Come tutti immaginano, duametro e numero delle valvole influenzano pesantemente il comportamento e la potenza ottenibile dal motore. Vediamo qualche dettaglio in più.

1) Rapporto diametro valvole aspirazione - scarico
La valvola di scarico viene fatta sempre più piccola di quelal di aspirazione, e questo per tre motivi.
Prima di tutto, ai fini del riempimento del cilindro, ha maggiore influenza il diametro della valvola di aspirazione piuttosto che quella di scarico. Infatti avere una valvola più grande consente di diminuire il salto di pressione esistente tra condotto e cilindro, ma mentre in aspirazione il volume è quello del cilindro (fine aspirazione), nello scarico ha influenza praticamente solo a fine scarico (sì, innalza un po' la contropressione, ma conta relativamente), quindi sul volume della camera di combustione, che è almeno 1\10 del volume del cilindro, quindi molto meno.
Chiacchere a parte, si vede anche dalla formula del coefficiente di riempimento del cilindro.
Inoltre la valvola di scarico viene continuamente lambita da gas roventi, quindi deve essere raffreddata, quindi è meglio farla piccola.
Terzo, ha anche problemi di tenuta, quindi per didurre la superficie di tenuta, bisogna farla più piccola.

2) Inclinazione delle valvole
Le valvole hanno un'angolazione tra di loro. Come viene scelta? Indicativamente, come si vede in figura, aumetnando l'angolo tra la valvole, cresce la dimensione delle valvole stesse. Quindi questo farebbe pensare che è meglio fare valvole molto inclinate tra loro, ma questo comporta un problema tutt'altro che secondario. Infatti, come si vede dalla figura (dssa diametro valvola aspirazione, l'altra è lo scarico), aumentando l'angolo tra le valvole si alza anche in tetto della testata, e così facendo aumenta il vomule della camera di combustione (immaginate la linea in basso sia il pistone, perfettamente piatto). Ciò comporterebbe una diminuzione del rapporto di compressione inaccettabile, quindi si deve necessariamente innalzare anche il cielo del pistone. Questo comporta l'avere una camera di combustione strano, una specie di mezzaluna, con una marea di problemi, perché molto lunga, con ampia superfice di scambio (tra testa e pistone). Inoltre si incrementava il peso dello stantutto, su cui poi andavano ricavate delle gorsse sacche per evitare che la valvola toccasse il pistone stesso (ancora peggio per la forma della camera di combustione).

In passato si era seguita molto questa strada. I motori erano tutti a 2 valvole per cilindro, quindi l'unico modo per aumentare il diametro delle stesse era inclinarle di più, sino ad arrivare ai famosi motori "EMI", ovvero con pistone emisferico.
Nei diesel, come noterete, non si fa. Anzitutto il loro rapporto di compressione è molto più alto, tra 17,5: sino a 22:1, quindi la testa deve essere molto più bassa e si deve avere molta turbolenza per frammentare bene il gasolio iniettato, ricavando delle piccole camere nel pistone stesso. Se già il pistone è "bucato", l'unico modo che ho per avere un alto rapp. di compr. è avvicinare il più possibile testa e piston. Allora, teste generalmente piatte, con valvole tutte in linea. Se poi il motore è turbo, il problema dell'aspirazione è meno critico (quanti motori turbo hanno la fasatura variabile infatti?).

3) Numero delle valvole

Che aumentando il numero di valvole aumenti la sezione di apssaggio dei gas credo sia noto a tutti.
Meno noto è che tre valvole per cilindro garantiscono un'area complessiva di passaggio maggiore di quattro. Allora perché se ne mettono quattro?
In realtà, aumentando il numero di valvole (oltre le 2) si riesce anche ad avere
1) Fasature più precise, perché le valvole sono più piccole e leggere, quindi azionabili con maggiore velocità
2) Riduzione delle dimensioni unitarie delle valvole di scarico, quindi miglio raffreddamento e maggiore tenuta ai gas di scarico
3) Candela posizionabile centralmente (col 2 vavole per cilindro, o si mette la candela centrale e si riducono però le dimensioni delle valvole, oppure si mette asimmetrica, oppure...Twin Spark )
4) Ottimizzazione della forma della camera, avendo la testata più bassa e il pistone più piatto
5) Possibilità di chiudere una vaolvola ai bassi regimi, aumentando la turbolenza in camera (parametro critico sui motori plurivalvole, che generano troppa poca turbolenza ai bassi regimi)

La soluzione a 3 valvole per cilindro pecca gravemente perché la valvola di scarico viene molto grossa, perciò pesante da azionare, soggetta a surriscaldamenti....
Oltre le 4, per ora, non si è andati con molta convinzione, per problemi di costo, complessità, e non enormi vantaggi dal punto di vista dell'alimentazione (bisognerebbe aumentare molto il regime di rotazione per avere dei vantaggi) e per qualche problema di layout della camera di combustione. Il motore "stradale" con più valvole che io ricordi è un Maserati, credo 430i, che aveva 6 valvole per cilindro.

Un'altra precisazione. Tutti questi conti sono stati fatti pensando l'alesaggio, ovvero il diametro del pistone, fisso.
Teoricamente, se (a parità di cilindrata) aumento l'alesaggio diminuendo la corsa. Aumentare il diametro del pistone vorrebbe dire valvole più grandi (guardate il disegno sopra), con l'ulteriore grosso vantaggio di diminuire la velocità media del pistone.
E allora, perché non si fa così? Per un'ottima ragione: aumentare il diametro del pistone*, vuol dire che la camera di scoppio è più grande, non in termini di volume, ma di lunghezza. Quindi gli estremi saranno più lontani dalla candela, quindi lì la miscela brucerà sempre tardi e male, ammesso che bruci. Inoltre, appunto perché aumenta la sueprfice, aumentano gli scambi verso l'esterno di calore, è siccoem il calore lo produciamo bruciando carburante, si capisce bene come qeusto voglia dire abbassare il rendimento del motore.
Sostanzialmente, a meno che non ci siano problemi di velocità lineare del pistone*, si cerca di non esagerare con l'alesaggio del cilindro. A seconda del motore che si vuole ottenere, si cerca un compromesso.

* Velocità lineare del pistone. Cos'è? Semplice: il pistone, ogni giro di albero, percorrerà una distanza pari a due volte la corsa, una volta scende e l'altra sale. Quindi, a parità di giri, se io aumento la corsa, ogni giro percorrerò una distanza sempre maggiore.
Oltre i 27 m\s (roba da motori iperspinti comunque) non si RIESCE ad andare, perché oltretutto il moto del pistone è alternativo: accelera, viaggia, si ferma, e così via. Oltre certe velocità, l'inerzia è così alta che tende a strappare biella o spinotto, oppure, più prosaicamente, si stampa sulle valvole o sulla testata.
Quindi, se si vuole incrementare il n° di giri del motore, non si può che aumetnare l'alesaggio e diminuire la corsa (se siamo già al limite), accettando di avere una camera di scoppio non ottimale.

c'era una Maserati .... ma non ricordo se era proprio la 430.

Come 5v ci sono applicazioni per lo piu' in motori da moto ... Yamaha e credo qualche Honda da gara.
Parlando di pistoni e camere ... leggendo le vicissitudini Guzzi ho trovato che la serie piccola ha le camere o i pistoni con qualcosa di ... Heron ... non ci ho capito una mazza e lasciai perdere ... chi sa qualcosa?

http://www.maserati-alfieri.co.uk/alfieri26.htm
Però parla di motore sperimentale....

Sì, a parte "l'inutile" 1800 aspirato VW-Audi con 125cv e qualche altro motore molto tirato (F355, Bugatti EB110) questo tipo di distribuzione ha perso "mordente", anche in F1. Nelle moto si usa molto di più, però le moto fanno facilmente 15.00 giri\minuto e hanno rapporti alesaggio\corsa che i motori automobilistici si sognano (pena inquinamento e scarso rendimento).

No...mai sentito...

scusate, ma i motori turbo 1.8 del gruppo VW mi pare che siano proprio a 5 valvole per cilindro (e dovrebbero derivare, appunto dal 1800 aspirato).

Sì, esatto. Avevano fatto anche altri motori 5v, se non ricordo male, ma hanno abbandonato.

I V8 erano a 5 valvole fino all'arrivo dell'iniezione diretta (quindi stanno uscendo di produzione in queste settimane). Anche i V6 dovrebbero aver avuto questa soluzione, ma non ci posso mettere la mano sul fuoco...

Tutte le valvole hanno problemi di tenuta, in quanto sono soggette alle stesse pressioni, no? ;)

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L'ecologismo inquina

Honda (se non ricordo male) ha fatto un motore motociclistico con 8 valvole per cilindro.

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Che poi e' il ragionamento che sta dietro i plurifrazionati.



O aumento il numero di cilindri ;)

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@ Esperante. Sì, ne hanno fatti tanti, credo anche un 2000 4 cilindri in linea.

@ Octane: le valvole di scarico sono lambite dai gas di scarico, quindi perennemente stressate, diversamente da quelle di aspirazione. Certo, la pressione che devono reggere è la stessa, ma è più complicato per le valvole di scarico che non per quelle di aspirazione. Pensa ai problemi di usura, di dilatazione termica...
Infatti la valvole di scarico si fanno anche raffreddate al sodio. C'era chi, (Citroen) usava le sedi delle valvole di aspirazione con angolazione a 60° (maggior efflusso) e quelle di scarico a 45°, che garantivano miglior tenuta (oltre che efflusso, visto che l'aria scorre al contrario). E quando ci sono valvole che non tengono, generalemten sono sempre quelle di scarico..

@ Octane 2) http://www.live2drive.net/forum/viewtopic.php?t=962

Sulle maggiori sollecitazioni non ci piove :)

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Era detto in quel senso: essendo più sollecitate, han maggiore difficoltà ad avere tenuta

Esatto: ma i pistoni erano ovali! Era la fien degli anni '80 e in tutti i regolamenti tecnici (inclusa F1) apparve la proibizione dei pistoni ovali...

Belin che cultura meccanica che mi faccio su questo forum!!!
Già che ci sono quindi metto qua un altro piccolo spunto alla discussione:
angoli di fasatura...
Ovvero: come influenzano il rendimento e a quale regime lo influenzano?
In particolare ritardo di chiusura aspirazione, incrocio, riflussi.
Ho letto qualcosa in giro ma i nuovi commenti saranno sicuramente interessanti!!!
Un' altra cosa: come mai con le 16 valvole è più facile andar su di giri?
Ovvero... mi è chiaro il fatto che con più valvole sia più facile riempire i cilindri (se non altro perchè ci sono più aperture e più condotti), che la fasatura è meglio controllabile ecc...
però non mi spiego perchè in genere si dice che un 16 valvole rispetto ad un analogo 8 valvole. Sembra quindi che le 16 valvole ai bassi regimi non contino nulla, mentre l' effetto di migliorare il riempimento si senta solo agli alti. Esempio che conosco bene, i FIRE 1.2 con identici alesaggio-corsa, ma con 80 cavalli contro 60 e con 102 Nm a 2500 giri contro 114 a 4000 giri mi pare).
Una bella differenza, però piazzata nella parte alta del contagiri!
Cosa succede in basso?

Sostanzialmente una sola valvola che si apre in fase di aspirazione consente ai bassi regimi di aspirare la stessa massa d'aria che si aspirerebbe con 2 valvole, ma visto che la stessa aria deve attraversare un passaggio più stretto, arriva in camera di combustione con una velocità decisamente più elevata.
Le conseguenze sono numerose, ma in pratica quel che conta soprattutto è che la maggior velocità in aspirazione aumenta tantissimo la turbolenza e all'aumentare della turbolenza aumenta il mescolamento di combustibile e comburente e quindi la velocità di propagazione della fiamma, ovvero la velocità di combustione.
Quindi un motore che aspira con una sola valvola ai bassi regimi è avvantaggiato.
Al contrario agli alti regimi, quando la portata di aspirazione si fa consistente allora la sezione ridotta offerta da una sola valvola si traduce in una laminazione che riduce la densità del fluido aspirato, ovvero della carica, ovvero delle potenzialità ai regimi più elevati...

1) Angoli di incrocio. Cerco di essere sintetico, immaginiamo che la combustione abbia appena avuto atto, e il pistone scende. Velocità del motore molto alta.
Il pistone scende, ma io non aprirò la valvola di scarico al PMI, ma molto prima, per fare in modo che la pressione nel cilindro cali molto e la successiva fase di scarico si compia a pressione inferiore. Altrimenti guadagno sì durante l'espansione (counque a pressioni relativamente basse), ma mi ritrovo a dover comprimere gas di scarico ad alta pressione, che poi mi rimangono dentro.
Il pistone arriva quindi al PMI, quindi comincia a scaricare. A questo punto, prima ancora che il pistone giunga al PMS, apro la valvola di aspirazione, con quella di scarico ancora aperta perché così facendo 1) nella successiva fase di aspirazione la valvola è già ben aperta 2) sfrutto il moto dei gas verso lo scarico per "risucchiare" aria dal condotto di aspirazione, lavando così lo spazio morto (stando attento, ovviamente, a non farci andare troppa benzina). A quel punto il pistone arriva al PMS, e da lì in poi aspira, con la valvola di scarico che si richiude. Arrivato al PMI, non chiudo la valvola di aspirazione, anzi, la lascio ancora aperta, perché durante il moto il pistone risucchia aria, quindi il cilindro è in depressione rispetto al condotto di aspirazione. L'istante ideale, ovviamente, sarebbe quando la pressione nel condotto di aspirazione e nel cilindro sono uguali.

Ovviamente questo vale regime per regime, carico per carico. Se il pistone si muovesse infinitamente lento, questi incroci di apertura non ci sarebbero. Anzi, sarebbero dannosi: per dire, durante l'incrocio (simultanea apertura di valvole di aspirazione e scarico) ai bassi regimi la pressione nel cilindro è maggiore di quella nel condotto di apirazione, e invece che risucchiare i gas di scarico rifluiscono nel condotto di apirazione, dando luogo ad irregolarità e singhiozzi al minimo (motivo per cui i motori tirati non sopportano regimi di rotazione troppo bassi). Man mano che il motore gira di più, l'inerzia dei gas nei condotti diventa sempre maggiore, e le velvole sono proporzionalmente più "lente" nell'apertura e chiusura, così si devono sfruttare questi fenomeni.
Esistono poi delle differenze tra motori aspirati e turbo, tra diesel e benzina. Per esempio nei TD si lava la camera di combustione con molta aria, tanto non c'è pericolo che scappi miscela allo scarico (aspiro solo aria), il cat è ossidante e in più raffreddo valvola di scarico e turbina.

2) Coi motori plurivalvole le valvole sono più piccole, quindi hanno meno massa, quindi sono più facilmente accelerabili. Da qui la possibilità di avere maggiori velocità di rotazione, ma anche un controllo della fasatura miglire (idealmente si vorrebbe avere valvole che si aprono e chiudono istantanemente)
3) Il vantaggio delle 4v si avverte maggiormente agli alti, perché lì si sfrutta molto meglio la maggior sezione di passaggio dei gas nonché la minor massa delle valvole stesse. Ai bassi regimi, invece, la maggior sezione di passaggio è controproducente, perché implica una minor velocità dell'aria in aspirazione, quindi insufficiente turbolenza, scarsa miscelazione e polverizzazione del carburante, velocità di combustione lenta, quindi scarso rendimento.
All'inizio dei 16v automobilistici il fenomeno era molto accentuato, tanto che si parlava di una sorta di "stallo" del motore quando, da bassi regimi, si spalancava l'acceleratore. La colonna d'aria quasi si fermava e il motore faticava a riprendere. Ci furono vari stratagemmi per ridurre il fenomeno, tra cui (Boxer 16v) l'apertura differenziata delle 2 valvole di aspirazione: in pratica si apriva prima una e poi, poco dopo, l'altra, creando così un moto di swirl all'interno del cilindro.

Interessante notare che si potrebbe evitare questo problema lasciando stare la potenza massima, quindi non sfruttando la maggior sezione di passaggio ma, invece, la maggior velocità di apertura e chiusura delle valvole avendo così un motore più regolare ai bassi giri e anche con miglior rendimento.

E una volta c'erano le Alfa bialbero. Quelle con la distribuzione a catena e il motore in alluminio.
Quelle che avevano 2 sole valvole per cilindro, ma allo stesso modo allungavano allegramente fino a 7000 giri quasi ne avessero avute 4 di valvole.
Il fatto è che avevano una valvola d'aspirazione di dimensioni inusitate per un 2 valvole e una valvola di scarico altrettanto piccola.
La valvola di aspirazione grande grande consentiva di aspirare bene quasi come se ce ne fossero state 2, mentre la valvola di scarico piccola piccola per evitare seri problemi (se la sezione non è sufficiente i gas di scarico cuociono le valvole) erano raffreddate col sodio liquido.
E in più dal 1979, per la prima volta su una vettura stradale viene utilizzato un variatore di fase.
Quell'auto era l'Alfetta 2.0...