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1 - Ugello di iniezione
2 - Ugello di scarico
3 - Camera esterna
4 - Camera di combustione
5 - Ingranaggio centrale
6 - Rotore
7 - Ingranaggio interno
8 - Albero motore
9 - Candele di accensione
Animazione del motore
Il motore Wankel è un motore a combustione interna, inventato da Felix Wankel nel 1950, di tipo rotativo perché il pistone non si muove di moto alternato ma ruota intorno a un asse.
Il principio di funzionamento vede un pistone a tre lobi che ruota eccentricamente intorno all'albero motore, generando con il suo movimento le fasi di aspirazione - compressione - scoppio - scarico.
Le prime vetture che adottarono questo tipo di motore furono le NSU, tra cui la Ro 80. Tra il ’62 e il 1970, la Mercedes Benz realizzò quasi una decina di prototipi tra cui le famose C111 a tre e quattro rotori (realizzate tra il 1969 e il 1970) e una 350 SL Quadrirotore utilizzata normalmente da Wankel stesso. Alla Mercedes si affiancò la GM, con i prototipi Chevrolet e la American Motors, che realizzò una versione rotativa della sua Pacer. In campo motociclistico il propulsore rotativo fu utilizzato sporadicamente dalla stessa NSU, dalla Suzuki ( sul modello RE-5 ) e dalla Norton che riuscì anche ad ottenere delle vittorie in gare del campionato inglese. I principali problemi riscontrati nell'utilizzo di vetture fornite di tale motore erano relativi alla durata delle guarnizioni di tenuta che lavorano in condizioni di pressione elevata. Attualmente, grazie allo sviluppo della tecnologia dei materiali, la durata di vita di questi propulsori è notevolmente aumentata, consentendo una maggiore produzione su larga scala. La casa automobilitica Mazda ormai da quasi vent'anni porta avanti lo studio e lo sviluppo di motori rotativi ad alte prestazioni e attualmente monta sulla vettura Mazda RX-8 un birotore denominato "Renesis" di cilindrata complessiva di 1308 cc, in grado di sviluppare una potenza di 231 cv (170 KW) a 8200 giri, facendone, a tutt'oggi, l'unica vettura con motore di derivazione Wankel di serie.
Il funzionamento [modifica]
Il cuore del Motore Wankel è lo speciale pistone, ovvero un rotore prismatico a base triangolare equilatera con lati leggermente convessi. Il rotore è contenuto all'interno di una carcassa, lo statore, nella quale sono praticate le luci per l'aspirazione della miscela aria-carburante e per lo scarico dei gas combusti. La cavità interna dello statore ha una sezione che ricorda un'ellisse schiacciata con due rientranze (lobi) agli estremi dell'asse minore o anche una specie di 8 (propriamente la sezione forma una curva chiamata epitrocoide a due lobi); le basi dello statore sono costituite da due pareti piane, che presentano centralmente un foro per il passaggio dell'albero motore. Girando all'interno della carcassa con un particolare movimento orbitante, il rotore forma tre camere, il cui volume varia ciclicamente: nelle 3 camere si compiono contemporaneamente 3 ciclo otto a quattro tempi, sfasati tra loro di 120°. Avendo il rotore tre lati uguali, il processo avviene in modo sequenziale 3 volte a ogni giro del rotore stesso (corrispondente a 3 giri dell'albero motore), con un notevole vantaggio ai fini della potenza erogata e della regolarità di funzionamento. Al centro del rotore è calettata una ruota dentata a denti interni (corona rotorica) che ingrana con una ruota a denti esterni solidale alla piastra di chiusura dello statore (pignone statorico) e coassiale con i perni di banco dell'albero motore; la corona rotorica rotola sul pignone senza strisciare su di essa. Il rotore presenta un foro centrale dotato di una grossa bronzina anulare nel quale ruota un eccentrico cilindrico calettato sull'albero motore. Le pressioni che vengono esercitate sul rotore dai gas in espansione sono trasmesse tramite l'eccentrico sull'albero motore, che, perciò, viene trascinato in rotazione. Al pignone statorico è demandato il compito di costringere il rotore a seguire un'orbita eccentrica, tale da garantire il contatto costante degli elementi di tenuta apicali contro le pareti interne dello statore. Dall'albero motore il moto passa direttamente al gruppo frizione e quindi al cambio, da dove viene trasmesso alle ruote motrici.
Principali vantaggi [modifica]
Il motore Wankel presenta numerosi vantaggi rispetto ai vari tipi di motore alternativo a combustione interna grazie alla sua particolare struttura:
- Minor numero di parti e semplicità di progetto;
- Minore rumorosità e vibrazioni;
- Elevata leggerezza dovuta alle dimensioni ridotte ed elevato rapporto potenza/massa;
- Minori emissioni inquinanti (ossidi di azoto) dovuti alla minore temperatura media dei gas;
- Maggiore potenza a parità di cilindrata rispetto ad un motore a pistoni alternati;
Il motore rotativo ha un’incredibile semplicità di progettazione derivante dal suo dettaglio più importante: la presenza di solo due parti in movimento, il rotore e l’albero motore. È inoltre notevole l'assenza di masse in moto alterno (che sui motori alternativi sono bielle, pistoni e spinotti) e quindi l'assenza di forze di inerzia del secondo ordine che risultano altrimenti difficili da bilanciare; infatti queste possono essere bilanciate da opportune masse, poste in rotazione ad una velocità doppia rispetto a quella dell'albero motore. L'assenza di queste forze di inerzia nonché di una massa volanica (sostituita dal rotore stesso) consente a questo tipo di motore di avere forti accelerazioni e valori di potenza specifica più elevati rispetto ai motori alternativi grazie alla possibilità di raggiungere regimi di rotazione maggiori.
Il motore Wankel è costruttivamente molto più leggero e compatto dei normali propulsori a pistoni alternati e possiede solo due parti mobili, possiede poi cicli di aspirazione e di scarico più vantaggiosi dal momento che i fluidi hanno più tempo per entrare o uscire e quindi ha minori perdite di carico. Anche il Wankel può essere dotato di sistemi di sovralimentazione mediante turbina o compressore volumetrico. Il miglior sfruttamento della combustione durante l'espansione fornisce a parità di cilindrata una maggior potenza rispetto a un motore a moto alternato, questo perché durante l'espansione l'albero ruota di 270° anziché di 180°.
Gli svantaggi [modifica]
I problemi più conosciuti sono la scarsa durata dei suoi elementi di tenuta del rotore trocoidale, la sua difficoltà di realizzazione.
I problemi di carattere costruttivo del Wankel riguardano in particolare il rotore, che è sottoposto a brusche escursioni termiche di circa 900° e che deve essere quindi costruito in leghe estremamente resistenti e costose. Il rotore stesso inoltre per la sua stessa conformazione spigolosa subendo violenti strisciamenti contro la parete dello statore vede presto ridotta la tenuta idraulica delle guarnizioni, con una conseguente limitazione del rendimento.
Dal punto di vista tecnologico, la costruzione degli organi principali, quali il rotore e lo statore, risulta essere molto complicata: la costruzione dello statore infatti presenta serie difficoltà a causa della lavorazione superficiale trocoidale che richiede l'uso di macchine di grande precisione studiate appositamente. Inoltre le caratteristiche di resistenza all'usura delle superfici a contatto richiedono trattamenti particolari.
Altri problemi del motore Wankel dal punto di vista costruttivo riguardano inoltre la costruzione dello statore e del rotore, il disegno della camera di combustione, l'accensione, la lubrificazione, il raffreddamento del rotore, l'ingranaggio di reazione. In particolare, la configurazione del pistone non consente grossi margini di libertà per le camere di combustione, il che fa inevitabilmente sì che queste siano sviluppate soprattutto in lunghezza portandole ad essere quasi piatte. Tale configurazione non è certo ideale, soprattutto per la notevole distanza tra gli elettrodi della candela e i punti estremi della camera di combustione: per ridurre questo inconveniente, gli ingegneri giapponesi della Mazda hanno aggiunto l’utilizzo del “twin spark”, ovvero della doppia candela per ogni rotore. Nel caso particolare della Mazda RX-7 e delle auto successivamente prodotte i progettisti hanno ulteriormente perfezionato la tecnica della doppia accensione; la scintilla della seconda candela scocca infatti qualche istante dopo rispetto alla prima. Questa raffinatezza implica però due sistemi di accensione completamente indipendenti.
Un altro problema legato al sistema di aspirazione riguarda la carenza di coppia ai bassi regimi o addirittura un rigetto di miscela.
Tutto questo minò rapidamente l’avventura dei motori rotativi, che necessitavano di ricerche tecnologiche e avveniristiche che solo la Mazda ebbe il coraggio di intraprendere.
Curiosità [modifica]
- Nel 1991 la Mazda vinse la 24 ore di Le Mans con il prototipo 787B a 4 rotori da 700cv. Alla fine della stagione la Federazione Internazionale dell'Automobile vietò l'utilizzo di questo tipo di motore per queste competizioni.
- Nel 1980 vennero costruite in Russia 250 Lada "Zhiguli" monorotore da 70cv, seguite, nella seconda metà degli anni '80, da un altro lotto di Samara birotore da 130cv. Si trattava di autovetture assegnate, in via sperimentale, alla polizia e al KGB e dotate di scarsa affidabilità (a causa del basso livello qualitativo dei materiali impiegati), nonostante la relativa sofisticazione tecnica (entrambi i motori erano dotati di un particolare sistema elettronico che iniettava il liquido antigelo direttamente nel rotore).
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