Wankel vs. Benz

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.