Valvola rotativa: la Derbi 50 di Nieto che faceva i cavalli della Ducati 125 Desmo

Nel 1956 la Ducati 125 Gran Premio Desmo di Fabio Taglioni tirava fuori 19 cavalli. Tredici anni dopo, nel 1969, la Derbi 50 di Ángel Nieto ne faceva 19 anche lei. Con una cilindrata due volte e mezza più piccola.

In Italia la prima la conoscono tutti, è un pezzo di storia nazionale. La seconda quasi nessuno, e il motivo per cui una 50 spagnola arrivava alla potenza della 125 più famosa d’Italia si chiama valvola rotativa: l’idea di far girare la valvola invece di farla salire e scendere, rincorsa da cento anni da ingegneri inglesi, tedeschi, americani e australiani, fino a quando la Formula 1 ha dovuto scrivere una regola apposta per fermarla.

Diciannove cavalli da cinquanta centimetri cubi

La Derbi nasce nel 1922 a Mollet del Vallès, alle porte di Barcellona, come officina di riparazione di biciclette di Simeó Rabasa. Il nome stesso viene da “derivado de bicicleta”, derivato dalla bicicletta. Nel 1961 l’ingegnere Francesc Tombas, per tutti Paco, disegna per la casa catalana un 50 da corsa a due tempi con aspirazione a disco rotante: 11,5 cavalli a 12.000 giri.

Otto anni dopo lo stesso monocilindrico, ormai raffreddato ad acqua, arriva a 19 cavalli a 14.000 giri, in una moto da 52 chili. Fanno circa 380 cavalli per litro. Nello stesso 1969 torna nel mondiale 50 la Kreidler, anche lei con un motore a disco rotante, preparato dall’olandese Van Veen: 15 cavalli, e non basta per stare dietro alla Derbi.

Il pilota è Ángel Nieto, nato a Zamora. Con la Derbi vince il mondiale 50 nel 1969, nel 1970 e nel 1972. Chiuderà la carriera con tredici titoli tra 50 e 125, vinti con Derbi, Bultaco e Kreidler ma anche con le italiane Garelli e Minarelli. Ma il primo arriva su un motore catalano, firmato da un ingegnere il cui nome in Italia non compare praticamente mai.

E la Ducati? La 125 Desmo, secondo i dati della stessa casa e delle schede storiche, dava 19 cavalli intorno ai 12.500-13.000 giri. Stessa potenza della Derbi, con una cilindrata due volte e mezza più grande e un monocilindrico a quattro tempi con tre alberi a camme in testa. Il confronto è tra due epoche diverse, il 1956 e il 1969, ma racconta bene cosa poteva fare un disco che gira al posto di un fungo che sale e scende.

Un disco d’acciaio da quattro decimi di millimetro

Il disco rotante non l’ha inventato la Derbi. A portarlo in cima è stato Walter Kaaden, capo del reparto corse MZ a Zschopau, nella Germania Est, che lavorava dal 1953 su valvole di aspirazione rotanti del tipo Zimmermann.

Il principio è semplice. Il due tempi non ha valvole a fungo: la miscela entra nel carter e da lì passa nel cilindro attraverso delle luci aperte e chiuse dal pistone. Il problema è decidere quando la miscela può entrare nel carter. Kaaden mette sull’albero motore un mezzo disco di acciaio armonico, circa 12 centimetri di diametro e poco più di quattro decimi di millimetro di spessore, che girando scopre il condotto di aspirazione solo per l’arco di rotazione che serve a lui. Fuori da quell’arco, il condotto resta chiuso. Così si può scegliere la fasatura dell’aspirazione senza dipendere dal pistone.

Nel 1961, abbinato a uno scarico a espansione accordato, il 125 di Kaaden fa 25 cavalli a 10.800 giri: 200 cavalli per litro, da un motore che di distribuzione non ne ha.

Nel settembre di quello stesso 1961, al Gran Premio di Svezia, il pilota di punta della MZ, Ernst Degner, scappa all’Ovest. Porta alla Suzuki quello che ha imparato in Germania Est e nell’ottobre del 1962 vince per i giapponesi il loro primo titolo mondiale, nella 50.

Il disco rotante funziona così bene per un motivo preciso. Sta sul lato aspirazione e lavora solo con miscela fresca alla pressione del carter. Non vede mai la combustione. Ed è proprio la combustione, come si vedrà, il punto dove tutti gli altri tentativi di valvola rotativa sono morti.

A Borgo Panigale si è scelta un’altra strada

Per capire perché Taglioni ha preso un’altra direzione bisogna partire dal difetto della valvola a fungo, quella che usano praticamente tutti i quattro tempi del mondo.

La valvola a fungo è un disco di metallo su uno stelo. La camma la spinge giù per aprirla, la molla la richiama su per chiuderla. A ogni ciclo va accelerata, fermata, rimandata indietro e fermata di nuovo. Più il motore gira veloce, più la camma la lancia con violenza, e più la molla deve faticare per richiuderla prima che arrivi il pistone. Quando la molla non ce la fa, la valvola smette di seguire il profilo della camma: è lo sfarfallamento. Se va bene si perde potenza. Se va male il pistone trova la valvola ancora aperta e il motore è da buttare.

Nei motori piccoli il problema è feroce, perché per fare potenza con poca cilindrata servono tanti giri. Taglioni sceglie di tenersi il fungo e di togliere la molla: nella sua 125 Desmo una camma apre la valvola e un’altra camma la richiude. Il debutto vincente arriva al Gran Premio di Svezia del 1956, a Hedemora, con Gianni Degli Antoni che doppia tutti. Qualche settimana dopo Degli Antoni muore in prova a Monza. Ducati salta il 1957 e nel 1958 torna a vincere con Alberto Gandossi in Belgio e in Svezia.

Il desmodromico risolve lo sfarfallamento ma lascia il fungo al suo posto, con tutta la sua massa che va su e giù. Gli inglesi, trent’anni prima, avevano provato a toglierlo del tutto.

Gli inglesi e le candele piene d’olio

Roland Cross comincia a lavorare sulla valvola rotativa nel 1920 e deposita il primo brevetto nel 1922. La sua valvola è un cilindro messo di traverso nella testata, diviso all’interno da una parete: un lato porta la miscela, l’altro lo scarico. Girando, le aperture laterali si affacciano sulla camera di scoppio al momento giusto. Nel dicembre del 1933 il settimanale britannico Commercial Motor riporta che, secondo Cross, la valvola funziona perfettamente fino a 10.000 giri.

Per capire quanto fosse ambiziosa quella cifra basta guardare la base dei suoi prototipi. Cross lavorava spesso su motori Rudge, e il miglior monocilindrico sportivo della Rudge, la 500 Ulster a quattro valvole, dava circa 32 cavalli a 5.500 giri di serie e una quarantina a 6.800 una volta elaborata. Cross dichiarava quasi il 50% di giri in più della migliore testata che la Rudge stessa sapesse fare.

Frank Aspin, a Bury nel Lancashire, sceglie un’altra forma: un cono nella testata che gira sullo stesso asse del cilindro, con una parte tagliata via per scoprire le luci. Lo costruisce con successo nel 1937 e, secondo la rivista australiana Old Bike Mag, un suo 250 da moto arrivava a 14.000 giri. Quarant’anni prima, in Iowa, Fay Oliver Farwell aveva già fatto girare il motore intero.

Tutti e due finiscono contro la tenuta. Il fungo chiude stando fermo: si appoggia sulla sede e la pressione dello scoppio lo schiaccia ancora di più contro il metallo. La valvola rotativa non sta mai ferma. Deve contenere la combustione mentre striscia contro la superficie che dovrebbe sigillare. Se l’accoppiamento è stretto si consuma, oppure grippa quando si scalda e si dilata. Se è largo, la compressione scappa. Se si manda olio per ridurre l’usura, l’olio finisce in camera di scoppio.

La rivista americana Cycle World lo scrive nel luglio del 1964: i costruttori del motore Cross dovettero scegliere tra una forte usura della valvola e un forte consumo d’olio, e scelsero l’olio. Il cono di Aspin aveva lo stesso problema di usura, tenuto a bada solo con olio in abbondanza. La NSU, che a metà degli anni Cinquanta sperimentò il principio Aspin e che la rivista considerava probabilmente il tentativo più promettente, non trovò nessun vantaggio netto rispetto a un motore a fungo paragonabile, con consumi d’olio enormi e tenute che si consumavano presto.

Cross provò con un labbro flessibile di bronzo fosforoso che abbracciava la valvola. Teneva bene e si consumava, e quell’usura non la risolse mai. Con troppa pressione sulla tenuta, l’attrito scaldava la valvola fino a farla grippare in parte.

L’olio nebulizzato dalla valvola finiva anche sulla candela. Al Senior TT dell’Isola di Man del 1935 Cross iscrive una Vincent HRD con motore Rudge, la sua valvola e un rapporto di compressione di 10,5 a 1. Le fonti non concordano: per Old Bike Mag fu ritirata dopo problemi in prova, per l’archivio Cybermotorcycle le moto erano due, una troppo lenta per qualificarsi e l’altra fuori dopo due giri per “problemi alla candela”, bagnata dall’olio.

Su strada andava meglio. Nel 1937 il settimanale britannico Motor Cycling prova una moto con valvola Cross e trova un solo difetto serio, il collettore di scarico che scotta la gamba del pilota. Arriva a 140 km/h in 28,5 secondi e viaggia sui 120 a 6.000 giri. La Norton, che allora dominava le corse inglesi, valutò sul serio un sistema Cross per i motori Manx ufficiali.

L’Aspin aveva un vantaggio inatteso. Senza la testa rovente della valvola di scarico dentro la camera di scoppio, reggeva compressioni alte con benzina scadente senza battere in testa. Secondo Old Bike Mag, un motore Aspin da 4,5 litri per camion sviluppato per l’esercito britannico alla fine degli anni Quaranta funzionava tranquillamente a creosoto, il catrame con cui si trattano le traversine dei binari.

Ci credette perfino Detroit. Nel 1938 la Briggs Manufacturing, che stampava carrozzerie per Ford, Chrysler e Packard, comprò i diritti americani dei brevetti Aspin e ci disegnò dei boxer a quattro cilindri per aerei, l’O-106 da 80 cavalli e poi l’O-200 da 100. L’Aircraft Engine Historical Society, alla voce applicazioni, per tutti e due scrive: nessuna trovata.

Sydney, Ilmor e l’articolo 5.1.5

La valvola rotativa a quattro tempi torna sul serio alla fine degli anni Novanta, in Australia. La Bishop Innovation di Sydney, con l’ingegnere Tony Wallis, sviluppa una valvola cilindrica unica per ogni cilindro che fa sia aspirazione sia scarico: in pratica l’erede diretta di quella di Cross, con settant’anni di metallurgia in più.

Nel 1997 comincia a lavorare con la Ilmor, l’azienda inglese fondata da Mario Illien e Paul Morgan che costruiva i motori di Formula 1 della Mercedes, gli stessi che diedero a Mika Häkkinen e alla McLaren i titoli del 1998 e del 1999. Le prime prove si fanno su monocilindrici da 300 cc forniti da Ilmor, con la testata progettata a Sydney. A fine 2000, secondo il resoconto della stessa Bishop, nel confronto diretto con un monocilindrico a fungo equivalente la rotativa dà il 10% di potenza in più e una durata migliore. Nel 2002 si costruiscono e si provano i primi V10. Nel 2003 un V10 completamente nuovo.

Il riferimento da battere era il motore che Ilmor faceva correre in quegli anni: il Mercedes FO 110 Q della McLaren MP4-19 del 2004, un V10 di 3 litri da quasi 900 cavalli a 18.300 giri.

Alla fine del 2004 la FIA modifica l’articolo 5.1.5 del regolamento motori. Secondo Bishop la modifica aveva un unico scopo, vietare la sua valvola rotativa. I test finiscono lì. Fin dove fossero arrivati davvero quei V10 si discute ancora, e quasi tutte le informazioni pubbliche vengono dalla stessa Bishop. Che la regola sia stata cambiata, invece, è un fatto.

Il brevetto è passato alla BRV Pty Ltd di Tony Wallis, che ha poi convertito un motore da cross Honda CRF450 dichiarando un 17% di coppia in più ai bassi regimi e un 9% agli alti.

Chi ci prova ancora

Negli Stati Uniti due aziende inseguono ancora la rotativa a quattro tempi. La Coates International del New Jersey sviluppa dal 1988 una valvola rotativa sferica, la CSRV, nata dal lavoro che George Coates aveva iniziato in Irlanda alla fine degli anni Settanta: sfere che girano in una testata divisa in due, con circa un decimo delle parti in movimento di una distribuzione tradizionale. Nei documenti depositati alla SEC, la prima vendita dichiarata è un gruppo elettrogeno a gas naturale, e dati indipendenti su motori Coates in servizio, a più di trent’anni dall’inizio, se ne trovano pochi.

La Vaztec di Mooresville, in North Carolina, è partita dal lavoro di tenuta più difficile, il diesel: motori a rapporto di compressione 20 a 1 con 100 bar di pressione di combustione, e prototipi che vanno da un V8 di 5,3 litri a un quattro tempi portatile di 28 cc. La sua tenuta è progettata per adattarsi alla valvola mentre si dilata col calore, cioè esattamente il punto dove il labbro di bronzo di Cross si arrendeva.

Sulla carta il margine è enorme. In un lavoro presentato alla SAE nel 2020, l’ingegnere Alberto Boretti ha simulato motori a carica magra stratificata con valvole rotative, iniezione diretta, accensione a getto e sovralimentazione spinta, arrivando a 475 kW per litro a metanolo. Gli attuali ibridi di Formula 1, nello stesso filone di studi, li colloca poco sopra i 340. Resta una simulazione.

Da Mollet a Pontedera

Nel 2001 la Derbi è stata comprata dal gruppo Piaggio. Il marchio che con il disco rotante di Tombas ha dato a Nieto il suo primo mondiale oggi fa parte dello stesso gruppo che a Noale costruisce le Aprilia. La storia della valvola rotativa che ha funzionato, quella che in Italia si racconta poco, è finita a Pontedera.

Controlla di essere ancora vivo.

Foto: replica della Derbi 50 del 1969, Peprovira (CC BY-SA 3.0). Motore Ducati 900 SS Desmo, Corsairf4u97 (CC BY-SA 4.0). Via Wikimedia Commons.