Il motore Wankel, il motore Stirling e vari tipi di unità di potenza turbo non sono mai entrati nel mainstream automobilistico. Alcune aziende famose (da Mazda a GM, da Mercedes a Volvo) ci hanno lavorato per decenni, ma anche piccole imprese e singoli inventori hanno continuato a lavorarci. Purtroppo, si è scoperto che un particolare progetto presentava molte più insidie di quanto sembrasse all’inizio. Ma questo non significa che lo sviluppo di propulsori alternativi sia impossibile. Gli appassionati hanno elaborato diverse idee e noi vorremmo condividere con voi una serie di schemi esotici.
Alcuni creatori di motori promettenti hanno deciso che la combinazione di cilindro, pistone, biella e albero a gomiti si è dimostrata valida per più di un secolo e non è necessario reinventarla per migliorare i parametri del motore a combustione interna: è sufficiente correggere alcuni aspetti. Pertanto, il primo della nostra lista è il motore dell’azienda americana Scuderi Group, che presenta le classiche corse di aspirazione, compressione, potenza e scarico, che però non avvengono nello stesso cilindro, ma in cilindri diversi. Il cosiddetto cilindro freddo è responsabile dell’aspirazione e della compressione, mentre il secondo, caldo, è responsabile della corsa di potenza e dello scarico.
Mentre nel cilindro di lavoro si verifica un’espansione del gas, in quello freddo di compressione avviene una corsa di aspirazione. In quello di lavoro avviene lo scarico, in quello freddo la compressione. Alla fine della corsa di compressione, i pistoni si avvicinano ai loro punti morti superiori, una miscela si sposta attraverso il canale di bypass dal cilindro freddo a quello caldo e viene accesa. Un simile ciclo diviso (in linea di principio, il ciclo Otto, anche se modificato) è stato inventato dagli americani nel 2006, che nel 2009 hanno costruito il motore pilota Scuderi Split Cycle. Il compressore e i cilindri di lavoro possono avere diametri e corse dei pistoni diversi, il che consente di regolare in modo flessibile i parametri – è un analogo del ciclo Miller con espansione aggiuntiva del gas.
Se si aggiunge un ramo con valvole e una bombola ad alta pressione al canale tra i cilindri, è possibile far sì che questo motore raccolga energia durante la frenata e la utilizzi durante l’accelerazione. Tuttavia, per alcuni anni, le attività di Scuderi Group si sono limitate solo a prototipi e alla partecipazione a mostre. Sembra che l’efficienza reale non riesca ancora a superare l’elevata complessità del progetto.
Anche gli sviluppatori dell’azienda croata Paut Motor hanno optato per il ciclo di lavoro diviso. Il loro progetto “spaziato” ha attirato l’attenzione per il minor numero di parti, il basso attrito e la riduzione del rumore. E la necessità di un serbatoio esterno per il sistema di lubrificazione, dovuta all’assenza di olio nel carter, non spaventava. Gli inventori costruirono diversi prototipi. Con una capacità di sette litri, le loro dimensioni (500×440×440 mm) e il loro peso (135 kg) sono quasi la metà di quelli dei tradizionali motori a combustione interna. Ma la potenza non è mai stata determinata. L’ultimo prototipo è stato assemblato nel 2011, poi il progetto si è arenato.
Il motore a due tempi Bonner (dal nome dello sponsor, Bonner Motor), inventato nel 2006 negli Stati Uniti da Walter Schmid, è ancora più complicato. Come nel progetto Paut Motor, anche qui i cilindri sono disposti a forma di X e l’albero a gomiti esegue anche un movimento planetario grazie al sistema di ingranaggi.
Le valvole nei fondi dei cilindri e i distributori rotanti nel corpo del motore sono responsabili della distribuzione del gas in Bonner. Allo stesso tempo, i pistoni esterni possono spostarsi leggermente sotto la pressione dell’olio, fornendo un rapporto di compressione variabile. Che schema complicato! E tutto questo per ottenere un’elevata potenza per unità di peso. In teoria, Bonner sembra interessante, ma in pratica non se ne hanno notizie da molto tempo: a quanto pare, non ha soddisfatto le aspettative.
Altri inventori non hanno modificato i cicli di lavoro del motore a combustione interna, ma si sono concentrati sulla posizione delle sue parti. Si tratta, ad esempio, di motori assiali che hanno più di cento anni. Sono tutti diversi nei dettagli, ma sono uniti da un principio comune: i cilindri sono disposti come le cartucce nel cilindro di un revolver, con un albero di uscita coassiale. Diversi sistemi, come perni inclinati rispetto all’asse longitudinale del motore, rondelle coniche e simili, sono responsabili della conversione dei movimenti alternativi dei pistoni in rotazione dell’albero.
Un progetto neozelandese della società Duke Engines, un motore a cinque cilindri a quattro tempi con una capacità di tre litri, è una varietà di unità assiali. Rispetto al classico motore a combustione interna di pari capacità, questo era, secondo i calcoli degli autori, più leggero del 19% e più compatto del 36%. Era stato promesso che sarebbe stato utilizzato in una varietà di campi, ma i sogni di conquistare il mondo intero rimasero tali.
Il motore RadMax dell’azienda canadese Reg Technologies è un esempio assiale ancora più complesso. Qui, invece dei cilindri, una dozzina di compartimenti sono organizzati in un tamburo comune con l’aiuto di lame sottili. Nelle fessure del rotore sono installate piastre che si muovono lungo di esse durante la rotazione. I volumi variabili che ne risultano limitano le superfici curve alle estremità: esse impostano la traiettoria delle pale e controllano lo scambio di gas.
Lo schema RadMax consente di creare motori per diversi tipi di carburante, anche se inizialmente gli inventori hanno scelto il diesel. Nel 2003 è stato costruito un prototipo con un diametro e una lunghezza di soli 152 mm. Sviluppava 42 cavalli di potenza, molti di più di un motore a combustione interna di dimensioni simili. In seguito, l’azienda ha riferito della creazione di prototipi più grandi, con 127 e 380 cavalli di potenza. Ma, a giudicare dai comunicati, tutte le sue attività non vanno ancora oltre la sperimentazione.
Il Toroidal Round Engine (o VGT Engine) della già scomparsa società canadese VGT Technologies è un altro esempio della superiorità della teoria sulla pratica. I primi prototipi del motore con un toroide a geometria variabile (da cui la sigla VGT – Variable Geometry Toroidal Engine) sono stati testati dagli ingegneri nel 2005.
Il toroide svolge il ruolo di un cilindro, all’interno del quale ruota un rotore con una coppia di pistoni ad esso collegati. I volumi variabili necessari per garantire le corse di potenza si formano tra i pistoni per mezzo di un sottile disco di distribuzione con un’apertura per i pistoni che ruota attraverso il toroide con una trasmissione a cinghia o altro. Questo disco limita la miscela aria-carburante durante la compressione e la corsa di potenza.
Nel 2009, gli imprenditori americani Gary Kelley e Rick Ivas hanno sviluppato il loro motore toroidale, ricreando essenzialmente quello canadese. Secondo le loro stime, un toroide di mezzo metro di diametro fornirebbe 230 CV e circa 1000 N⋅m a soli 1050 giri/min. Ma… sul sito web della loro azienda Garric Engines c’è uno stub ora: “Grazie per il vostro interesse. La pagina potrebbe essere aggiornata in futuro”. Forse un destino leggermente migliore attende il cosiddetto motore a nutazione inventato dall’americano Leonard Meyer nel 2006 – almeno è stato costruito in diverse copie.
Il nome del motore deriva dal latino nutatio. Meyer ha formato quattro camere di lavoro di volume variabile tra il corpo del motore e il disco nutante ai lati che svolge il ruolo di pistone. Il disco è tagliato a metà lungo il suo diametro ed è infilato in un albero a forma di Z che produce potenza. Canali e valvole nel corpo sono responsabili dello scambio di gas.
I prototipi del motore Meyer sono stati costruiti da Baker Engineering e dalla sua consociata Kinetic BEI. L’unità sviluppa sette CV con un singolo disco di 102 mm di diametro e già 120 con una coppia di dischi da 203 mm! La lunghezza del motore a due dischi è di 500 mm, il diametro di 300 mm e la capacità di 3,8 litri. 2,5-3 cavalli per chilogrammo contro uno o due dei motori a combustione interna atmosferica prodotti in serie (tra i motori non di massa, alcuni motori Ferrari producono più di tre cavalli per chilogrammo, ma ad alti 9000 giri/min.) Tuttavia, la capacità in litri non è impressionante. Ora Baker e Kinetic sembrano dare forma ai progetti, anche se non c’è molta attività sui loro siti web.
L’idea di unità rotanti di vario tipo attira spesso gli innovatori, come se solo un allontanamento dallo schema familiare desse un aumento significativo delle prestazioni. Così, Nikolay Shkolnik, originario dell’URSS e trasferitosi da tempo negli Stati Uniti, ha sviluppato con il figlio Alexander un motore che assomiglia al motore Wankel capovolto. Il rotore a forma di nocciolina ruota in una camera triangolare allo stesso modo, ma a differenza dell’unità Wankel, le guarnizioni non sono fissate al pistone, bensì alle pareti della camera.
Per sviluppare il progetto, gli Shkolnik hanno fondato la società LiquidPiston, che ha attirato il DARPA – ora cofinanzia esperimenti in vista del funzionamento delle unità “a nocciolina” in aerei leggeri, compresi i droni, e in generatori portatili. Un prototipo di motore con una capacità di 23 cm3 ha una buona efficienza del 20% per tali dimensioni. Ora gli autori puntano a un prototipo diesel che pesa circa 13 kg e produce 40 CV da installare su un’auto ibrida. La sua efficienza dovrebbe salire al 45%.
L’ultimo motore che esamineremo dimostra che l’idea di un’unità piatta (perché il rotore può essere reso molto stretto) è allettante. Allo stesso tempo, i rotori stessi non sono così necessari per la sua realizzazione: è sufficiente squadrare il pistone tradizionale e, di conseguenza, rendere il cilindro rettangolare nella vista dall’alto.
Questo strano sviluppo dell’azienda Pivotal Engineering esiste da diversi anni, durante i quali sono stati creati diversi prototipi che hanno equipaggiato motociclette e aeroplani. Gli autori si rivolgono al cosiddetto pistone oscillante principalmente per l’aviazione. Oltre alle elevate caratteristiche di rendimento in relazione al peso e alle dimensioni, tale unità a due tempi è perfettamente in grado di forzare grazie al passaggio di un canale di raffreddamento a liquido attraverso l’asse fisso del pistone. Un simile trucco è difficile da realizzare con uno schema diverso.
Esistono molti sviluppi esotici che esulano dalla nostra rassegna, come il motore Wankel a 12 rotori, il motore Knight o le unità con pistoni contrapposti, i motori a combustione interna con rapporto di compressione variabile o a cinque tempi (ne esistono anche di simili!), e anche le unità a pale rotanti in cui i componenti del rotore compiono movimenti come lame di forbici convergenti e divergenti.
Anche un’escursione sommaria oltre i limiti dei classici motori a combustione interna ha mostrato come molte idee non siano implementate nella produzione di massa. I rotori sono spesso rovinati dal problema dell’usura delle guarnizioni. Le opzioni a pale rotanti soffrono anche di elevati carichi alternati che distruggono il meccanismo di collegamento tra le pale e l’albero. Questo è solo uno dei motivi per cui non vediamo questi “miracoli” sulle auto di serie.
Il secondo motivo è che la produzione di motori a combustione interna tradizionali non si ferma. Negli ultimi esemplari a benzina con ciclo Miller, l’efficienza termica raggiunge il 40% anche senza turbocompressore. È molto. La maggior parte delle unità a benzina ha il 20-30%. I motori diesel – 30-40% (sulle grandi navi – fino al 50). E soprattutto, è già stata trovata un’alternativa globale al motore a combustione interna. Si tratta dei motori elettrici e delle celle a combustibile. Pertanto, se gli inventori di curiosità non risolveranno tutti i problemi tecnici in un futuro molto prossimo, semplicemente non saranno in grado di rullare i margini del progresso di fronte alle auto elettriche.
Questa è una traduzione. Potete leggere l’originale qui: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html
Pubblicata October 07, 2021 • 11m to read
