M O N O G R A F I A
Incominciamo una analisi dettagliata della Yaris. In questo numero vediamo la meccanica del motore testi e foto di Fabio Carletti Il posteriore della piccola Toyota ha una spiccata personalità e forme morbide che incontrano il favore del pubblico. Progettata per piacere agli europei la Yaris è uscita dalla penna di Sotiris Kovos che lavora nella sede Toyota in Belgio. La coniugazione tra tecnica e qualità nipponica con i gusti europei è alla base del succ e s s o.
Sopra, il motore 1SZ-FE che equipaggia la Yaris, smontato in ogni sua parte, fa bella mostra di sé. Lo 1SZ-FE è stato eletto Motore dell anno 1999. L ammiraglia delle utilitarie, così si può tranquillamente definire la piccola Toyota. In soli 3,61 metri quest auto racchiude una grande abitabilità e un bagagliaio non proprio spazioso, ma adeguato al Mission Profile di un modello del segmento B. Le prestazioni della Yaris sono elevate in rapporto alla cilindrata di soli 998 cm 3, anche se il costruttore ha preferito Si procede allo smontaggio: via il coperchio della distribuzione. Tolto il carter frontale si vede il giro della catena di distribuzione. Anche la pompa dell acqua viene rimossa.
Questa vista consente di apprezzare quanto sia compatta la testa ed evidenzia, in primo piano, i condotti di aspirazione e i fori degli iniettori. Tolti i cappelli dei supporti delle camme e la catena Morse si possono levare gli alberi di distribuzione. un compromesso tra bassi consumi e comportamento brillante che privilegia i primi. Le finiture sono di alto livello, d altra parte la Toyota è il terzo costruttore automobilistico al mondo. I materiali con cui sono rivestiti gli interni sono di ottima qualità. Si percepisce un profondo studio di ogni particolare teso a realizzare una vettura fatta per gli europei; questa Toyota, infatti, nasce in Belgio dalla penna di Sotiris Kovos (il nome tradisce le origini greche del progettista). Il risultato è stato centrato, tanto che la Yaris ha meritato il premio Auto dell anno 2000. Il riconoscimento le è stato attribuito per la somma delle sue caratteristiche, ma il motore ha già conquistato da solo un altro premio come Motore dell anno 1999. Questa unità, denominata 1SZ-FE ha, infatti, il primato per la potenza erogata rispetto alla cilindrata e anche per i consumi, i più bassi della categoria. Auto Tecnica ha sondato a fondo questa unità mettendone a nudo lo schema costruttivo, le strategie di gestione elettronica, le procedure di diagnosi e molti altri aspetti, cercando di radiografare quello che oggi può essere di diritto considerato lo stato dell arte nei motori di questa cubatura. Le misure dell 1.0 16 v VVT-i sono 69 mm di alesaggio e 66,7 mm di corsa, con un rapporto di compressione di 10:1. La velocità media dello stantuffo al regime di potenza massima è di 13,34 metri al secondo; la pressione media effettiva al regime di potenza massima è di 10,02 bar mentre al regime di coppia è di 11,33 bar. Rimossi i pattini della catena e svitate le viti di fissaggio si toglie anche la testa, sul monoblocco è rimasta solo la pompa dell olio. Visto da sotto il monoblocco evidenzia le ampie nervature di rinforzo attorno ai cinque supporti di banco.
Qui si vede il lato volano dell albero motore con la flangia porta para-olio. Tolti i cappelli di banco e delle bielle siamo pronti ad estrarre l albero motore. Il monoblocco sul banco; si possono notare le sedi della pompa dell acqua e di quella dell olio. La pulizia della fusione è esemplare; in alto a sinistra si vede il foro del condotto principale dell olio chiuso da una sfera. In questa vista dall alto si notano i condotti per il liquido di raffreddamento. Nella foto, si noti il dado della valvola di regolazione della pressione dell olio. La distribuzione avviene attraverso due alberi a camme in testa, di cui quello di aspirazione ha la fasatura variabile. Il moto arriva alla distribuzione attraverso una catena silenziosa e le valvole sono azionate direttamente dagli eccentrici per interposizione di bicchierini che svolgono anche la funzione di registro. Il monoblocco è in ghisa ed è stato progettato in modo da realizzare un accurata distribuzione dei pesi. Nel monoblocco sono direttamente alloggiate la pompa dell acqua e dell olio e la valvola limitatrice della pressione del lubrificante. Alternatore, compressore del clima e pompa del servosterzo sono montati con flangia esterna. La fusione scende verso il basso oltre l asse di rotazione dell albero motore per ottenere una migliore rigidità (long skirt) e si apre verso il cambio per garantire un accoppiamento più solido.
L asse dell albero motore è arretrato di 8 mm rispetto al centro dei cilindri; in questo modo viene ridotta la spinta laterale alla massima pressione e si ottiene un minor consumo. L albero è in acciaio, ha cinque supporti di banco e quattro contrappesi di bilanciamento; le superfici di scorrimento delle bronzine hanno una finitura eccellente. Le bronzine sono percorse da micro rigature parallele studiate per ridurre la rumorosità. Il terzo supporto di banco ospita anche gli spallamenti che limitano il gioco assiale dell albero motore. All estremità opposta al volano è montata la corona per la catena di distribuzione con una protezione anti-salto. Dopo la corona troviamo la ruota foni- Sul bordo sinistro in alto il contatto per la spia della pressione insufficiente del lubrificante; a destra lo scarico del liquido refrigerante; al centro la cartuccia dell olio, montata inclinata per evitare lo svuotamento a motore fermo. La ruota fonica dell albero motore genera gli impulsi che indicano alla centralina di gestione del motore la posizione angolare del motore e la velocità di rotazione. L albero motore con il pignone della distribuzione ancora montato. La flangia con il paraolio lato volano. I cappelli dei supporti di banco con i semigusci delle bronzine. Gli spallamenti dell albero motore che sono posti sotto il cappello del terzo supporto.
Lo spinotto è piantato con interferenza nel pistone, le fasce sono a basso coefficiente d attrito e studiate per ridurre il consumo d olio. Sotto, i pistoni sono fusi in lega leggera ed hanno il mantello sfiancato in corrispondenza dello spinotto. Le bronzine sono percorse da microscanalature per ridurre il rumore. ca, che informa la centralina di iniezione-accensione circa la posizione angolare e la velocità di rotazione dell albero. Il ramo in trazione della catena, lubrificata da un apposito ugello, alimenta la pompa dell olio indi, guidata da un pattino fisso, realizzato in materiale sintetico e metallo, arriva alla corona dell albero a camme di scarico. Di qui la catena Morse raggiunge l unità di controllo della fasatura delle valvole di aspirazione e poi torna verso l albero motore passando sul pattino tenditore. Quest ultimo ha la superficie di scorrimento in materiale sintetico e il supporto in lega leggera. Il pistoncino idraulico del tenditore è montato sulla testa ed ha un sistema di ritenzione meccanica che evita l allentamento della catena a motore spento. Le bielle sono di disegno snello e vengono realizzate per sinterizzazione, processo che consente un risparmio in termini di peso. I pistoni sono fusi in lega leggera con gli spinotti piantati per interferenza. Le fasce elastiche sono del tipo a bassa tensione, che riduce le perdite meccaniche per attrito e diminuisce anche il consumo d olio (avvelenamento del catalizzatore). Il lato della distribuzione è chiuso da un carter in lega leggera che ospita in basso il sensore della ruota fonica dell albero motore e in alto, sotto il rigonfiamento del VVT-i, la valvola di controllo del lubrificante, che serve a modulare la variazione di fase delle val-
vole di aspirazione. Il circuito idraulico riveste una particolare importanza, poiché non solo presiede alla lubrificazione degli organi in movimento ma, come accennato sopra, serve anche a realizzare la pressione di azionamento del variatore di fase. La pompa, di tipo trocoidale, pesca l olio attraverso la classica succhieruola con filtro a rete dalla coppa e lo invia, con pressione regolata, al filtro. Di lì, il lubrificante raggiunge il circuito principale che alimenta i supporti di banco e biella e i pistoni, l ugello della catena di distribuzione e la testata. L olio viene, quindi, inviato al tendicatena, ai supporti degli alberi a camme, passando all interno degli stessi alberi, ed infine muove il VVT-i. Gli alberi a camme sono dunque cavi e azionano le valvole spingendo dei bicchierini calibrati che fungono anche da registro. Questa soluzione ha permesso di ridurre il peso della massa in movimento. Anche le valvole hanno subito una cura dimagrante riducendo il diametro degli steli a 5 mm; il fungo invece è di 22,6 mm per gli scarichi e 26 mm per le aspirazioni. L angolo incluso tra le valvole è di 29,7, cosa che ha permesso di realizzare una camera di scoppio compatta e termodinamicamente efficiente in modo da ridurre i consumi e allontanare il pericolo di battito in testa. Al centro delle camere di scoppio sono poste le candele, che vengono alimentate da una bobina per ogni cilindro. Esse sono lunghe e strette e si infilano nel coperchio della distribuzione per collegarsi alle candele. Così gli avvolgimenti restano circondati dalla massa metallica, minimizzando il rumore elet- tromagnetico prodotto dalle scariche elettriche. Gli iniettori, grazie al maggiore spazio disponibile, sono montati a ridosso delle valvole di aspirazione per ridurre al minimo il riscaldamento della carica fresca e quindi migliorare il riempimento. Gli iniettori, molto compatti, sono di un nuovo tipo con 10 fori di uscita del carburante che ne migliora la nebulizzazione. Da notare che il circuito del carburante in pressione è privo di ritorno per ridurre al minimo la produzione di vapori di benzina dovuti al riscaldamento del carburante nel classico anello con ritorno al serbatoio. La regolazione della pressione avviene nel serbatoio; al flauto distributore arriva un solo condotto che passa per un ammortizzatore delle pulsazioni e serve a minimizzare le oscillazioni di pressione all ingresso degli Vista posteriore della pompa dell olio; il monoblocco funziona come carter esterno. In questa immagine, si può notare la pompa dell acqua con la girante in lamierino. La testata dalla parte degli scarichi...... e dal lato aspirazione.
Le camere di scoppio a tetto e, in alto a destra, i due grossi condotti del liquido refrigerante che vanno direttamente alla pompa. Il lato distribuzione; si notano i ridotti supporti per gli assi a camme e i fori delle candele. Il coperchio della distribuzione con i passaggi per il ricircolo dei vapori di olio e i fori per le bobine di accensione. La parte inferiore del coperchio; si noti il lamierino rivettato per separare i vapori dal lubrificante liquido e la guarnizione di tenuta. Il lato sinistro della testa; si possono vedere i portagomma del liquido refrigerante, il sensore della temperatura con il connettore grigio, il sensore della posizione dell albero a camme di aspirazione con il connettore nero e l interruttore della temperatura con il connettore verde. Due valvole di aspirazione, una con il bicchierino-registro e l altra senza.
Due bicchierini; si noti la sottigliezza del metallo e la finitura. Lo spessore, nei bicchierini, che registra il gioco delle valvole. Il sensore dell albero a camme di aspirazione. Il primo cappello dei supporti degli assi a camme. Il carter della distribuzione visto dall interno; in basso si nota l alloggiamento del sensore della ruota fonica. Dal lato esterno si vede in alto la sede della valvola del VVT-i e in basso quella del sensore della ruota fonica.
Nella foto, si noti come la fusione sia complessa. Questo pezzo, infatti, è più di un semplice cappello. Da sotto si vedono la gola che guida l asse a camme di aspirazione, i condotti dell olio per entrambi gli assi e quello a destra che serve il VVT-i. Questo è l albero a camme di scarico. I cappelli sono contrassegnati dalla lettera I per inlet e E per exhaust. La freccia indica il senso di montaggio. Le viti hanno la rondella non rimovibile e vanno serrate in ordine a 13 Nm. Questa è la superficie di lavoro dei cappelli; riceve l olio dagli alberi, che sono cavi. Questo è l albero dell aspirazione; in basso si intravede uno dei tre perni che servono da ruota fonica. In alto si vedono due fori di ingresso per l olio.
L albero è sigillato da una sfera mentre la corona della catena è fissata con tre viti in posizione obbligata. In testa si vedono la spina di centraggio del tamburo del VVT-i e i fori dei passaggi dell olio. In questa immagine si può notare chiaramente l ugello che spruzza l olio sulla catena. La catena di distribuzione Morse. Il guida-catena inferiore. Il pistoncino idraulico del tendi-catena con la dentatura del cricchetto che evita alla catena di allentarsi a motore spento. iniettori. Vediamo ora come funziona il VVT-i che varia in modo continuo la fasatura dell albero a camme di aspirazione. I comandi vengono generati dalla centralina di gestione del motore e agiscono su una valvola multipla a cassetto, che invia la pressione dell olio al tamburo del VVT-i. Quest ultimo è l attuatore di tutto il sistema ed ha un funzionamento totalmente idraulico. La catena di distribuzione muove l esterno Il pattino guida-catena dal lato in tensione. Il pattino tendi-catena lato ritorno.
Il gruppo VVT-i. Vista dal lato dell attacco dell albero a camme con in oro le tre viti di fissaggio della corona per la catena al corpo del VVT-i. Al centro il foro della vite che assicura l albero al variatore di fase. Intorno vi sono i fori di passaggio dell olio. La parte rivolta all esterno del motore; si apprezza il fatto che il diametro minore, di colore scuro, è scollegato dal corpo esterno solidale alla corona. La parte rivolta all interno del motore; nell immagine si può notare chiaramente come essa rappresenti la posizione di massimo ritardo. Il corpo esterno con le tre camere; in alto, la sede della spina di blocco in posizione di anticipo minimo. Questa è invece la posizione di massimo anticipo. del tamburo, mentre l albero a camme è solidale a un corpo a forma di trifoglio che trova posto all interno di tre camere del tamburo. Ogni camera può essere vista come un cilindro in cui si muove un pistone. In dipendenza del lato su cui viene esercitata la pressione si ottiene un movimento del pistone che può seguire il senso di rotazione del tamburo
Il rotore a tre petali che funzionano come pistoni. La forma a trifoglio, la spina di blocco e le cave degli elementi di tenuta. In questa immagine si può notare la faccia rivolta all albero a camme. I fori di passaggio dell olio; quello di destra è per l anticipo, l altro per il ritardo. Questo è il cuore del sistema: la valvola a cassetti che regola la pressione del lubrificante nelle camere. Uno degli elementi di tenuta con la molletta a balestra che lo spinge contro la parete del tamburo. La parte metallica del sensore di posizione dell albero a camme di aspirazione riporta la marca e i part numbers. Il sensore per intero. Un iniettore.
Le quattro bobine; ognuna di esse è dotata di quattro contatti. I dieci orifizi di un iniettore; a fianco è impressa la lettera P. Il flauto del carburante con i quattro compatti iniettori e lo smorzatore di oscillazioni della pressione del fluido. La guarnizione della testa è in acciaio multistrato (MLS). o andare nella direzione opposta. La valvola a cassetto invia la pressione a due condotti che si affacciano ognuno su un lato dei petali del trifoglio. In condizione di equilibrio della pressione sulle facce dei pistoni, tamburo e corpo centrale mantengono una posizione fissa tra loro. Non appena la valvola fa prevalere la pressione su di un lato, si innesca un movimento del trifoglio con la conseguente variazione dell anticipo della fasatura. In una prossima puntata analizzeremo il segnale elettrico che aziona la valvola. A riposo il VVT-i lascia che il trifoglio si collochi nella posizione di massimo ritardo, in modo da facilitare l avviamento a freddo. Per essere certi della posizione dell albero a camme c è uno spinotto su un petalo del corpo centrale che viene spinto da una La succhieruola con il filtro a rete. molla affinché si innesti in una apposita sede del tamburo. In questo modo, sino a quando la pressione dell olio non raggiunge il valore necessario a contrastare la molla, tamburo e corpo centrale rimangono solidali. Da notare che sul corpo centrale ci sono sei piccoli elementi di tenuta in materiale sintetico che servono a rendere più efficace il lavoro idraulico. Il segnale di feed back utilizzato per misurare lo spostamento dell albero a camme di aspirazione è fornito alla centralina da un sensore montato all estremità opposta al VVT-i, che legge tre denti fissati all albero a camme. La respirazione del motore avviene attraverso un complesso collettore realizzato in materiale sintetico per ridurre il peso e il trasferimento termico all aria aspirata e di conseguenza la densità della carica. Inoltre i condotti hanno la stessa lunghezza in modo da ridurre oscillazioni del flusso che inducono rumore. La dimensione dei condotti e la loro lunghezza è stata calibrata per migliorare la coppia ai regimi medio-bassi e la potenza massima. Anche il collettore di scarico segue gli stessi principi, così tutti i rami sono di eguale lunghez-
Il condotto di aspirazione con il corpo farfallato; si noti il disegno per ottenere uguali lunghezze dei condotti. Visto dall alto del corpo farfallato con le tubazioni del liquido refrigerante. Dal lato dell attacco alla testa il collettore lascia vedere anche il polmone di respirazione sotto la farfalla. Il collettore di scarico; anche in questo caso i condotti hanno eguali lunghezze. In questa immagine possiamo notare il volano con le sei viti di fissaggio. za. Il peso è stato ridotto con l uso di acciaio inossidabile ad alto tenore di nichel e con una flangia di ridotto spessore, ma con una generosa costola di irrigidimento lungo tutto il perimetro. La guarn i z i o n e La guarnizione dello scarico verso il catalizzatore. Il gruppo dello spingi-disco e il disco della frizione. del collettore verso il catalizzatore è realizzata con un profilo emisferico che garantisce una buona tenuta consentendo un collegamento elastico che riduce le vibrazioni trasmesse. Il volano, infine, viene assicurato all albero motore tramite sei viti montate con un frenafiletti sul quale viene installato il complessivo spingidisco e disco della frizione. Il motore completo pesa 81 kg.