Motore Wankel

La storia e il funzionamento del motore rotativo.

7 maggio 2006

L’originalissimo motore rotativo che spinge la Mazda RX-8 è il risultato di quasi 80 anni di ricerca e sviluppo tecnologico: un processo cominciato con il sogno di un diciassettenne, il pioniere del motore rotativo Felix Wankel, e proseguito negli ultimi anni grazie alla determinazione della casa giapponese.

Che cos'è?
In un motore a quattro tempi tradizionale, nello stesso cilindro avvengono quattro diverse operazioni: aspirazione, compressione, combustione e scarico.
Nel motore rotativo, invece, ciascuna di queste quattro fasi avviene in una sezione diversa dello statore. È come se vi fosse un cilindro dedicato a ciascuna delle quattro corse.

In un motore a pistoni, la pressione di espansione creata dalla combustione della miscela aria-carburante aziona i pistoni, che si muovono avanti e indietro all'interno dei cilindri. Le bielle e un albero a gomiti convertono questo movimento lineare nel movimento rotatorio necessario per la trazione dell'auto.

In un motore rotativo, non vi è nessun moto lineare da convertire. La pressione è contenuta all'interno di camere create da diverse aree dello statore e dai lati convessi di un rotore triangolare. Quando avviene la combustione, il rotore comincia subito a girare, riducendo così le vibrazioni e aumentando i potenziali giri del motore. L'aumento di efficienza che ne consegue fa sì che il motore, a parità di prestazioni di un motore a pistoni tradizionale, possa essere molto più piccolo.

Come funziona?
Il componente principale del motore rotativo è il rotore

triangolare che ruota all'interno di una camera ovaliforme (statore) in modo tale che i tre lobi del rotore siano costantemente in contatto con la parete interna della camera, formando tre volumi di gas o camere di combustione chiuse. Di fatto, ciascuno dei tre lobi del rotore funge da pistone. Con il movimento del rotore all'interno dello statore, le tre camere cambiano forma e dimensioni, producendo un'azione di pompaggio.
Al centro del rotore, si trova una piccola ruota dentata, fissata alla camera. Una ruota più grande, dentata all'interno, si accoppia con questa ruota fissa, determinando il percorso che il rotore seguirà all'interno della camera.
Poiché il rotore è montato in posizione sull'albero motore, esso lo fa ruotare con lo stesso movimento di una manovella d'avviamento, per cui a ciascuna rotazione del rotore corrispondono tre giri dell'albero motore.
Ogni fase del processo di combustione avviene in una sezione diversa della camera: 1/aspirazione 2/ compressione 3/ accensione 4/ combustione 5/ scarico

Un po’ di storia…
James Watt, inventore del motore a vapore a movimento rotativo, intraprese anche alcune ricerche sul motore a combustione interna di tipo rotativo. Specialmente negli ultimi 150 anni, sono stati numerosi gli inventori che hanno proposto progetti di motori rotativi.
Già nel 1846 era stata progettata la struttura geometrica della camera operativa tuttora utilizzata nei motori rotativi e fu concepito il primo motore con curva epitrocoide (la curva epitrocoide è una forma geometrica creata da un punto su un cerchio che ruota senza scivolare sull'esterno di un cerchio più grande).

Nel 1924, quando, all'età di 22 anni, Felix Wankel cominciò a sviluppare il suo motore rotativo, non era ancora stato raggiunto nessun risultato pratico. Wankel condusse delle ricerche analizzando diversi tipi di motori rotativi e progettò la forma ottimale dello statore trocoidale. In collaborazione con la casa motociclistica NSU, gli anni dedicati da Wankel alla ricerca e allo sviluppo culminarono infine, nel 1957, nel primo motore rotativo DKM tipo Wankel. Il DKM dimostrò che il motore rotativo non era soltanto un sogno.

Ma la struttura era complessa in quanto ruotava anche lo statore trocoidale e questo rendeva il motore rotativo poco pratico. Un anno più tardi, venne tuttavia messo a punto il motore KKM con statore fisso. Era il prototipo dell'attuale motore rotativo Wankel e, nel novembre 1959, la NSU annunciò ufficialmente la realizzazione del motore rotativo Wankel.

Il presidente della Mazda, Tsuneji Matsuda, intuì le potenzialità del motore e negoziò personalmente un contratto di collaborazione con la NSU. Nel 1963, sotto la guida di Kenichi Yamamoto, il nuovo reparto di sviluppo RE (Rotary Engine) intraprese lo sviluppo del primo motore rotativo prodotto in serie.

Il 30 maggio 1967, Mazda cominciò a vendere la Cosmo Sport, la prima auto con un motore rotativo a due rotori di tipo 10 A, in grado di sprigionare una potenza di 110 CV. Ulteriori perfezionamenti consentirono di ridurre sia le emissioni, in conformità alle normative ambientali sempre più rigorose, sia i consumi di carburante, ridotti di oltre il 40%. Nel 1970, il numero complessivo di automobili con motore rotativo prodotte aveva raggiunto le 100.000 unità. Nel 1975, erano già 500.000 e, nel 1978, si raggiunse il

traguardo del milione.
Da allora Mazda non ha mai interrotto lo sviluppo di questa particolare tecnologia, arrivando ad ottenere perfino una storica vittoria alla 24 Ore di Le Mans del 1991 con la 787B pilotata da Weidlre, Herbert e Gachot.

I vantaggi
È più leggero: non essendoci bisogno dei pistoni, delle bielle e dell'albero a gomiti, il blocco motore principale del motore rotativo è più piccolo e quindi più leggero, il che assicura una maggiore maneggevolezza e migliori prestazioni.

È più piccolo: a parità di rendimento, il motore rotativo ha dimensioni molto più contenute rispetto al motore tradizionale. Il nuovo RENESIS ha più o meno le stesse dimensioni di un piccolo motore a quattro cilindri in linea. Le dimensioni contenute del motore rotativo non rappresentano un vantaggio solo in termini di peso, ma garantiscono anche una maggiore maneggevolezza, un posizionamento ottimale della trasmissione e maggiore spazio a disposizione del conducente e dei passeggeri.

Meno vibrazioni: tutti i componenti di un motore rotativo ruotano continuamente in un'unica direzione anziché cambiare bruscamente direzione come avviene per i pistoni nel motore tradizionale. I motori rotativi sono anche equilibrati internamente per minimizzare i livelli di vibrazione.

Più potenza: l'erogazione di potenza di un motore rotativo è più uniforme. Dal momento che ogni evento di combustione si protrae per 90 gradi della rotazione del rotore e che a ciascuna rotazione del rotore corrispondono tre giri dell'albero motore, ogni evento di combustione si protrae per 270 gradi della rotazione dell'albero motore. Quindi un motore a rotore singolo eroga potenza per tre quarti della rotazione dell'albero motore. Nel motore a pistone

singolo, la potenza viene invece erogata solo per ogni quarto di ciascuna rotazione dell'albero motore.

Maggiore affidabilità: il motore rotativo ha un numero di parti in movimento minore rispetto ad un motore a quattro tempi con caratteristiche analoghe. Un motore rotativo a due rotori ha tre parti principali in movimento: i due rotori e l'albero motore. Anche il più semplice motore a quattro cilindri ha almeno 40 parti in movimento, tra cui pistoni, bielle, albero a camme, valvole, molle di richiamo e bilancieri per valvole, cinghia di distribuzione, ingranaggi della distribuzione e albero a gomiti.

Questi i vantaggi, controbilanciati storicamente da un consumo di carburante e olio superiore ad un corrispondente propulsore tradizionle (anche se con la RX-8 sono stati compiuti dei progressi anche su questo fronte) e una diffusione limitata, che impone di fatto di rivolgersi solo all’assistenza ufficiale per eventuali interventi.

Il motore RENESIS
Il nome "RENESIS" deriva dalla fusione delle iniziali di "ROTARY ENGINE" e della parola "GENESIS". Si tratta di un nuovo approccio tecnico, che ha rivoluzionato la concezione del motore rotativo, unendo, con grande eleganza, prestazioni elevate e un basso livello di consumi di carburante e di emissioni.

Il punto di partenza per lo sviluppo è stato il motore rotativo MSP-E (multi-side port), presentato per la prima volta sulla Mazda RX-01 al Salone dell'auto di Tokyo del 1995 e, successivamente, in versione perfezionata, sulla concept car a quattro porte RX-EVOLV, al Salone dell'auto di Tokyo del 1999. RENESIS rappresenta la versione definitiva del motore, destinata alla produzione. Dopo anni di sviluppo mirato, questa versione verrà montata sulla nuovissima Mazda RX-8.

La motorizzazione RENESIS è disponibile nelle due versioni: ad alta potenza (170 kW (231 CV), con una coppia di 211 Nm a 5.500 giri/min.) e standard (141 kW (192 CV), con una coppia di 220 Nm a 5.000 giri/min.), quest'ultimo non disponibile sul mercato italiano.

Le caratteristiche progettuali di RENESIS differiscono profondamente rispetto a quelle degli attuali motori rotativi, in quanto lo scarico laterale consente di incrementare in modo sostanziale l'efficienza del motore. RENESIS è anche munito di nuovi iniettori di carburante in grado di creare una micronizzazione ultrafine e che, insieme alle candele ad alte prestazioni, consentono una combustione ottimale della miscela carburante-aria. Il collettore a doppia parete mantiene temperature di scarico elevate, riducendo il tempo necessario per riscaldare il catalizzatore. Nel nuovo sistema ultrapiatto di lubrificazione a carter umido, la coppa dell'olio ha una profondità di soli 40 mm, vale a dire la metà rispetto ai comuni motori rotativi.

Infine, i tecnici Mazda sono molto orgogliosi anche di un altro aspetto, non meno importante per gli appassionati: il “canto” del RENESIS, tutto da ascoltare…