La maggior parte delle persone sa che la Ford Model T è stata la prima automobile veramente conveniente. Ma sai che tipo di motore aveva? La Model T originale, lanciata nel 1908, montava un motore a quattro cilindri da 2,9 litri con soli 22 cavalli di potenza.
Questa è una piccola potenza per le sue dimensioni rispetto ai motori di oggi, ma ha sicuramente battuto il motore in quella che è considerata la prima automobile:la Benz Patent Motorwagen del 1885. Quell'auto aveva un motore a pistone singolo e generava solo due terzi di un singolo cavallo.
Come puoi vedere, i motori delle automobili sono stati in continua evoluzione sin dall'inizio dell'automobilismo. Oggi sono più potenti, più silenziosi, più durevoli, meno inquinanti e più efficienti in termini di consumo di carburante di quanto non lo siano mai stati, grazie ai continui progressi nella progettazione e nella tecnologia del motore.
Gli ingegneri automobilistici sono costantemente al lavoro per migliorare il motore a combustione interna e portarlo nel futuro. Quante altre invenzioni conosci che sono state continuamente perfezionate per più di 150 anni?
In questo articolo, daremo un'occhiata a 10 dei più grandi e significativi miglioramenti del motore di tutti i tempi. Dall'iniezione di carburante ai motori ibridi, daremo un'occhiata a dove sono stati i motori e, si spera, otterremo un'idea di dove sono diretti.
ContenutiVantaggi: Più efficiente nei consumi, meno inquinante
Inconvenienti: Più complicato, più costoso da produrre
Ricordi quella Benz Patent Motorwagen di cui abbiamo parlato? Oltre ad avere un singolo pistone, o cilindro, era un motore a due tempi, come molti dei primi motori. Ictus si riferisce al movimento del pistone nel motore.
I motori a quattro tempi furono uno dei primi miglioramenti apportati ai motori a combustione interna alla fine del 1800. Su un motore a quattro tempi, ci sono quattro passaggi che il motore compie mentre brucia benzina:aspirazione, compressione, potenza e scarico [fonte:CompGoParts.com]. Questi passaggi si verificano tutti quando il pistone si muove su e giù per due volte.
I primi motori a due tempi più semplici svolgono lo stesso compito:bruciare benzina per creare movimento meccanico, ma lo fanno in due fasi. Oggi, i motori a due tempi si trovano su piccole attrezzature come tosaerba, piccole motociclette e grandi motori industriali. Quasi tutte le auto utilizzano il ciclo a quattro tempi.
I motori a quattro tempi offrono numerosi vantaggi, tra cui un migliore risparmio di carburante, una maggiore durata, più potenza e coppia ed emissioni più pulite. Tuttavia, rispetto ai motori a due tempi, sono più complicati e costosi da realizzare e richiedono l'uso di valvole per l'aspirazione e lo scarico dei gas.
Nonostante ciò, i motori a quattro tempi sono diventati lo standard del settore per le auto e probabilmente non scompariranno presto. Impareremo di più sul ruolo delle valvole e su come sono state migliorate più avanti in questo articolo.
Successivamente, impareremo l'induzione forzata e come si è fatta strada dagli aeroplani alle auto di tutti i giorni.
Vantaggi: Più potenza senza aumento della cilindrata
Inconvenienti: Consumo di carburante, turbo lag
Un motore richiede tre cose per generare movimento:carburante, aria e accensione. Riempire più aria in un motore aumenterà la potenza generata dai pistoni del motore. Un modo di vecchia data per farlo, e che sta diventando sempre più popolare negli ultimi tempi, è usare l'induzione forzata. Potresti conoscere meglio questo processo dalle parti che lo realizzano:turbocompressori e compressori.
In un motore a induzione forzata, l'aria viene forzata nella camera di combustione a una pressione più alta del solito, creando una maggiore compressione e più potenza da ogni colpo del motore [fonte:Bowman]. Turbocompressori e compressori sono essenzialmente compressori d'aria che spingono più aria nel motore.
I sistemi di induzione forzata sono stati utilizzati sui motori degli aerei molto prima che iniziassero ad essere aggiunti ai motori delle automobili negli anni '20. Sono particolarmente utili per i piccoli motori in quanto possono generare molta potenza extra senza aumentare le dimensioni del motore o causare un drastico calo del risparmio di carburante.
Un buon esempio è la Mini Cooper S turbo, che ha solo un motore da 1,6 litri ma produce più di 200 cavalli in alcune applicazioni. Inoltre, le auto ad alte prestazioni come la Porsche 911 Turbo o la Corvette ZR-1 utilizzano l'induzione forzata per ottenere enormi guadagni di potenza.
Gli svantaggi? Le auto con turbocompressore spesso richiedono benzina premium. Poi c'è il problema del turbo lag , dove i guadagni di potenza non si fanno sentire fino a quando il turbocompressore non si avvia a giri al minuto (RPM) più elevati. Gli ingegneri hanno contribuito a ridurre entrambi questi inconvenienti negli ultimi anni.
E con gli standard di risparmio di carburante ed emissioni sempre più severi, molte case automobilistiche stanno passando all'induzione forzata su motori più piccoli invece di costruire motori più grandi. Sulla nuovissima Sonata Hyundai, ad esempio, il motore di punta che si può acquistare non è più un V6, ma un quattro cilindri turbo.
Successivamente, discuteremo del motivo per cui i carburatori sono praticamente diventati un ricordo del passato grazie all'iniezione di carburante.
Vantaggi: Migliore risposta dell'acceleratore, maggiore efficienza del carburante, più potenza, avviamento più facile
Inconvenienti: Più complessità e riparazioni potenzialmente costose
Per decenni, il metodo preferito per miscelare carburante e aria e depositarlo nella camera di combustione del motore è stato il carburatore. Premi il pedale dell'acceleratore a tutto gas e il carburatore consente a più aria e carburante di entrare nel motore.
Dalla fine degli anni '80, i carburatori sono stati quasi completamente sostituiti dall'iniezione di carburante, un sistema molto più sofisticato ed efficace per miscelare carburante e aria. Gli iniettori di carburante spruzzano benzina nel collettore di aspirazione dell'aria, dove carburante e aria si mescolano in una nebbia sottile. Quella miscela viene portata nella camera di combustione dalle valvole su ciascun cilindro durante il processo di aspirazione. Il computer di bordo del motore controlla il processo di iniezione del carburante.
Allora perché l'iniezione di carburante ha sostituito il carburatore? Per dirla semplicemente, l'iniezione di carburante funziona meglio in ogni aspetto. I motori a iniezione di carburante controllati dal computer sono più facili da avviare, specialmente nelle giornate fredde, quando i carburatori potrebbero complicare le cose. I motori con iniezione di carburante sono anche più efficienti e più reattivi ai cambiamenti dell'acceleratore [fonte:Automedia].
Hanno degli svantaggi in termini di maggiore complessità. Anche i sistemi di iniezione del carburante sono più costosi da riparare rispetto ai carburatori. Tuttavia, sono diventati lo standard del settore per l'erogazione di carburante e non sembra che i carburatori torneranno presto in auge.
Nella prossima sezione, discuteremo il passaggio successivo nella tecnologia di iniezione del carburante nota come iniezione diretta.
Vantaggi: Più potenza, migliore risparmio di carburante
Inconvenienti: Più costoso da realizzare, tecnologia relativamente nuova
L'iniezione diretta è un ulteriore perfezionamento dei miglioramenti apportati dall'iniezione di carburante. Come avrai intuito dal nome, consente all'iniezione di carburante di "saltare un passaggio", il che aggiunge efficienza al motore e, di conseguenza, maggiore potenza e maggiore risparmio di carburante.
Su un motore a iniezione diretta, il carburante viene spruzzato direttamente nella camera di combustione, non nel collettore di aspirazione dell'aria. I computer del motore si assicurano quindi che il carburante venga bruciato esattamente quando e dove è necessario, riducendo gli sprechi. L'iniezione diretta fornisce una miscela più magra di carburante, che brucia in modo più efficiente. In qualche modo rende i motori a benzina più simili ai motori diesel, che hanno sempre utilizzato una forma di iniezione diretta.
Come abbiamo appreso in precedenza, i motori a iniezione diretta vantano un aumento di potenza e risparmio di carburante rispetto ai sistemi di iniezione del carburante standard. Ma hanno anche i loro svantaggi. Per uno, la tecnologia è relativamente nuova, essendo arrivata sul mercato solo nell'ultimo decennio circa. Sempre più aziende stanno iniziando ad aumentare l'uso dell'iniezione diretta, ma deve ancora diventare lo standard.
A volte, i motori a iniezione diretta possono mostrare l'accumulo di depositi di carbonio sulle valvole di aspirazione, che potrebbero causare problemi di affidabilità. Alcuni preparatori di automobili hanno espresso difficoltà anche con la modifica dei motori a iniezione diretta. Nonostante questi problemi, l'iniezione diretta è la nuova tecnologia di punta nel mondo automobilistico in questo momento. Aspettati di vederlo su sempre più auto col passare del tempo.
Quindi, diamo un'occhiata all'uso dei blocchi motore in alluminio rispetto ai blocchi di ferro della vecchia scuola.
Vantaggi: Un peso più leggero porta a una maggiore efficienza e una migliore maneggevolezza
Inconvenienti: Può deformarsi ad alte temperature
Negli ultimi anni, le auto hanno avuto la tendenza a essere più leggere in molti modi. Le case automobilistiche cercano modi per ridurre il peso di un veicolo al fine di generare un migliore risparmio di carburante e prestazioni. Uno dei modi in cui lo hanno fatto è stato in gran parte sostituire i motori in ferro con quelli in alluminio.
Per molti anni, i blocchi motore in ferro sono stati lo standard del settore. Oggi la maggior parte di tutti i nuovi piccoli motori utilizza invece l'alluminio, sebbene molti grandi motori V8 utilizzino ancora blocchi di ferro. L'alluminio pesa molto meno del ferro:in genere, un motore in alluminio pesa la metà di quello di ferro. Ciò si traduce in un peso complessivo più leggero per l'auto, il che significa una migliore maneggevolezza e una maggiore efficienza del carburante [fonte:Murphy].
L'alluminio ha però alcuni inconvenienti. Come metallo, non è forte come il ferro e non resiste nemmeno a livelli elevati di calore. Molti dei primi motori a blocchi di alluminio avevano problemi con la deformazione dei cilindri, causando preoccupazioni sulla durata. Questi problemi sono stati in gran parte risolti, tuttavia, e l'alluminio si è chiaramente affermato come il futuro dei motori grazie alle sue proprietà di risparmio di peso.
Nella prossima sezione parleremo di come gli alberi a camme hanno rivoluzionato il design del motore.
Vantaggi: Migliori prestazioni
Inconvenienti: Maggiore complessità
Probabilmente hai sentito il termine "DOHC" o "doppio albero a camme in testa" quando qualcuno parla di un motore. La maggior parte delle persone lo riconosce come una caratteristica desiderabile da avere, ma cosa significa? Il termine si riferisce al numero di alberi a camme in testa sopra ciascun cilindro del motore.
Alberi a camme fanno parte del treno valvole della tua auto , che è un sistema che controlla il flusso di carburante e aria nei cilindri. Per molti decenni le auto avevano principalmente motori OHV, vale a dire valvole in testa, chiamate anche "pushrod". Le aste di spinta sono azionate da alberi a camme all'interno del blocco motore. Questa configurazione aggiunge massa al motore e può limitarne la velocità complessiva.
In una configurazione a camme in testa, l'albero a camme è molto più piccolo ed è inserito sopra la testata stessa, piuttosto che nel blocco motore. Ce n'è uno su un singolo motore a camme in testa (SOHC), mentre un motore DOHC ne ha due. Il vantaggio della configurazione a camme in testa è che consente più valvole di aspirazione e scarico, il che significa che carburante, aria e scarico possono muoversi più liberamente attraverso il motore, aumentando la potenza.
Mentre molte case automobilistiche hanno eliminato i motori pushrod, DOHC e SOHC non li hanno ancora soppiantati. Chrysler utilizza ancora aste di spinta per generare molta potenza per i suoi motori Hemi V8; La General Motors utilizza aste di spinta anche su alcuni dei suoi moderni V8 high-tech. Ma i motori DOHC e SOHC sono stati importanti sui motori, specialmente quelli più piccoli, sin dagli anni '80.
Lo svantaggio di avere camme in testa è che aumentano la complessità e i costi. Hai già notato una tendenza qui?
Successivamente impareremo di più su come le valvole influiscono sulle prestazioni quando parliamo di fasatura variabile delle valvole.
Vantaggi: Risparmio di carburante, erogazione di potenza più flessibile
Inconvenienti: Maggior costo di produzione
Se hai familiarità con i motori Honda, hai quasi sicuramente sentito il termine VTEC. Le persone che sintonizzano le loro Honda per le prestazioni spesso parlano di "VTEC che entra in gioco". Ma cosa significa esattamente?
VTEC si riferisce alla fasatura variabile delle valvole e al controllo elettronico dell'ascensore, una forma di fasatura variabile delle valvole. Ci sono momenti in cui un motore richiede più flusso d'aria, come durante una forte accelerazione, ma un motore tradizionale spesso non consente il flusso d'aria sufficiente, con conseguente riduzione delle prestazioni. La fasatura variabile delle valvole significa che il flusso d'aria dentro e fuori le valvole viene rallentato o accelerato secondo necessità [fonte:Autropolis].
Honda non è certo l'unica azienda automobilistica a offrire un tale sistema. Toyota ne ha uno che chiamano VVT-i, per la fasatura variabile delle valvole con intelligenza, e la BMW ha un sistema chiamato Valvetronic o VANOS, che sta per Nockenwellensteuerung variabile, che significa controllo dell'albero a camme variabile. Sebbene funzionino tutti in modo leggermente diverso, svolgono tutti lo stesso compito:consentendo a più aria e carburante di entrare nelle valvole a velocità diverse. Ciò rende un motore più flessibile e gli consente di fornire le massime prestazioni in una varietà di condizioni. Aumenta anche il risparmio di carburante.
Molti motori ora incorporano una qualche forma di fasatura variabile delle valvole, spesso controllata dal computer di bordo del motore. Parleremo di come i computer motore hanno rivoluzionato il design in questa prossima sezione.
Vantaggi: Risparmio di carburante, migliore diagnosi dei problemi
Inconvenienti: Costo, complessità
Un motore è un dispositivo incredibilmente sofisticato. Ha dozzine di parti mobili e ha decine di processi diversi che si svolgono contemporaneamente. Ecco perché le auto moderne hanno tutto regolato da un computer di bordo chiamato centralina motore, o ECU.
L'ECU assicura che processi come la fasatura dell'accensione, la miscela aria/carburante, l'iniezione di carburante, il regime del minimo e altri funzionino come dovrebbero. Monitora cosa sta succedendo nel motore utilizzando una serie di sensori ed esegue milioni di calcoli al secondo per mantenere tutto funzionante correttamente. Altri computer nell'auto controllano cose come i sistemi elettrici, gli airbag, la temperatura interna, il controllo della trazione, i freni antibloccaggio e il cambio automatico.
Le automobili sono diventate sempre più informatizzate da quando sono stati aggiunti i primi computer per la diagnostica di bordo (OBD) negli anni '80. Questo è il computer responsabile della spia "controllo motore" sulla dashboard. Un meccanico può collegare un computer alla porta OBD e avere un'idea delle aree problematiche della tua auto. Non possono utilizzare OBD per sapere immediatamente cosa c'è che non va nella tua auto, ma offre loro un ottimo punto di partenza.
Facendo funzionare il motore in modo più efficiente, i computer del motore possono comportare una maggiore efficienza del carburante e una diagnosi più semplice dei problemi. Ma rendono anche i motori molto più complicati e possono renderli difficili su cui lavorare per i meccanici del fine settimana.
Prossimo:impariamo perché i motori diesel non sono i bruciatori a nafta fumosi, rumorosi ea bassa potenza del passato.
Vantaggi: Coppia, risparmio di carburante, emissioni più pulite
Inconvenienti: Costo del carburante, bassi giri, maggior costo iniziale
Finora abbiamo parlato molto di motori a benzina, ma per quanto riguarda i motori diesel? I diesel non sono mai stati grandi venditori negli Stati Uniti. Nonostante il loro consumo di carburante superiore rispetto a motori a gas simili, molti americani pensano ancora ai motori diesel come ai motori rumorosi, fuligginosi, puzzolenti e inaffidabili degli anni '70 e '80.
Non è più così. Il moderno motore diesel è potente, pulito ed estremamente efficiente nei consumi. I motori di oggi utilizzano una forma di carburante diesel a basso contenuto di zolfo e i sistemi all'interno dell'auto aiutano a eliminare le particelle e l'inquinamento in eccesso.
I diesel prodotti da aziende come Volkswagen, Mercedes-Benz, BMW, Volvo e altri vantano miglioramenti del motore come turbocompressore, sofisticata iniezione di carburante e controllo del computer per offrire un'esperienza di guida efficiente e con una coppia elevata [fonte:Bosch].
I motori diesel presentano alcuni inconvenienti, principalmente il basso numero di giri e il costo più elevato del carburante diesel. Ma poiché molti di loro possono raggiungere ben oltre 40 miglia per gallone (17 chilometri per litro) in autostrada, il conducente dovrà pagare per quel carburante molto meno spesso. E se ti stai chiedendo se i diesel moderni offrono buone prestazioni, non guardare oltre le ultime 24 Ore di Le Mans, dove l'Audi ha dominato utilizzando un'auto da corsa diesel.
Infine, esamineremo l'attuale leader delle auto "verdi":il motore ibrido.
Vantaggi: Risparmio di carburante
Inconvenienti: Costo iniziale maggiore, complessità
Una combinazione di prezzi elevati del gas, una maggiore consapevolezza dell'ambiente tra i conducenti e regolamenti governativi che aumentano il risparmio di carburante e gli standard sulle emissioni hanno costretto i motori a "diventare ecologici" più che mai. Uno dei maggiori miglioramenti del motore utilizzati per aumentare l'efficienza negli ultimi anni è il motore ibrido.
Gli ibridi erano un'oscurità dieci anni fa, ma ora tutti sanno come funzionano:un motore elettrico è associato a un motore a benzina tradizionale per ottenere numeri di risparmio di carburante elevati, ma senza "l'ansia da autonomia" di un motore elettrico, dove il l'autista si chiede sempre cosa accadrà quando la carica si esaurisce.
La Toyota Prius rimane l'auto ibrida più venduta in America. Vanta un motore a quattro cilindri da 1,8 litri accoppiato a un motore elettrico che produce 134 cavalli. Ai bassi regimi, il motore elettrico agisce da solo, il che significa che l'auto non utilizza affatto il gas. Altre volte, aiuta il motore a benzina. L'intero pacchetto ottiene circa 50 miglia per gallone (21,3 chilometri per litro) sia in città che in autostrada [fonte:AOL Autos].
Ibridi come la Prius rappresentano l'ultima evoluzione nella tecnologia della combustione interna. Sebbene i loro vantaggi si presentino sotto forma di efficienza del carburante, ci sono anche alcuni inconvenienti. Gli ibridi hanno un costo iniziale più elevato rispetto alle loro controparti non ibride e alcuni hanno affermato che il gas deve essere molto più costoso di quanto non lo sia ora (per quanto possa sembrare incredibile) prima che il conducente recuperi il costo aggiuntivo dell'auto ibrida.
Tuttavia, è chiaro che i motori tendono a ridurre le emissioni ea una maggiore efficienza nei consumi. Mentre le auto esclusivamente elettriche stanno diventando più comuni, è chiaro che il motore a combustione interna non sta ancora andando da nessuna parte. Continuerà semplicemente ad evolversi per essere sempre migliore, proprio come è successo dai tempi del Modello T.
