L’innovativo motore che fu presentato da Felix Wankel nel 1957 grazie alla collaborazione con il dott. Froede, capo dei tecnici della N.S.U. Un motore geniale, caratterizzato però da numerose problematiche in fase di progettazione, che fu utilizzato per la prima volta nel 1963 sulla NSU Spider.
Il motore Wankel è un motore a combustione interna di tipo rotativo che al suo interno, al posto di sfruttare un pistone che si muove di moto rettilineo alternato, sfrutta un pistone di forma solitamente triangolare che si muove di moto rototraslatorio intorno al proprio asse. Il motore Wankel è costituito quindi da una parte fissa esterna detta cassa o statore, all’interno della quale è ricavata una camera di forma trocoidale, entro cui ruota il rotore solitamente di forma triangolare. Durante il moto, i vertici del rotore si mantengono costantemente a contatto con le pareti della cassa e la differenza di forma tra la parte fissa e quella in movimento porta alla formazione di camere (tre nel caso tipico di rotore triangolare), la cui variazione di volume è imposta dal movimento relativo tra statore e rotore. Per ogni giro del rotore attorno al proprio asse quindi, nei volumi delimitati da ciascuno dei suoi lati, si compiono le quattro fasi di aspirazione, compressione, espansione e scarico. Considerando quindi un motore Wankel con rotore triangolare, ad ogni giro del rotore si compiono tre cicli sfasati tra loro di 120 gradi di angolo di manovella mentre.
Come funziona?
Per effetto del moto del rotore, uno dei tre vani viene messo direttamente in collegamento con la luce di aspirazione, dalla quale entra la miscela fresca. La depressione presente nel vano, dovuta al suo aumento di volume indotto dal moto del rotore, viene in questi casi sfruttata per favorire l’ingresso della carica fresca. Il movimento del rotore causa poi la diminuzione del volume del vano formato con le pareti dello statore, andando a comprimere la carica fresca. Al termine della fase di compressione si raggiungono pressioni fino a 10 bar e scatta la scintilla per innescare la fase di combustione. Il fronte di fiamma innescato dalla scintilla della candela si propaga ed incendia la miscela compressa, che si espande. Le condizioni di elevata pressione che si vengono a creare nel vano (la pressione può raggiungere i 60 bar) favoriscono il movimento del rotore nella direzione in cui la camera si espande e generano la coppia motrice che viene poi trasmessa all’albero motore. Scoprendo la luce di scarico i gas prodotti dalla combustione vengono quindi espulsi, preparando la camera ad un altro ciclo. In particolare, prima il rotore apre la luce di comunicazione tra la camera di combustione ed il condotto di espulsione, poi, durante il suo movimento, espelle completamente i gas di scarico. La pressione durante questo processo scende da un valore prossimo alla pressione di picco fino a valori di poco superiori alla pressione atmosferica. Va però precisato che negli ultimi motori Wankel per una combustione più soddisfacente si è deciso di optare per due candele di accensione anziché di una. A causa della forma lenticolare della camera di combustione, ricavata nel rotore, la candela singola non garantiva, infatti, un’uniforme e completa combustione.
Come genera la coppia?
Le pressioni che vengono esercitate sul rotore dai gas in espansione sono trasmesse dal rotore all’albero motore mediante un eccentrico a sua volta in moto relativo con la sede del rotore. L’ingranaggio costituito dalla corona rotorica e dal pignone statorico impone, infatti, al rotore un moto pericicloidale che comporta un giro del rotore sul proprio asse ogni tre giri dell’eccentrico (l’ingranaggio interno al rotore ha il triplo dei denti rispetto al pignone statorico). Le fasi di aspirazione, compressione, espansione e scarico si ripetono in successione per ognuna delle tre camere che si creano tra statore e rotore. L’albero motore inizia quindi un nuovo giro ogni qualvolta un vertice del rotore passa di fronte alla luce di aspirazione ed è per questo che la frequenza di rotazione dell’albero coincide con la frequenza di ripetizione del ciclo, perché ad ogni giro dell’albero motore si completa un ciclo termodinamico per ogni camera. Ora si comprende come un motore rotativo Wankel sia in grado di erogare una potenza analoga a quella prodotta da un motore alternativo di tre cilindri (ciascuno avente volumetria pari a quella della singola camera del Wankel) a 2 tempi.
Come viene raffreddato?
Anche il sistema di raffreddamento assume una importanza elevata in un motore di tipologia Wankel, nel quale risulta, infatti, indispensabile raffreddare sia la cassa che il rotore. La prima perché si cerca di limitare la temperatura delle zone esposte ai gas caldi e di attenuarne il gradiente termico, che mette a dura prova la resistenza dei materiali. Non va dimenticato che a differenza di quanto avviene nel motore alternativo dove le pareti del cilindro nell’ambito dello stesso ciclo termodinamico sono lambite da gas ora caldi ora freddi, nel motore rotativo esistono zone dello statore in prossimità delle quali avvengono sempre le fasi di combustione ed espansione e zone che delimitano i vani dove avvengono le fase di aspirazione e compressione. Ne deriva che alcune superfici dello statore si trovano costantemente a temperatura elevata e sono soggette a sollecitazioni termiche e dilatazioni sensibilmente maggiori rispetto alle sollecitazioni tipiche di quelle zone dove il gas viene aspirato e compresso. Eco perché in questi motori si sfrutta un flusso periferico di refrigerante, che fornisce acqua fredda alle zone calde ed l’acqua riscaldata alle zone fredde, riducendo così le disomogeneità di temperatura nella parete dello statore, e un flusso radiale di refrigerante opportunamente studiato, in modo da massimizzare il coefficiente di scambio termico globale nelle zone sottoposte alle temperature critiche.
Punti forti e deboli?
Il fatto che il Wankel sia stato sperimentato con insistenza da molte case automobilistiche è indice del fatto che l’idea di base sia valida ed innovativa. Il motore Wankel è, infatti, dotato di una elevata semplicità di progettazione determinata da un numero esiguo di parti in movimento (il rotore e l’albero motore), di una bassissima produzione di rumori e vibrazioni grazie all’assenza di masse in moto alterno (pistoni, spinotti e bielle) che generano forze di inerzia del secondo ordine, di bassissime dissipazioni di energia merito dell’assenza della trasformazione del moto da longitudinale a rotativo, di elevati valori di potenza specifica grazie all’assenza della massa volanica, di minori perdite di carico potendo sfruttare cicli di aspirazione e di scarico più vantaggiosi e di una maggiore potenza a parità di cilindrata potendo contare su ben 270° di espansione rispetto ai classici 180°.
Purtroppo però è caratterizzato da maggiori difficoltà in fase progettuale e da alcune problematiche nell’utilizzo quotidiano. Il rotore e lo statore, per poter resistere all’intensa usura e alle brusche escursioni termiche, devono essere costruiti con leghe estremamente resistenti di acciaio e alluminio e successivamente trattati con appositi trattamenti antiusura come la tempra. Questi trattamenti garantiscono una tenuta a lungo termine dei gas tra rotore e statore sia in senso radiale che assiale. Gli stessi spigoli del rotore (elementi di tenuta), sottoposti a continui strisciamenti contro la parete dello statore, hanno bisogno di grande lubrificazione e devono per forza essere realizzati in materiale antiusura per scongiurare quanto possibile il deteriorasi della pista e la riduzione della tenuta idraulica delle guarnizioni durante il continuo sfregamento e il continuo passaggio sulle luci di scarico. Ai regimi più elevati però i segmenti vengono sottoposti ad attriti da strisciamento con le pareti dello statore sempre più intensi a causa della forza centrifuga. Per questo motivo in queste condizioni si è dovuta progettare una abbondante e specifica lubrificazione che impedisse una rapida usura degli elementi di tenuta e che aumentasse l’evacuazione del calore generato. Ai regimi più bassi, invece, la minore forza centrifuga in gioco ha presupposto l’adozione di piccole molle di spinta che stabiliscono la corretta pressione sui segmenti del rotore. Non vanno, inoltre, dimenticato il basso rapporto volume/superficie delle camere che porta ad una coppia abbastanza contenuta ai bassi regimi, cosicché risulta necessario spostarsi agli alti regimi per avere le migliori prestazioni; l’elevato consumo specifico causato dal rigetto della miscela in fase di aspirazione e da una parte di miscela incombusta che fuoriesce con i gas di scarico; le perdite di tenuta tra rotore e statore; il problema della lubrificazione dei segmenti nella zona di contatto tra il rotore e la camera dello statore; gli elevati consumi di olio a causa dell’elevata lubrificazione richiesta e l’elevato tasso di inquinanti prodotti dal motore rotativo, in particolare di idrocarburi incombusti.
Quali emissioni produce?
Un altro aspetto da tenere in considerazione sono le sostanze inquinanti emesse allo scarico. I motori Wankel producono generalmente quantità maggiori di monossido di carbonio e di idrocarburi incombusti rispetto ai motori alternativi ad accensione comandata. Questo accade perché il processo di combustione è molto più lento, vi è un maggiore raffreddamento generato dalle pareti delle camere e vi è un elevato periodo di incrocio delle valvole soprattutto nei motori con luci periferiche. Il problema può però essere risolto mediante la generazione di elevata turbolenza nel vano durante la fase di combustione, preriscaldando la carica fresca ed aumentando la durata della fase di espansione. Questi motori sono però più virtuosi dal punto di vista degli ossidi d’azoto in quanto ne producono in quantità minore rispetto ad un motore alternativo, un risultato reso possibile perché le temperature di picco raggiunte in fase di combustione sono minori. Infine non va dimenticato che i gas di scarico prodotti da un motore Wankel risultano più caldi rispetto a quelli dei motori tradizionali, perché il processo di combustione si completa quando la fase di espansione è già iniziata e perché la mancanza delle valvole di scarico e la minore velocità dei gas combusti porta a questo innalzamento di temperatura. Proprio per questo motivo per molti anni è stato adottato un reattore termico come dispositivo di abbattimento degli inquinanti per il motore Wankel, in quanto presentava elevate efficienze proprio quando veniva fatto lavorare con gas di scarico caldi e dalle elevate percentuali di incombusti. Tutto questo ha decretato purtroppo la fine di questo motore.
