Motori Strani ai Margini del Progresso

Il motore Wankel, il motore Stirling e vari tipi di unità turbo non sono mai entrati nel mainstream automobilistico. Numerose aziende ben note — da Mazda a GM, da Mercedes a Volvo — ci hanno lavorato per decenni. Anche piccole imprese e inventori individuali hanno continuato a perseverare. Eppure è emerso che ogni progetto alternativo nascondeva molte più insidie di quanto inizialmente previsto. Questo non significa che lo sviluppo di unità motrici non convenzionali sia impossibile. Gli appassionati continuano a portare avanti idee diverse, e qui esploriamo alcuni dei concetti di motore più esotici mai realizzati.

Motori a Ciclo Diviso: Due Cilindri, Una Corsa Motrice

Alcuni progettisti di motori hanno concluso che la classica combinazione di cilindro, pistone, biella e albero a gomiti si è dimostrata valida nel corso di oltre un secolo — e che migliorare i motori a combustione interna richiede solo la modifica di alcuni aspetti piuttosto che reinventarli da zero. Il primo esempio della nostra lista è il motore sviluppato dall’azienda americana Scuderi Group, che mantiene le classiche fasi di aspirazione, compressione, scoppio e scarico — ma le distribuisce su due cilindri separati:

• Cilindro freddo (compressore) — gestisce l’aspirazione e la compressione
• Cilindro caldo (di lavoro) — gestisce la corsa motrice e lo scarico

Mentre il gas si espande nel cilindro di lavoro, nel cilindro freddo compressore avviene la corsa di aspirazione. Quando il cilindro di lavoro scarica, il cilindro compressore comprime. Al termine della corsa di compressione, entrambi i pistoni si avvicinano ai loro punti morti superiori, la miscela transita attraverso un canale di bypass dal cilindro freddo a quello caldo e viene accesa. Questo ciclo diviso — essenzialmente un ciclo Otto modificato — è stato brevettato nel 2006, e nel 2009 lo Scuderi Group ha costruito il prototipo pilota Scuderi Split Cycle Engine.

I cilindri compressore e di lavoro possono avere diametri e corse dei pistoni differenti, rendendo possibile una regolazione flessibile dei parametri del motore — funzionando come un analogo del ciclo Miller con espansione del gas aggiuntiva. Aggiungendo al canale tra i cilindri un ramo con valvole e una bombola ad alta pressione, il motore può recuperare energia durante la frenata e utilizzarla durante l’accelerazione. Tuttavia, da diversi anni le attività dello Scuderi Group si sono limitate a prototipi e presenze alle fiere. I guadagni di efficienza nel mondo reale non hanno ancora giustificato la notevole complessità del progetto.

Anche l’azienda croata Paut Motor si è rivolta al ciclo di lavoro diviso. Il loro design distanziato ha attirato l’attenzione per diversi motivi:

• Numero di parti in movimento significativamente inferiore rispetto ai motori convenzionali
• Minori perdite per attrito
• Riduzione del rumore di funzionamento
• Dimensioni compatte: 500×440×440 mm con una cilindrata di 7 litri
• Peso di circa 135 kg — circa la metà di un motore tradizionale della stessa cilindrata

L’assenza di olio nel carter richiede un serbatoio di lubrificazione esterno, ma gli inventori lo hanno considerato un compromesso accettabile. Sono stati costruiti diversi prototipi, sebbene la potenza finale non sia mai stata determinata ufficialmente. L’ultimo prototipo è stato assemblato nel 2011 e il progetto si è da allora arenato.

Il Motore a Due Tempi Bonner: Massima Complessità, Obiettivi Ambiziosi

Il motore a due tempi Bonner (dal nome del suo sponsor, Bonner Motor) è stato inventato nel 2006 negli Stati Uniti da Walter Schmid e spinge la complessità meccanica ancora oltre. Come il Paut Motor, i suoi cilindri sono disposti in configurazione a X e l’albero a gomiti effettua un moto planetario tramite un sistema di ingranaggi. Le caratteristiche principali includono:

• Valvole nei fondi dei cilindri e valvole a rocchetto rotante nel corpo motore per la distribuzione dei gas
• Pistoni esterni che possono spostarsi leggermente sotto la pressione dell’olio per fornire un rapporto di compressione variabile
• Elevato rapporto potenza/peso come obiettivo primario del progetto

In teoria, il motore Bonner appare convincente. In pratica, tuttavia, dal progetto non sono emerse notizie significative da anni — a quanto pare, non ha soddisfatto le aspettative.

Motori Assiali: Cilindri Disposti Come un Revolver

Altri inventori hanno mantenuto inalterati i cicli di lavoro del motore a combustione interna, ma hanno reimmaginato la disposizione fisica dei componenti. I motori assiali, che esistono da oltre un secolo, ne sono un esempio lampante. Variano nei dettagli ma condividono un principio comune: i cilindri sono disposti come cartucce nel tamburo di un revolver, coassiali con l’albero di uscita. Vari meccanismi — come perni inclinati e rondelle coniche — convertono il moto alternativo dei pistoni in rotazione dell’albero.

Il progetto Duke Engines della Nuova Zelanda è una varietà degna di nota: un motore assiale a quattro tempi con cinque cilindri e 3 litri di cilindrata. Rispetto a un motore convenzionale della stessa cilindrata, l’unità Duke offriva:

• Peso inferiore del 19%
• Ingombro ridotto del 36%
• Potenziale di applicazione versatile nei settori automobilistico, marino e aeronautico

Vennero fatte promesse ambiziose riguardo alla sua adozione diffusa — ma i sogni di conquistare il mondo sono rimasti tali.

Il motore RadMax dell’azienda canadese Reg Technologies porta il concetto assiale ancora oltre. Invece di cilindri distinti, una dozzina di scomparti vengono formati all’interno di un tamburo comune mediante lamine sottili. Le piastre montate nelle cave del rotore scorrono lungo di esse mentre il rotore gira, e le superfici curve alle estremità del tamburo definiscono le traiettorie delle lamine e controllano lo scambio dei gas. Caratteristiche degne di nota:

• Compatibile con più tipi di carburante, sebbene il diesel fosse l’obiettivo iniziale
• Un prototipo del 2003 misurava appena 152 mm sia in diametro che in lunghezza eppure produceva 42 cavalli — molto di più di un motore convenzionale di dimensioni equivalenti
• Prototipi successivi avrebbero raggiunto 127 CV e 380 CV

Nonostante questi dati promettenti, tutta l’attività RadMax sembra rimanere nella fase sperimentale.

Motori Toroidali: Quando il Cilindro Diventa una Ciambella

Il motore VGT (Variable Geometry Toroidal Engine) dell’ormai defunta azienda canadese VGT Technologies è un altro caso studio in cui la teoria supera la pratica. Testato per la prima volta nel 2005, il motore sostituisce il cilindro convenzionale con un toroide — una camera a forma di ciambella — all’interno del quale ruota un rotore con un paio di pistoni collegati.

Un sottile disco di distribuzione con un’apertura per i pistoni ruota attraverso il toroide tramite una trasmissione a cinghia, delimitando la miscela aria-carburante durante la compressione e la corsa motrice. Nel 2009, gli imprenditori americani Gary Kelley e Rick Ivas svilupparono indipendentemente un motore toroidale che rispecchiava da vicino il design canadese. Le loro stime suggerivano che un toroide del diametro di mezzo metro avrebbe erogato:

• 230 cavalli
• Circa 1.000 N·m di coppia
• Il tutto a soli 1.050 giri/min

La loro azienda, Garric Engines, mostra ora sul proprio sito web solo un messaggio di cortesia: “Grazie per il vostro interesse. La pagina potrebbe essere aggiornata in futuro.”

Il Motore Nutante: Dischi Oscillanti al Posto dei Pistoni

Un destino leggermente più promettente potrebbe attendere il motore nutante inventato dall’americano Leonard Meyer nel 2006 — almeno sono stati costruiti diversi esemplari funzionanti. Il nome deriva dal latino nutatio (cenno del capo o oscillazione). Il progetto di Meyer forma quattro camere di lavoro a volume variabile tra il corpo motore e un disco che nuta (oscilla) lateralmente, fungendo da pistone. Il disco è tagliato a metà lungo il suo diametro e infilato su un albero di uscita a forma di Z, con canali e valvole nel corpo che gestiscono lo scambio dei gas.

I prototipi sono stati costruiti da Baker Engineering e dalla sua azienda affiliata Kinetic BEI, con risultati notevoli:

• Disco singolo da 102 mm: 7 CV
• Doppio disco da 203 mm: 120 CV
• Dimensioni del motore a due dischi: 500 mm di lunghezza, 300 mm di diametro, 3,8 litri di cilindrata
• Rapporto potenza/peso: 2,5–3 CV/kg contro 1–2 CV/kg dei motori aspirati di serie

La potenza specifica per litro è meno impressionante, ma la densità di potenza è degna di nota. Baker e Kinetic sembrano stare perfezionando il progetto, sebbene l’attività sui loro siti web rimanga limitata.

LiquidPiston: Il Motore Wankel Capovolto

I concetti di motore rotativo continuano ad affascinare gli innovatori, come se allontanarsi dal familiare schema pistone-cilindro promettesse intrinsecamente prestazioni migliori. Nikolay Shkolnik, un ex ingegnere sovietico trasferitosi negli Stati Uniti, e suo figlio Alexander hanno sviluppato un motore che ricorda il motore Wankel capovolto. Un rotore a forma di arachide ruota all’interno di una camera triangolare — la stessa geometria di base del Wankel — ma, elemento cruciale, le tenute sono fissate alle pareti della camera anziché al rotore.

Gli Shkolnik hanno fondato LiquidPiston per sviluppare il concetto, ottenendo co-finanziamenti dalla DARPA per potenziali utilizzi in:

• Aeromobili leggeri e droni
• Generatori di energia portatili
• Sistemi di propulsione per veicoli ibridi

Un prototipo da 23 cm³ raggiunge già un’efficienza termica del 20% — notevole per quella classe di cilindrata. Il team punta ora a un prototipo diesel del peso di circa 13 kg con una potenza di 40 CV, con un’efficienza termica prevista che dovrebbe salire al 45%.

Il Motore a Pistone Oscillante: La Forma Quadrata

L’ultimo motore della nostra rassegna dimostra che il fascino di un’unità piatta e compatta è reale — e che i rotori non sono l’unico percorso per ottenerla. Il motore a pistone oscillante di Pivotal Engineering semplicemente rende quadrato il pistone tradizionale, rendendo il cilindro rettangolare in vista dall’alto. Questo design a due tempi esiste da diversi anni, nel corso dei quali alcuni prototipi hanno alimentato sia motocicli che aeromobili.

L’azienda punta principalmente alle applicazioni aeronautiche, e il design offre alcuni vantaggi concreti:

• Elevati rapporti potenza/peso e potenza/volume
• Eccellente potenziale per la sovralimentazione, reso possibile da un canale di raffreddamento a liquido che attraversa l’asse fisso del pistone — difficile da realizzare nelle architetture motoristiche convenzionali
• Forma piatta, poiché il rotore quadrato può essere reso molto sottile

Altri Concetti di Motori Esotici da Conoscere

Esistono molti notevoli design di motori esotici al di là di quelli trattati qui. Alcune menzioni d’onore:

• Motore Wankel a 12 rotori — portare il concetto rotativo di Mazda all’estremo
• Motore Knight a valvole a manicotto — un design centenario che per un breve periodo rivaleggiò con la valvola a fungo
• Motori a pistoni contrapposti — due pistoni che condividono un unico cilindro, senza testata
• Motori a rapporto di compressione variabile — che consentono la regolazione in tempo reale della compressione per ottimizzare l’efficienza nelle diverse condizioni di carico
• Motori a cinque tempi — con l’aggiunta di un cilindro di espansione dedicato per estrarre più lavoro dai gas di combustione
• Motori a palette rotanti — in cui i componenti del rotore si muovono come lame di forbice convergenti e divergenti

Perché i Motori Alternativi Non Arrivano alla Produzione di Massa?

Anche una breve panoramica sui progetti non convenzionali di motori a combustione interna rivela uno schema ricorrente: decine di idee ingegnose, pochissimi veicoli in produzione. Gli ostacoli ricorrenti sono sempre gli stessi:

• Usura delle tenute — i design rotativi spesso falliscono a causa del degrado delle tenute apicali nel tempo
• Carichi meccanici alternati — i concetti a palette rotanti soffrono per la fatica nel collegamento lama-albero
• Complessità produttiva — le geometrie esotiche sono costose e difficili da produrre su scala industriale
• Affidabilità e longevità — i motori non convenzionali raramente eguagliano il record di durabilità dei tradizionali motori a pistoni perfezionati in oltre 100 anni

Il secondo motivo per cui i motori alternativi faticano è che la tecnologia dei motori a combustione interna convenzionali non è rimasta ferma. I più recenti motori a benzina che adottano il ciclo Miller raggiungono un’efficienza termica fino al 40% anche senza sovralimentazione — una cifra notevole, considerato che la maggior parte dei motori a benzina si attesta solo sul 20–30%, e i motori diesel sul 30–40% (con i grandi diesel marini che arrivano fino al 50%).

Soprattutto, l’alternativa globale al motore a combustione interna è già arrivata: i motori elettrici e le celle a combustibile. Se gli inventori dietro queste curiosità esotiche non risolveranno le loro sfide tecniche molto presto, potrebbero scoprire che non c’è più un mercato che li aspetta — i veicoli elettrici avranno già conquistato la strada.

Questo è una traduzione. Puoi leggere l’originale qui: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html