Valvole a fungo, mostri di efficienza | Officina

Chi le ha definite mostruosità meccaniche ma meraviglie tecnologiche non aveva torto. Dal punto di vista della fluidodinamica sicuramente ci può essere di meglio ma complessivamente, considerando tutte le esigenze che le valvole a fungo riescono a soddisfare, e a costo decisamente contenuto, non ci sono altri dispositivi in grado di fornire risultati migliori.

Semplici e affidabili, vengono impiegate universalmente sin dai primordi del motorismo.

L'impiego delle valvole a fungo

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Si è pensato ad altre possibilità di controllo dei gas in entrata e in uscita dai cilindri (come otturatori rotanti di vario tipo e foderi traslanti), ma non si è trovato nulla che davvero fosse in grado di prenderne il posto. Inizialmente l’affidabilità e la durata delle valvole a fungo lasciavano molto a desiderare. Gli acciai utilizzati, eccellenti per altri tipi di impiego, non erano adeguati per svolgere il compito specifico.

Le temperature erano molto elevate, le sollecitazioni meccaniche cospicue e, anche per via dei carburanti dell’epoca, la corrosione era un problema. Le valvole dovevano essere sostituite dopo percorrenze contenute (in particolare per gli standard moderni) e non era raro che grippassero nelle guide o addirittura si rompessero.

Con il passare degli anni e l’avanzamento della tecnica la situazione è in seguito migliorata, fino ad arrivare alla eccellente situazione attuale.

Come ovvio, la vita è particolarmente dura per le valvole di scarico, che vengono direttamente lambite dai gas ad altissima temperatura e che hanno modo di cedere la maggior parte del calore incamerato calore soltanto nel breve periodo durante il quale sono a contatto con la sede, tramite una superficie che peraltro è di estensione molto ridotta. La maggior parte del calore assorbito la valvola la cede alla sede (80% circa) mentre è di gran lunga minore quella che viene ceduta alla guida.

La situazione si modifica per le valvole raffreddata al sodio, che hanno una discreta diffusione in campo automobilistico. Per quanto riguarda la trasmissione del calore la sede fa da tramite tra il fungo della valvola e la testa ed è anche importante una distribuzione della temperatura per quanto possibile uniforme tutto attorno a essa.

Valvole a fungo: i materiali impiegati

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Il materiale più largamente impiegato per le valvole di scarico è un acciaio con struttura austenitica contenente circa il 21% di cromo e il 4% di nichel più minori ma importanti quantità di altri leganti; da noi viene indicato con la sigla 21-4N e in Giappone è noto come SUH 35. Nell’impiego motociclistico si preferisce il SUH 38, dalla composizione comunque assai simile.

Per le valvole di aspirazione, che lavorano a una temperatura molto più bassa si usano in genere acciai meno costosi, con struttura martensitica (e quindi induribili mediante trattamento termico). Come avviene per gli altri materiali, le caratteristiche meccaniche degli acciai peggiorano al crescere della temperatura. In condizioni ambiente quelli al cromo silicio generalmente impiegati per le valvole di aspirazione hanno una resistenza a trazione superiore a quella del 21-4N ma mano a mano che la temperatura aumenta a un certo punto la situazione si inverte, fino a che essi non risultano più adeguati.

Le valvole di scarico bimetalliche sono costituite da una parte superiore dello stelo in acciaio martensitico e da una inferiore, contenente il fungo, in acciaio austenitico. Per unire le due parti si fa ricorso alla saldatura per attrito.

Quando le sollecitazioni termiche sono estremamente elevate si impiegano valvole di scarico in superlega costituita per circa il 70% da nichel, con un 15-20% di cromo. Quelle normalmente utilizzate sono il Nimonic 80 A, in origine sviluppato per le palette delle turbine dei motori d’aviazione, e l’Inconel 751. A 800 °C la loro resistenza a trazione è quasi tripla rispetto a quella del 21-4N.