Parte della mia "Area di Progetto" per l'esame di maturità riguardava il motore rotativo... :roll:
...quindi qualcosa ve la posso postare anche io....
Funzionamento e caratteristiche principali:
Una delle caratteristiche meno attraenti del tradizionale motore a pistoni per automobili è costituita dal fatto che esso è una macchina complessa:
- Numerose parti in movimento oltre i pistoni ( valvole, leve, pompe, bielle, albero a camme, ecc..)
- Meccanica varia ( carburatore, lubrificazione, ecc..)
- Ciclo a 4 tempi, dei quali solo uno (lo scoppio) produce energia meccanica.
Ma il suo vero “ tallone d’Achille “ sta nel fatto che per ottenere un moto di rotazione, cioè del tipo necessario per far girare le ruote e, quindi, consentire l’avanzamento del veicolo, bisogna ricorrere ad un albero a gomiti. Ovviamente, se i pistoni potessero ruotare anziché muoversi in linea retta e invertire continuamente il loro senso di spostamento come avviene in un motore tradizionale, ne deriverebbe una notevole semplificazione meccanica. Il moto dei pistoni infatti, potrebbe essere trasmesso direttamente al cambio di velocità senza dover esser trasformato in rotativo mediante un complesso e delicato imbiellaggio e senza avere durante il ciclo i tipici punti morti, ossia istanti, sia pure brevissimi, in cui il pistone è fermo e sta per cambiare direzione; inoltre non va dimenticato che il pistone di un motore alternativo è soggetto a sollecitazioni elevatissime, perché ad ogni inversione è soggetto ad una decelerazione seguita da una accelerazione, il che, comporta una rilevante riduzione del rendimento complessivo a causa di vibrazioni, attriti e inerzia.
Solo in tempi recenti, e solo per le forti pressioni sulle case automobilistiche quanto all’inquinamento e ai consumi, si è giunti a progettare e realizzare motori che non siano motori a scoppio a pistoni. Del resto, per una qualsiasi azienda, commercialmente conviene più migliorare l’esistente che creare qualcosa di assolutamente nuovo.
Finora solo uno dei progetti realizzati nel corso degli anni può vantare un’applicazione pratica di un certo rilievo, quello ideato e sviluppato dal progettista tedesco Felix Wankel nel 1954; egli ebbe l’idea di convogliare in un percorso approssimativamente circolare i 4 tempi del “ ciclo otto “ dei motori a scoppio. Un motore rotativo dovrebbe essere in grado di offrire una notevole riduzione sia nelle dimensioni sia nel numero delle parti in movimento e dovrebbe costituire un’unità motrice leggera e affidabile, capace di funzionare senza dar luogo a vibrazioni di rilievo, avendo il vantaggio di essere composto da solo due parti in movimento.
Il cuore del Wankel è il “pistone”, un rotore prismatico a base triangolare equilatera con lati leggermente convessi; il rotore è contenuto all’interno di una carcassa, o statore, nella quale sono praticate luci per l’aspirazione della miscela aria-carburante, preparata da un carburatore, e per lo scarico dei gas incombusti. La cavità interna dello statore ha una sezione che ricorda un’ellisse schiacciata con due rientranze (lobi) agli estremi dell’asse minore; le basi dello statore sono costituite da due pareti piane, che presentano centralmente un foro per il passaggio dell’albero motore; girando all’interno della carcassa con un particolare movimento orbitante, il rotore forma tre camere il cui volume varia ciclicamente: idealmente sarebbe come avere tre cilindri senza il limite del loro movimento lineare; nelle tre camere si compiono contemporaneamente tre cicli Otto a quattro tempi, sfasati tra loro di 120°.
Le fasi di un motore Wankel sono le stesse di un motore tradizionale, cambia solo al dinamica all’interno del cilindro e la trasmissione dell’energia meccanica all’asse di trazione:
Aspirazione: l’aspirazione avviene quando vi è una camera, aperta ad un sistema di aspirazione (carburatore o 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.
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 movimento del rotore poiché questo forma con le pareti dell’alloggiamento una camera chiusa il cui volume è in diminuzione.
Combustione ed espansione: 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.
Espulsione: 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 il gas di scarico.
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 cosi una depressione che richiama la miscela all’interno dello statore. Proseguendo nel suo movimento, il rotore provoca una riduzione dello spazio compreso tra la sua parete e quella dello statore, cosicché la miscela aspirata viene compressa; quando la compressione ha raggiunto il valore ottimale, scocca la scintilla attraverso gli elettrodi della candela ed ha così inizio la fase di combustione, e quindi l’espansione dei gas; la conseguente pressione agisce sul rotore costringendolo a proseguire nel suo moto rotatorio.
Terminata la fase di espansione, si ha un’altra riduzione di volume, questa volta in corrispondenza del condotto di scarico; in questa fase i gas combusti vengono così spinti fuori dal motore. Il ciclo di funzionamento del motore Wankel è quindi, uguale a quello di un classico motore alternativo a pistoni, ma avendo il rotore tre lati uguali, il processo avviene in modo sequenziale 3 volte ad ogni giro del rotore stesso (corrispondente a 2 giri dell’albero motore), con un notevole vantaggio ai fini della potenza erogata e della regolarità di funzionamento.
Al centro del rotore è calettata una ruota dentata a denti interni (corona rotorica) che ingrana con una ruota a denti esterni solidale alla piastra di chiusura dello statore (pignone statorico) e coassiale con i perni di banco dell’albero motore; la corona rotorica rotola sul pignone senza strisciare su di essa. Il rotore presenta un foro centrale di grande diametro dotato di una grossa bronzina anulare nel quale ruota un eccentrico cilindrico calettato sull’albero motore. Le pressioni che vengono esercitate sul rotore dai gas in espansione sono trasmesse tramite l’eccentrico sull’albero motore, che perciò, viene anch’esso trascinato in rotazione. Al pignone statorico è affidato il compito di costringere il rotore a seguire un’orbita eccentrica, tale da garantire il contatto costante degli elementi di tenuta contro le pareti interne dello statore. Come nelle auto con motore a pistoni, dall’albero motore il moto passa direttamente al gruppo frizione e, quindi al cambio, da dove viene trasmesso alle ruote motrici.
Particolarità
Nel motore Wankel non ci sono valvole di alcun tipo; l’entrata della miscela aria-benzina e la fuoriuscita 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 4 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 ha bisogno di quasi tutti gli accessori necessari per far funzionare un propulsore tradizionale: sistemi di avviamento, di raffreddamento, di accensione, di alimentazione, etc. Una volta corredato con tutti questi accessori, il motore rotativo 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.
A parità di cilindrata il Wankel eroga una potenza superiore a quella di un tradizionale motore a pistoni alternativi; tenendo presente che in 2 giri dell’albero motore di un birotore avvengono 6 “scoppi” contro i 2 di un bicilindrico alternativo a 4 tempi.
Limiti del Wankel
Da quanto detto fino a questo momento, il motore rotativo avrebbe dovuto soppiantare il complicato e traballante motore alternativo. Se ciò non è accaduto lo si deve anche ai notevoli problemi di natura tecnica che emersero sin dalle origini. Tra questi quello che ha dato più filo da torcere ai progettisti è senz’altro l’usura degli elementi di tenuta. Oltre che in corrispondenza degli apici, il pistone rotante deve essere dotato di elementi elastici che assicurano anche la tenuta in corrispondenza delle facce anteriore e posteriore, cioè rispetto alle piastre di chiusura. Per far fronte a questa esigenza, sono state adottate “fasce elastiche” di tipo composito: agli effetti pratici si è dovuto ricorrere a elementi di giunzione piuttosto complicati che, grazie a lunghi anni di sviluppo, hanno consentito di raggiungere un sufficiente grado di affidabilità e funzionalità, pur manifestando ancora oggi qualche limite quanto a durata. Infatti agli alti regimi di rotazione, i segmenti apicali, per effetto della forza centrifuga, vengono spinti con una pressione molto elevata contro le corrispondenti pareti dello statore; di conseguenza, l’attrito aumenta notevolmente, come pure le sollecitazioni termiche e meccaniche. Parallelamente si ha un eccessivo assorbimento di potenza, nonché una rapida usura dei bordi di tenuta; per contro quando il rotore gira a bassa velocità, la pressione degli elementi di tenuta è addirittura insufficiente, tanto da rendere necessario l’impiego di speciali molle di spinta.
La Mazda RX-8 e il motore Renesis
Per vari motivi che abbiamo già citato, le case automobilistiche non hanno mai intrapreso in maniera decisa lo sviluppo di un motore rotativo del tipo ideato da Wankel. L’unica è stata la Mazda, che specialmente sui prototipi e sulle vetture da competizione, ha presentato una soluzione con tali caratteristiche.
E il lavoro compiuto ha portato i suoi, dicono, ottimi frutti; infatti la Mazda RX-8 è la prima vettura di serie a montare un motore rotativo di ultima concezione, chiamato
“Renesis” che 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 sarà disponibile nelle due versioni: ad alta potenza (177 kW = 240 CV, con una coppia di 211 Nm a 5.500 rpm) e standard (141 kW = 192 CV, con una coppia di 220 Nm a 5.000 rpm).
Le caratteristiche progettuali del 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. Il Renesis è anche munito di nuovi iniettori di carburante in grado di creare una vaporizzazione 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.
