Wankel vs. benz

WANKEL

Vs.

BENZ

Storie

Ford T (1916)

NSU Spider Wankel (1964)

Il motore rotativo fu idealizzato per la prima volta nel 1924 da un ingegnere tedesco, Felix Wankel ma fu sviluppato e costruito solo nel 1957 trasformando il compressore di una moto. Il nuovo propulsore fu esaminato e studiato da varie industrie automobilistiche le quali però decisero di non sovvenzionare ulteriori ricerche considerando più conveniente il tradizionale alternativo a pistoni. Lo stesso Wankel d'altronde aveva intuito il problema principale della sua scoperta: la delicatezza di componenti. Anche la semplicità dei componenti nel primo prototipo non era accentuata: l'innovazione decisiva fu introdotta dal Dr. Froede tra il '58 e il '60 e consisteva nel limitare il movimento al solo pistone contrariamente al modello di Wankel, in cui ruotavano sia pistone che basamento. Oggi il motore Wankel è stato ripreso in considerazione perché le nuove tecnologie e i materiali più resistenti hanno risolto, in parte, il problema dell'usura. Molte case automobilistiche hanno avviato degli studi, tra queste quella che ha più esperienza è senz'altro la MAZDA che ha già realizzato e commercializzato delle vetture dotate di questo propulsore. Bisogna dire tuttavia che per renderlo affidabile e adatto alla circolazione sulle strade pubbliche, il rotore è stato modificato e snaturato della semplicità per cui era stato pensato da Wankel e sviluppato da Froede.

L'evoluzione del motore alternativo è stato molto più veloce sicuramente grazie anche al fatto di essere stato il primo veramente funzionante. Il primo era stato realizzato nel 1854 da Eugenio Barsanti e da Carlo Matteucci. Nel 1877 fu costruito da Nikolas Otto dal quale prende il nome il ciclo 4 tempi (detto appunto ciclo Otto). La prima applicazione del motore a combustione interna ad un veicolo arriva nel 1887 con i tedeschi Daimler e Benz. La spinta in Italia è data da Enrico Bernardi che,nel 1894, costruisce una vettura con un motore a combustione interna.

Nel 1899 nasce a Torino la FIAT. Nel 1905 Vincenzo Lancia fonda a Torino l'omonima casa e un anno dopo nasce a Milano l'Alfa, che assumerà il nome di Alfa Romeo dopo la Prima Guerra Mondiale. Intanto, negli Stati Uniti la  Ford (fondata nel 1903) dispone già di una catena di montaggio e produce il modello "T". nel 1901 nasce la Mercedes.

Nel decennio 1910-1920 i motori si evolvono, con le innovazioni a livello strutturale, arrivando a potenze di 100 cavalli.  

Mazda RX-8

Mercedes C280

Composizioni

Il rotore è costituito da una parte fissa esterna (statore) nella quale è ricavata una camera di forma particolare (Trocoidale), entro cui ruota un rotore a tre lobi. Durante il moto i vertici dei tre lobi si mantengono costantemente a contatto con le pareti del contenitore. Fra statore e rotore risultano tre spazi, il cui volume varia ciclicamente per effetto della rotazione del rotore, entro i quali si susseguono le diverse fasi del ciclo descritto dal fluido attivo. Il rotore è montato su un perno eccentrico dell'albero motore al quale il moto è trasmesso mediante ingranaggi in modo che un giro dell'albero motore corrisponde a un terzo giro del rotore. Ogni fase di lavoro che comporta una variazione di volume dal minimo al massimo si verifica con una rotazione dell'albero motore di 270°. Il ciclo descritto dal fluido attivo è del tipo Otto, a quattro tempi; il fluido attivo entra ed esce attraverso aperture ricavate sulla superficie interna del contenitore e aperte e chiuse dal rotore nel suo movimento.

Il motore alternativo è costituito da una parte fissa esterna (cilindro) e un pistone che compie un moto rettilineo alternato collegato a una biella-manovella che ha il compito di trasformare tale moto in un movimento rotatorio. Questa è collegata all'albero motore che trasmette il moto alla frizione e all'albero a cammes che con i suoi "gomiti" comanda l'apertura e la chiusura delle valvole di aspirazione e scarico. L'alloggiamento delle valvole e della candela (che permette lo scoppio della miscela) si chiama testa. La parte compresa da testa cilindro e pistone dove avviene lo scoppio di chiama camera di combustione. Il ciclo è del tipo Otto e ogni fase di lavoro si compie con una rotazione di 180° dell'albero motore.

Funzionamenti a confronto

L'aspirazione avviene quando vi è una camera, aperta ad un sistema di aspirazione (carburatore, turbo), il cui volume è in espansione. In un motore a pistone questo si ha quando la valvola di aspirazione è aperta e il pistone scende. Nel motore rotativo ciò avviene quando il condotto di aspirazione non è ostruito dal rotore che con il suo moto aumenta il volume della camera di aspirazione.

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 movimento del rotore poiché questo forma con le pareti dell'alloggiamento una camera chiusa il cui volume è in diminuzione.

Il processo di combustione ed espansione comincia quando la scintilla di una candela incendia il gas compresso che si espande grazie al calore generato dalla combustione del carburante. I motori ricavano la loro potenza trasformando l'espansione del gas in lavoro. In un tradizionale motore a pistoni il gas spinge il pistone che a sua volta muove la biella e quindi l'albero. 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 tramite ingranaggi.

La fase di scarico libera la camera dai residui della combustione preparandola per un altro ciclo. Nei motori convenzionali si ottiene questo aprendo la valvola di scarico mentre il pistone sale. Nel rotativo il rotore prima apre la camera di combustione al condotto di espulsione e poi, con il suo movimento, espelle completamente i gas di scarico.

Termodinamica dei cicli

I cicli termodinamici dei due tipi di propulsore possono essere considerati analoghi analizzando il percorso di una sola camera del Wankel e di un solo cilindro dell'alternativo. Il primo tempo è caratterizzato dall'aspirazione della miscela di aria e benzina. In questo caso si ha un movimento a pressione costante (isobara). Durante il secondo tempo avviene una compressione della miscela che, per la sua velocità, può essere considerata adiabatica (senza scambio di calore con l'esterno). Lo scoppio di tale miscela, per mezzo della scintilla della candela, ha luogo mentre il pistone e il rotore sono momentaneamente fermi, uno nel punto morto superiore e l'altro nel momento in cui lo scoppio non ha ancora esercitato un lavoro su di esso. Per questo la prima parte del terzo tempo può essere chiamata isocora (senza variazione di volume). D'altra parte questa fase è caratterizzata anche dall'espansione della miscela incendiata, quindi la seconda parte del terzo tempo è adiabatica come il secondo tempo, poiché non scambia calore con l'esterno a causa della sua velocità. Questa è l'unico momento in cui il sistema compie lavoro. Infine il quarto tempo è anch'esso formato da due parti: una isocora, nel momento in cui il si ha una prima diminuzione di pressione dovuta all'apertura della valvola di scarico mentre il pistone è istantaneamente fermo al punto morto inferiore (nei motori alternativi) o dovuta al defluire dei gas all'esterno della camera nel momento in cui il condotto di scarico è già stato aperto dal rotore ma questo ancora non esercita una forza per espellere i gas (nei motori Wankel), e anche in questo caso si può considerare istantaneamente fermo il rotore;e una isobara: lo scarico vero e proprio, dove il pistone o il rotore spingono i gas fuori dalla camera senza comprimerli (poiché le valvole o i condotti sono aperti). In realtà i tempi sono una descrizione teorica e semplificata di ciò che realmente avviene nelle camere di combustione, infatti in tutte le trasformazioni si scambia calore con l'esterno, si esercita una pressione e non ci sono mai corpi realmente fermi per un istante, soprattutto per quanto riguarda il motore rotativo.

Pregi e difetti del Wankel rispetto al propulsore alternativo 4 tempi

Nel motore rotativo Wankel non ci sono valvole di alcun tipo; l'entrata della miscela aria-benzina e la fuoruscita dei gas combusti sono controllate direttamente dal rotore, che scopre alternativamente le luci di aspirazione e di scarico secondo una sequenza ben precisa, così come avviene in un motore a 2 tempi. Viene così eliminata la necessità di un qualsiasi sistema di comando della distribuzione, e ciò si traduce in una maggiore semplicità meccanica: basti dire che, rispetto a un equivalente motore a quattro tempi a pistoni alternativi, il Wankel ha appena la metà dei componenti in movimento. Esso, inoltre, è più leggero e più compatto, anche se, ovviamente, il motore rotativo ha bisogno di quasi tutti gli accessori necessari per far funzionare un propulsore tradizionale: sistemi di avviamento, di raffreddamento, di accensione, di alimentazione e componenti necessari a equiparare l'affidabilità di un alternativo. Una volta corredato con tutti questi accessori, il Wankel perde buona parte dei suoi vantaggi in termini di leggerezza e di minor ingombro, ma conserva comunque caratteristiche decisamente interessanti e, cioè, dolcezza di funzionamento e assenza pressoché totale di vibrazioni. Queste qualità vengono ancor più esaltate nelle versioni birotore, ossia con due rotori sfasati di 180°. Non essendoci componenti in moto alternato, le fonti di vibrazioni del Wankel sono già molto ridotte e l'impiego di due rotori contribuisce in maniera determinante a bilanciare le forze dinamiche generate dai rotori stessi. Il fatto di non necessitare di alcun tipo di distribuzione permette l'utilizzo del rotore anche a regimi dannosi per un alternativo (può raggiungere i 13000 giri al minuto) che ne hanno favorito, insieme alla leggerezza dei componenti, negli ultimi anni, l'investimento di alcune aziende famose nel mondo dei kart professionali (Italsistem e Aixro), tuttavia è ancora indiscusso il "dominio" dei propulsori 2 tempi (che del resto coniuga i pregi del Wankel e dell'alternativo in una fase che dura solamente 90 gradi) in questa categoria. La caratteristica più interessante del rotore epitrocoidale è però quella di aspirare la miscela e comprimerla in due camere distinte, escludendo quindi ogni possibilità di auto accensione e ritorno di fiamma anche nel caso di un'alimentazione ad idrogeno.

La ragione principale della mancata affermazione del motore Wankel risiede nell' incompleta combustione della miscela aria-benzina, che provoca un elevato consumo di carburante e un elevato livello di emissione nocive, in particolare di idrocarburi incombusti. I problemi di tenuta dei segmenti rettilinei, anziché circolari, sono stati risolti in maniera soddisfacente tuttavia resta la problematica della rapida usura di questi e di altri componenti. Il maggior consumo è dovuto anche ad una dispersione copiosa di calore dovuto al rapporto elevato tra superficie e volume e il consumo dei componenti al fatto che tra la camera di aspirazione e quella di scarico si possono creare differenze anche di 850 gradi con un elevato stress termico. Inoltre, il campo di utilizzazione del Wankel è notevolmente più ristretto rispetto a quello di un motore alternativo, e ciò lo rende poco adatto a un impiego che richiede molta elasticità e delle curve di coppia e di potenza quanto più piatte possibilie un buon freno motore, praticamente assente nel rotativo. Infine nonostante la maggiore quantità di componenti il motore alternativo resta meno costoso da produrre.

Guido Guidi di F. T. Marinetti (1916)

Bibliografia

-Colombo- Manuale dell'ingegnere- Edizioni Hoepli

-Natoli- Il motore rotativo a combustione interna 1° e 2° parte- Vroom 204 (agosto 2006) e 205 (settembre 2006)

-Bergamaschini, Marazzini, Mazzoni- L'indagine del mondo fisico Volume C (Calore e termodinamica)- Carlo Signorelli Editore

Sitografia

-Luca Ferranti- Motore Wankel: limiti e prospettive-https://users.webmail.it/cultura/motore_wankel

-Wikipedia- Felix Wankel- https://it.wikipedia.org/wiki/Felix_Wankel

-Wikipedia- Motore Wankel- https://it.wikipedia.org/wiki/Motore_Wankel

-Wikipedia- Motore quattro tempi- https://it.wikipedia.org/wiki/Motore_a_quattro_tempi