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Funzionamento Wanchel

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Motore Wankel


Storia



Fu presentato da Felix Wankel nel 1957 grazie alla collaborazione con il dot. Froede, capo dei tecnici della N.S.U., che apportò modifiche sostanziali al progetto iniziale del motore. La prima vettura azionata da un motore Wankel fu, nel 1963, la N.S.U. Spider; nonostante il monorotore avesse una cilindrata di soli 498 cc sviluppava una potenza di 50 CV e spingeva l’auto ad oltre 150 km/h a fronte di un consumo decisamente parco per l’epoca.
Le prime vetture che adottarono questo tipo di motore furono le NSU, tra cui la Ro 80. Tra il 1963 e il 1970, la Mercedes Benz realizzò 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 Sachs (la "Wankel 2000", datata , fu la prima moto al mondo a essere spinta da un motore rotativo) dalla Suzuki (sul modello "RE-5" del ) 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 del rotore che lavorano in condizioni di pressione e temperatura elevata abbinate ad una scarsa lubrificazione. Attualmente, grazie allo sviluppo della tecnologia dei materiali, la durata di vita di questi propulsori è notevolmente aumentata, consentendo una produzione su larga scala. La casa automobilistica Mazda ormai da oltre trent'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" (fusione delle iniziali di Rotary Engine e della parola Genesis) con cilindrata complessiva di 1.308 cc, in grado di sviluppare una potenza di 231 cv (170 kW) a 8.500 giri/min ed una coppia massima di 211 Nm a 5.500 giri/min, facendone, a tutt'oggi, l'unica vettura con motore di derivazione Wankel di serie.


Geometria del motore



Il profilo della camera statorica è simmetrico rispetto ai due assi ortogonali baricentrici e prende il nome di epitrocoidale, quello del rotore, invece, è su base triangolare equilatera con lati leggermente convessi e prende il nome di triangolo di Reuleaux. Il contatto tra statore e rotore avviene mediante i tre vertici dell’organo in movimento che strisciano sulle pareti dello statore, su quest’ultime sono praticate le luci per l'aspirazione della miscela aria-carburante e per lo scarico dei gas combusti oltre che all’alloggio per una o più candele di accensione della miscela. Le basi dello statore sono costituite da due pareti piane, che presentano centralmente un foro per il passaggio dell'albero motore. La definizione della forma del profilo dello statore da parte dell’ Ing. Wankel derivava da uno studio condotto per via empirica; solo successivamente, il prof. Othmar Baier del Politecnico di Stoccarda, dimostrò che la forma era quella di un’epitrocoide generata dal rotolamento di una circonferenza generatrice su di un’altra circonferenza fissa. Quando il punto che descrive la curva non giace sulla circonferenza ma all’interno o all’esterno di essa, la curva diventa una trocoide, e rispettivamente viene chiamata ipotrocoide o epitrocoide. Un requisito importante delle trocoidi, affinché siano delle linee chiuse, è che il rapporto tra i diametri della circonferenza fissa e di quella mobile sia un numero intero: tale numero rappresenta pure il numero di archi costituenti la trocoide. Nel caso del motore Wankel il rapporto tra i diametri delle circonferenza è uguale a 2:1. Se poi si vuole evitare che la trocoide presenti punti doppi, è necessario che il punto prescelto per tracciare il profilo si trovi all’interno della circonferenza generatrice (mobile). La scelta di tale punto e della sua distanza dal centro della circonferenza mobile (eccentricità) è del tutto arbitraria, così il numero di profili trocoidali utilizzabili per un motore a pistone rotante è teoricamente illimitato. Delle soluzioni teoriche possibili però la soluzione con statore epitrocoidale a due lobi e rotore tri-lobato rappresenta quella più adottata e quella che Wankel utilizzò per il suo motore. Il profilo del rotore invece è quello del ; In seno a ciascuno dei tre lati del rotore, nel senso della profondità, è ricavata una nicchia che aumenta la cilindrata del rotore e soprattutto permette di migliorare la forma e le prestazioni fluidodinamiche della camera di combustione, altrimenti penalizzate dalla strozzatura di giunzione dei due lobi epitrocoidali. Il dimensionamento dello spessore della cassa statorica (misurato come distanza assiale tra le due facce laterali) non è soggetto teoricamente a nessuna limitazione: se lo spessore è eccessivo, tuttavia, la combustione risulterà lenta ed incompleta, mentre se è troppo piccolo la  può diventare troppo piccola compromettendo il funzionamento del motore. Tradizionalmente il valore dello spessore è scelto pari a circa la metà del raggio della circonferenza circoscritta al rotore.


Principali vantaggi


Il motore Wankel, grazie alla sua particolare struttura, presenta numerosi vantaggi rispetto ai vari tipi di motore alternativo a combustione interna:
un minor numero di parti in movimento;
una minore rumorosità e minori vibrazioni;
un' elevata leggerezza dovuta alle dimensioni ridotte ed elevato rapporto potenza/peso;
una minore emissione inquinante di ossidi di azoto, dovute alla minore temperatura media dei gas;
una maggiore potenza, a parità di cilindrata, rispetto ad un motore a pistoni alternativo;
una semplicità progettuale e manutentiva;
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  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 perché possiede solo due parti mobili; ha poi cicli di aspirazione e di scarico più vantaggiosi dal momento che i fluidi hanno più tempo per entrare e uscire dalla camera di combustione 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

I principali svantaggi sono:
la scarsa durata degli elementi di tenuta del rotore;
la coppia abbastanza contenuta ai bassi regimi di rotazione;
il consumo di carburante che in generale è maggiore rispetto ad un omologo motore alternativo;
la problematica lubrificazione dei segmenti apicali;
il tasso di idrocarburi incombusti molto elevato;
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 (acciaio e alluminio) e costose. Inoltre, data la conformazione spigolosa del rotore, questo è sottoposto a strisciamento e micro-urti continui contro la parete dello statore che vede presto deteriorarsi la pista di strisciamento riducendo così la tenuta idraulica delle guarnizioni, con una conseguente riduzione del rendimento.
Dal punto di vista tecnologico, la costruzione degli organi principali, quali il
rotore e lo statore, risulta essere complicata: la costruzione dello statore infatti presenta serie difficoltà a causa della lavorazione superficiale della pista di scorrimento che richiede l'uso di macchine di precisione studiate appositamente. Inoltre per garantire una buona resistenza all'usura delle superfici di strisciamento vengono eseguite processi di indurimento superficiale (temperatura) e levigatura molto accurati.
Questo problemi, negli anni '60, minarono rapidamente il proliferare dei motori rotativi, che necessitavano di ulteriori ricerche tecnologiche e produttive che solo la
Mazda, negli ultimi decenni, ha avuto il coraggio di intraprendere.

Applicazioni in campo aeronautico

Nell’aviazione leggera il motore Wankel è stato introdotto in modo massiccio solo negli ultimi decenni perché la relativamente bassa longevità del motore ne sconsigliava l’utilizzo. Oggi invece se ne apprezzano numerosi aspetti: l’ottimo rapporto peso/potenza, la piccola sezione trasversale, la leggerezza, l’affidabilità, la semplicità e non ultimo il costo contenuto. L’utilizzo di questo motore si ritrova principalmente negli aerei medio/piccoli da diporto e in alcuni tipi di acrobatici particolarmente spinti nell’elaborazione.


Applicazioni storiche

Questo tipo di motore venne utilizzato su alcune vetture che ne aumentarono la popolarità e controversie:
Nel , la Mazda vinse la
24 Ore di Le Mans con lo sport prototipo 787B spinto da un propulsore quadrirotore da 700 CV. 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  250 Lada "Zhiguli" monorotore da 70cv, seguite, nella seconda metà degli anni '80, da un altro lotto di  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).
L'unica
autovettura di serie che adotta questo tipo di motore, è il coupè giapponese Mazda RX-8, del .


Applicazione motociclistica

Le moto che hanno usato questo motore sono:
, prodotta nel '75 con motore da 497 cc;
Hercules W2000, prodotta sia da Sachs che da DKW nel '73 con motore da 294 cc;
Norton Interpol II, prodotta nel '84 con motore da 588 cc;
Norton Classic;
Norton Commander P52 e P53 prodotta nel '88 al '92 con motore da 588 cc;
Norton F1, prodotta nel '90;
;
Norton NRV 588, prodotta dal 2008 con motore da 588 cc;
BMW R27, prodotta nel '60 con motore da 250 cc;

Il motore Wankel oggi
Ad oggi ci sono nel mondo piccole aziende specializzate che progettano e producono motori di tipo Wankel per applicazioni sia in campo terrestre (auto, moto, motoslitte), che navale, che per l’aviazione. Queste aziende sfruttano la modularità nell’accoppiamento tra più rotori Wankel per avere in catalogo varie tipologie di motori con potenze che possono andare da 40 ad oltre 300 CV solo accoppiando due o più rotori dello stesso tipo. Ne consegue una notevole flessibilità e semplicità costruttiva, molto apprezzata sia dalle aziende, per il minor costo di progettazione, produzione ed assemblaggio, sia dai clienti, per la quasi infinita varietà di prodotti tra i quali poter scegliere.



 
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