Il motore Wankel

 

Tratto dalla rivista " Albert " della facoltà di ingegneria

testo di:

Marco Lenzi

(marcolenzi@inwind.it)

Irene Pianigiani

(irenepianigiani@interfree.it)

 

animazioni e immagini:

Davide Cesare

postmaster@ingegnerando.it

 

 

 

Il motore Wankel

Una delle caratteristiche meno attraenti del tradizionale motore alternativo a combustione interna è costituita dal fatto che il moto del pistone è di tipo rettilineo alternato e quindi, per ottenere un moto di rotazione, bisogna ricorrere ad un manovellismo di spinta. Il pistone è così soggetto a sollecitazioni elevate perché, ad ogni inversione del moto, in corrispondenza dei due punti morti, deve decelerare fino a fermarsi per poi accelerare riprendendo il moto in verso opposto, il che comporta una rilevante discontinuità di funzionamento ed elevate vibrazioni che riducono il rendimento complessivo.

 

Furono questi i motivi che spinsero Felix Wankel nel 1954 a ideare un propulsore che non avesse il problema delle masse dotate di moto alterno. II sig. Wankel, che paradossalmente non conseguì mai una laurea in ingegneria e non prese mai la patente di guida, progettò così un motore a combustione interna volumetrico (che prenderà poi il suo nome) i cui organi principali erano dotati di moto rotatorio attorno ad un asse fisso.

 

 

SCHEMA DI FUNZIONAMENTO:

II motore rotativo Wankel è costituito schematicamente da una parte fissa esterna (statore) entro cui ruota un rotore a tre lobi. Durante il moto, i vertici dei tre lobi si mantengono costantemente a contatto con le pareti dello statore. Tra quest'ultimo ed il rotore si creano tre spazi, i cui volumi variano ciclicamente per effetto della rotazione del rotore, entro i quali si susseguono le quattro fasi del funzionamento.

Aspirazione

La fase di aspirazione della miscela aria-benzina inizia quando il volume della camera in cui sbocca il condotto di aspirazione incomincia ad aumentare, creando così una depressione che richiama la miscela all'interno dello statore. In un motore alternativo a quattro tempi questo si ha quando la valvola di aspirazione è aperta e il pistone scende verso il punto morto inferiore. Nel motore rotativo ciò avviene quando il condotto di aspirazione non è ostruito dal rotore, che con il suo moto rotatorio determina un aumento di volume della camera e apre le luci di aspirazione.

 

Compressione

Una camera chiusa il cui volume è in diminuzione descrive il processo di compressione. Un motore a pistone è in fase di compressione quando tutte le valvole sono chiuse e il pistone sta salendo. La compressione nel motore rotativo dipende esclusivamente dal proseguimento del movimento del rotore che, in un primo momento, chiude la luce di aspirazione creando uno spazio chiuso compreso tra la sua parete e quella dello statore e, successivamente, riduce questo spazio, cosicché la miscela aspirata viene compressa.

 

Combustione ed Espansione

Quando la compressione ha raggiunto il valore ottimale, scocca la scintilla attraverso gli elettrodi della candela; ha così inizio la fase di combustione e la conseguente espansione dei gas; i motori ricavano la loro potenza trasformando l'espansione del gas in lavoro. In un tradizionale motore alternativo il gas spinge il pistone che a sua volta muove biella e manovella e quindi l'albero motore. Nel motore rotativo questa forza fa muovere il rotore nella direzione in cui la camera contenente il gas in combustione si espande e di conseguenza fa ruotare l'albero eccentrico. Per come è concepito il motore Wankel, il momento risultante delle pressioni dei gas agenti sulle superfìci del rotore è nullo rispetto al baricentro del rotore stesso, mentre se prendiamo come centro di riduzione l'asse dell'albero motore, la risultante delle sopra citate pressioni è diversa da zero e pari alla coppia motrice (se si trascurano gli attriti e gli effetti delle tenute sul rotore stesso). Espulsione

La fase di scarico libera la camera dai residui della combustione preparandola per un altro ciclo. Nei motore quattro tempi questo avviene quando la valvola di scarico è aperta mentre il pistone sale verso il punto morto superiore. Nel Wankel il rotore ruota riducendo il volume della camera, in corrispondenza della luce periferica di scarico, permettendo così la fuoriuscita dei gas combusti.

 

 

 

 

Compressione

Espulsione

COSTRUZIONE DEL MOTORE

Il rotore è forato al centro ed il foro è suddiviso in due zone affiancate adibite a funzioni differenti: la zona principale, cilindrica e liscia, costituisce l'elemento esterno di un supporto (a rullini oppure a cuscinetto liscio), entro il quale ruota un perno eccentrico calettato sull'albero motore e attraverso il quale il rotore trasmette la potenza all'albero; l'altra è costituita da una corona dentata che ingrana su un rocchetto, anch'esso dentato, solidale con la parte fìssa del motore. Questo ingranaggio ha la funzione di guida, cioè di mantenere l'esatta posizione del rotore durante il suo moto (il numero dei denti delle due ruote dentate sta esattamente nel rapporto esistente fra il numero di lobi del rotore e della camera, nel caso Wankel 3:2). È da notare che per una rotazione di un angolo pari a 360° dell'albero motore il rotore compie, tornando in una configurazione analoga alla precedente, un angolo pari a 120°.

Il motore Wankel ha un ciclo termodinamico analogo a quello di un motore a quattro tempi alternativo, con la differenza che in quello rotativo il ciclo si svolge in tr e giri dell'albero motore, mentre per l'alternativo in due giri dell'albero motore.

Lo statore ha la camera interna con profilo epitrocoidale. Nello statore sono presenti le luci per l'aspirazione della miscela aria-carburante e per lo scarico dei gas combusti e sono poste all'altezza dei volumi adibiti alle rispettive fasi. Le luci di alimentazione sono poste lateralmente sul carter (luci laterali) e sulla pista trocoidale (luci periferiche), mentre quelle di scarico sono esclusivamente luci periferiche. La diversità tra le luci periferiche e laterali sta nel fatto che le periferiche sono usate esclusivamente per gli scarichi; infatti con questa soluzione il flusso viene solamente deviato, mentre le luci di aspirazione sono spesso laterali, con soluzione mista per gli alti regimi di rotazione. Adottando la soluzione con luci laterali, il flusso viene interrotto dal passaggio del rotore stesso sulla luce, situazione che non si presenta con luci periferiche. La scelta di avere luci di aspirazione laterali anziché periferiche sta nel fatto che con le prime si riduce notevolmente l'incrocio evitando problemi di cortocircuito e di riflussi , mentre con la seconda soluzione si ha un forte incrocio. La soluzione fluidodinamicamente migliore è quella mista, con luce primaria laterale sfasata in ritardo per minimizzare l'incrocio e la seconda luce periferica in forte ritardo in chiusura, per massimizzare il riempimento soprattutto agli alti regimi. Nell'altro volume, quello adibito allo scoppio, è posta la candela. Trovare l'esatta collocazione nello statore di quest'ultimo elemento, ai fini di una ottimale combustione della carica, è tutt'altro che semplice data la caratteristica forma della camera di combustione poiché si creano due sacche separate. La candela non può essere messa in prossimità della strozzatura, ma in una zona ampia della camera di combustione, per favorire la propagazione del fronte di fiamma. Allora dobbiamo pensare ad un'altra soluzione.

1) Se la candela è posta in forte ritardo angolare (a valle dell'asse minore dell'epitrocoide), si avrebbe il vantaggio di poter ricevere nella zona di accensione la miscela combustibile, ma si ha lo svantaggio che le sacche a monte non riceverebbero facilmente i gas in via di combustione, a causa della strozzatura esistente in prossimità dell'asse minore dell'epitrocoide.

2)Se la si posiziona in prossimità dell'asse minore dell'epitrocoide o sfasata angolarmente in anticipo, si ha l'inconveniente di non poter favorire l'accensione della carica a valle; questa problematica è accentuata dal fatto che le sacche a valle sono spinte verso la luce di scarico dal moto del rotore stesso. Questo da luogo ad una forte formazione di incombusti che passano allo scarico. La soluzione ottimale è quella di posizionare due candele: una in prossimità dell'asse minore dell'epitrocoide ed una spostata con forte ritardo angolare. Queste sono dotate ciascuna di un proprio impianto distributore che comanda l'accensione e la fasatura in funzione del regime di rotazione e delle condizioni di carico. Questo sistema permette di innescare la combustione in più punti, scavalcando il problema della forma allungata della camera di combustione e rendendo così la combustione più omogenea possibile, con conseguente miglior aumento del rendimento interno del motore.

Inoltre, per facilitare la combustione, vengono praticate delle cavità sulle facce del rotore, in modo da concentrare una maggior quantità di miscela nei pressi delle candele e conferire alla camera una forma più regolare. Le tre "punte" del rotore vengono tenute in continuo contatto con le pareti dello statore dalle tenute d'apice, mentre le tenute laterali assicurano la tenuta in corrispondenza delle facce anteriore e posteriore, cioè rispetto alle piastre di chiusura. Forse questo è uno dei problemi più diffìcili da risolvere riguardo la costruzione ed il funzionamento del motore Wankel, poiché le guarnizioni degli spigoli e delle facce laterali del rotore sono soggette ad un'usura molto elevata. In un motore a pistoni le aree di fuga sono assimilabili a corone circolari determinate dai giochi tra canna del cilindro e parete laterale del pistone, cosicché sono sufficienti elementi di tenuta ad anello elastico agenti in espansione; nei motori Wankel invece, essendo gli accoppiamenti a sezione poligonale, il dispositivo di tenuta deve essere composto da più segmenti in corrispondenza degli apici del rotore. Il sistema laterale di tenuta è indispensabile, oltre che per mantenere la compressione, per evitare il trafilamento dell'olio che circola abbondantemente all'interno del motore per lubrificare l'accoppiamento rotore-eccentrico e garantire il raffreddamento del rotore stesso. Esso è formato da una piastra che poggia su ciascuna faccia piana dello statore e da segmenti di tenuta. La presenza di un così gran numero di elementi rende particolarmente difficoltoso l'ottenimento di un buon livello di sigillatura, considerando anche le alte temperature di funzionamento e le conseguenti dilatazioni termiche delle parti mobili. È certo che non possiamo dire quale tra i due motori, Wankel e alternativo, sia il migliore: ognuno di questi possiede caratteristiche costruttive e di funzionamento differenti. Possiamo, però, analizzare quali siano i pregi e i difetti del Wankel rispetto al più tradizionale motore a pistoni.

Pregi & Difetti