Essendo questo articolo veramente molto ben fatto, molto tecnico e esplicativo, preparato da un utente dell'rx8tribe (nickname Francesco), ho pensato che poteva essere interessante per qualcuno leggerlo 
-------------------------------------------------------------------------------------
TUTTA LA TECNICA DEL WANKEL
Per tutti gli appassionati di questo singolare motore dedico quest'articolo, particolarmente tecnico, che ho preparato un pò di tempo fà per un mensile di motori.
Buona lettura.
Francesco
A Chiunque abbia avuto la fortuna di provare una vettura che montasse un motore Wankel, ne sarà rimasto sicuramente inebriato per il sound e per le sue curve di erogazione di coppia e potenza, assimilabili ad un motore motociclistico.
Attualmente in tutto il panorama mondiale dell’automobilismo, l’unica vettura a montare questo tipo di motorizzazione è la Mazda RX8.
La Mazda ha infatti acquistato il brevetto mondiale occupandosi dello sviluppo e offrendo ai propri clienti una garanzia di ben cinque anni a chilometraggio illimitato sul proprio motore, segno questo di grande consapevolezza sia dei propri mezzi che delle qualità del propulsore.
Ma andiamo con ordine per capire meglio, come funziona questa geniale trovata ingegnerestica.
Il motore Wankel è un motore a combustione interna che opera sempre su un ciclo a quattro tempi: aspirazione, compressione, accensione e scarico. Le fasi del ciclo nel motore a pistoni avvengono sempre nella stessa aerea, mentre nel motore Wankel ogni fase avviene in un’aerea ben precisa e progettata ad hoc.
Quest’ultima caratteristica pone il motore rotativo come una via di mezzo tra il motore a pistoni e una turbina a gas.
In ogni caso, questo non deve trarre in inganno dato che il motore Wankel rimane un motore a combustione interna, mentre una turbina a gas lavora per combustione esterna.
UN PO’ DI STORIA.
Felix Heinrich Wankel nasce il 13 Agosto del 1902 a Lahr, un paesino della Swabia, una regione situata all’interno della Foresta Nera, in Germania.
La sua grande passione per la meccanica lo portò all’età di 19 anni a fare dell’ apprendistato in diverse imprese industriali.
All’età di 22 anni Felix Wankel aprì la sua prima officina meccanica e con i primi soldi iniziò, già dal 1924, a fare i primi tentativi per creare un motore, in cui i pistoni fossero dei rotori.
Le grandi capacità di cui era dotato Wankel lo portarono, nel 1957 quando già lavorava per la tedesca NSU, a testare il primo motore rotativo della storia, denominato DKM-54, concretizzando tutti i suoi sforzi iniziati nel 1924.
Il 1958, dopo il DKM-54, vide la creazione del motore tipo KKM-57. In questo modello il rotore si muoveva in un’orbita grazie ad un albero eccentrico. Questo tipo di disegno diventò il riferimento per tutti gli sviluppi futuri.
Dell’enorme potenziale di questo motore se ne accorse per primo il presidente della Mazda, Mr. Tsuneji Matsuda, stipulando nel 1961 un contratto di fornitura con la NSU. Nel 1963 la Mazda riuscì a produrre il suo primo motore con un singolo rotore.
Nel 1967 nelle catene di montaggio della Mazda venne costruita la Cosmo Sport C110S, la prima vettura a montare un motore rotativo.
Il motore denominato 10A, dotato di due rotori, erogava la ragguardevole potenza di 100cv a 7000giri/minuto, con un picco di coppia di 142 Nm a 5000giri/minuto.
Nel 1968 venne prodotta la R100, motorizzata sempre con il motore 10A che erogava la stessa potenza, ma la coppia massima veniva erogata ad un regime più basso.
Dopo la R100 vennero prodotte l’RX2, l’RX3, RX4 e alcuni pick-up.
L’RX2 montava un motore più largo rispetto al 10A, denominato 12°. Questo nuovo motore sviluppava 120hp a 6500giri/minuto e una coppia massima di 156Nm erogata a 3500giri/minuto.
Venduta sino al 1978 fu sostituita dalla più performante RX3 GT, equipaggiata sempre con il motore tipo 12A, mentre, sempre negli stessi anni, il pick-up montava un motore versione 13B, particolarmente performante.
Il 1979 segnò l’arrivo del modello RX7, la prima a montare un sistema d’aspirazione a geometria variabile, a cui seguirono tre evoluzioni.
La seconda e terza generazione di RX7, montava turbocompressori a geometria variabile e turbocompressori con dimensioni diverse ad azionamento sequenziale, in modo da spostare la curva di coppia a regimi inferiori.
Nel Giungo del 1991 il motore Wankel scrisse un’importante pagina di storia; il motore denominato 787B, dotato di quattro rotori, vinse la 24 ore di Le Mans, coprendo 4923km alla media di 205km/h. Le altre due vetture del team si posizionarono rispettivamente sesta e settima.
Il motore 787B erogava 700cv a 9000giri/minuto con una coppia massima di 607Nm a 6500giri/minuto.
Nonostante questo grande risultato, non ci furono grandi sviluppi sino al 1996. Fortunatamente alcuni tecnici Mazda proseguirono lo sviluppo, arrivando a creare un motore dotato di porte laterali. Il top management della Mazda, rimase talmente impressionato per i risultati ottenuti, da dare il via libera allo sviluppo del Renesis(Rotary Engine Genesis), attualmente l’ultima evoluzione del motore rotativo.
GEOMETRIA
La complessità del motore rotativo è insita, prima di tutto, nella sua particolare geometria di funzionamento.
All’interno del motore Wankel ogni rotore, una sorta di pistone rotante, ruota dentro uno statore dalla forma epitrocoidale, seguendo un percorso che assomiglia molto a quello che potremmo produrre con uno spirografo.
La forma della sezione del rotore prende il nome di “triangolo di Reuleux”, dal nome dell’ingegnere e matematico tedesco Franz Reuleaux (1829-1905). Si costruisce partendo da un triangolo equilatero e tracciando tre archi di cerchio, di raggio uguale al lato del triangolo, aventi il centro in uno dei vertici e gli estremi sugli altri due.
Il triangolo di Reuleux si “muove” dentro l’epitrocoide; una figura geometrica piana, che prende forma dall’evoluzione di una curva tracciata da un punto fissato in un cerchio “C”, di raggio “r”, posto ad una distanza “d” dal centro del cerchio “C”, facendo rotolare “C” all'esterno di un cerchio di raggio “R”.
Per poter realizzare la reale geometria di un motore Wankel, dev’essere necessariamente stabilito un rapporto tra i due cerchi.
Il raggio del cerchio generante dev’essere la metà del cerchio base e bisogna scegliere un punto sulla sua circonferenza. Ruotando il cerchio della generante intorno al cerchio base, il percorso del punto scelto descrive una figura a otto chiamata epitrocoide.
Il rotore, montato centralmente, ruota sul suo asse e orbita intorno all’albero motore, grazie a una coppia di ruote dentate, l’una con dentatura interna solidale al rotore, l’altra con dentatura esterna vincolata al carter.
Con questo tipo di rotazione i vertici del rotore rimangono continuamente a diretto contatto con le pareti dello statore, creando lo spazio per le camere di aspirazione, accensione e scarico; le dimensioni di questi tre volumi sono determinate dall’ampiezza, dal raggio e dall’ eccentricità del rotore stesso.
L’ampiezza viene disegnata dalla faccia del rotore, la distanza che intercorre tra il centro del rotore e un suo vertice viene, invece, determinata dal raggio, mentre l’eccentricità viene descritta dalla distanza che intercorre tra l’albero motore e il centro del rotore (l’equivalente del braccio di manovella nel motore a pistoni).
Il rapporto del numero dei denti è uguale a quello al numero dei vertici del rotore ed il numero dei lobi del profilo dello statore.
Tutti gli ingegneri che si sono cimentati nello sviluppo del motore rotativo hanno individuato il limite, per un’eventuale produzione in larga scala, in un epitrocoide a due lobi e un rotore a tre vertici, quindi con un rapporto di 3:2.
Se la ruota motrice nel rotore ha settantadue denti, quella fissa deve per forza averne quarantotto. Senza questo tipo di rapportatura il motore non potrebbe neanche girare.
L’efficienza del motore Wankel, così come nel motore a pistoni, dipende dal rapporto di compressione; mentre nel motore a pistoni il rapporto di compressione geometrico è dato dal rapporto tra il volume massimo e minimo nel cilindro, rispettivamente con il pistone al PMI e PMS, nel motore Wankel il rapporto di compressione è però limitato dal rapporto tra il raggio del rotore e la sua eccentricità.
Una volta che vengono determinate queste due dimensioni, il rapporto di compressione massimo è fissato.
La larghezza del rotore non ha un limite teorico, ma se viene adottato un rotore estremamente largo, la conseguenza è quella di una combustione estremamente lenta e incompleta, mentre se particolarmente stretto, allontanerebbe il volume massimo della camera di combustione dalle candele, il che potrebbe portare il motore a non avviarsi.
La larghezza del rotore potrebbe essere comparata al diametro del cilindro, modificabile per ottenere la migliore camera di combustione.
Molti progettisti scelgono una larghezza per il rotore approssimativamente uguale alla metà del raggio del rotore.
Bassi rapporti raggio/eccentricità (definito anche rapporto K) determinano alti rapporti di compressione, mentre con alti valori di K il motore Wankel può lavorare con alti rapporti di compressione, limitati solo dal disegno della cavità ricavata sulla faccia del rotore.
I PROBLEMI DI TENUTA
Il motore Wankel durante le prime fasi del suo sviluppo era afflitto da grandi problemi che riguardavano la tenuta dei rotori.
Per avere cicli di lavoro efficienti i progettisti hanno lavorato per ridurre al minimo i trafilamenti di gas tra le varie camere di lavoro.
I fenomeni di blow-by sono influenzati da molteplici fattori, come materiali e dimensioni degli anelli di tenuta, dalle condizioni di lubrificazione, dalle condizioni di raffreddamento dello statore e del rotore e dalla precisione degli accoppiamenti meccanici nonché dalla finitura superficiale finale.
Gli anelli di tenuta del rotore sono di due tipi, a seconda della posizione in cui si trovano: uno ha la forma di una sottile lamina inserita in una cavità sui tre vertici del rotore, ed è chiamato “apex”, che tradotto dall’inglese significa proprio vertice, mentre l’altro anello di tenuta segue la curvatura del rotore stesso.
Entrambe gli anelli di tenuta sono premuti contro la superficie dello statore da una piccola molla che ne garantisce così la corretta funzionalità durante i cicli di funzionamento.
A differenza del motore a pistoni, che possiede quattro fasce elastiche inserite nel mantello del pistone per controllare il trafilamento dei gas di scarico e olio, il motore Wankel può avere un solo anello di tenuta e non se ne possono aggiungere altri. Questa è una delle ragioni chiave per cui il problema della tenuta nel motore rotativo è così importante che dev’essere risolto in aree del rotore diverse dai vertici e dalle facce laterali.
Le forze di accelerazione, a cui sono soggetti gli anelli di tenuta nel motore rotativo, sono meno intense se comparate a quelle a cui sono soggette le fasce dei pistoni, nonostante, durante lo strisciamento contro lo statore, siano sottoposte a velocità particolarmente elevate.
La ragione và ricercata nel fatto che nel motore rotativo gli anelli di tenuta hanno il vantaggio di essere soggetti ad un moto unidirezionale, mentre nei motori a pistoni le fasce sono soggette a grandi accelerazioni e soffrono tra l’altro dell’inversione di moto del pistone.
La velocità di strisciamento per gli anelli di tenuta nel motore rotativo varia ( con un minimo e un massimo) al variare della posizione del rotore, anche a velocità di rotazione dell’albero motore costanti; questo perché il rotore ruota intorno al proprio asse mentre orbita intorno all’albero motore.
Fu chiaro da subito, durante i test fatti dalla NSU in Germania e dalla Toyo Kogyo in Giappone, che in determinate condizioni le vibrazioni e il movimento degli apex, rompevano il film d’olio che si creava sulla superficie di contatto, portando così a sfregamento le due superfici metalliche.
La NSU affrontò il problema seguendo tre strade: prima riducendo lo spazio laterale tra le scanalature dell’apex, in modo da ridurne le oscillazioni senza causare grippaggi;
poi con l’introduzione di molle piatte in lega di berillio-bronzo per rinforzare il contatto con la superficie di lavoro e infine con la cromatura della stessa superficie di lavoro, riducendo così gli effetti dannosi causati dall’attrito.
La Toyo Kogyo decise di evitare l’interferenza metallo-metallo, per la quale sarebbe stata indispensabile una lubrificazione. Essi adottarono per gli anelli apex una speciale lega al carbonio, che possiede proprietà autolubrificanti, ovviando così alla presenza del film di olio lubrificante.
Tuttavia, poiché la lubrificazione in un motore a combustione interna contribuisce alla riduzione dei trafilamenti dei gas, fu opportuno studiarne gli effetti, insieme a quelli di attrito e di usura.
Sono stati valutati tre metodi sperimentati per ovviare alla lubrificazione degli anelli apex: uno è stato quello di miscelare olio con la benzina, il secondo quello di iniettare olio dal lato del rotore, il terzo è un sistema indipendente per l’immissione di olio sul lato del rotore.
Il primo sistema è stato scartato perché era attuabile solo con quantitativi di carburante costanti. Anche il secondo metodo è stato abbandonato, per l’impossibilità di gestire i trafilamenti d’ olio dal lato della superficie del rotore nelle diverse condizioni di lavoro del motore.
Il sistema di alimentazione indipendente dell’olio è stato successivamente sviluppato con successo, in modo da iniettare olio in quantità variabile, secondo le esigenze del motore.
IL PROCESSO DI COMBUSTIONE
Uno dei primi problemi con cui i progettisti si sono dovuti scontrare, nell’analisi dei processi di combustione del motore Wankel, fu dato dalla particolare conformazione della sua camera di combustione.
Lungo l’asse minore dello statore, la camera di combustione è divisa in due sezioni: mentre una è soggetta al processo di combustione, nello stesso istante nell’altro lato del rotore si verifica un processo di espansione.
A differenza di un motore a moto alterno, in cui i gas di scarico sono sempre compressi tra il pistone e le valvole, il flusso dei gas in un motore Wankel è continuo.
Questo perché il rotore è in continuo movimento e anche se la forma e il volume della camera di combustione non cambiano mai, come nel motore a pistoni, il processo di combustione è completamente diverso.
Il volume utile per la combustione stessa evolve lungo lo statore; la carica fresca, di aria e benzina, si sposta negli incavi che si formano tra il rotore e lo statore. Quando una di queste “tasche” si allarga, durante la fase di spostamento del rotore, la miscela, in pieno processo di combustione, si propaga verso il vertice successivo con incredibile velocità e la velocità stessa di spostamento del gas è estremamente alta.
Il processo di propagazione della combustione è la stessa del motore a pistoni, con lo stesso tipo di fronte di fiamma. In un motore a pistoni con una camera a bassa turbolenza il fronte di fiamma avanza dal centro della candela, con un andamento simile a quello di un sasso lanciato nell’acqua.
Nel motore Wankel il fronte di fiamma non può essere controllato, il che rende il posizionamento delle candele particolarmente critico per il raggiungimento di una combustione ottimale.
La candela teoricamente dovrebbe accendere la miscela contenuta di fronte al rotore; sperimentalmente si è però notato che se posizionata leggermente indietro all’asse minore dello statore, si favorisce la propagazione del fronte di fiamma, questo perché il trasferimento è più veloce sul lato principale che aumenta il suo volume durante la rotazione. D’altra parte, se la candela fosse posizionata sull’asse minore o poco sopra di questo, la sua posizione sarebbe ottimale per la propagazione del fronte di fiamma e per l’uniformità della miscela aria-benzina, ma il fronte di fiamma tenderebbe a rallentare perché un certo volume di gas incombusti verrebbe spazzato via dall’anello apex verso la luce di scarico.
Una soluzione particolarmente vantaggiosa, per minimizzare i tempi della combustione della miscela, è stata trovata adottando due candele che garantiscono una più completa combustione, migliorando così la potenza erogata e riducendo le emissioni inquinanti.
La combustione è condizionata oltretutto dalla conformazione delle luci di aspirazione e scarico, dalla camera di combustione, dalla velocità dei gas di scarico durante la fase di asse minore e dalla posizione delle candele.
Il posizionamento delle luci ha subito, nel tempo, diversi sviluppi e diverse considerazioni, da parte dei maggiori centri di sviluppo del motore Wankel.
La NSU, per esempio, ha sistemato la luce d’aspirazione sulla parte periferica dell’alloggiamento del rotore, mentre la Curtiss-Wright ha optato per la luce laterale. Alla Toyo Kogyo è stata invece testata, inizialmente, solamente la porta periferica; solo più tardi la combinazione di entrambe le soluzioni è stata testata più intensamente ed è stata proprio la Toyo Kogyo ha sviluppare un sistema a due luce laterali.
La porta periferica permette alte velocità e rapide fuoriuscite dei gas, quindi migliorando il rendimento ad alti regimi di rotazione; con la luce laterale la combustione rimane più stabile con bassi carichi di lavoro e basse velocità di rotazione, minimo incluso, migliorando il rendimento volumetrico a basse velocità.
Questa è la particolare caratteristica del Wankel, e anche la maggior differenza con il motore a pistoni, che ha il suo limite nell’alzata delle valvole e nei tempi di apertura.
L’adozione delle luci laterali nei motori Wankel non offre soltanto un miglior riempimento durante i bassi carichi di lavoro, ma con una opportuna sincronizzazione dei tempi di funzionamento delle luci è possibile ampliare il range di giri ottimale.
La doppia luce laterale offre la possibilità di poterle usare separatamente, una per le basse velocità e l’altra per gli alti regimi di rotazione. In questo caso la velocità dei gas durante la fase di aspirazione viene mantenuta su valori ottimali al variare delle condizioni.
IL PROBLEMA DEL RAFFREDDAMENTO
Le problematiche, che per prime si sono dovute risolvere sul motore Wankel, hanno riguardato anche il raffreddamento, che in caso di bassa efficienza riduce di molto la durata delle varie componenti meccaniche.
L’obbiettivo è stato quello di minimizzare le temperature nell’area dove ha luogo la combustione, l’espansione e nella zona intorno alle candele, mentre il resto dello statore non necessita di particolare cure per lo smaltimento del calore.
Questa differente distribuzione delle temperature può causare, talvolta, locali distorsioni, che possono arrivare ad influenzare il corretto funzionamento degli anelli di tenuta dell’ olio e dei gas di scarico.
La massima temperatura dello statore è molto più alta di quella delle superfici laterali, a tal punto che locali surriscaldamenti possono rompere il film d’olio sulla superficie.
Accelerate improvvise a motore freddo, specialmente durante la stagione invernale o quando si verificano fenomeni di autoaccensione durante la guida ad alta velocità, espongono la camera di combustione a ripetute e molto ampie escursioni termiche.
Tutti questi stress termici possono portare alla formazione di vere e proprie fratture, in particolar modo in direzione assiale all’alloggiamento della candela e, in alcuni casi estremi, le fratture possono raggiungere i condotti di raffreddamento, con risultati facilmente immaginabili.
L’utilizzo di nuovi materiali ad alta conducibilità termica, unita a nuovi metodi di circolazione del liquido refrigerante, hanno portato alla riduzione delle temperature massime sulla superficie dello statore.
Un sistema particolarmente efficiente, sviluppato dalla Curtiss-Wright, fu quello di creare un sistema a multi passaggio con flusso forzato, dove il liquido refrigerante passa avanti e indietro nei condotti ricavati all’interno dello statore, da un’estremità all’altra, in un'unica direzione.
I condotti di raffreddamento sono paralleli all’asse dell’albero motore, mentre i diametri dei condotti variano in base alla quantità di calore da asportare, in modo da aumentare la velocità del fluido refrigerante nelle zone più calde. Questo sistema garantisce un buona dissipazione di calore e bilanciamento termico, mentre le distorsioni termiche sono state ridotte grazie ad un disegno dei condotti uniforme e dallo spessore ridotto.
Le zone con le più alte temperature corrispondono alle zone soggette agli stress maggiori, ma l’aggiunta di nervature ha aiutato ad irrigidire la struttura e a migliorare il raffreddamento.
Il sistema di raffreddamento in un motore a pistone non può essere paragonato a quello di un motore rotativo; il motore a pistoni ha una più ampia superficie investita dall’aria e maggiori volumi di scambio termico (i cilindri più i carter motore), mentre il rotore, incapsulato dentro al suo alloggiamento, richiede un maggiore scambio termico.
Ad aumentare le problematiche legate all’aumento di temperatura c’è anche il fatto che il rotore si muove ad un terzo della velocità dell’albero motore, diminuendo di fatto le possibilità di smaltire calore. Se il raffreddamento del rotore fosse insufficiente, le problematiche a cui si andrebbe incontro portano all’incollaggio delle guarnizioni sulla superficie scanalata o su quella di scorrimento e i locali surriscaldamenti porterebbero a possibili detonazioni.
C’è un’importante correlazione tra le caratteristiche di raffreddamento del rotore e il suo materiale; sia l’acciaio che l’alluminio offrono ciascuno diversi vantaggi e svantaggi.
In molti hanno utilizzato l’acciaio, ritenuto più sicuro per la sua intrinseca resistenza meccanica, ma l’alluminio ha dalla sua quella di avere una minore inerzia al movimento e una maggiore conducibilità termica, anche se richiede un raffreddamento più efficiente.
Tuttavia la conformazione stessa del rotore ha fatto si che si potessero realizzare una serie di condotti interni per il passaggio dell’olio, così da facilitare la riduzione delle temperature.
L’olio lubrificante, lo stesso che lubrifica i cuscinetti principali ed eccentrici, circola all'interno del rotore, ne riduce efficacemente la temperatura, esce dal rotore stesso, viene raffreddato nel radiatore dell’olio, per venire ripompato all’interno del motore.
In fase di progetto è importante disegnare accuratamente i condotti all’interno del rotore così come è importante controllare il foro del cuscinetto centrale dove viene iniettato l’olio. L’aumento delle temperature dell’olio, il tempo che si impiega a raggiungere i valori termici ottimali e il periodo di contatto con il metallo devono essere accuratamente controllati per prevenire i fenomeni di “coking” o altre alterazione del lubrificante; mantenere sotto controllo questi parametri si traduce in un migliore efficienza dell’impianto di lubrificazione ed un conseguente miglioramento dell’affidabilità.
Il passaggio dell’olio è continuo ma la velocità e la pressione sono in funzione della velocità di rotazione del motore. La rotazione dell’albero e l’inerzia del rotore impongono un aumento di pressione, approssimativamente sinusoidale, dell’alimentazione dell’olio.
I cuscinetti del rotore hanno anelli di tenuta che permettono di controllare i trafilamenti dell’ olio, così da assicurare un’adeguata lubrificazione sui fianchi del rotore e a tutte le superfici con un elevato coefficiente d’attrito. Quando l’olio viene utilizzato per raffreddare lo statore e viene spruzzato ad alta pressione sul cuscinetto del rotore, considerevoli quantità potrebbero essere espulse sulla superficie di scorrimento se non venissero adottati efficienti anelli di tenuta per evitare sgraditi trafilamenti nella camera di combustione.
Inizialmente si era visto che durante il funzionamento una gran quantità d’olio rimaneva sui fianchi del rotore, causando grandi problemi di trafilaggio; un problema che venne risolto montando la guarnizione dell’olio tra il cuscinetto eccentrico ed il rotore, riducendo di fatto i fenomeni di blow-by.
Nelle sue prime fasi di sviluppo l’inefficacia degli anelli di tenuta rendeva i consumi d’olio estremamente elevati. Il progresso tecnologico ha però migliorato notevolmente la tenuta delle guarnizioni, portando però ad un’inaspettata problematica; in aggiunta alle complessità legate alla meccanica e alle distorsioni termiche, si sono dovute prendere in considerazione anche le diverse condizioni di lavoro che gravano sugli anelli di tenuta, in modo da crearne di specifici.
Il moto orbitale a cui sono sottoposti gli anelli di tenuta fa si che, alternativamente, vengano eliminati i depositi carboniosi e venga poi lasciato un sottile film d’olio, che indirettamente lubrifica le diverse superfici dell’apex.
Il processo di lubrificazione degli apex è molto diverso da quello per le fasce elastiche dei motori a pistoni, ed è decisamente più complesso. Durante le prime fasi dello sviluppo, sia la NSU in Germania che la Toyo Kogyo in Giappone, testarono il Wankel utilizzando olio miscelato al carburante nelle proporzioni di 50:1 o di 100:1.
Fortunatamente non è più necessario miscelare l’olio al carburante, grazie ai condotti dell’olio ricavati all’interno dei rotori, grazie anche al grande progresso tecnologico che si è avuto nella formulazione degli oli lubrificanti e dei materiali.
RENESIS: LA MASSIMA EVOLUZIONE DEL MOTORE WANKEL
La prima applicazione del motore Renesis, denominato 13B-MSP, risale al 2003 e fu ben più di una semplice evoluzione di quello montato sulla Mazda RX7.
Di questo motore ne sono state prodotte due versioni, con potenze diverse ed entrambe ad aspirazione atmosferica; una da 154Kw a 7200giri/min con 222Nm di coppia massima erogata a 5200giri/min e una versione più potente con una potenza di 184Kw a 8500 giri/min e una coppia massima di 216Nm a 5500 giri/min.
Sul motore Renesis sono stati adottati un acceleratore elettronico, due rotori più leggeri, un più alto rapporto di compressione, nuovi iniettori del carburante e un limitatore tarato a circa 9500 giri/minuto. L’evoluzione ha portato ad una spaventosa riduzione di peso di ben 36kg, in grado di offrire al guidatore doti dinamiche da vera sportiva, grazie anche ad un abbassamento del baricentro del motore di 40mm e ad un arretramento dello stesso di 60mm.
Gli ultimi sviluppi del motore rotativo hanno anche garantito una riduzione dei consumi del 40% e portato ad una drastica riduzione delle emissioni inquinanti, con meno di 19grammi di CO, 22grammi di HC e 14grammi di NOx.
Per ottenere questi risultati, che sono valse al Renesis il superamento delle severe norme antinquinamento Californiane, oltre all’utilizzo di un catalizzatore a tre vie, le luci di scarico sono state spostate lateralmente, portando ad una riduzione del 40% delle emissioni di HC. La conformazione stessa del motore rotativo, meno soggetto a fenomeni di detonazione rispetto al motore a pistoni, permette di mantenere una carburazione “magra” anche durante le fasi sotto carico, così da ridurre ulteriormente le emissioni inquinanti.
Il motore rotativo Renesis ha due o tre luci di aspirazione, a seconda della potenza erogata, con una larghezza superiore del 30% rispetto alla precedente versione, il che riduce la resistenza dell’aria aspirata.
I tempi di apertura delle porte di aspirazione è stata anticipata rispetto a prima, garantendo maggiore potenza e una migliore resa ai bassi regimi di rotazione con un generale miglioramento dell’andamento della curva di coppia.
Il motore da 247hp, l’unico commercializzato in Italia, è dotato di tre luci per ogni rotore in aggiunta alle altre due porte.
Rispetto al passato, in cui veniva utilizzata un’unica luce scarico periferica per ogni rotore, nel motore Renesis il numero delle porte è stato portato a due disposte lateralmente, sempre per ogni rotore.
Oltre all’aumento della rapidità di scarico dei gas, la disposizione laterale della porta permette un ritardo nella apertura della luce di scarico. Questo permette di eliminare l’incrocio con le porte di aspirazione e di aumentare la sezione della luce. Il risultato è un aumento della fase di aspirazione con un miglioramento del rendimento globale.
Inoltre, per ritardare l’apertura delle luci di scarico di quindici gradi, su entrambi i lati del vertice del rotore sono inserite particolari incisioni.
Gli anelli apex sono divisi in due parti, una superiore e una laterale, e sono state adottate due lamine elastiche per mantenere un più corretto contatto con lo statore.
Nei rotori del motore Renesis è stato aggiunto un anello di tenuta laterale, chiamato “cut-off seal” utile per ridurre la quantità dei gas di scarico che passano nella miscela aspirata.
La profondità della coppa dell’olio è stata ridotta sino a 40mm, circa la metà rispetto a quella di un motore tradizionale, permettendo così una riduzione di peso del motore, un posizionamento più in basso del motore e un conseguente abbassamento del centro di gravità nel veicolo.
La pompa dell’olio invia una quantità ben precisa di olio ai quattro iniettori(due per ogni rotore) per raffreddare gli anelli apex. La quantità d’olio è controllata accuratamente da un motorino “passo-passo”,in funzione del numero di giri del motore, dimezzando così il consumo d’olio rispetto al modello precedente.
Il sistema di aspirazione nel motore Renesis è stato modificato in modo da adattarsi alle diverse condizioni di velocità di rotazione del motore e alle diverse condizioni di carico.
Nel motore con la più alta potenza, con tre porte di aspirazione, ad un regime di giri inferiore ai 3250giri/min, la porta primaria rimane sempre aperta, mentre le valvole SSV(Secondary Shutter Valve) sono chiuse, in modo da mantenere alta la velocità della colonna d’aria.
A regimi compresi tra i 3250giri/min e i 5500giri/min si aprono le SSV, tramite un solenoide pneumatico; il motore utilizza così due condotti d’aria e due luci di aspirazione per ogni rotore, migliorando la coppia erogata.
Tra i 5500 e i 6250 giri al minuto, il VFAD(Variable Fresh Air Duct) apre un altro condotto tramite un attuatore pneumatico, posizionato a monte del cassonetto d’aspirazione, raddoppiando così la quantità d’aria a disposizione del motore.
Tra i 6250giri/min e i 7500giri/min le due valvole APV(Auxiliary Port Valve),una per lato controllate da un motore elettrico, aprono il terzo condotto d’aspirazione.
A questo regime tutti i sei condotti sono aperti aumentando potenza e coppia erogata.
Oltre i 7500giri/min si apre la valvola VDI(Variable Dynamic Intake), controllata da un attuatore pneumatico, che porta ad un accorciamento dei condotti di aspirazione, sfruttando meglio la frequenza delle onde di pressione per gli alti regimi.
La benzina viene immessa tramite sei iniettori, tre per rotore, denominati: Primary 1, Primary 2 e Secondary. L’iniettore Primary 1 funziona a tutti i regimi, il Primary 2 e il Secondary intervengono oltre i 3750 giri al minuto dando così modo al motore al motore di erogare tutta la potenza disponibile.
-------------------------------------------------------------------------------------
TUTTA LA TECNICA DEL WANKEL
Per tutti gli appassionati di questo singolare motore dedico quest'articolo, particolarmente tecnico, che ho preparato un pò di tempo fà per un mensile di motori.
Buona lettura.
Francesco
A Chiunque abbia avuto la fortuna di provare una vettura che montasse un motore Wankel, ne sarà rimasto sicuramente inebriato per il sound e per le sue curve di erogazione di coppia e potenza, assimilabili ad un motore motociclistico.
Attualmente in tutto il panorama mondiale dell’automobilismo, l’unica vettura a montare questo tipo di motorizzazione è la Mazda RX8.
La Mazda ha infatti acquistato il brevetto mondiale occupandosi dello sviluppo e offrendo ai propri clienti una garanzia di ben cinque anni a chilometraggio illimitato sul proprio motore, segno questo di grande consapevolezza sia dei propri mezzi che delle qualità del propulsore.
Ma andiamo con ordine per capire meglio, come funziona questa geniale trovata ingegnerestica.
Il motore Wankel è un motore a combustione interna che opera sempre su un ciclo a quattro tempi: aspirazione, compressione, accensione e scarico. Le fasi del ciclo nel motore a pistoni avvengono sempre nella stessa aerea, mentre nel motore Wankel ogni fase avviene in un’aerea ben precisa e progettata ad hoc.
Quest’ultima caratteristica pone il motore rotativo come una via di mezzo tra il motore a pistoni e una turbina a gas.
In ogni caso, questo non deve trarre in inganno dato che il motore Wankel rimane un motore a combustione interna, mentre una turbina a gas lavora per combustione esterna.
UN PO’ DI STORIA.
Felix Heinrich Wankel nasce il 13 Agosto del 1902 a Lahr, un paesino della Swabia, una regione situata all’interno della Foresta Nera, in Germania.
La sua grande passione per la meccanica lo portò all’età di 19 anni a fare dell’ apprendistato in diverse imprese industriali.
All’età di 22 anni Felix Wankel aprì la sua prima officina meccanica e con i primi soldi iniziò, già dal 1924, a fare i primi tentativi per creare un motore, in cui i pistoni fossero dei rotori.
Le grandi capacità di cui era dotato Wankel lo portarono, nel 1957 quando già lavorava per la tedesca NSU, a testare il primo motore rotativo della storia, denominato DKM-54, concretizzando tutti i suoi sforzi iniziati nel 1924.
Il 1958, dopo il DKM-54, vide la creazione del motore tipo KKM-57. In questo modello il rotore si muoveva in un’orbita grazie ad un albero eccentrico. Questo tipo di disegno diventò il riferimento per tutti gli sviluppi futuri.
Dell’enorme potenziale di questo motore se ne accorse per primo il presidente della Mazda, Mr. Tsuneji Matsuda, stipulando nel 1961 un contratto di fornitura con la NSU. Nel 1963 la Mazda riuscì a produrre il suo primo motore con un singolo rotore.
Nel 1967 nelle catene di montaggio della Mazda venne costruita la Cosmo Sport C110S, la prima vettura a montare un motore rotativo.
Il motore denominato 10A, dotato di due rotori, erogava la ragguardevole potenza di 100cv a 7000giri/minuto, con un picco di coppia di 142 Nm a 5000giri/minuto.
Nel 1968 venne prodotta la R100, motorizzata sempre con il motore 10A che erogava la stessa potenza, ma la coppia massima veniva erogata ad un regime più basso.
Dopo la R100 vennero prodotte l’RX2, l’RX3, RX4 e alcuni pick-up.
L’RX2 montava un motore più largo rispetto al 10A, denominato 12°. Questo nuovo motore sviluppava 120hp a 6500giri/minuto e una coppia massima di 156Nm erogata a 3500giri/minuto.
Venduta sino al 1978 fu sostituita dalla più performante RX3 GT, equipaggiata sempre con il motore tipo 12A, mentre, sempre negli stessi anni, il pick-up montava un motore versione 13B, particolarmente performante.
Il 1979 segnò l’arrivo del modello RX7, la prima a montare un sistema d’aspirazione a geometria variabile, a cui seguirono tre evoluzioni.
La seconda e terza generazione di RX7, montava turbocompressori a geometria variabile e turbocompressori con dimensioni diverse ad azionamento sequenziale, in modo da spostare la curva di coppia a regimi inferiori.
Nel Giungo del 1991 il motore Wankel scrisse un’importante pagina di storia; il motore denominato 787B, dotato di quattro rotori, vinse la 24 ore di Le Mans, coprendo 4923km alla media di 205km/h. Le altre due vetture del team si posizionarono rispettivamente sesta e settima.
Il motore 787B erogava 700cv a 9000giri/minuto con una coppia massima di 607Nm a 6500giri/minuto.
Nonostante questo grande risultato, non ci furono grandi sviluppi sino al 1996. Fortunatamente alcuni tecnici Mazda proseguirono lo sviluppo, arrivando a creare un motore dotato di porte laterali. Il top management della Mazda, rimase talmente impressionato per i risultati ottenuti, da dare il via libera allo sviluppo del Renesis(Rotary Engine Genesis), attualmente l’ultima evoluzione del motore rotativo.
GEOMETRIA
La complessità del motore rotativo è insita, prima di tutto, nella sua particolare geometria di funzionamento.
All’interno del motore Wankel ogni rotore, una sorta di pistone rotante, ruota dentro uno statore dalla forma epitrocoidale, seguendo un percorso che assomiglia molto a quello che potremmo produrre con uno spirografo.
La forma della sezione del rotore prende il nome di “triangolo di Reuleux”, dal nome dell’ingegnere e matematico tedesco Franz Reuleaux (1829-1905). Si costruisce partendo da un triangolo equilatero e tracciando tre archi di cerchio, di raggio uguale al lato del triangolo, aventi il centro in uno dei vertici e gli estremi sugli altri due.
Il triangolo di Reuleux si “muove” dentro l’epitrocoide; una figura geometrica piana, che prende forma dall’evoluzione di una curva tracciata da un punto fissato in un cerchio “C”, di raggio “r”, posto ad una distanza “d” dal centro del cerchio “C”, facendo rotolare “C” all'esterno di un cerchio di raggio “R”.
Per poter realizzare la reale geometria di un motore Wankel, dev’essere necessariamente stabilito un rapporto tra i due cerchi.
Il raggio del cerchio generante dev’essere la metà del cerchio base e bisogna scegliere un punto sulla sua circonferenza. Ruotando il cerchio della generante intorno al cerchio base, il percorso del punto scelto descrive una figura a otto chiamata epitrocoide.
Il rotore, montato centralmente, ruota sul suo asse e orbita intorno all’albero motore, grazie a una coppia di ruote dentate, l’una con dentatura interna solidale al rotore, l’altra con dentatura esterna vincolata al carter.
Con questo tipo di rotazione i vertici del rotore rimangono continuamente a diretto contatto con le pareti dello statore, creando lo spazio per le camere di aspirazione, accensione e scarico; le dimensioni di questi tre volumi sono determinate dall’ampiezza, dal raggio e dall’ eccentricità del rotore stesso.
L’ampiezza viene disegnata dalla faccia del rotore, la distanza che intercorre tra il centro del rotore e un suo vertice viene, invece, determinata dal raggio, mentre l’eccentricità viene descritta dalla distanza che intercorre tra l’albero motore e il centro del rotore (l’equivalente del braccio di manovella nel motore a pistoni).
Il rapporto del numero dei denti è uguale a quello al numero dei vertici del rotore ed il numero dei lobi del profilo dello statore.
Tutti gli ingegneri che si sono cimentati nello sviluppo del motore rotativo hanno individuato il limite, per un’eventuale produzione in larga scala, in un epitrocoide a due lobi e un rotore a tre vertici, quindi con un rapporto di 3:2.
Se la ruota motrice nel rotore ha settantadue denti, quella fissa deve per forza averne quarantotto. Senza questo tipo di rapportatura il motore non potrebbe neanche girare.
L’efficienza del motore Wankel, così come nel motore a pistoni, dipende dal rapporto di compressione; mentre nel motore a pistoni il rapporto di compressione geometrico è dato dal rapporto tra il volume massimo e minimo nel cilindro, rispettivamente con il pistone al PMI e PMS, nel motore Wankel il rapporto di compressione è però limitato dal rapporto tra il raggio del rotore e la sua eccentricità.
Una volta che vengono determinate queste due dimensioni, il rapporto di compressione massimo è fissato.
La larghezza del rotore non ha un limite teorico, ma se viene adottato un rotore estremamente largo, la conseguenza è quella di una combustione estremamente lenta e incompleta, mentre se particolarmente stretto, allontanerebbe il volume massimo della camera di combustione dalle candele, il che potrebbe portare il motore a non avviarsi.
La larghezza del rotore potrebbe essere comparata al diametro del cilindro, modificabile per ottenere la migliore camera di combustione.
Molti progettisti scelgono una larghezza per il rotore approssimativamente uguale alla metà del raggio del rotore.
Bassi rapporti raggio/eccentricità (definito anche rapporto K) determinano alti rapporti di compressione, mentre con alti valori di K il motore Wankel può lavorare con alti rapporti di compressione, limitati solo dal disegno della cavità ricavata sulla faccia del rotore.
I PROBLEMI DI TENUTA
Il motore Wankel durante le prime fasi del suo sviluppo era afflitto da grandi problemi che riguardavano la tenuta dei rotori.
Per avere cicli di lavoro efficienti i progettisti hanno lavorato per ridurre al minimo i trafilamenti di gas tra le varie camere di lavoro.
I fenomeni di blow-by sono influenzati da molteplici fattori, come materiali e dimensioni degli anelli di tenuta, dalle condizioni di lubrificazione, dalle condizioni di raffreddamento dello statore e del rotore e dalla precisione degli accoppiamenti meccanici nonché dalla finitura superficiale finale.
Gli anelli di tenuta del rotore sono di due tipi, a seconda della posizione in cui si trovano: uno ha la forma di una sottile lamina inserita in una cavità sui tre vertici del rotore, ed è chiamato “apex”, che tradotto dall’inglese significa proprio vertice, mentre l’altro anello di tenuta segue la curvatura del rotore stesso.
Entrambe gli anelli di tenuta sono premuti contro la superficie dello statore da una piccola molla che ne garantisce così la corretta funzionalità durante i cicli di funzionamento.
A differenza del motore a pistoni, che possiede quattro fasce elastiche inserite nel mantello del pistone per controllare il trafilamento dei gas di scarico e olio, il motore Wankel può avere un solo anello di tenuta e non se ne possono aggiungere altri. Questa è una delle ragioni chiave per cui il problema della tenuta nel motore rotativo è così importante che dev’essere risolto in aree del rotore diverse dai vertici e dalle facce laterali.
Le forze di accelerazione, a cui sono soggetti gli anelli di tenuta nel motore rotativo, sono meno intense se comparate a quelle a cui sono soggette le fasce dei pistoni, nonostante, durante lo strisciamento contro lo statore, siano sottoposte a velocità particolarmente elevate.
La ragione và ricercata nel fatto che nel motore rotativo gli anelli di tenuta hanno il vantaggio di essere soggetti ad un moto unidirezionale, mentre nei motori a pistoni le fasce sono soggette a grandi accelerazioni e soffrono tra l’altro dell’inversione di moto del pistone.
La velocità di strisciamento per gli anelli di tenuta nel motore rotativo varia ( con un minimo e un massimo) al variare della posizione del rotore, anche a velocità di rotazione dell’albero motore costanti; questo perché il rotore ruota intorno al proprio asse mentre orbita intorno all’albero motore.
Fu chiaro da subito, durante i test fatti dalla NSU in Germania e dalla Toyo Kogyo in Giappone, che in determinate condizioni le vibrazioni e il movimento degli apex, rompevano il film d’olio che si creava sulla superficie di contatto, portando così a sfregamento le due superfici metalliche.
La NSU affrontò il problema seguendo tre strade: prima riducendo lo spazio laterale tra le scanalature dell’apex, in modo da ridurne le oscillazioni senza causare grippaggi;
poi con l’introduzione di molle piatte in lega di berillio-bronzo per rinforzare il contatto con la superficie di lavoro e infine con la cromatura della stessa superficie di lavoro, riducendo così gli effetti dannosi causati dall’attrito.
La Toyo Kogyo decise di evitare l’interferenza metallo-metallo, per la quale sarebbe stata indispensabile una lubrificazione. Essi adottarono per gli anelli apex una speciale lega al carbonio, che possiede proprietà autolubrificanti, ovviando così alla presenza del film di olio lubrificante.
Tuttavia, poiché la lubrificazione in un motore a combustione interna contribuisce alla riduzione dei trafilamenti dei gas, fu opportuno studiarne gli effetti, insieme a quelli di attrito e di usura.
Sono stati valutati tre metodi sperimentati per ovviare alla lubrificazione degli anelli apex: uno è stato quello di miscelare olio con la benzina, il secondo quello di iniettare olio dal lato del rotore, il terzo è un sistema indipendente per l’immissione di olio sul lato del rotore.
Il primo sistema è stato scartato perché era attuabile solo con quantitativi di carburante costanti. Anche il secondo metodo è stato abbandonato, per l’impossibilità di gestire i trafilamenti d’ olio dal lato della superficie del rotore nelle diverse condizioni di lavoro del motore.
Il sistema di alimentazione indipendente dell’olio è stato successivamente sviluppato con successo, in modo da iniettare olio in quantità variabile, secondo le esigenze del motore.
IL PROCESSO DI COMBUSTIONE
Uno dei primi problemi con cui i progettisti si sono dovuti scontrare, nell’analisi dei processi di combustione del motore Wankel, fu dato dalla particolare conformazione della sua camera di combustione.
Lungo l’asse minore dello statore, la camera di combustione è divisa in due sezioni: mentre una è soggetta al processo di combustione, nello stesso istante nell’altro lato del rotore si verifica un processo di espansione.
A differenza di un motore a moto alterno, in cui i gas di scarico sono sempre compressi tra il pistone e le valvole, il flusso dei gas in un motore Wankel è continuo.
Questo perché il rotore è in continuo movimento e anche se la forma e il volume della camera di combustione non cambiano mai, come nel motore a pistoni, il processo di combustione è completamente diverso.
Il volume utile per la combustione stessa evolve lungo lo statore; la carica fresca, di aria e benzina, si sposta negli incavi che si formano tra il rotore e lo statore. Quando una di queste “tasche” si allarga, durante la fase di spostamento del rotore, la miscela, in pieno processo di combustione, si propaga verso il vertice successivo con incredibile velocità e la velocità stessa di spostamento del gas è estremamente alta.
Il processo di propagazione della combustione è la stessa del motore a pistoni, con lo stesso tipo di fronte di fiamma. In un motore a pistoni con una camera a bassa turbolenza il fronte di fiamma avanza dal centro della candela, con un andamento simile a quello di un sasso lanciato nell’acqua.
Nel motore Wankel il fronte di fiamma non può essere controllato, il che rende il posizionamento delle candele particolarmente critico per il raggiungimento di una combustione ottimale.
La candela teoricamente dovrebbe accendere la miscela contenuta di fronte al rotore; sperimentalmente si è però notato che se posizionata leggermente indietro all’asse minore dello statore, si favorisce la propagazione del fronte di fiamma, questo perché il trasferimento è più veloce sul lato principale che aumenta il suo volume durante la rotazione. D’altra parte, se la candela fosse posizionata sull’asse minore o poco sopra di questo, la sua posizione sarebbe ottimale per la propagazione del fronte di fiamma e per l’uniformità della miscela aria-benzina, ma il fronte di fiamma tenderebbe a rallentare perché un certo volume di gas incombusti verrebbe spazzato via dall’anello apex verso la luce di scarico.
Una soluzione particolarmente vantaggiosa, per minimizzare i tempi della combustione della miscela, è stata trovata adottando due candele che garantiscono una più completa combustione, migliorando così la potenza erogata e riducendo le emissioni inquinanti.
La combustione è condizionata oltretutto dalla conformazione delle luci di aspirazione e scarico, dalla camera di combustione, dalla velocità dei gas di scarico durante la fase di asse minore e dalla posizione delle candele.
Il posizionamento delle luci ha subito, nel tempo, diversi sviluppi e diverse considerazioni, da parte dei maggiori centri di sviluppo del motore Wankel.
La NSU, per esempio, ha sistemato la luce d’aspirazione sulla parte periferica dell’alloggiamento del rotore, mentre la Curtiss-Wright ha optato per la luce laterale. Alla Toyo Kogyo è stata invece testata, inizialmente, solamente la porta periferica; solo più tardi la combinazione di entrambe le soluzioni è stata testata più intensamente ed è stata proprio la Toyo Kogyo ha sviluppare un sistema a due luce laterali.
La porta periferica permette alte velocità e rapide fuoriuscite dei gas, quindi migliorando il rendimento ad alti regimi di rotazione; con la luce laterale la combustione rimane più stabile con bassi carichi di lavoro e basse velocità di rotazione, minimo incluso, migliorando il rendimento volumetrico a basse velocità.
Questa è la particolare caratteristica del Wankel, e anche la maggior differenza con il motore a pistoni, che ha il suo limite nell’alzata delle valvole e nei tempi di apertura.
L’adozione delle luci laterali nei motori Wankel non offre soltanto un miglior riempimento durante i bassi carichi di lavoro, ma con una opportuna sincronizzazione dei tempi di funzionamento delle luci è possibile ampliare il range di giri ottimale.
La doppia luce laterale offre la possibilità di poterle usare separatamente, una per le basse velocità e l’altra per gli alti regimi di rotazione. In questo caso la velocità dei gas durante la fase di aspirazione viene mantenuta su valori ottimali al variare delle condizioni.
IL PROBLEMA DEL RAFFREDDAMENTO
Le problematiche, che per prime si sono dovute risolvere sul motore Wankel, hanno riguardato anche il raffreddamento, che in caso di bassa efficienza riduce di molto la durata delle varie componenti meccaniche.
L’obbiettivo è stato quello di minimizzare le temperature nell’area dove ha luogo la combustione, l’espansione e nella zona intorno alle candele, mentre il resto dello statore non necessita di particolare cure per lo smaltimento del calore.
Questa differente distribuzione delle temperature può causare, talvolta, locali distorsioni, che possono arrivare ad influenzare il corretto funzionamento degli anelli di tenuta dell’ olio e dei gas di scarico.
La massima temperatura dello statore è molto più alta di quella delle superfici laterali, a tal punto che locali surriscaldamenti possono rompere il film d’olio sulla superficie.
Accelerate improvvise a motore freddo, specialmente durante la stagione invernale o quando si verificano fenomeni di autoaccensione durante la guida ad alta velocità, espongono la camera di combustione a ripetute e molto ampie escursioni termiche.
Tutti questi stress termici possono portare alla formazione di vere e proprie fratture, in particolar modo in direzione assiale all’alloggiamento della candela e, in alcuni casi estremi, le fratture possono raggiungere i condotti di raffreddamento, con risultati facilmente immaginabili.
L’utilizzo di nuovi materiali ad alta conducibilità termica, unita a nuovi metodi di circolazione del liquido refrigerante, hanno portato alla riduzione delle temperature massime sulla superficie dello statore.
Un sistema particolarmente efficiente, sviluppato dalla Curtiss-Wright, fu quello di creare un sistema a multi passaggio con flusso forzato, dove il liquido refrigerante passa avanti e indietro nei condotti ricavati all’interno dello statore, da un’estremità all’altra, in un'unica direzione.
I condotti di raffreddamento sono paralleli all’asse dell’albero motore, mentre i diametri dei condotti variano in base alla quantità di calore da asportare, in modo da aumentare la velocità del fluido refrigerante nelle zone più calde. Questo sistema garantisce un buona dissipazione di calore e bilanciamento termico, mentre le distorsioni termiche sono state ridotte grazie ad un disegno dei condotti uniforme e dallo spessore ridotto.
Le zone con le più alte temperature corrispondono alle zone soggette agli stress maggiori, ma l’aggiunta di nervature ha aiutato ad irrigidire la struttura e a migliorare il raffreddamento.
Il sistema di raffreddamento in un motore a pistone non può essere paragonato a quello di un motore rotativo; il motore a pistoni ha una più ampia superficie investita dall’aria e maggiori volumi di scambio termico (i cilindri più i carter motore), mentre il rotore, incapsulato dentro al suo alloggiamento, richiede un maggiore scambio termico.
Ad aumentare le problematiche legate all’aumento di temperatura c’è anche il fatto che il rotore si muove ad un terzo della velocità dell’albero motore, diminuendo di fatto le possibilità di smaltire calore. Se il raffreddamento del rotore fosse insufficiente, le problematiche a cui si andrebbe incontro portano all’incollaggio delle guarnizioni sulla superficie scanalata o su quella di scorrimento e i locali surriscaldamenti porterebbero a possibili detonazioni.
C’è un’importante correlazione tra le caratteristiche di raffreddamento del rotore e il suo materiale; sia l’acciaio che l’alluminio offrono ciascuno diversi vantaggi e svantaggi.
In molti hanno utilizzato l’acciaio, ritenuto più sicuro per la sua intrinseca resistenza meccanica, ma l’alluminio ha dalla sua quella di avere una minore inerzia al movimento e una maggiore conducibilità termica, anche se richiede un raffreddamento più efficiente.
Tuttavia la conformazione stessa del rotore ha fatto si che si potessero realizzare una serie di condotti interni per il passaggio dell’olio, così da facilitare la riduzione delle temperature.
L’olio lubrificante, lo stesso che lubrifica i cuscinetti principali ed eccentrici, circola all'interno del rotore, ne riduce efficacemente la temperatura, esce dal rotore stesso, viene raffreddato nel radiatore dell’olio, per venire ripompato all’interno del motore.
In fase di progetto è importante disegnare accuratamente i condotti all’interno del rotore così come è importante controllare il foro del cuscinetto centrale dove viene iniettato l’olio. L’aumento delle temperature dell’olio, il tempo che si impiega a raggiungere i valori termici ottimali e il periodo di contatto con il metallo devono essere accuratamente controllati per prevenire i fenomeni di “coking” o altre alterazione del lubrificante; mantenere sotto controllo questi parametri si traduce in un migliore efficienza dell’impianto di lubrificazione ed un conseguente miglioramento dell’affidabilità.
Il passaggio dell’olio è continuo ma la velocità e la pressione sono in funzione della velocità di rotazione del motore. La rotazione dell’albero e l’inerzia del rotore impongono un aumento di pressione, approssimativamente sinusoidale, dell’alimentazione dell’olio.
I cuscinetti del rotore hanno anelli di tenuta che permettono di controllare i trafilamenti dell’ olio, così da assicurare un’adeguata lubrificazione sui fianchi del rotore e a tutte le superfici con un elevato coefficiente d’attrito. Quando l’olio viene utilizzato per raffreddare lo statore e viene spruzzato ad alta pressione sul cuscinetto del rotore, considerevoli quantità potrebbero essere espulse sulla superficie di scorrimento se non venissero adottati efficienti anelli di tenuta per evitare sgraditi trafilamenti nella camera di combustione.
Inizialmente si era visto che durante il funzionamento una gran quantità d’olio rimaneva sui fianchi del rotore, causando grandi problemi di trafilaggio; un problema che venne risolto montando la guarnizione dell’olio tra il cuscinetto eccentrico ed il rotore, riducendo di fatto i fenomeni di blow-by.
Nelle sue prime fasi di sviluppo l’inefficacia degli anelli di tenuta rendeva i consumi d’olio estremamente elevati. Il progresso tecnologico ha però migliorato notevolmente la tenuta delle guarnizioni, portando però ad un’inaspettata problematica; in aggiunta alle complessità legate alla meccanica e alle distorsioni termiche, si sono dovute prendere in considerazione anche le diverse condizioni di lavoro che gravano sugli anelli di tenuta, in modo da crearne di specifici.
Il moto orbitale a cui sono sottoposti gli anelli di tenuta fa si che, alternativamente, vengano eliminati i depositi carboniosi e venga poi lasciato un sottile film d’olio, che indirettamente lubrifica le diverse superfici dell’apex.
Il processo di lubrificazione degli apex è molto diverso da quello per le fasce elastiche dei motori a pistoni, ed è decisamente più complesso. Durante le prime fasi dello sviluppo, sia la NSU in Germania che la Toyo Kogyo in Giappone, testarono il Wankel utilizzando olio miscelato al carburante nelle proporzioni di 50:1 o di 100:1.
Fortunatamente non è più necessario miscelare l’olio al carburante, grazie ai condotti dell’olio ricavati all’interno dei rotori, grazie anche al grande progresso tecnologico che si è avuto nella formulazione degli oli lubrificanti e dei materiali.
RENESIS: LA MASSIMA EVOLUZIONE DEL MOTORE WANKEL
La prima applicazione del motore Renesis, denominato 13B-MSP, risale al 2003 e fu ben più di una semplice evoluzione di quello montato sulla Mazda RX7.
Di questo motore ne sono state prodotte due versioni, con potenze diverse ed entrambe ad aspirazione atmosferica; una da 154Kw a 7200giri/min con 222Nm di coppia massima erogata a 5200giri/min e una versione più potente con una potenza di 184Kw a 8500 giri/min e una coppia massima di 216Nm a 5500 giri/min.
Sul motore Renesis sono stati adottati un acceleratore elettronico, due rotori più leggeri, un più alto rapporto di compressione, nuovi iniettori del carburante e un limitatore tarato a circa 9500 giri/minuto. L’evoluzione ha portato ad una spaventosa riduzione di peso di ben 36kg, in grado di offrire al guidatore doti dinamiche da vera sportiva, grazie anche ad un abbassamento del baricentro del motore di 40mm e ad un arretramento dello stesso di 60mm.
Gli ultimi sviluppi del motore rotativo hanno anche garantito una riduzione dei consumi del 40% e portato ad una drastica riduzione delle emissioni inquinanti, con meno di 19grammi di CO, 22grammi di HC e 14grammi di NOx.
Per ottenere questi risultati, che sono valse al Renesis il superamento delle severe norme antinquinamento Californiane, oltre all’utilizzo di un catalizzatore a tre vie, le luci di scarico sono state spostate lateralmente, portando ad una riduzione del 40% delle emissioni di HC. La conformazione stessa del motore rotativo, meno soggetto a fenomeni di detonazione rispetto al motore a pistoni, permette di mantenere una carburazione “magra” anche durante le fasi sotto carico, così da ridurre ulteriormente le emissioni inquinanti.
Il motore rotativo Renesis ha due o tre luci di aspirazione, a seconda della potenza erogata, con una larghezza superiore del 30% rispetto alla precedente versione, il che riduce la resistenza dell’aria aspirata.
I tempi di apertura delle porte di aspirazione è stata anticipata rispetto a prima, garantendo maggiore potenza e una migliore resa ai bassi regimi di rotazione con un generale miglioramento dell’andamento della curva di coppia.
Il motore da 247hp, l’unico commercializzato in Italia, è dotato di tre luci per ogni rotore in aggiunta alle altre due porte.
Rispetto al passato, in cui veniva utilizzata un’unica luce scarico periferica per ogni rotore, nel motore Renesis il numero delle porte è stato portato a due disposte lateralmente, sempre per ogni rotore.
Oltre all’aumento della rapidità di scarico dei gas, la disposizione laterale della porta permette un ritardo nella apertura della luce di scarico. Questo permette di eliminare l’incrocio con le porte di aspirazione e di aumentare la sezione della luce. Il risultato è un aumento della fase di aspirazione con un miglioramento del rendimento globale.
Inoltre, per ritardare l’apertura delle luci di scarico di quindici gradi, su entrambi i lati del vertice del rotore sono inserite particolari incisioni.
Gli anelli apex sono divisi in due parti, una superiore e una laterale, e sono state adottate due lamine elastiche per mantenere un più corretto contatto con lo statore.
Nei rotori del motore Renesis è stato aggiunto un anello di tenuta laterale, chiamato “cut-off seal” utile per ridurre la quantità dei gas di scarico che passano nella miscela aspirata.
La profondità della coppa dell’olio è stata ridotta sino a 40mm, circa la metà rispetto a quella di un motore tradizionale, permettendo così una riduzione di peso del motore, un posizionamento più in basso del motore e un conseguente abbassamento del centro di gravità nel veicolo.
La pompa dell’olio invia una quantità ben precisa di olio ai quattro iniettori(due per ogni rotore) per raffreddare gli anelli apex. La quantità d’olio è controllata accuratamente da un motorino “passo-passo”,in funzione del numero di giri del motore, dimezzando così il consumo d’olio rispetto al modello precedente.
Il sistema di aspirazione nel motore Renesis è stato modificato in modo da adattarsi alle diverse condizioni di velocità di rotazione del motore e alle diverse condizioni di carico.
Nel motore con la più alta potenza, con tre porte di aspirazione, ad un regime di giri inferiore ai 3250giri/min, la porta primaria rimane sempre aperta, mentre le valvole SSV(Secondary Shutter Valve) sono chiuse, in modo da mantenere alta la velocità della colonna d’aria.
A regimi compresi tra i 3250giri/min e i 5500giri/min si aprono le SSV, tramite un solenoide pneumatico; il motore utilizza così due condotti d’aria e due luci di aspirazione per ogni rotore, migliorando la coppia erogata.
Tra i 5500 e i 6250 giri al minuto, il VFAD(Variable Fresh Air Duct) apre un altro condotto tramite un attuatore pneumatico, posizionato a monte del cassonetto d’aspirazione, raddoppiando così la quantità d’aria a disposizione del motore.
Tra i 6250giri/min e i 7500giri/min le due valvole APV(Auxiliary Port Valve),una per lato controllate da un motore elettrico, aprono il terzo condotto d’aspirazione.
A questo regime tutti i sei condotti sono aperti aumentando potenza e coppia erogata.
Oltre i 7500giri/min si apre la valvola VDI(Variable Dynamic Intake), controllata da un attuatore pneumatico, che porta ad un accorciamento dei condotti di aspirazione, sfruttando meglio la frequenza delle onde di pressione per gli alti regimi.
La benzina viene immessa tramite sei iniettori, tre per rotore, denominati: Primary 1, Primary 2 e Secondary. L’iniettore Primary 1 funziona a tutti i regimi, il Primary 2 e il Secondary intervengono oltre i 3750 giri al minuto dando così modo al motore al motore di erogare tutta la potenza disponibile.
