori che si aggirano intorno ai 300-400°C ovvero temperature tali da permettere la decomposizione e l’ossidazione del carburante e del lubrificante con conseguente formazione di depositi.

Le valvole di scarico, oltre ad essere sottoposte a temperature decisamente più elevate, incontrano il problema di una disuniformità delle temperature in gioco. La possibilità di refrigerazione, infatti, è limitata alla zona della sede ed alla guida dello stelo.

Alle sollecitazioni termiche inoltre si aggiungono le sollecitazioni meccaniche causate dai continui urti del fungo della valvola sulla sede della valvola stessa. Vanno poi considerate le sollecitazioni meccaniche agenti sui puntali di comando sullo stelo. Ciò si traduce in deformazioni per una non uniforme distribuzione del calore con conseguenti non uniformi dilatazioni; erosioni di natura meccanica per l’assenza di durezza del flusso di gas; corrosioni di natura chimica per l’aggressività dei fluidi quali oli e carburanti; rottura sia per le corrosioni che per la perdita di resistenza a caldo.

Le deformazioni termiche innescano un circolo vizioso poiché aumentano la fuga dei gas laddove la tenuta risulta imperfetta ed è proprio in tali punti (tra valvola e sede) che le valvole tendono a riscaldarsi maggiormente ed a corrodersi. La soluzione adottata per aumentare l’uniformità dei valori delle temperature in gioco consiste nel dotare le valvole di scarico di una cavità contenente sodio metallico o sali di litio e potassio. Tali sostanze a temperatura ordinaria si trovano allo stato solido ma, quando la valvola raggiunge la temperatua di esercizio, fondono operando un trasferimento di calore dal fungo della valvola verso lo stelo e di conseguenza anche verso il guida-valvole.

Carico termico valvola di scarico

Temperature agenti sul fungo e parte dello stelo di una valvola di scarico.