Una grande utopia motoristica

di Massimo Clarke

E’ stata quella delle valvole rotanti applicate ai motori a quattro tempi, una soluzione incredibilmente vantaggiosa ma difficile da realizzare

di Massimo Clarke

2 aprile 2019

Tra i sogni accarezzati a lungo da molti tecnici vi è quello di eliminare i componenti in moto alterno della distribuzione, ovvero le classiche valvole a fungo con relative punterie e/o bilancieri, sostituendoli con dispositivi rotanti.

Questo non solo per migliorare la respirazione del motore realizzando condotti dall’andamento particolarmente favorevole, senza la restrizione costituita dallo stelo della valvola (e dalla guida, che in genere sporge in misura considerevole nel condotto), ma anche per poter raggiungere regimi di rotazione più elevati di quelli possibili con le distribuzioni di tipo convenzionale. Non si deve inoltre dimenticare che fino a non molti anni fa le molle ponevano seri limiti in tal senso. Inoltre in un passato più lontano esse erano non di rado fonte di seri problemi sia di affidabilità che di durata.

L’idea base era semplice: realizzare un otturatore, dotato di luci opportunamente conformate e disposte, che nei momenti previsti mettesse il cilindro in comunicazione con i condotti di aspirazione e di scarico. Le proposte in questo senso non sono mancate, fin dai primordi del motorismo. Prima del 1910 erano già state rilasciate decine di brevetti relativi a valvole rotanti di tipi differenti. E un paio di esse hanno anche avuto applicazioni pratiche, in campo automobilistico (la più famosa è sicuramente stata quella della Itala, impiegata per diverso tempo sulle sue vetture “avalve”).

Schematicamente le valvole rotanti per i motori a quattro tempi possono essere suddivise in tre grandi categorie: quelle a manicotto cilindrico, quelle a otturatore conico e quelle a disco. Ad esse si possono aggiungere quelle a sfera, proposte però solo in rari casi.
Nella maggior parte dei casi le valvole rotanti, anche se per loro era previsto un impiego automobilistico, sono state montate su motori monocilindrici (rimasti tutti allo stadio di prototipo) per evidenti ragioni di semplicità. è ad essi che quindi faremo riferimento, a meno di indicare diversamente.

Le valvole a manicotto rotante possono avere l’asse di rotazione perpendicolare a quello del cilindro oppure parallelo o coincidente con esso. In genere si impiega un unico manicotto (con condotti assiali o radiali) ma non mancano casi nei quali ne vengono utilizzati due, che servono rispettivamente l’aspirazione e lo scarico.
Famoso è rimasto l’otturatore rotante Cross con condotti assiali, inizialmente proposto nel 1933 e provato una ventina di anni dopo anche dalla Norton per i suoi monocilindrici da GP. Ha invece condotti radiali la valvola rotante sperimentata dalla Cagiva sul finire degli anni Ottanta, della quale pubblichiamo una foto qui sotto.

La sezione della testa mostra chiaramente la conformazione della valvola rotante studiata dalla NSU per i motori di serie. La casa tedesca ha lavorato intensamente allo sviluppo di diversi tipi di dispositivi di questo genere (uno è stato montato su un motore da record nel 1956)

L’idea di impiegare una valvola rotante conica risale agli anni Dieci del Novecento, ma la prima proposta di questo tipo a venire realizzata (e provata a lungo) risale alla seconda metà degli anni Trenta ed è dovuta al tecnico Aspin.
I risultati erano interessanti, ma i problemi di tenuta e di raffreddamento erano considerevoli. La camera di combustione era ricavata nella parte inferiore della valvola e quindi ruotava. Una apposita luce si allineava, nei momenti opportuni, non solo con i condotti di aspirazione e di scarico ma anche con la candela.

Per diverso tempo si sono particolarmente impegnati nella ricerca nel settore delle valvole rotanti i costruttori tedeschi. La NSU, che negli anni Cinquanta per un certo periodo è stata la più grande fabbrica di moto del mondo, ha realizzato e provato su un suo monocilindrico di serie una valvola conica di notevole interesse, progettata dal direttore tecnico W. Froede.
Andava bene, pare, ma non dava vantaggi rispetto alla distribuzione tradizionale, che risultava anche più economica ed affidabile. Di conseguenza non è mai entrata in produzione.

Allo sviluppo di efficienti valvole rotanti hanno lavorato aziende straordinarie come Junkers, Mercedes-Benz e BMW ottenendo risultati significativi. I programmi di sviluppo però sono stati cancellati perché l’andamento del secondo conflitto mondiale

Nella storia del motorismo alle valvole a disco rotante per motori a quattro tempi spetta un capitolo a parte, anche perché sono state sviluppate e provate lungamente in un settore nel quale il livello tecnologico era (ed è tuttora) altissimo e i costi per la ricerca e lo sviluppo non sono mai stati un problema, quello aeronautico.
L’idea non era nuova, ma per assistere a seri tentativi di realizzare dispositivi di questo genere è stato necessario aspettare la fine degli anni Trenta, quando la DVL (equivalente tedesco della odierna NASA americana) ha pensato ad essi per aumentare la visibilità dei piloti da caccia e per ridurre la sezione frontale dei motori, in modo da poter migliorare l’aerodinamica.
Allo sviluppo di efficienti valvole di questo tipo hanno lavorato aziende straordinarie come la Junkers, la Mercedes-Benz e la BMW, che ne hanno realizzate e messe a punto alcune di notevole interesse, ottenendo risultati significativi.
I programmi di sviluppo però sono stati cancellati perché l’andamento del secondo conflitto mondiale a un certo punto ha fatto sì che in Germania ci fossero altre priorità.

Negli anni Quaranta la BMW ha realizzato un motore stellare munito di valvole discoidali, con 14 cilindri raffreddati ad acqua e teste raffreddate ad aria, che però non è entrato in produzione. Nello stesso periodo ha anche sperimentato una valvola rotante conica, senza però portarne a termine lo sviluppo. Dopo il termine del conflitto la casa bavarese ha ripreso le ricerche relative alle distribuzioni di questo genere, realizzando un interessante motore automobilistico a sei cilindri in linea con valvole rotanti discoidali (M 336/5), che però non è uscito dallo stadio di prototipo.

Per concludere questa rapida sintesi, vale la pena di ricordare brevemente i pro e i contro di questi dispositivi e di vedere cosa ne ha impedito la affermazione.
In aggiunta alla eliminazione di parti in moto alterno e alla possibilità di raggiungere regimi di rotazione stratosferici, ci sono vantaggi in termini di rendimento meccanico (minore assorbimento di energia). In diversi casi grazie ad essi è anche possibile ridurre l’ingombro della testa.

Per contro, le valvole rotanti presentano difficoltà di raffreddamento (con conseguente rischio di distorsioni) e di lubrificazione. Se la quantità di olio inviato nelle zone di strisciamento (ovvero di contatto con la testa) è considerevole si possono avere un elevato consumo di lubrificante e/o una notevole formazione di incrostazioni carboniose. Se invece essa è molto ridotta è possibile che si verifichi il grippaggio.

Inoltre ottenere una buona tenuta nei confronti dei gas è molto problematico, specialmente nei moderni motori di alte prestazioni, nei quali le pressioni in gioco hanno valori assai elevati. Si tratta di un limite importante. Pure per quanto riguarda la forma della camera c’è da ridire…
Anche negli anni recenti non sono mancate (e non mancano tuttora) le proposte e le sperimentazioni in questo campo. Di particolare interesse sono quelle del tedesco Hofmann e del francese Negre, nonché le ricerche effettuate dalla Nissan e dalla università di Chiba.

L’argomento è comunque vastissimo, al punto che c’è stato anche chi ad esso ha dedicato un libro