Durante la seconda guerra mondiale, gli ingegneri nazisti costruirono alcune delle armi aeree più affilate che il mondo avesse mai visto. Il Focke-Wulf Fw 190 non era solo un altro caccia; per un certo periodo, ha sovraperformato qualsiasi cosa gli Alleati potessero volare. È stato veloce. È stato mortale. Ed era un problema.
Fortunatamente per le potenze alleate, l’ingegneria alla fine riportò indietro il pendolo. Non hanno vinto con una bomba più vistosa o con una bomba più veloce. Hanno vinto con un motore di cui la maggior parte delle persone oggi non ha mai sentito parlare. Un propulsore robusto e non convenzionale neutralizzò la Luftwaffe. A modo suo, questo motore ha contribuito a vincere la guerra.
Il motore con valvola a manicotto alimentava veloci caccia britannici come l’Hawker Typhoon e l’Hawker Tempest. Con la loro potenza bruta, questi aerei controllavano i cieli. Fornivano supporto aereo alle truppe di terra. Hanno posto fine al conflitto.
Ma cos’è un motore con valvole a manicotto? Perché ha un nome così bizzarro? E perché oggi se n’è quasi andato?
Come funziona il motore con valvola a manicotto
Il nome deriva dall’hardware. I manicotti metallici a pareti sottili scorrono su e giù all’interno di ciascun cilindro. I fori nel manicotto e i fori nella parete del cilindro si allineano a intervalli prevedibili. Questo movimento aspira aria fresca ed espelle i gas di scarico.
Ha funzionato. Ma la complessa configurazione è stata sostituita dalle valvole a punteria che utilizziamo oggi nei motori a combustione interna. Nell’aviazione, i motori a pistoni hanno lasciato il posto ai jet.
Non considerarlo ancora una reliquia inutile.
Almeno un’azienda sta cercando di riportare indietro la venerabile valvola a manicotto. Sta tornando con colpi di scena moderni. Stiamo guardando cosa lo fa girare. Perché è caduto in disgrazia. E perché viene convocato ora per un diverso tipo di combattimento.
La tecnologia dietro il rumore
Arrivato durante il culmine dell’era industriale, il motore con valvole a manicotto sembra un oggetto di scena di un romanzo steampunk. Gli ingegneri moderni si meravigliano della sua intelligenza. Inoltre chiocciano per la sua elevata complessità.
È una cosa bellissima una volta capiti i pezzi. Rimboccati le maniche. Stiamo diventando sporchi e sporchi.
Questo motore sfugge alla semplice descrizione. Ma ecco la logica di base. I motori con valvole a manicotto possono essere disponibili in molte configurazioni. Una disposizione, il motore con valvola a manicotto radiale utilizzato sugli aerei, sembra un incrocio tra un robot Rock ‘Em Sock ‘Em e una sentinella di The Matrix.
Per ottenerlo, prima capisci cosa non è. Non è il motore con valvola a fungo. Le valvole a fungo sono oggi lo standard de facto. Le valvole a forma di fungo si aprono e si chiudono ritmicamente sotto la tensione della molla. Controllano il carburante, l’aria e i rifiuti.
La valvola a manicotto utilizza un manicotto scorrevole, talvolta rotante. Controlla la quantità di aria e carburante che vengono fatti esplodere con ogni corsa di compressione. La premessa è la stessa. Accendere il carburante e l’aria. Pistoni di azionamento. Girare un albero motore.
Sui progetti in cui il manicotto ruota, le porte tagliate al suo interno si allineano con le porte di aspirazione o di scarico. Dipende dall’ictus. Un pistone si muove su e giù all’interno del manicotto. La manica scorre avanti e indietro. Gli ingranaggi collegati all’albero motore guidano il movimento del manicotto.
Ti stai ancora grattando la testa? Ecco i passaggi.
- Colpo di compressione: Il pistone si avvicina al punto morto superiore. Tutti i porti sono chiusi. La candela si accende. La miscela carburante/aria si accende.
- Colpo di combustione: L’accensione spinge il pistone verso il basso. Quando raggiunge il punto morto inferiore, il rivestimento si sposta. Le sue aperture ritagliate si allineano con le porte di scarico del cilindro.
- Colpo di scarico: Il gas di scarico viene espulso. Il pistone risale. Le porte di scarico si chiudono.
- Corsa di aspirazione: Il manicotto ruota nella direzione opposta. Espone le porte di aspirazione dell’aria. Il pistone scende. Aspira aria fresca. Il manicotto si sposta per chiudere la porta di aspirazione. Il processo si ripete.
Moltiplicatelo per diversi cilindri. Aggiungi un albero motore. Anche tu hai un motore con valvole a manicotto.
Se sembra complicato, lo è. Uno dei principali ostacoli a questi motori era la loro complessità. Ha senso quando vedi il processo in azione. Guarda i video per visualizzarlo.
Perché l’efficienza volumetrica è importante
Allora perché scherzare con un motore così complicato? Erano notoriamente assetati di olio lubrificante. Non prendevano di buon occhio le impurità come la sabbia.
La risposta è l’efficienza volumetrica.
Questi motori sono molto migliori dei motori normali nel far entrare e uscire l’aria dalla camera di combustione. La disposizione delle porte fornisce migliori caratteristiche di turbolenza. È un termine ingegneristico per creare aria turbolenta. La miscela di aria e carburante brucia in modo più efficiente.
“La valvola a manicotto, d’altro canto, utilizza un manicotto scorrevole, a volte rotante, per controllare la quantità di aria e carburante che vengono fatti esplodere ad ogni corsa di compressione.”
Charles Yale Knight non era semplicemente il figlio di un contadino dell’Indiana con un taccuino. Era un uomo che odiava il rumore. Intorno al 1901 acquistò un’automobile Knox a tre ruote principalmente per fare il pendolare per il suo diario agricolo. Il rumore meccanico delle fasce elastiche e delle valvole a fungo era insopportabile. Gli ha rovinato la pace. Quindi, ha fatto quello che fanno gli ingegneri quando sono infastiditi. Ha costruito un motore più silenzioso.
Con i soldi di un ricco finanziatore, Knight non si è limitato a modificare un design. Ha reinventato il treno di valvole. Nel 1906, presentò il “Silent Knight” al Chicago Auto Show. Era una macchina a 4 cilindri e 40 cavalli che sfidava lo status quo.
L’ingegneria era elegante nella sua semplicità. La maggior parte dei motori dell’epoca utilizzavano valvole a fungo, quelle piccole strutture simili a martelli che si aprono e si chiudono sbattendo. Erano rumorosi. Erano fragili. Richiedevano frequenti aggiustamenti. La soluzione di Knight? Due maniche per cilindro.
Pensatelo come un pistone all’interno di un pistone. La manica interna scorreva all’interno di una manica esterna. Il pistone vero e proprio si è mosso all’interno di quella manica interna. Il flusso di gas non era controllato dalle alette che si aprivano. Era controllato dal movimento fisico di queste maniche. Il risultato è stato esattamente ciò che il nome prometteva: silenzio.
Le case automobilistiche nazionali lo hanno ignorato. Perché? Perché erano bloccati nella produzione di valvole a fungo. L’infrastruttura, gli strumenti, l’esperienza: tutto puntava alla vecchia maniera. Il Silent Knight era superiore in termini di durata e riduzione del rumore, ma l’industria semplicemente non si muoveva.
Oltre l’Atlantico la storia era diversa.
I miglioramenti al design attirarono l’attenzione dei produttori britannici. Daimler in Inghilterra (la società originaria, molto prima della fusione Mercedes-Benz) adottò la tecnologia. Non era solo una novità. Era una dichiarazione. Altri marchi seguirono l’esempio. Alla fine Willys negli Stati Uniti arrivò, così come Mercedes-Benz e Rolls-Royce. Se volevi un lusso tranquillo negli anni ’10 e all’inizio degli anni ’20, compravi un motore Knight.
Ma il progresso non si ferma. Negli anni ’20, l’architettura delle valvole a manicotto iniziò ad evolversi. Il design a doppia manica di Knight era robusto, ma era pesante. Complesso. Costoso da macchina.
Inserisci il design a manica singola.
Aziende come Burt-McCollum hanno semplificato i meccanismi. Una manica invece di due. Più leggero. Meno attrito. Più economico da produrre. Per i produttori del mercato di massa, gli aspetti economici erano innegabili. Il design Knight veniva superato dai suoi stessi successori.
Poi sono arrivate le ali.
I produttori di motori come Bristol e Rolls-Royce hanno adottato i raffinati concetti delle valvole a manicotto e li hanno applicati all’aviazione. Il motore aeronautico a pistoni necessitava di affidabilità in quota e di un’erogazione di potenza fluida. Le valvole a manicotto offrivano un’ampia area della valvola rispetto alle loro dimensioni, consentendo una migliore respirazione a regimi elevati. Non soffrivano dello stesso stress termico delle valvole a fungo.
La valvola a manicotto non è morta per incompetenza. È stato eliminato dall’efficienza e dal risparmio di peso. Ma per un breve momento ha dominato il mondo automobilistico di fascia alta e poi ha conquistato i cieli.
Perché le valvole a manicotto hanno fallito nella produzione di massa
Il motivo principale per cui le valvole a manicotto sono scomparse dal garage dell’autista medio non è stato un guasto tecnico
Harry R. Ricardo non aveva bisogno di un’aula magna per imparare ingegneria. Nato a Londra nel 1885, l’uomo che in seguito sarebbe diventato Sir Harry Ricardo trascorse la sua infanzia fino alle ginocchia nell’officina di un macchinista locale. Ha assorbito la meccanica del movimento, poi ha portato a casa quella conoscenza grezza per costruire i propri motori. Guardando indietro, Ricardo ha ammesso che quei primi tentativi falliti gli hanno insegnato più sulla produzione vera e propria di quanto avrebbe mai potuto fare qualsiasi istruzione formale.
È cresciuto fino a diventare un inguaribile ambizioso. Durante la prima guerra mondiale, modificò i motori dei carri armati per contribuire a rompere la situazione di stallo. È stato il pioniere del sistema di classificazione del numero di ottano che utilizziamo ancora oggi per valutare la qualità del carburante. Ma il suo contributo alla Seconda Guerra Mondiale fu probabilmente il più significativo dal punto di vista meccanico.
La soluzione con valvole a manicotto per il dominio della Luftwaffe
Nel 1941, la Royal Air Force stava subendo un duro colpo. Gli Spitfire britannici, il pilastro della loro forza da caccia, furono surclassati dai Focke-Wulf Fw 190 tedeschi. Gli aerei tedeschi lanciarono attacchi a terra a bassa quota quasi impunemente. Niente poteva catturarli. Niente, finché l’Hawker Typhoon non entrò in servizio nel 1942.
Il Typhoon era una bestia. Era azionato da un motore Napier Sabre da 2.180 cavalli caratterizzato da un design con valvola a manicotto. Ricardo aveva teorizzato negli anni ’20 che i motori degli aerei con valvole a manicotto potevano generare rapporti di compressione più elevati rispetto a motori comparabili con valvole a punteria, con conseguente maggiore potenza. Aveva ragione.
La coppia extra diede al Typhoon la possibilità non solo di abbattere gli intrusi della Luftwaffe ma anche di trasportare bombe. Nel corso della guerra, i Typhoon dotati di bombe e razzi si rivelarono fondamentali. Sostennero le forze di terra alleate mentre il cappio si stringeva attorno ai nazisti.
“Da bambino, sono sempre stato affascinato dai motori e dai movimenti meccanici in generale, e soprattutto, dal grande mistero su come tali cose fossero effettivamente realizzate… guardando indietro, penso di aver imparato di più da questi primi e molto rozzi tentativi di progettazione e produzione che da qualsiasi altra cosa”
Perché la tecnologia delle valvole a manicotto è importante per i mercati in via di sviluppo
Nonostante il suo esemplare record militare, il motore con valvole a manicotto dovette affrontare un duro confronto con la realtà. Stavano arrivando i motori a reazione. Avrebbero dominato l’aviazione commerciale e militare negli anni del dopoguerra. L’epoca d’oro del motore a combustione interna per l’aviazione era effettivamente finita.
Ma l’eredità non è svanita. Gli appassionati hanno immortalato la tecnologia in modelli costruiti in casa e archivi online. Alcuni modellini di aerei volanti utilizzano ancora versioni in miniatura. E ora, la tecnologia potrebbe conoscere una rinascita nei mercati automobilistici più grandi e in più rapida crescita del mondo.
Il motore con valvola a manicotto è un vicolo cieco evolutivo?
Diamo un’occhiata al ciclo più ampio. Hollywood ricicla vecchi concetti quando le idee si esauriscono. Anche l’industria automobilistica lo fa. Le auto elettriche erano un grosso problema prima che l’avviamento elettrico rendesse pratica la combustione interna. L’elettricità scomparve finché le preoccupazioni ambientali non la riportarono fuori dalla tomba intorno alla fine del secolo.
Lo stesso schema potrebbe verificarsi con il motore con valvola a manicotto per le moderne applicazioni automobilistiche.
Pinnacle Technologies, con sede a San Carlos, in California, scommette sulla domanda repressa di trasporti puliti ed economici in Asia. Stanno sviluppando un’interpretazione moderna della valvola a manicotto. Il loro motore è un quattro tempi, con accensione a scintilla (SI), con pistone contrapposto.
Il fondatore Monty Cleeves afferma che il motore brevettato offre un miglioramento dell’efficienza dal 30 al 50% rispetto agli attuali motori a combustione interna.
“Questa tecnologia motoristica garantisce il risparmio di carburante e le emissioni di CO2 di un ibrido a un prezzo accessibile a tutto il mondo”
Pinnacle non teme che i veicoli elettrici (EV) rendano presto la loro tecnologia obsoleta. Vedono un’enorme opportunità in mercati in rapida crescita come India e Cina. Questi paesi in via di sviluppo vogliono ridurre le emissioni di gas serra migliorando al tempo stesso gli standard di vita attraverso il possesso di veicoli a motore. I veicoli elettrici e gli ibridi comportano ancora un significativo sovrapprezzo.
La nuova valvola a manicotto di Pinnacle funge da “tecnologia a ponte”. Offre una via di mezzo fino a quando l’elettricità non diventerà alla portata di tutti.
La società ha ottenuto diversi milioni di dollari in capitale di rischio. Stanno perseguendo un accordo di licenza con un produttore automobilistico asiatico. L’inizio della produzione era previsto per il 2013. Resta da vedere se tale tempistica sia stata rispettata o se da allora la tecnologia abbia trovato una collocazione permanente nella catena di fornitura globale. Ma la promessa principale rimane: alta efficienza, basso costo e un design che affonda le sue radici in un’intuizione secolare di un ragazzo a cui piaceva smontare le macchine.
