No. 2671
Quanti cilindri?

di John H. Lienhard

Oggi, quanti cilindri? Il College of Engineering dell’Università di Houston presenta questa serie sulle macchine che fanno funzionare la nostra civiltà, e le persone il cui ingegno le ha create.

Quanti cilindri dovrebbe avere il motore di un’auto? La maggior parte delle nostre auto hanno o quattro cilindri in fila, o cilindri disposti a V – due o tre su ogni lato. Allora, perché tutta questa fantasiosità? Perché non un solo grande cilindro?

Beh, pensate a un pistone che va avanti e indietro in un cilindro, facendo ruotare un albero motore. Guida brevemente un albero una volta ogni due giri. I nostri motori d’auto funzionano in cicli di quattro tempi. L’accensione avviene e il pistone spinge verso il basso. Poi elimina i gas di scarico mentre risale. Poi tira dentro una nuova miscela di aria e benzina mentre scende. Infine, sale, comprimendo quella miscela. Poi un’altra accensione e il ciclo si ripete.

Un motore monocilindrico accelera al primo colpo; poi rallenta durante il resto dei due giri di un ciclo a quattro tempi. Questo causerebbe un tale motore a scuotere e vibrare.

Così abbiamo bisogno di un grande volano per tenerlo in movimento tra le accensioni. Con più cilindri e pistoni, possiamo bloccare la biella di ogni pistone in una diversa posizione angolare sull’albero motore – poi cronometriamo le esplosioni in modo che ognuna dia un calcio alla rotazione durante le due rivoluzioni. E il volano può essere molto più piccolo.

Karl Benz usò un motore monocilindrico nella sua prima auto del 1885. Il primo motore Model T di Ford aveva quattro cilindri in fila. Alcune auto di lusso degli anni ’20 avevano motori in linea con ben otto cilindri. Motori con fino a 12 o più cilindri in fila sono stati usati, ma principalmente in grandi motori marini e stazionari.

Ovviamente il funzionamento regolare è solo uno degli obiettivi. Più cilindri danno meno peso del volano, ma significano anche maggiori costi di produzione e manutenzione. Poi c’è la compattezza. La Duesenberg straight-8 era la preferita delle ricche star del cinema negli anni ’20. Ma aveva un passo di 12 piedi. Immaginate di parcheggiare in parallelo quella bestia.

La risposta era il motore V-8 — due file di quattro che formavano una V. Anche Karl Benz sperimentò un motore V-2 dopo aver costruito il suo motore monocilindrico. Una disposizione a V può anche permettere a due cilindri di guidare un perno di manovella comune, spingendolo in posizioni angolari diverse. E qui la complicazione aumenta: Gli ingegneri hanno creato tutti i tipi di disegni intelligenti dell’albero motore da usare con i cilindri in tutti i tipi di posizioni — V-4, V-6, flat-4, flat-6.

Gli aerei imponevano diversi vincoli di progettazione. Un motore in linea offre poca resistenza frontale. I fratelli Wright usavano un motore a 4 cilindri in linea, ma con un volano piuttosto pesante. Poi i primi costruttori passarono a motori con nove cilindri, che si irradiano da un mozzo centrale. I pistoni giravano intorno all’albero e non avevano bisogno né di volano né di sistemi di raffreddamento.

Molte nuove tecnologie si stabiliscono su una forma migliore. Ma alcune trovano più di una buona opzione, e poi continuano a lottare tra i concorrenti. Basta pensare ai PC contro i Mac, alla musica classica contro quella country – basta pensare ai cilindri nelle loro disposizioni apparentemente infinite.

Sono John Lienhard dell’Università di Houston, dove siamo interessati al modo in cui le menti inventive lavorano.

(Theme music)
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Tutte le foto di J. Lienhard. Motori Toyota per gentile concessione di Mike Calvert Toyota, Houston, TX.

Il più vecchio motore Wright superstite (New England Air Museum). Questo è un quattro cilindri in linea. Notate che le bielle del pistone esterno sono bloccate all’albero motore a 180 gradi fuori fase rispetto alle due interne. Notare anche il pesante volano sul lato destro della foto.

Motore Toyota Camry diritto-4 montato lateralmente.

The Engines of Our Ingenuity è Copyright © 1988-2010 di John H. Lienhard.