I motori più insoliti

Le case automobilistiche moderne non ci vizi con raffinatezze tecniche in termini di progettazione e configurazione del motore. I classici motori a combustione interna e i turbodiesel oggi la fanno da padrone. Ma ci sono ancora sperimentatori che offrono soluzioni originali. E in passato c’erano ancora più progetti di questo tipo. Oggi Drom ci parla dei motori più insoliti per auto e moto.

Di norma, sotto il cofano di tutte le auto attuali sono installati motori a benzina a quattro tempi che funzionano secondo il cosiddetto ciclo Otto: iniezione, compressione, corsa, scarico. Si tratta di tipici motori termici a combustione interna con accensione della miscela combustibile tramite una candela, in cui le valvole di scarico si aprono dopo la chiusura delle valvole di aspirazione. Lo svantaggio principale di tali motori è la bassa efficienza (fino al 28%).

Più di un terzo delle auto moderne è dotato di motori turbodiesel con un meccanismo simile, ma con un rapporto di compressione più elevato e con accensione della miscela di lavoro dalla compressione e dall’alta temperatura nel cilindro. L’efficienza dei motori diesel è maggiore, ma non così elevata, fino al 50%.

Questi due tipi di motori sono utilizzati oggi nella stragrande maggioranza delle automobili e tutto ciò che si sa e si dice su di essi è noto da tempo. Il nostro compito è quello di parlare di schemi non così diffusi, che presentano alcune differenze sostanziali rispetto ai motori “classici” Otto e Diesel, o che sono costruiti su un principio completamente diverso.

Motore a pistoni rotanti Wankel

Aziende: NSU, Mazda, Citroen, VAZ
Alcuni modelli di auto: NSU Ro 80, Mazda RX-7, VAZ-21059 e 21079, Citroen GS.

Per cominciare, ovviamente, dovremmo partire dal design a pistoni rotanti, introdotto per la prima volta dagli ingegneri Walter Freude e Felix Wankel non molto tempo fa, nel 1957. È logico che questo motore abbia ricevuto il nome di uno dei creatori, Wankel. La particolarità di questo propulsore è un pistone a tre lati (rotore), azionato dalla forza della pressione del gas. Il movimento del rotore rispetto al cilindro “ovale” con il profilo originale (statore) è realizzato attraverso due ingranaggi: uno sulla superficie interna del rotore, il secondo fissato rigidamente alla superficie interna del coperchio laterale del motore. La loro interazione fornisce un movimento eccentrico circolare in cui il rotore entra in contatto con la superficie interna della camera di combustione con le sue facce. Il movimento rotatorio viene trasmesso a un albero speciale e da esso alla trasmissione. Una coppia meccanica regola il movimento del rotore e la seconda lo converte in rotazione dell’albero eccentrico. Per un giro completo dell’albero, il rotore ha il tempo di ruotare di 120° e in ciascuna delle tre cavità isolate viene riprodotto l’intero ciclo a quattro tempi di un motore a combustione interna: iniezione, compressione, corsa ed scarico. I vantaggi evidenti di questo tipo di motore sono la compattezza, la leggerezza, il numero ridotto di componenti (assenza di pistoni, bielle, albero motore), il sistema di lubrificazione semplificato, il basso livello di vibrazioni e l’elevata cilindrata. Gli svantaggi principali sono la scarsa efficienza delle tenute a intercapedine tra rotore e parete del cilindro, l’elevato consumo di olio speciale, la tendenza al surriscaldamento, le candele esigenti e la potenza elevata a regimi relativamente alti.

La prima auto di serie con motore rotativo fu la tedesca NSU Ro 80 nel 1967, ma la vera popolarità dei motori a pistoni rotanti fu portata, ovviamente, dalla società giapponese Mazda, famosa non solo per i suoi leggendari modelli RX, ma anche per l’unica vittoria a Le Mans del prototipo “757”. Per inciso, Mazda ha in programma di tornare al tema dei motori rotativi proprio quest’anno. Vari produttori hanno sperimentato i regimi di giri in momenti diversi. Anche AvtoVAZ negli anni ’80 era caratterizzata da motori rotativi a “cinque” e “sette”, che venivano utilizzati dalla polizia stradale o dalle forze dell’ordine.

Motore a rapporto di compressione variabile

Aziende – Infiniti, Saab, AVL, FEV, MCE-5
Modello auto: Infiniti QX50

Una tecnologia attualmente utilizzata solo su un veicolo, il crossover Infiniti QX50 in arrivo nel 2019. Nissan ci sta lavorando da più di 20 anni e ora finalmente il motore turbo VC-T (Variable Compression Turbocharged) da 2,0 litri è in grado di regolare automaticamente il rapporto di compressione (da 8 alla massima potenza a 14 a bassi carichi) regolando la lunghezza dei pistoni di 6 mm. Ciò consente non solo di dimenticarsi quasi completamente delle modalità subottimali e, di conseguenza, del verificarsi di detonazioni, ma anche di aumentare l’efficienza e risparmiare fino al 27% di carburante rispetto ai “sei” a V, secondo gli ingegneri giapponesi. Questo trucco è realizzato nel modo seguente: c’è un giunto mobile della biella con il suo collo inferiore, che funziona per mezzo di un sistema di leve azionato da un motore elettrico. Allo stesso tempo, la potenza del propulsore è di ben 270 CV e la coppia è di 390 Nm (in Russia, il motore è stato modificato a 249 CV e 380 Nm). I principali svantaggi del progetto sono considerati la sua complessità e il peso maggiore (circa 10 kg) del propulsore.

Ingegneri di Ford, Mercedes-Benz, Peugeot e Volkswagen hanno sperimentato motori a rapporto di compressione variabile in varie occasioni, ma nessuno ha mai ottenuto un brevetto. Esistevano anche sistemi precedenti con un pistone aggiuntivo che cambiava il volume della camera di combustione. Ci furono anche esperimenti con pistoni ad altezza variabile, che si rivelarono molto pesanti. Nel 2000, la società FEV Motorentechnik installò nel motore turbo Volkswagen 1.8T un sistema con… albero motore sollevabile, il cui movimento veniva effettuato con l’ausilio di frizioni eccentriche. Nello stesso anno, gli svedesi della Saab dimostrarono la loro visione. Il motore turbo SVC (Saab Variable Compression) a 5 cilindri e 1,6 litri poteva sollevare la parte superiore del blocco cilindri diviso. Nello stesso periodo, i francesi di MCE-5 Development hanno presentato un motore con bielle divise uniche con bilancieri dentati. Ma nessuna di queste soluzioni ha mai trovato applicazione sulle auto di serie.

Motore a valvole a manicotto Knight

Aziende: Daimler, Mercedes-Benz, Peugeot, Panhard, Willys-Knight, Mors, Avions-Voisin
Alcuni modelli di auto: Avions-Voisin C, Willys-Knight, Daimler 22HP

Ci spostiamo ora a cavallo tra il XIX e il XX secolo, quando Charles Knight ebbe l’idea di creare un motore senza le classiche valvole. Nel 1908 brevettò la sua idea, che era dotata delle cosiddette “valvole a spola”: si trattava di una sorta di giunto, azionato da uno speciale albero di trasmissione, che scorreva attorno al pistone e apriva così le porte di ingresso e uscita nelle pareti del cilindro. Un sistema del genere si dimostrò non solo funzionante, ma anche abbastanza silenzioso, resistente, con una buona potenza e senza il problema di “incollaggio” delle valvole a disco convenzionali. Oltre a questi evidenti vantaggi, ce n’erano altri: un buon lavaggio dei gas di scarico, la forma invariata della camera di combustione (quindi nessuna detonazione), nessuna testata convenzionale e il posizionamento ideale della candela. Lo svantaggio principale era considerato l’aumento del consumo di olio.

Tuttavia, tali motori furono montati su diversi modelli di marchi automobilistici famosi come Daimler, Panhard, Peugeot, Mercedes-Benz, Willys e altri fino agli anni ’40 del secolo scorso. Successivamente, dopo un significativo aumento della velocità del motore e l’introduzione del raffreddamento al sodio per le valvole a disco convenzionali, il sistema divenne praticamente obsoleto.

Il motore Lanchester Twin-Crank Twin

Aziende – Lanchester, Ford
Alcuni modelli di auto – Lanchester 12HP, Ford A/C/F

Nel 1896, Karl Benz brevettò un motore a due cilindri contrapposti. Tre anni dopo fu fondata la Lanchester e un anno dopo fu presentata la prima auto, la Lanchester Phaeton, equipaggiata con un motore a due alberi a gomiti. Questo particolare motore è considerato il primo bicilindrico in linea di serie. Questo motore atmosferico da 4,0 litri raffreddato ad aria produceva ben 10,5 CV a 1250 giri/min. Un albero motore era sopra l’altro e ogni pistone aveva tre (!) bielle: una centrale spessa e due più leggere ai lati. Quella spessa andava su un albero e quelle più sottili sull’altro. Di conseguenza, gli alberi ruotavano in direzioni opposte.

Agli albori dell’industria automobilistica, tali motori erano montati non solo sulle auto Lanchester, ma anche sui primi modelli Ford, “A”, “C” e “F”.

“Opposizione” a due cilindri in un unico blocco (Panhard Flat-Twin)

Azienda – Panhard
Alcuni modelli di auto: Panhard Dyna, Panhard 24, Panhard Dyna X84

Dal 1945 al 1967, l’azienda francese Panhard ha prodotto diversi modelli equipaggiati con il cosiddetto motore Flat-Twin. René Panhard non fu un pioniere nell’uso di motori bicilindrici contrapposti, ma per la prima volta combinò il blocco cilindri e la testata in un alloggiamento di alluminio. Oltre a questa soluzione tecnica unica nel motore bicilindrico contrapposto, ci furono altre scoperte interessanti. Ad esempio, al posto delle molle delle valvole, furono utilizzate per la prima volta le torsioni e il raffreddamento era a doppio circuito d’aria.

Il volume di tali motori era ridotto, da 0,61 a 0,85 litri, e la potenza era compresa tra 42 e 60 CV. Tuttavia, ciò non ha impedito al modello X84 di partecipare alle gare di Le Mans e di ottenere buoni risultati nella sua classe fino a 750 cm³. Anche la Panhard 24 coupé era un’auto molto bella.

Motori a ciclo Atkinson e Miller

Aziende: Toyota, Lexus, Ford, Nissan
Alcuni modelli di auto: Toyota Prius, Lexus ibride, Ford Escape, Nissan Altima

Come abbiamo detto all’inizio di questo articolo, la maggior parte dei motori automobilistici moderni funziona secondo il ciclo Otto. Ma esistono anche altre varianti: i nomi degli ingegneri James Atkinson e Ralph Miller sono per sempre associati alla lotta per migliorare l’efficienza e aumentare l’efficienza.

Cosa propose Atkinson? In primo luogo, complicando il meccanismo a manovella, cambiò il rapporto dei tempi di corsa: le corse del pistone durante la compressione e i tempi di corsa divennero più brevi rispetto a quelli di aspirazione e scarico, grazie a un albero motore unico. Le valvole di aspirazione nel ciclo Atkinson si chiudono completamente a metà del punto morto superiore. In secondo luogo, tutti e quattro i cicli Atkinson si verificano in un giro dell’albero motore, mentre un motore Otto convenzionale ne richiede due. I vantaggi di questo tipo di motore sono l’elevata efficienza e il rispetto dell’ambiente. Gli svantaggi sono la complessità del design e la bassa coppia ai “minimi”. Ecco perché tali propulsori sono utilizzati negli ibridi, dove questa caratteristica è compensata dalla trazione elettrica.

Ralph Miller ha lavorato anche sul rapporto di compressione, ma ha seguito (nel 1947) una strada diversa. Invece di ridurre meccanicamente il rapporto di compressione con un rapporto di corsa costante, ha proposto di ridurlo a scapito del rapporto di aspirazione, mantenendo la stessa cilindrata per tutti i pistoni, come nel motore Otto. Esistono due varianti di questa soluzione, ma entrambe si basano sulla chiusura ritardata delle valvole di aspirazione: “aspirazione accorciata” (in cui le valvole di aspirazione si chiudono prima della fine della corsa di aspirazione) e “compressione accorciata” (le valvole di aspirazione si chiudono più tardi della corsa di aspirazione). Ma entrambe sono progettate per ridurre il rapporto di compressione della miscela di lavoro, e quindi quando il carburante viene acceso al PMS, ha un grado di espansione molto maggiore rispetto a un motore a ciclo Otto. Ciò consente un migliore utilizzo dell’energia dei gas che si espandono nel cilindro, il che aumenta l’efficienza termica del progetto e di conseguenza migliora l’economia e l’elasticità. Inoltre, le perdite di pompaggio sono ridotte nella corsa di compressione perché è più facile comprimere il carburante in un motore a ciclo Miller. Gli svantaggi di questo schema sono la riduzione della potenza (soprattutto alle alte velocità) dovuta a un peggior riempimento del cilindro.

Diesel “opposition” con albero a gomiti oscillante (Commer Rootes TS3 Tilling-Stevens)

Azienda – Rootes
Alcuni modelli di auto – Commer Q25, Serie C, Karrier

L’unico motore diesel nella nostra recensione di oggi, ma che motore diesel: TS3 a due tempi “di opposizione” (non per niente è stato soprannominato “Knocker”) con un albero motore oscillante unico sviluppato da Tilling-Stevens! Tuttavia, è stato installato dal 1954 al 1968 solo su barche, autobus e camion della poco nota a un’ampia cerchia società britannica Rootes. Questo motore non solo era posizionato sotto il sedile del conducente, ma aveva anche una serie di caratteristiche interessanti: ogni cilindro aveva due pistoni “contralberi”, che trasmettevano la coppia a un unico albero motore per mezzo di un bilanciere speciale e due bielle su ogni pistone, e c’era un compressore meccanico con trasmissione a catena! Il motore TS3 aveva tre cilindri, una cilindrata di 3,25 litri e produceva ben 105 CV e 366 Nm a soli 1200 giri/min. Si diceva che fosse un’unità molto compatta e affidabile, il cui unico inconveniente era considerato l’elevato livello di rumorosità.

Alla fine degli anni ’60 apparve un prototipo di unità simile a 4 cilindri, e il “mulo” equipaggiato con essa superò persino i test con una percorrenza di quasi 2 milioni di chilometri, ma la questione non andò oltre: nel 1968, Chrysler Corporation acquistò la società Rootes e lo sviluppo fu interrotto.

Gobron Brillie Opposed Piston

Bicilindrico a due tempi “opposto” (Gobron Brillie Opposed Piston).

L’azienda è Gobron-Brillie
Alcuni modelli di auto – Gobron-Brillie 8CV, Gobron Brillie Opposed

Torniamo al XIX secolo, e più precisamente al 1898, quando il francese Gustave Charles-Alexis Gobron insieme al connazionale Eugène Brillieu fondò la società automobilistica Societé des Moteurs Gobron-Brillie. Solo sei mesi dopo nacque la loro prima creatura, la Gobron-Brillie 8CV, che utilizzava un motore dal design unico: con un volume di 1,6 litri e due cilindri disposti verticalmente, aveva quattro pistoni che si muovevano l’uno verso l’altro. Quelli inferiori erano collegati all’albero motore dalle solite bielle, mentre quelli superiori (la cui corsa era più breve) con l’aiuto di un originale sistema di aste, bilancieri ed eccentrici. C’era un solo albero a camme e l’intero meccanismo era completamente sincronizzato. Circa a metà della corsa dei pistoni superiori, in corrispondenza della zona di accensione della miscela, erano installate le candele e le valvole di aspirazione e scarico azionate da aste di spinta. L’accensione del carburante avveniva tra i pistoni, circa a metà della corsa dei pistoni superiori.

Oltre a un sistema così complesso, ma, secondo i contemporanei, abbastanza affidabile e con un funzionamento estremamente fluido, l’auto aveva un sistema di alimentazione insolito, in cui al posto del tradizionale carburatore veniva utilizzato un set di pistoni, in grado di alimentare qualsiasi tipo di carburante nella camera. Si dice che Gobron-Brillie potesse persino guidare con alcol o bevande alcoliche forti come whisky e cognac!

Motore rotativo: albero motore fisso, cilindri e pistoni rotanti (Adams-Farwell)

Azienda: Adams-Farwell
Alcuni modelli di auto: Adams-Farwell Modelli 5, 6, 7 e Serie 6

Questa idea è chiamata “al contrario”: se in un motore a combustione interna convenzionale l’albero motore ruota e il blocco cilindri rimane fermo, allora nel motore, che fu inventato nel 1895 dall’ingegnere Fay Oliver Farwell, l’albero motore rimane sempre fermo. La leggenda narra che Farwell, che lavorava per l’azienda americana The Adams Co., fu spinto a progettare un motore a 3 cilindri e 4 tempi in cui i cilindri ruotano su cuscinetti originali attorno a un albero motore montato rigidamente dalla vista di… un mulino normale!

Nove anni dopo, nel 1904, con il nome di Adams-Farwell Model 5, entrò in produzione un’auto con questo motore unico e piuttosto potente (25 CV) per gli standard dell’epoca. A proposito, aveva alcune caratteristiche insolite: invece di un carburatore, il carburante entrava nelle camere attraverso appositi fori e il motore non aveva marmitte (era abbastanza silenzioso). Lo svantaggio principale era l’eccessivo consumo di olio, ma nonostante ciò, nel 1906 Adams-Farwell presentò il Modello 6 con un motore a 5 cilindri da 8,0 litri. E nel 1910, i motori dell’azienda furono utilizzati anche sui primi elicotteri progettati da Emil Berliner.

Motore a ciclo separato

Aziende: Scuderi, Paut Motor, Bonner Motor
Alcuni modelli di automobili – non installato

Come sapete, in un classico motore a combustione interna, tutti e quattro i cicli avvengono in un unico cilindro. Ma, a quanto pare, c’erano appassionati nel mondo – e nel recente passato – che predicavano vere e proprie stranezze con la separazione dei cicli. Ad esempio, nel 2006, gli americani dello Scuderi Group decisero che il cosiddetto cilindro “freddo” sarebbe stato responsabile dei cicli di aspirazione e compressione, mentre un altro cilindro “caldo” sarebbe stato responsabile della corsa e dello scarico. Quando c’è espansione dei gas nel cilindro di lavoro, l’orologio di aspirazione si verifica nel cilindro compressore “freddo”. Quando c’è un rilascio in quello di lavoro, c’è una compressione in quello freddo. Alla fine della fase di compressione, i pistoni si avvicinano al loro PMS, la miscela “scorre” dal cilindro “freddo” al cilindro “caldo” attraverso la valvola di scarico e viene innescata. Inoltre, cilindri diversi possono avere pistoni di diametro e corsa diversi, consentendo una messa a punto molto flessibile. Nel 2009, Scuderi ha presentato un prototipo, ma non è mai andato oltre: il motore è economico, ma molto complesso dal punto di vista strutturale.

Anche l’azienda croata Paut Motor ha sperimentato i cicli divisi. Nel 2011 ha persino presentato un prototipo che, con una cilindrata di 7 litri, pesava solo 135 kg, aveva molte meno parti e riduceva attrito e rumore rispetto al motore Scuderi. Ma anche questo progetto è stato abbandonato.

Ebbene, il motore più complesso con cicli divisi è probabilmente il motore Bonner, in cui i cilindri sono disposti trasversalmente e l’albero motore compie un movimento planetario attraverso un sistema di ingranaggi. La distribuzione del gas è ottenuta da speciali valvole nella parte inferiore dei cilindri e da bobine rotanti nel blocco. I pistoni possono essere spostati sotto pressione dell’olio, fornendo un rapporto di compressione variabile. Che casino! Non c’è da stupirsi che questo motore difficilmente arriverà alla “serie”.

Motore a turbina a gas

Aziende: Kenworth, Rover, Fiat, GM, Lotus, Chrysler, Ford
Alcuni modelli di auto: Fiat Turbina, Chrysler Turbine, Rover Jet1, GM Firebird, Ford Thunderbird

Sebbene non abbiamo mai visto motori a ciclo combinato su auto di serie, le auto con motori a turbina a gas esistevano già. Dall’inizio degli anni ’50 i produttori di autovetture hanno deciso di giocare a questo gioco e hanno continuato fino alla fine degli anni ’60. L’era dei GTE non è durata a lungo, ma ci ha regalato una vasta gamma di modelli straordinari: Rover Jet1, Fiat Turbina, Ford Thunderbird, Chrysler TurboFlite.

Una turbina a gas è un motore più semplice e molto più potente rispetto a un classico motore a combustione interna. Non sorprende che l’industria automobilistica, che già prima degli anni ’50 del secolo scorso prendeva attivamente in prestito una serie di soluzioni tecniche dall’industria aeronautica, non sia rimasta a guardare e abbia deciso di provare a utilizzare motori di questo tipo sulle autovetture. Inoltre, il design del GTE non è complicato: alberi con ruote del compressore e della turbina, la prima delle quali alimenta la camera di combustione con aria compressa e carburante. Quando brucia e si espande, la miscela di lavoro fa girare la ruota della turbina, che utilizza l’energia per far ruotare il compressore e, naturalmente, per la propulsione a getto.

Motore con attuazione desmodromica delle valvole

Aziende: Bignan, Ducati, Norton, Mercedes-Benz, BMW, Ferrari, Honda
Alcuni modelli: motociclette: Ducati, BMW, Honda, Norton, MV Agusta; automobili: Mercedes-Benz SLR

In un motore a combustione interna convenzionale, le valvole vengono aperte forzatamente (da speciali bilancieri) e chiuse da potenti molle. È la velocità di queste molle e la loro forza insufficiente a causare la cosiddetta rottura del collegamento cinematico, l’“impuntamento” delle valvole e, di conseguenza, la limitazione della velocità del motore. Nel caso di un attuatore desmodromico, anche le valvole vengono forzate e chiuse.

La storia di questo know-how risale all’inizio del XX secolo, quando nel 1910 un ingegnere inglese di nome Arnott ricevette un brevetto per un sistema di fasatura desmodromica. A quel tempo era particolarmente rilevante, poiché la qualità delle molle spesso non riusciva a resistere nemmeno a regimi e carichi molto bassi. In pratica, il “desmodrom” fu utilizzato per la prima volta sulla Peugeot L76 da corsa nel 1912 e otto anni dopo apparve sulla vettura sportiva francese Bignan. Le prime motociclette che utilizzarono la trasmissione desmodromica furono i modelli della casa britannica Norton nel 1924. Da allora questo tipo di trasmissione è stato utilizzato anche sulle motociclette Mercedes-Benz, Ferrari, BMW, F.B. Mondial e Honda. Tuttavia, la casa motociclistica italiana Ducati rimane ancora oggi la più convinta sostenitrice di questo sistema.