Come funzionano i motori con valvola a manicotto

Ottobre 1945: un aereo da trasporto Junkers JU 88 obsoleto con un caccia Focke-Wulf FW 190 in cima, a un'esibizione di aerei britannici e tedeschi al Royal Aircraft Establishment di Farnborough, in Inghilterra. Dai un'occhiata alla nostra animazione di come funziona il motore con valvola a manicotto. Foto di Fox / Getty Images

Durante la seconda guerra mondiale, gli ingegneri del regime nazista hanno ideato alcune delle armi aeree migliori e più avanzate dell'epoca. Un aereo da caccia tedesco, il Focke-Wulf Fw 190, per un certo periodo ha superato 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, che è stato utilizzato sia su automobili che su aeroplani, alimentava veloci caccia britannici come Hawker Typhoon e Hawker Tempest. Con la loro potenza bruta, aiutarono gli alleati a controllare i cieli, fornire supporto aereo per le forze di terra e alla fine vincere la guerra.

Ma cos'è esattamente un motore con valvola a manicotto e cosa significa questo nome divertente? E perché oggi non ne vediamo o ne sentiamo parlare molto?

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. In genere, i fori nel manicotto e nel cilindro che lo contiene 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 delle valvole a manicotto ha perso rispetto a 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 resisti: non liquidare ancora la valvola a manicotto come un inutile cimelio storico.

Almeno un'azienda sta cercando di riportare in azione il venerabile motore a valvole a manicotto, ma con alcune modifiche moderne.

Nelle prossime pagine daremo uno sguardo a ciò che fa girare il motore con valvola a manicotto. Esamineremo anche il motivo per cui è caduto in disgrazia, insieme ai motivi per cui è stato chiamato ora, più di un secolo dopo la sua invenzione, per servire in un diverso tipo di "combattimento".

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Contenuti

1. Tecnologia del motore con valvola a manicotto
2. Valvole a manicotto via terra - Utilizzo nei motori automobilistici
3. Valvole a manicotto per via aerea - Utilizzo nei motori degli aeroplani
4. Qual è il prossimo?

Arrivato come durante l'apice dell'era industriale, il motore a valvole a manicotto sembra un aggeggio che sarebbe di casa in un romanzo steampunk. Gli ingegneri moderni si meravigliano della sua intelligenza. E cluck-cluck per la sua elevata complessità.

Quindi ecco, sei stato avvertito. In realtà, è una cosa piuttosto bella una volta capito come funzionano tutti quei pezzi insieme. Ora rimboccatevi le maniche, perché stiamo per sporcarvi e sporcarci con i meccanismi interni di un motore a valvole a manicotto.

Questo motore ha così tanto da fare che quasi sfida la descrizione. Ma ci proveremo. I motori con valvola a manicotto, come le loro controparti con valvola a punteria, possono essere disponibili in molte configurazioni diverse. Uno di questi arrangiamenti, i motori a valvole a manicotto radiali usati sugli aeroplani, assomigliano un po 'a quello che potresti ottenere se un robot Rock' Em Sock 'Em avesse un bambino con una sentinella "squiddie" da "Matrix".

Per capire cos'è e cosa fa un motore a valvole 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 valvola a fungo. Le valvole a fungo sono lo standard de facto sui motori a combustione interna odierni. Con loro, le valvole a forma di fungo sotto la tensione delle molle si aprono e si chiudono ritmicamente per controllare l'entrata 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 vengono fatti esplodere ad ogni corsa di compressione. La premessa di base dell'accensione del carburante e dell'aria per azionare una serie di pistoni e ruotare un albero motore è la stessa di altri motori a combustione interna.

Ecco un'altra caratteristica distintiva delle valvole a manicotto. Sui progetti in cui il manicotto ruota, le luci che vengono tagliate in esso si allineano con le luci di aspirazione o di scarico nel cilindro, a seconda di quale parte della corsa si sta svolgendo. 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 guidato da ingranaggi collegati all'albero motore.

Grattandoti ancora la testa su cosa, esattamente, accade? Ecco i passaggi:

• Colpo di compressione: il pistone si avvicina al punto morto superiore, tutte le porte del cilindro sono chiuse e la candela si accende e accende la miscela aria / carburante
• Colpo di combustione: l'accensione costringe il pistone a rientrare nel cilindro; quando il pistone va al punto morto inferiore, la camicia (o il manicotto) si sposta per allineare le aperture di ritaglio con le luci di scarico del cilindro
• Corsa di scarico: i gas di scarico vengono espulsi mentre il pistone risale; le luci di scarico si chiudono
• Colpo di aspirazione: il manicotto ruota nella direzione opposta, esponendo le porte di aspirazione dell'aria; il pistone scende, aspirando aria fresca; il manicotto si sposta per chiudere la porta di aspirazione per la successiva corsa di sparo e quindi l'intero processo si ripete

Ora moltiplicalo per diversi cilindri e lancia un albero motore per farli ruotare, e ti sei procurato un motore con valvole 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 volumetrica

Allora perché qualcuno dovrebbe voler scimmiottare con un motore così complicato? Dopo tutto, erano notoriamente assetati di olio lubrificante; e non hanno gradito le impurità come la sabbia. La risposta è che offrono il vantaggio dell'efficienza volumetrica. In altre parole, sono molto migliori dei normali motori per far entrare e uscire l'aria dalla camera di combustione. Inoltre, la disposizione delle porte fornisce migliori caratteristiche di turbolenza. Questo è un ingegnere perché creano aria turbolenta, facendo bruciare la miscela di aria e carburante in modo più efficiente [fonte: Raymond].

Charles Yale Knight, nato in 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 scoperto che il rumore creato dalle valvole dell'auto era un grave dolore alle orecchie. Così ha fatto quello che farebbe qualsiasi imprenditore che si rispetti con un background in macchinari 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 per rivelare la sua auto "Silent Knight" a 4 cilindri e 40 cavalli al Chicago Auto Show.

Il motore Knight presentava non uno, ma due manicotti per cilindro, con il manicotto interno scorrevole all'interno dell'esterno. Il pistone, a sua volta, è scivolato all'interno del manicotto interno. Il cavaliere, fedele al suo soprannome, era straordinariamente silenzioso. Anche se il motore Knight si è dimostrato superiore alle fragili e fragili valvole a fungo dei suoi giorni, le case automobilistiche statunitensi gli hanno dato la spalla fredda, inizialmente.

Knight e il suo benefattore finanziario L.B. Kilbourne se l'è cavata decisamente meglio all'estero. Dopo alcuni perfezionamenti al design, il motore Knight ha trovato la sua strada sulle auto Daimler in Inghilterra (da non confondere con Daimler-Benz).

Il cavaliere silenzioso è stato un successo, e presto altri produttori hanno voluto partecipare all'azione delle valvole 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 delle valvole a manicotto era avanzato oltre la configurazione di Knight manica-dentro-manica. I progetti 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 dei produttori di motori come Bristol e Rolls-Royce, avrebbero persino preso il volo.

1940: Il personale di terra si prepara a caricare un Hawker Typhoon di bombe. Foto di Fox / Getty Images

Harry R. Ricardo (in seguito "Sir" Harry Ricardo), nato a Londra nel 1885, non ha aspettato fino al 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 di come queste cose fossero effettivamente realizzate ... guardando indietro, penso di aver imparato di più sul valore reale da questi primi e molto rozzi tentativi di progettazione e produzione che da qualsiasi altra cosa "[fonte: Università di Cambridge].

Ricardo, nella sua età adulta da ingegnere lavorante, era un inguaribile overachiever. Oltre a modificare i motori dei serbatoi che hanno contribuito a rompere lo stallo della prima guerra mondiale, ha condotto una ricerca rivoluzionaria sull'assegnazione dei numeri di ottano a diversi gradi di carburante.

Forse il suo contributo più notevole negli anni della seconda guerra mondiale fu il suo lavoro per migliorare il motore a valvole a manicotto.

Ricardo teorizzò negli anni '20 che un motore di aeroplano con valvola a manicotto poteva generare una potenza maggiore di un motore con valvole a punteria comparabile perché poteva generare un rapporto di compressione più elevato.

Si è scoperto così che nel 1941, gli aerei britannici, compreso il principale aereo da caccia Supermarine Spitfire, stavano subendo un martellamento dal superiore Focke-Wulf Fw 190 della Germania. Gli Fw 190 hanno anche lanciato incursioni di attacco a terra sulle installazioni alleate quasi impunemente, poiché nulla poteva catturarli a bassa quota dopo aver sganciato le bombe.

L'Hawker Typhoon con motore a valvole a manicotto, entrato in servizio nel 1942, cambiò la situazione. Spinto da un motore Napier Sabre da 2.180 cavalli, il "Tiffy" extra get-up-and-go significava che non solo poteva abbattere i veloci intrusi della Luftwaffe, ma poteva anche trasportare bombe. Più tardi durante la guerra, i Typhoon dotati di bombe e razzi si sarebbero dimostrati fondamentali nel supportare le forze di terra alleate mentre stringevano il cappio sui nazisti e ponevano fine alla guerra in Europa [fonte: Rickard].

Nonostante l'esemplare record militare 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 scomparirebbe completamente: gli appassionati di motori avrebbero commemorato il motore con valvole a manicotto con modelli costruiti in casa e sui siti Web nei decenni a seguire. Alcuni modelli di aerei volanti utilizzano motori a valvole a manicotto in miniatura. 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 a valvole a manicotto era un vicolo cieco evolutivo, per quanto riguarda l'avanzamento della combustione interna?

Mettiamola così. Proprio come a Hollywood piace riciclare vecchi concetti e dare loro una nuova svolta quando le nuove idee stanno finendo, così fa l'industria automobilistica. Le auto elettriche, forse ricorderete, erano un grosso problema prima (ironia della sorte) 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, il caso potrebbe svolgersi con il motore addormentato con valvole a manicotto. Come dice il proverbio, "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 cogliere la sua interpretazione moderna della valvola a manicotto. Un nuovo motore si basa su ciò che l'azienda descrive come un'architettura a valvole a manicotto a quattro tempi, accensione a scintilla (SI), pistoni opposti.

Il fondatore di Pinnacle Monty Cleeves afferma che il suo motore brevettato può produrre un miglioramento dell'efficienza dal 30 al 50% 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 il mondo intero può permettersi", ha detto Cleeves in una dichiarazione rilasciata dalla società

Pinnacle afferma di non essere preoccupato che i veicoli elettrici rendano la sua tecnologia obsoleta in tempi brevi. Al contrario, ritiene che ci sia una grande opportunità per servire mercati in rapida crescita come India e Cina. Loro e altri paesi in via di sviluppo vogliono ridurre le emissioni di gas serra migliorando allo stesso tempo il tenore di vita dei loro cittadini, attraverso la proprietà dei veicoli a motore. Poiché i veicoli elettrici e gli ibridi continuano a comportare un significativo sovrapprezzo, Pinnacle afferma che la sua valvola a manicotto rivisitata è una buona "tecnologia ponte" fino a quando l'impianto elettrico non diventerà più accessibile a tutti.

Pinnacle, che ha ricevuto diversi milioni di dollari in capitale di rischio, ha detto che stava perseguendo un accordo di licenza con una casa automobilistica asiatica e che la produzione dovrebbe iniziare nel 2013.

Nota dell'autore: come funzionano i motori con valvola a manicotto

Da grande appassionato di aerei militari, avevo sentito parlare di motori a valvole a manicotto prima di questo incarico. Ma questo era più o meno l'entità. 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 manicotto" erano per me solo una tecnologia dimenticata, anche se pittoresca, come le locomotive a vapore. Quindi, quando ho sfruttato la potenza degli Interweb per vederli in azione, sono rimasto immediatamente colpito da soggezione e ammirazione. Come hanno fatto le persone 100 anni fa a capire tutti gli angoli, le tolleranze, i bilanciamenti del peso e molto altro necessari per dare vita a queste macchine incredibilmente complesse? Il fatto che gli imprenditori oggi stiano cercando di dare nuova vita al concetto la dice lunga sul genio e sulla visione di quei pionieri originali. Si potrebbe sostenere che i motori originali del ventesimo secolo con valvole a manicotto fossero "ingegnerizzati eccessivamente", ovvero erano troppo complicati per il loro bene. O potrebbe semplicemente essere che, mancando i progressi nella scienza dei materiali e la precisione della progettazione assistita da computer di cui godiamo oggi, erano semplicemente in anticipo sui tempi.

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fonti

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