Durante la seconda guerra mondiale, gli ingegneri del regime nazista idearono alcune delle migliori e più avanzate armi aeree dell'epoca. Un aereo da caccia tedesco, il Focke-Wulf Fw 190, per un certo periodo ha sovraperformato qualsiasi cosa gli Alleati potessero mettere in aria.
Fortunatamente per gli alleati, l'ingegneria dalla loro parte alla fine fece oscillare il pendolo della superiorità aerea a loro vantaggio. Un motore robusto e non convenzionale di cui molte persone oggi probabilmente non hanno nemmeno sentito parlare ha contribuito a neutralizzare l'Fw 190 e il resto della Luftwaffe. A suo modo, un motore ha contribuito a spingere gli Alleati alla vittoria [fonte:Rickard].
Il motore con valvola a manicotto, utilizzato sia su automobili che su aeroplani, azionava veloci caccia britannici come l'Hawker Typhoon e l'Hawker Tempest. Con la loro brutale potenza, hanno aiutato gli Alleati a controllare i cieli, fornire supporto aereo alle forze di terra e alla fine vincere la guerra.
Ma cos'è esattamente un motore con valvola a manicotto e cos'è il nome buffo? E perché oggi non ne vediamo o sentiamo molto parlare di loro?
Il motore prende il nome dal manicotto metallico a pareti sottili che scorre su e giù all'interno di ciascun cilindro durante il processo di combustione. Tipicamente, i fori nel manicotto e nel cilindro che lo contengono si allineano a intervalli prevedibili per espellere i gas di scarico e aspirare aria fresca.
Nonostante il suo onorevole record nelle forze armate, la complessa configurazione della valvola a manicotto ha perso ciò che usiamo oggi nei motori a combustione interna, le valvole a punteria. Negli aeroplani, ovviamente, i propulsori a pistoni di tutti i tipi hanno in gran parte lasciato il posto ai motori a reazione.
Ma aspetta:non liquidare ancora la valvola a manicotto come un'inutile reliquia storica.
Almeno un'azienda sta cercando di riportare in azione il venerabile motore con valvola a manicotto, ma con alcuni colpi di scena moderni.
Nelle prossime pagine, daremo un'occhiata a ciò che fa girare il motore della valvola a manicotto. Esamineremo anche il motivo per cui è caduto in disgrazia, insieme ai motivi per cui viene chiamato ora, più di un secolo dopo la sua invenzione, a servire in un diverso tipo di "combattimento".
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Arrivando come è successo durante il culmine dell'era industriale, il motore con valvola a manicotto sembra un aggeggio che sarebbe proprio a casa in un romanzo steampunk. Gli ingegneri moderni si meravigliano della sua intelligenza. E cluck-cluck alla sua elevata complessità.
Quindi ecco, sei stato avvisato. In realtà, è una cosa piuttosto bella una volta che capisci come funzionano tutti quei pezzi insieme. Adesso rimboccati le maniche, perché stiamo per sporcarci e sporcarci con i meccanismi interni di un motore con valvola a manicotto.
Questo motore ha così tanto da fare che quasi sfugge alla descrizione. Ma ci proveremo. I motori con valvole a manicotto, come le loro controparti con valvole a punteria, possono essere disponibili in molte configurazioni diverse. Una di queste disposizioni, i motori radiali con valvola a manicotto usati sugli aeroplani, assomigliano un po' a quello che potresti avere se un robot Rock 'Em Sock 'Em avesse un bambino con una sentinella "squiddie" di "The Matrix".
Per capire cos'è e cosa fa un motore con valvola a manicotto, potrebbe essere utile capire prima cosa non è. Non è, prima di tutto, il sistema popolare con cui la maggior parte di noi ha familiarità, un motore a valvole a fungo. Le valvole a fungo sono lo standard de facto sui motori a combustione interna di oggi. Con loro, le valvole a forma di fungo sotto la tensione delle molle si aprono e si chiudono ritmicamente per controllare l'ingresso e l'uscita di carburante, aria e gas di scarico di scarico nel cilindro.
Una valvola a manicotto, d'altra parte, utilizza un manicotto scorrevole, a volte rotante per controllare la quantità di aria e carburante che viene fatta esplodere ad ogni corsa di compressione. La premessa di base per accendere il carburante e l'aria per azionare una serie di pistoni e far girare un albero a gomiti è la stessa degli altri motori a combustione interna.
Ecco un'altra caratteristica distintiva delle valvole a manicotto. Nei modelli in cui il manicotto ruota, le porte tagliate al suo interno si allineano con le porte di aspirazione o con le porte di scarico nel cilindro, a seconda della parte della corsa in corso. Un pistone si muove su e giù all'interno di ciascun manicotto, anche se il manicotto scorre avanti e indietro. Il movimento del manicotto è azionato da ingranaggi collegati all'albero motore.
Grattarsi ancora la testa su cosa, esattamente, accade? Ecco i passaggi:
Ora moltiplicalo per diversi cilindri e lancia un albero a gomiti affinché ruotino e avrai un motore con valvola a manicotto!
Se sembra complicato, beh, è perché lo è. Uno dei principali colpi contro questi motori era che erano così complessi. Ha un po' più senso, però, quando vedi l'intero processo in azione. Guarda il video in questa pagina per visualizzarlo meglio.
Ottieni il tuo vortice:valvole a manicotto ed efficienza volumetricaAllora perché qualcuno dovrebbe voler scherzare con un motore così complicato? Dopotutto, erano notoriamente assetati di olio lubrificante; e non prendevano bene le impurità come la sabbia. La risposta è che offrono il vantaggio dell'efficienza volumetrica. In altre parole, sono molto più bravi dei normali motori a far entrare e uscire l'aria dalla camera di combustione. Inoltre, la disposizione delle porte fornisce migliori caratteristiche di turbolenza. Questo è il motivo per cui creano aria turbolenta, facendo bruciare la miscela di aria e carburante in modo più efficiente [fonte:Raymond].
Charles Yale Knight, nato nell'Indiana, acquistò un'automobile Knox a tre ruote intorno al 1901 in modo da poter riferire e pubblicare il suo diario agricolo nel Midwest degli Stati Uniti. Ma ha trovato il rumore creato dalle valvole dell'auto per essere un grave dolore alle orecchie. Quindi ha fatto quello che farebbe qualsiasi imprenditore che si rispetti con un background nel settore delle macchine industriali:ha deciso di costruire lui stesso un motore migliore.
Con il supporto di un ricco sostenitore, ha sviluppato e testato ampiamente prototipi. Nel 1906, aveva fatto abbastanza progressi da rivelare la sua auto "Silent Knight" a 4 cilindri e 40 cavalli al Chicago Auto Show.
Il motore Knight presentava non una, ma due maniche per cilindro, con la manica interna che scorreva all'interno di quella esterna. Il pistone, a sua volta, scorreva all'interno del manicotto interno. Il Cavaliere, fedele al suo soprannome, era straordinariamente silenzioso. Anche se il motore Knight si è dimostrato superiore alle rumorose e fragili valvole a fungo dei suoi giorni, inizialmente le case automobilistiche statunitensi gli hanno dato una spallata fredda.
Knight e il suo benefattore finanziario L.B. Kilbourne è andato molto meglio all'estero. Dopo alcuni perfezionamenti al design, il motore Knight è arrivato sulle auto Daimler in Inghilterra (da non confondere con Daimler-Benz).
Il Silent Knight è stato un successo e presto altri produttori hanno voluto partecipare all'azione della valvola a manicotto, comprese le case automobilistiche negli Stati Uniti. Le auto e gli autocarri leggeri Willys, Daimler e Mercedes-Benz, tra gli altri, utilizzavano il motore Knight con valvola a manicotto [fonte:Wells].
Tuttavia, negli anni '20, il design della valvola a manicotto era avanzato oltre la configurazione manica nella manica di Knight. I modelli a manica singola, incluso il Burt-McCollum, erano più leggeri, meno complessi e meno costosi da costruire e quindi preferibili ai produttori. Con ulteriori modifiche da parte di produttori di motori come Bristol e Rolls-Royce, avrebbero persino preso il volo.
Harry R. Ricardo (poi "Sir" Harry Ricardo), nato a Londra nel 1885, non aspettò il college per iniziare i suoi studi di ingegneria. Da ragazzo osservava e assorbiva le ginocchia di un macchinista locale e tornava a casa dall'officina del macchinista per applicare le sue nuove conoscenze nella costruzione di motori. In seguito avrebbe detto:
"Da bambino, sono sempre stato affascinato dai motori e dai movimenti meccanici in generale, e soprattutto dal grande mistero su come queste cose fossero effettivamente realizzate... guardando indietro, penso di aver imparato di più dal valore reale da questi primi e tentativi molto rozzi di progettazione e produzione che da qualsiasi altra cosa" [fonte:Università di Cambridge].
Ricardo, nella sua età adulta di ingegnere di lavoro, era un inguaribile soverchiante. Oltre a modificare i motori dei carri armati che hanno contribuito a rompere lo stallo della prima guerra mondiale, ha condotto ricerche rivoluzionarie sull'assegnazione dei numeri di ottano a diversi gradi di carburante.
Forse il suo contributo più notevole negli anni della seconda guerra mondiale è stato il suo lavoro per migliorare il motore della valvola a manicotto.
Ricardo ha teorizzato negli anni '20 che un motore aeronautico con valvola a manicotto potrebbe generare una potenza maggiore rispetto a un motore comparabile con valvole a punteria perché potrebbe generare un rapporto di compressione più elevato.
Risultò così che nel 1941, gli aerei britannici, incluso il principale aereo da combattimento Supermarine Spitfire, stavano subendo un martellamento dal superiore tedesco Focke-Wulf Fw 190. Gli Fw 190 lanciarono anche raid di attacco al suolo su installazioni alleate quasi impunemente, poiché nulla poteva catturali a bassa quota dopo che hanno sganciato le loro bombe.
L'Hawker Typhoon con motore a valvole a manicotto, entrato in servizio nel 1942, lo cambiò. Spinto da un motore Napier Sabre da 2.180 cavalli, il "Tiffy's" extra alzarsi e andare significava che non solo poteva abbattere i veloci intrusi della Luftwaffe, ma poteva anche trasportare bombe. Più tardi durante la guerra, i Typhoon equipaggiati con bombe e razzi si sarebbero rivelati fondamentali nel supportare le forze di terra alleate mentre stringevano il laccio ai nazisti e ponevano fine alla guerra in Europa [fonte:Rickard].
Nonostante il record militare esemplare del motore con valvola a manicotto, la scritta era sul muro:i motori a reazione avrebbero dominato l'aviazione commerciale e militare dagli anni del dopoguerra in poi.
L'eredità di Knight, Ricardo e altri non sarebbe scomparsa del tutto:gli appassionati di motori avrebbero commemorato il motore con valvola a manicotto con modelli costruiti in casa e su siti Web nei decenni a seguire. Alcuni modellini di aeroplani volanti utilizzano motori in miniatura con valvole a manicotto. Ed è concepibile che la tecnologia possa sperimentare una rinascita in alcuni dei mercati automobilistici più grandi e in più rapida crescita del mondo.
Quindi, il motore con valvola a manicotto era un vicolo cieco evolutivo, per quanto riguarda l'anticipo della combustione interna?
Mettiamola così. Proprio come a Hollywood piace riciclare vecchi concetti e dargli una nuova svolta quando le nuove idee stanno per esaurirsi, così fa l'industria automobilistica. Le auto elettriche, come ricorderete, erano un grosso problema prima (ironicamente) che l'avviamento elettrico rendesse le auto a combustione interna estremamente pratiche. L'impianto elettrico è praticamente scomparso dall'automobilismo tradizionale fino a quando le preoccupazioni ambientali non li hanno riportati dalla tomba verso la fine del secolo.
E così, allo stesso modo, potrebbe svolgersi il caso con il sonnacchioso motore della valvola a manicotto. Come si suol dire, "ciò che è vecchio è di nuovo nuovo".
Pinnacle Technologies, con sede a San Carlos, in California, conta sulla domanda repressa di trasporti puliti ed economici in Asia per ottenere la sua moderna interpretazione della valvola a manicotto. Un nuovo motore si basa su ciò che l'azienda descrive come un'architettura a quattro tempi, con accensione a scintilla (SI), a pistoni contrapposti, con valvola a manicotto.
Il fondatore di Pinnacle, Monty Cleeves, afferma che il suo motore brevettato può produrre un miglioramento dell'efficienza dal 30 al 50 percento rispetto agli attuali motori a combustione interna [fonte:Pinnacle Engines].
"Questa tecnologia del motore fornisce il risparmio di carburante e le emissioni di CO2 di un ibrido a un prezzo che tutto il mondo può permettersi", ha affermato Cleeves in una dichiarazione rilasciata dall'azienda
Pinnacle afferma di non essere preoccupata per i veicoli elettrici che rendono presto obsoleta la sua tecnologia. Ritiene invece che ci sia una grande opportunità per servire mercati in rapida crescita come l'India e la Cina. Loro e altri paesi in via di sviluppo vogliono ridurre le emissioni di gas serra migliorando nel contempo il tenore di vita dei loro cittadini, attraverso la proprietà di veicoli a motore. Dal momento che i veicoli elettrici e gli ibridi hanno ancora un notevole sovrapprezzo, Pinnacle afferma che la sua valvola a manicotto rivisitata è una buona "tecnologia bridge" fino a quando l'impianto elettrico non diventerà più accessibile per tutti.
Pinnacle, che ha ricevuto diversi milioni di dollari in capitale di rischio, ha affermato che stava perseguendo un accordo di licenza con una casa automobilistica asiatica e prevedeva l'inizio della produzione nel 2013.
Da grande fanatico degli aerei militari, avevo sentito parlare di motori con valvole a manicotto prima di questo incarico. Ma questa era la portata. Dato il loro status di note a piè di pagina nella storia, avevo sempre pensato a loro semplicemente in astratto. A differenza di un motore a valvola a fungo che puoi studiare nel tuo vialetto, queste "cose con valvola a manica" per me erano solo una tecnologia dimenticata, anche se pittoresca, come le locomotive a vapore. Quindi, quando ho sfruttato il potere degli Interweb per vederli in azione, sono stato immediatamente colpito da stupore e ammirazione. Come hanno fatto le persone 100 anni fa a capire tutti gli angoli, le tolleranze, i pesi e altro necessari per dare vita a queste macchine incredibilmente complesse? Il fatto che gli imprenditori di oggi stiano cercando di dare nuova vita al concetto la dice lunga sul genio e sulla visione di quei pionieri originali. Si potrebbe obiettare che i motori originali con valvole a manicotto del ventesimo secolo erano "sovra-progettati" - cioè erano troppo complicati per il loro bene. O potrebbe semplicemente essere che, mancando dei progressi nella scienza dei materiali e della precisione della progettazione assistita da computer di cui godiamo oggi, fossero semplicemente in anticipo sui tempi.
